漫談工業項目低壓電氣裝置設計要點

（金隆銅業有限公司，安徽 銅陵 244000）

電氣設計師在開展工業項目的電氣設計之前，首先需要掌握國家標準。低壓電氣裝置設計的核心思想是電氣安全、穩定可靠和經濟實用。再者，開展深度調研，對項目所在地的環境條件、安裝方式以及使用習慣有所掌握，對在不同環境條件下體現出來的不同性質與不同程度的潛在的電氣危險，應分類采取相應的防范措施。

1 深入調研

工業項目在收資過程中，應該注重對當地自然環境條件和供電環境的等方面的資料收集工作。在《工業與民用供配電設計手冊》第四版中，詳細闡述了電氣設備及導體的正常使用條件以及在不滿足正常條件時，設計中應采取的相應措施。

一般情況下，影響電氣設計的環境條件因素存在以下幾種情況：當海拔高于1000m時會降低電氣裝置的絕緣同時提高溫升，應進行修正；在風速較大的地區，應對架空線路、桿塔、屋頂設置的電氣裝置等提出抗風措施；在干熱、濕熱地區的電氣裝置宜選用干熱、濕熱型專用電氣產品，并應視情況積極采取防潮、防水、防霉、防銹等干預手段；應注意提高電氣設備的防護等級；在存在酸堿腐蝕、鹽霧等情況的地區，電氣設備應該采用防腐型，電纜保護管、裸露外殼的設備、橋架等應采用氣璃鋼或不銹鋼等材質，至于保護層可采取熱鍍鋅、涂防腐材料等方式；在土壤的電阻率比較高的地區，應當適當的采取相應的措施來降低接地電阻，比如利用建筑物的基礎做聯合接地、加打人工接地極、降阻劑等；在頻繁受雷災害的地區，應注意防雷措施，例如按規范等級設置接閃器、必要時假設避雷針、電源進線處設置浪涌保護器等；在有白蟻或鼠類等蟲害的地區，電纜溝及入戶管溝處應做好密封防堵的工作，應該選用壁厚質硬的PVC管材，以及帶鎧裝外護套的電纜，并在必要時選用防白蟻電纜；電氣裝置必須滿足抗震要求；為了選擇最佳的供電網絡接線方式，還須了解當地電網結構等信息。

2 了解電力負荷的特性

工業項目中電力負荷應用最為廣泛的就是感應電動機。

2.1 感應電動機的安裝功率

大多數電機都標明額定功率Pn（單位：kW）表示其機械軸額定輸出的功率。

需要注意的是，安裝功率指的是電氣裝置在工作中所有耗能設備額定功率之和，而不是指電機的實際供電功率。

2.2 感應電動機的視在功率

安裝視在功率Sa（單位：kVA）通常被認為是各個負載視在功率的算術和。但是，視在功率的最大估算值并不簡單的等于全部負載的安裝視在功率之和。這一數值需求可以根據其額定輸出功率、電機效率和功率因數的函數來求得。

需要注意的是，全廠負荷的視在功率并不是將單個負載計算出來的視在功率額定值簡單的累加（所有的負載都具有相同的功率因數除外）。

2.3 感應電動機的啟動電流和超瞬態電流

感應電動機的啟動電流是啟動瞬間電機的轉速為零時的堵轉電流，典型值大約為額定電流的5～7倍。通過使用Y-Δ起動裝置、靜態軟起動裝置或者變頻器的相關設備，可以大大的降低起動電流。

電機的超瞬態電流峰值，典型值大約為額定電流的12～15倍，有時甚至高達25倍。因此斷路器、接觸器和熱繼電器的選擇應能應對電機啟動時非常高超瞬態電流。

2.4 全廠實際視在功率最大值的估算

并非所有單個負載都能以滿額定功率的狀態工作，也并非所有單個負載能在同一時刻同時運行。電氣裝置選型時，可以根據需要系數和同時系數來確定最大功率和視在功率。

需要系數：在正常條件下，負載的實際消耗功率一般會小于額定功率。因此該系數必須應用于每個單獨負載，特別是電機。因為通常情況下，電機很少會工作在滿負荷狀態。

同時系數：該系數主要是考慮根據以往工廠實際運行經驗，所有的指定設備并不會同時工作，也就是說存在著不同程度的分散使用的情況。其定義為：在指定的時間內的一組電器，其最大功率需求與他們同期單獨最大功率之和的比例。按照這個定義，其值總是≤1。

3 基于規范的導體選擇及保護

3.1 概述

對裝置的供電需要敷設電纜并對其電氣設備進行研究，從裝置電源——各中間級——末級回路。

從裝置的可靠性和安全性考慮，電纜敷設及其每一級的保護都必須滿足例如以下的幾個方面的條件：

（1）持續承載的負荷電流；

（2）正常的短時過電流；

（3）在運行過程中，不會因產生電壓降而導致某些負載性能下降；

（4）保護設備（斷路器或者熔斷器）應對電纜及母線進行過電流保護和短路電流保護；

（5）保證對人員進行保護以免受到間接接觸傷害。

對于某一回路中電纜規格與保護裝置額定值選擇的流程圖如下：

功率需求量（需求的kVA和最大負荷電流A）→選擇導體（選擇導體的型號及絕緣、選擇安裝方法、按不同環境條件考慮校正系數和利用載流量表確定導體截面）→校驗最大電壓降（穩態條件和電機啟動條件）→短路電流計算（上游短路功率、最大值和導體末端的最小值）→保護電器的選擇（額定電流、分斷能力、級聯保護和校驗選擇性）。

3.2 過電流保護

3.2.1 過載保護

（1）根據規范校驗過載保護

根據GB 50054-2011《低壓配電設計規范》第6.3.3條中有明確規定。需要注意的是，規范中的斷路器整定電流 是可長期通過保護電器而不會降低電器保護性能的電流，其并不是脫扣器的動作電流。當負載電流超過 時，不管過載時間長短，過載保護電器都不會動作。

同時，需校驗保護電器在約定時間的約定脫扣跳閘電流應小于導體載流量的1.45倍。

（2）根據諧波含量選擇過載保護及中性線導體截面

假定在負載的3相導體是滿載的條件下，來討論三相4芯或5芯電纜的載流量。當導體中有諧波電流通過時，流經中性線的電流變大甚至超過相電流，這就會影響電纜的載流能力。因此，過載保護選擇校驗需考慮線路的諧波含量。可根據負荷電流的諧波含量來選擇相線、中性線的截面，具體可參考國標GB 50054-2011表3.2.9：具體如下。

表1 電纜載流量的降低系數[3]

3.2.2 短路保護

根據GB 50054-2011第6.2.2條及6.2.3條，短路保護電器的選擇，應能保證在安裝地點可能出現的最大短路電流時，短路保護電器仍能可靠分段，也就是說其額定分段能力應大于或等于故障點的最大短路電流。

需要注意的是，如果短路保護電器的額定分斷能力小于其安裝處的預期短路電流時，則應在該線路的上一級裝設具有不小于該分斷能力的短路保護電器。同時，為了使該段線路及其短路保護電器能夠承受短路電流通過時產生的短路能量，除了需注意匹配上下兩級短路保護電器的動作保護特性以外，還應對電纜和絕緣導體進行熱穩定校驗以選擇合理的截面，確保被保護線路的任意點發生短路故障時，短路保護電器都能在約定時間內可靠切斷電源并保證被保護電纜和導體的絕緣在允許的極限溫度內承載極大的短路能量而不被損壞。熱穩定校驗時，還需注意短路電流持續時間的影響。

3.2.3 低壓電氣裝置的過電壓保護

有四種過電壓可能會對電器裝置和負載產生干擾，分別是操作過電壓、工頻過電壓、靜電放電引起的過電壓和大氣過電壓。本文主要介紹暫時工頻過電壓的防護和瞬態沖擊過電壓的防護。

（1）暫時工頻過電壓防護

在工業項目的終端變配電所設計時，應考慮暫時工頻過電壓的防護。系統接地和保護接地的電阻值應在綜合考慮工頻過電壓限值和接觸電壓限值、低壓系統接地故障自動切除電源要求及高、低壓系統接地型式這幾種情況來確定。

當高壓中性點有效接地、低壓采用TN系統時，需要引出低壓線路做總等電位聯結。當高壓系統發生接地故障時所引起的低壓電器裝置外露可導電部分允許的接觸電壓的幅值和持續時間不應超過《工業與民用配電手冊》的圖13.6.2中曲線所給出的值；其引起的低壓電器裝置中作用于設備的相對地絕緣上的工頻應力電壓的幅值和持續時間不應超過《工業與民用配電手冊》的表13.6.3中規定的值。

當高壓中性點不接地或非有效接地、低壓TN系統接觸電壓限值≤50V時，規范要求 ，則接地電阻值取5Ω即可滿足要求。

因此，首先需確定工業項目所在地的高壓系統接地形式，同時需要關注高壓接地故障保護電器動作時間等主要技術參數以及接地故障電流值。

（2）瞬態沖擊過電壓防護

瞬態沖擊過電壓是指電力系統正常運行時，電氣設備在額定電壓下工作時，遭遇由操作、雷擊、故障、或參數配置引起的系統中某部分電壓升高大大超過正常運送的數值電壓。

一般可以采取兩種措施來應對。其一是通過在電氣裝置中采取等電位聯結、分流、接地、屏蔽以及正確合理的綜合布線等方式來防止在設備線路上產生這種危險過電壓，其二是通過在線路中設置SPD來消除或減少這種過電壓造成的有害效應。

4 結語

本文從工業項目建設前期的關于收集對低壓電器裝置影響的各種資料介紹開始，通過對工業項目主要電氣負荷特性的了解，重點介紹了基于規范的低壓電器導體選擇及保護的設計理念，以便廣大設計師能更有效更準確的解決工程實際問題。