变电所配电线路的线路保护探讨

胡可峰

(世源科技工程有限公司，北京 100142)



变电所配电线路的线路保护探讨

0引言

我国是电气火灾多发的国家，进入20世纪90年代后由于用电量增多，电气火灾发生的次数约占火灾总数的30%，居于各类火灾之首，其中，短路引起的火灾超过了电气火灾总数的50%。电气线路因过热等原因会导致绝缘水平下降，在外因触发下，绝缘层容易被击穿而造成短路。

变电所内低压配电设计中，在线路末端发生短路故障时，如果断路器脱扣器的保护整定值设置不当，短路故障电流可能小于脱扣器的短路短延时保护或短路瞬时保护的整定值，此时短路故障电流只能靠脱扣器的过载长延时来断开，无法及时切除，随着时间和次数增多，将引起线路绝缘老化，极端情况下短路故障产生的高温还将引起火灾[1]。

1相关规范要求

GB 50054-2011《低压配电设计规范》(以下简称《低规》)3.2.2规定，导体必须满足载流量[2]、线路保护、动稳定与热稳定[3-5]、线路压降[6]、机械强度等方面的要求。本文根据规范要求，主要探讨配电线路是否满足线路保护的要求。

《低规》6.2.4规定，当短路保护电器为断路器时，被保护线路末端的短路电流不应小于断路器瞬时或短延时过电流脱扣器整定电流的1.3倍[7]。条文解释如下：按照现行国家标准GB 14048.2《低压开关设置和控制设备 第2部分：断路器》的规定，断路器的制造误差为±20%，再加上计算误差、电网电压变差等因素，故规定被保护线路末端的短路电流不应小于低压断路器瞬时或短延时过电流脱扣器整定电流的1.3倍。

2计算依据

本文计算依据《工业与民用配电设计手册》(第三版)(以下简称《手册》)第四章“短路电流计算”，以及国家建筑标准设计图集04DX101-1《建筑电气常用数据》相关数据及公式。

2.1计算公式

低压配电线路的末端发生短路故障时，由于短路点离发电机较远，因此可视为远端短路[8]。又由于线路末端的单相接地故障电流小于三相短路电流，因此本文选取单相接地故障电流作为校验依据。

根据《手册》表4-32《低压三相和单相接地故障电流计算表》可知：

式中，Id为单相接地故障电流，kA；Un为系统标称电压，kV；Rphp为短路电路的相保电阻，mΩ；Xphp为短路电路的相保电抗，mΩ；Zphp为短路电路的相保阻抗，mΩ。

2.1.1系统S的相保阻抗

系统S的相保阻抗可根据《手册》表4-21《10(6)/0.4kV变压器高压侧系统短路容量与高压侧阻抗、相保电抗(归算到400V)的数值关系》进行推导。

推导公式如下：

1)系统阻抗/mΩ

2)系统电抗/mΩ

Xs=0.995Zs

系统电阻/mΩ

Rs=0.1Xs

3)对于D,yn11或Y,yn0连接的变压器

相保电阻/mΩ

Rphp·s=2Rs/3

相保电抗/mΩ

Xphp·s=2Xs/3

式中，Uav为系统平均电压，kV。

当变压器高压侧系统短路容量不同时，变压器高压侧相保阻抗(折算到400V)计算值如表1所示。

表1　变压器高压侧相保阻抗(折算到400V)计算值

2.1.2变压器T的阻抗

实际工程中，当变压器品牌及型号确定后，可根据《手册》表4-23《SC(B)9系列10(6)/0.4kV变压器的阻抗平均值(归算到400V)侧》查询变压器的负载损耗，再依据《手册》表4-2中变压器的阻抗与负载损耗的关系，推导出变压器的阻抗值。推导公式如下：

1)变压器电阻/mΩ

2)变压器电抗/mΩ

3)变压器阻抗/mΩ

式中，ΔP为变压器短路损耗，kW；Srt为变压器的额定容量，MVA;Ur为额定电压，kV；uk%为变压器阻抗电压百分值。

表2为某品牌10/0.4kV不同容量的变压器根据负载损耗计算的相保阻抗值与相保电抗值。

表2　相保阻抗值、相保电抗值

2.1.3母线m的阻抗值

不同容量的变压器，根据变压器低压侧额定电流对应不同规格的母线。母线载流量可根据国标图集04DX101-1《建筑电气常用数据》页4-3表4.4《变压器低压侧出线选择》确定。由于母线的阻抗不仅与母线的集肤效应系数相关，还与母线的平放或竖放以及排列间距相关。因此实际工程中通过查表来计算母线的阻抗[10-11]。本文母线阻抗值根据《手册》表4-24《低压母线单位长度阻抗值》来确定。当变压器容量≤630kVA时，相线间距D为250mm；当变压器容量>630kVA时，相线间距D为350mm。

母线阻抗值根据《手册》表4-24《低压母线单位长度阻抗值》确定，如表3所示。

表3　低压母线单位长度阻抗值(《手册》表4-24)

2.1.4配电线路的阻抗值

配电线路的阻抗值根据《手册》表4-25《线路单位长度阻抗值》来确定。本文所选校验的配电线路为铜芯交联聚乙烯绝缘聚氯乙烯护套电力电缆。电缆的相保电抗按钢管布线考虑。

电缆单位长度阻抗值可根据《手册》表4-25《线路单位长度阻抗值》确定，如表4所示[9]。

表4　线路单位长度阻抗值(《手册》表4-25)

2.2工程实例

某项目变压器高压侧系统短路容量324MVA，变压器容量630kVA，电压等级10/0.4kV,接线方式为D,yn11，阻抗电压6%。配电柜断路器脱扣器额定电流分别为40A、100A、160A、200A、250A、315A。对配电线路短路保护灵敏度进行校验。

2.2.1确定系统S的相保阻抗

系统电阻

Rs=0.1Xs=0.1×0.491=0.049mΩ

系统电抗

Xs=0.995Zs=0.995×0.494=0.491mΩ

相保电阻

相保电抗

2.2.2确定变压器T的阻抗

本项目某品牌630kVA的变压器的短路损耗ΔP为5.08kW。

变压器电阻

变压器阻抗

=15.238mΩ

变压器电抗

=15.100mΩ

故变压器相保电阻Rph·p=2.048mΩ

相保电抗Xph·p=15.100mΩ

2.2.3确定母线m的规格相保阻抗值

根据国标图集04DX101-1《建筑电气常用数据》页4-3可知，当变压器容量为630kVA，确定铜母线截面面积为3(80×8)+1(63×6.3)=2.3169×103mm2。

考虑到变电所内部配电柜的数量及配电柜宽度的限制，铜母线的长度按8m计算，得出母线的相保电阻Rphpm=0.624mΩ,相保电抗Xphpm=3.056 mΩ。

2.2.4确定不同截面电缆的相保阻抗值

电缆载流量可查询国标图集04DX101-1《建筑电气常用数据》表6-8《YJV、YJLV三芯电力电缆持续载流量(A)》，按环境温度35℃、双层桥架敷设的条件进行考虑。根据《手册》表9-24《敷设在自由空气中多芯电缆载流量校正系数》可知，校正系数取0.78。

电缆载流量及对应的脱扣器额定电流如表5所示。

表5　电缆载流量及对应的脱扣器额定电流表

单位长度电缆阻抗值根据《手册》表4-25《线路单位长度阻抗值》确定，如表6所示。

表6　线路单位长度阻抗值(《手册》表4-25)

2.2.5计算结果汇总

1)短路点总相保电阻/mΩ

2)短路点总相保电抗/mΩ

3)短路点总相保阻抗/mΩ

4)单相接地故障电流/A

根据《低规》6.2.4规定，当短路保护电器为断路器时，被保护线路末端的短路电流不应小于断路器瞬时或短延时过电流脱扣器整定电流的1.3倍。

表7为选定电缆长度为100m时，单相接地故障电流及脱扣器最大允许整定倍数。

通过表7可知，为了满足配电线路整定保护的灵敏度，当脱扣器短路瞬时整定值设定为10倍或10倍以上时，脱扣器必须设置短路短延时保护或者增大配电线路的截面，以保证断路器脱扣器整定电流值的1.3倍大于线路末端发生短路故障时的电流。

表7　单相接地故障电流及脱扣器最大允许整定倍数

在实际工程中，为了对下级配电箱的整定保护有更好的选择性，保证下级配电箱的配电线路发生短路故障时不至于引起变电所内的断路器脱扣器的瞬时脱扣，变电所内的断路器的瞬时脱扣整定值往往需要大一些[14]。所以线路末端发生短路故障时，短路电流除以1.3后，不应小于脱扣器的短路瞬时整定值。表8为脱扣器短路瞬时整定电流为脱扣器额定电流的10倍时，配电线路的最大允许距离。

表8　配电线路的最大允许距离

通过以上结果可知，当实际电缆长度大于计算得出的最大允许距离时，断路器脱扣器需设置短路短延时保护或增大配电线路的电缆截面。

4结束语

根据国家相关规范要求，对变电所断路器脱扣器短路保护的整定值需进行校验，以满足配电线路的保护要求。如果断路器脱扣器的整定值设置不当，线路的短路故障电流无法得到及时切除，随着故障次数增多，将引起线路老化及绝缘破坏，极端情况下将引起火灾。

当断路器脱扣器短路瞬时整定保护满足不了配电线路的线路保护要求时，有两个选择：(1)断路器脱扣器增设适当的短路短延时保护。(2)增大配电线路的截面。在实际工程中还需校验配电线路压降是否满足要求，当配电线路的压降满足要求时，可选择有短路短延时保护的脱扣器，并设置适当的短路短延时保护；当配电线路的压降不满足要求时，需增大配电线路的截面，然后重新进行线路保护的校验。

参考文献

[1]王厚余.建筑物电气装置600问[M].北京:中国电力出版社，2013.

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[6]何琳,潘仲明,曲耀君.低压配电系统中按电压损失校验的电缆最小截面探讨[J].化工设计,2011,21(1):36-37,1,2.

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[8]中国航空工业规划设计研究院 组编.工业与民用配电设计手册(第三版)[M].北京:中国电力出版社,2005.

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[10]徐志强.矩形母线集肤效应系数与阻抗的计算[J].低压电器, 1997, 7(3):27-29.

[11]胡冰，张晓峰.用有限元方法计算矩形母线的集肤效应[J].低压电器, 2005, (3):7-9,16.

胡可峰

硕士,工程师,主要研究方向为供配电系统设计。

Discussion on Line Protection of Distribution Line in Substation

Hu Kefeng

胡可峰

(世源科技工程有限公司，北京 100142)

摘要GB 50054-2011《低压配电设计规范》提出导体需满足线路保护要求，线路末端短路电流值应满足断路器脱扣器的整定保护。根据《工业与民用配电设计手册》相关资料，推导出了变压器高压侧系统阻抗和变压器阻抗的计算，分析了变压器高压侧系统阻抗、变压器阻抗、母线阻抗、配电线路的截面及长度对变电所断路器脱扣器短路保护整定值的影响。

关键词短路短路容量短路阻抗

Abstract‘Code for design of low voltage electrical installations’(GB 50054-2011) requires the conductor meet the requirement of distribution line protection and short-circuit current at the end of line meet the setting protection of circuit breaker tripping device. According to the ‘Industrial and Civil Distribution Design Handbook’ related information, deriving the calculation of the impedance in transformer’s high-voltage side system and transformer’s impedance, analyzing that the impedance of transformer’s high-voltage side system, transformer’s impedance, bus bar impedance, the cross section and the length of distribution line affect on the setting value of substation circuit breaker tripping device.

Keywordsshort circuit, short-circuit capacity, short-circuit impedance

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