市政电气设计中与电缆相关的两个问题探讨

刘毅斌（湖南省建筑设计院，湖南　长沙　410000）



市政电气设计中与电缆相关的两个问题探讨

刘毅斌（湖南省建筑设计院，湖南长沙410000）

分析现有市政给排水（给水厂，污水厂）设计中，与电缆敷设距离较长的引发的两个问题，并讨论和指出解决对策。

TN系统；相地短路；电压降

1　前言

近年来，随着城市化进程的加速，国家新建，改扩建了大量的城市给水，污水厂。在市政工程本身的特殊条件和部分地区电力部门的政策，以及国家节能减排的需求等因素限制下，一些处理规模较小的新建项目和一些条件有限制的改扩建项目中，不可能像其他工厂配电设计一样大量设置车间变电所（含变压器）。加之厂区的面积都比较大，因此往往存在低压电缆长距离供电的问题，本文结合一个实例对相关问题进行探讨。

2　TN系统下接地故障对长距离供电的限制

在市政工程配电设计中，TN系统为广泛采用的接地型式，据《低压配电设计规范》（GB50054-2011）（以下简称《低规》）第5.2.8条规定：TN系统中配电线路间接接触防护的动作特性应符合下式要求：

式中：Ia——保证间接接触电器在规定时间内切断故障回路的动作电流（A）；

Zs——接地故障回路阻抗（Ω）；

U0——导体对地标称电压，取U0=220V。现有工程中，多采用断路器作为主要回路保护电气，据《低规》第6.2.4条规定：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者短延时过电流脱扣器整定电流的1.3倍，即：

式中：Izd——低压断路器瞬时或短延时电流脱扣器整定值（A）；

Id——接地故障电流值（A）。当配电线路较长，而采用低压断路器的过电流脱扣器作为接地保护时，则可能存在难以满足上述规范要求的情况。

如某污水处理厂，厂区某变电所下有台SCB11-800kVA变压器，接线方式为 D，yn11，该变压器uk%=4，相保阻抗为Rphp.T=1.65mΩ，相保感抗为Xphp.T=11.89mΩ，该变压器给一污泥脱水间配电，脱水间最大电机55kW，该电机正常运行电流Ie= 110A，启动电流Iqd=7Ie=770A，该车间设备最大工况运行计算电流为325A，选用YJV-1kV-（3X185+2X95）电缆供电，供电长度350m。电缆单位相保阻抗 Rphp.L=0.420mΩ，相保Xphp.L= 0.179mΩ。

根据 《工业与民用配电设计手册》（以下简称 《手册》）式4-55知：TN接地系统的低压网络单相接地故障电流：

式中：Rphp，Xphp，Zphp——短路电路的相线-保护线回路 （相保，保护线包括 PE线和 PEN线）电阻、相保电抗、相保阻抗（mΩ）。

低压断路器采用短延时脱扣器时的整定值，根据《手册》式11～15知：

式中：

krel2——可靠系数，取1.2；

IstM1——线路中最大一台电机的启动电流；

IC（n-1）——线路中除最大一台电机以外的计算负荷电流。根据该公式可知：Iset2≥1.182kA，可取1.2kA，不满足Izd≤1kA的条件。

低压断路器采用瞬时脱扣器时的整定值，根据《手册》式11～16知：

式中：krel3——可靠系数，取1.2；

I′stM1——线路中最大一台电机的全启动电流，一般可取电机启动电流IstM1的2倍（A）。

根据该公式可知：Iset3≥2.11kA，可取2.2kA，也不满足Izd≤1kA的条件。

由上面计算可推知：TN配电系统接地故障保护，采用断路器（熔断器类似），受到电缆长度的限制，如果超过了断路器的允许长度，则不能可靠及时地切断故障回路，使接地点存在安全隐患。

解决方案：①尽量减少供电距离，在条件允许的情况下将变电间放置于配电中心，或者考虑对较大电机采用软启动或者变频启动，以用于减小启动电流，如上例中，如果采用变频启动，启动电流按Iqd=1.5Ie=165A，则Iset2≥0.5kA，Iset3≥0.6kA即可满足Izd≤1kA的要求；②增大保护线面积，其余同等条件下，Rphp.L=0.285mΩ，Xphp.L=0.152mΩ，则 Izd≤1.4kA；③合理选择变压器接线方式；④在TN-C系统采用零序电流保护，在TNS系统中采用剩余电流保护（RCD）；⑤采用带接地故障保护的低压断路器。

这里简单阐述下带接地故障保护的断路器如何整定：为了使接地故障脱扣器正确动作，其动作电流整定值Ig必须躲过线路中的最大不平衡电流Iph。

（1）对于单相负荷或者单相负荷比例较重的混合的动力回路，由于该回路不平衡电流较大，单相负荷重产生的谐波电流设备也日益严重，线路最大不平衡电流：

该式比较适合市政工程的综合楼和机修车间等公共建构筑物。

（2）对三相负荷平衡分配或三相负荷占较大比重的动力回路：

（3）单台电动机动力回路，其电压不平衡度为2%时，其不平衡电流：

式中：Iph——最大不平衡电流；

Ijs——负荷计算电流；

Ie——电动机额定电流。

根据不平衡电流，可以推导出整定值

式中：Ig——接地故障电流整定值；

kset4——可靠系数，（1）、（2）两种情况取值1.3～1.5，电机取值3～4；

结合上面实例，我们可以最终选择带接地故障的断路器，采用瞬时保护，保护值Iset3=2.2kA；Ig=150A。

相比于其它的方案，采用带接地故障保护的低压断路器来解决TN系统下接地故障对长距离供电的限制这个问题的方案，可能是最有效和经济的方案。

3　供电末端电压降的问题

据 《供配电系统设计规范》（GB50052-2009）（以下简称《供规》）第5.0.4条规定：正常运行情况下，用电设备端子处电压偏差允许值宜符合下列要求：①电动机为±5%额定电压；②照明：在一般工作场所为±5%额定电压；对远离变电所的小面积工作场所，难以满足上述要求时，可为+5%，-10%额定电压；应急照明和警卫照明等为+5%，-10%。

根据《手册》表9-63中可得：

式中：Un——为标称电压（kV）；

R0、X0——三相电缆单位长度的电阻和感抗（Ω/km）；

Ijs——负荷计算电流（A）。

以前段实例为基础，假设电缆规格为YJV-1kV-（3X150+ 2X70），电缆的电阻R0=0.145Ω/km，感抗X0=0.077Ω/km，车间为三相平衡负荷，功率因数cosφ=0.82。由式10得△u%=8.01。

根据式10，我们还可以得出下式：

式中：Pjs——负荷有功功率（kW）。

由前例已知条件可得Pjs=175.89kW，假设车间进行了就地补偿后功率因数cosφ=0.95，由式11得△u%=4.5。

通过上面的两次计算，我们可以知道改善电缆电压降的手段可以为：①加大电缆截面，如上例将电缆截面改为185后，电压降为4.96%；②就地补偿，如采用就地补偿，可以将电流值降低，以达到降低电缆压降的目的。

4　结论

本文通过一个实例，对现有市政给排水厂电气设计中关于电缆过长的导致的常见的两个问题进行了阐述和讨论。其实在设计中，对于第二个问题，大多数设计人员和校审人员以及现场施工人员都有相应的认识，而对于问题一的重视程度却很不够，这样给整个工程的质量和安全带来了隐患。

［1］任会元，等.工业与民用配电设计手册（第3版）.2005，10.

［2］杨成德.TN系统接地故障保护的探讨.电工技术杂志，2003（9）.

［3］王国钟.低压电缆的电压损失和电压降.电线电缆，2014（1）.

刘毅斌（1983-），男，工程师，从事市政电气设计工作。

TU994

A

2095-2066（2016）11-0059-02

2016-1-11