照明线路末端单相短路保护探讨

沈 南 洋

(广东寰球广业工程有限公司, 广东 广州　510655)



照明线路末端单相短路保护探讨

沈 南 洋

(广东寰球广业工程有限公司, 广东 广州510655)

通过石油化工装置区照明线路L-N间及L-PE间的短路电流计算,比较不同截面、长度的线路与保护电器不同脱扣器之间的配合问题,计算了照明线路剩余电流保护的合理整定电流值,通过不同的脱扣器和不同的保护方式说明上下级之间的保护配合问题。

单相短路; 保护灵敏性; 剩余电流保护; 脱扣器

0　引　言

石油化工装置区一般为易燃易爆环境,其用电可靠性要求较高。GB 50054—2011《低压配电设计规范》[1]规定:给固定式电气设备供电的末端线路,切断故障回路的时间不宜大于5 s。在实际工程中,装置区220 V照明线路末端发生的单相短路,其短路电流一般不大(特别是发生接地故障时,其故障电流较小),短路保护器不一定能够在5 s内可靠脱扣,故需校验其保护动作的灵敏度,或综合考虑采取多种措施以满足GB 50054—2011的要求。

1　石油化工装置区照明电源系统接地方式

石油化工装置区主要为钢框架多层结构,安装在钢框架上的照明灯具可以采用TN-S系统。远离装置区外的路灯难以实现等电位联结,当别处或其中某个灯具发生接地故障时,引自电源的PE线可能将故障电压传导至其他路灯外壳而造成危险[2],需采用TT系统。

2　照明线路的单相短路电流计算

照明线路末端短路(单相)电流按照文献[3]提供的计算方法计算。

低压单相(L-N间)短路电流为

(1)

Rd=Rs+RL

Xd=Xs+XL

式中:Rs、Xs——现场照明配电箱进线侧系统阻抗;

RL、XL——现场照明配电箱馈出回路的线路阻抗。

TN-S系统低压网络的单相接地故障电流按照式(1)计算,但必须将电阻、电抗、阻抗改为相保电阻、相保电抗、相保阻抗。

3　照明线路末端的单相短路保护

某大型石化装置区现场照明配电箱供电系统示意图如图1所示,进线处电气参数如下:

(1) 现场照明配电箱AL01进线电源:380/220 V,TN-S接地系统。

(2) 现场照明配电箱AL01进线及出线电缆类型:交联聚乙烯绝缘聚氯乙烯护套铜芯电缆(ZR-YJV-0.6/1 kV)。

图1　供电系统示意图

(3) 现场照明配电箱AL01进线处阻抗:当进线电缆采用ZR-YJV-0.6/1kV 5×16 mm2(线路长度为100 m)时,进线处电源侧的电阻R=309.9 mΩ,电抗X=29.6 mΩ,相保电阻Rph.p=407 mΩ,相保电抗Xph.p=29.9 mΩ,进线处单相短路电流约为539 A(L-PE间)、706 A(L-N间)。

TN-S系统220 V线路末端单相短路电流如表1所示。

表1　TN-S系统220 V线路末端单相短路电流　A

注:照明配电箱进线电缆为ZR-YJV-0.6/1 kV 5×16 mm2。

3.1断路器作为保护器

GB 50054—2011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。其中1.3倍主要考虑断路器的制造误差(±20%)、计算误差及电压波动等因数。C型曲线瞬时磁脱扣的动作范围为(5～10)In,本文计算取8In。B型曲线瞬时磁脱扣的动作范围为(3～5)In,本文计算取4In。

当现场照明配电箱AL01的配电回路采用C10A小型断路器作为保护器时,末端短路电流需大于1.3×8×10=104 A才能保证瞬时可靠脱扣。

当现场照明配电箱AL01的配电回路采用B10A小型断路器作为保护器时,末端短路电流需大于1.3×4×10=52 A时才能保证瞬时可靠脱扣。

由表1及以上分析可知:

(1) L-PE之间的短路电流小于L-N之间的短路电流,所以采用断路器作为保护器时,主要校验L-PE之间的短路电流(接地故障电流)。

(2) 采用B型曲线的断路器比采用C型曲线的断路器更容易满足保护的要求。

(3) 适当加大照明配电箱出线线路截面,可以增加线路末端的单相短路电流,从而提高断路器动作的灵敏度,断路器也可以保护更长的线路。照明配电线路保护开关采用B10A断路器,当电缆采用3×6mm2时,满足保护灵敏度要求的最长分支线路长度可达300 m;电缆采用3×4 mm2时,满足保护灵敏度要求的最长分支线路长度为250 m左右;电缆采用3×2.5 mm2时,满足保护灵敏度要求的最长分支线路长度只有100 m左右。

在石油化工装置区的照明系统中,现场照明配电箱的配电回路可采用B10A小型断路器作为保护电器。目前的防爆灯具中,大多数标配的接线端子适用于≤2.5 mm2导线(防爆荧光灯标配的接线端子适用于≤4 mm2导线),所以照明主线路常用3×4 mm2电缆,从接线盒分支到灯具接线端子之间的电缆采用3×2.5 mm2电缆。从现场照明配电箱到分支线路最末一个灯具的最长分支线路的长度控制在250 m以内。另外考虑线路压降等因素,建议最长分支线路的长度控制在150 m以内。照明用的防爆接线盒接线口一般为DN20或DN25,当主线路采用3×6 mm2电缆时,接线较困难(特别是铠装电缆或耐火电缆),所以在石油化工装置的照明设计中一般应避免该规格的电缆作为照明配电线路。

另外,当现场照明配电箱AL01的进线电缆由ZR-YJV-0.6/1 kV 5×16 mm2改为ZR-YJV-0.6/1 kV 4×25+1×16 mm2(线路长度为100 m)时,进线处电源侧的电阻、电抗、相保电阻、相保电抗分别为208.3 mΩ、29.5 mΩ、274 mΩ、29.4 mΩ,进线处单相接地短路电流约为797 A(L-PE间)、1 046 A(L-N间)。进线电缆截面加大一级后TN-S系统220 V线路末端单相短路电流如表2所示。

表2　进线电缆截面加大一级后TN-S系统220 V线路末端单相短路电流　A

注:照明配电箱进线电缆为ZR-YJV-0.6/1 kV 4×25+1×16 mm2

对比表1、表2,现场照明配电箱进线电缆的截面加大一级后,配电箱馈出线路末端的单相短路电流变化不大,所以在设计中应避免为了增大馈出线路末端单相短路电流而盲目加大进线电缆的截面。现场照明配电箱进线电缆的截面应根据线路压降、热稳定校验、断路器保护动作灵敏性、经济性等因素综合选择。

3.2剩余电流保护器

剩余电流保护是防止人身触电、电气火灾及电气设备损坏的一种有效的防护措施。当现场照明配电箱的配电线路采用断路器不能满足过电流速断保护时,可采用带剩余电流保护的小型断路器作为保护电器。为避免误动作,断路器剩余电流保护整定值IA.set4应大于正常运行时线路和设备的泄漏电流总和的2.5～4.0倍[3]。

220 V照明线路总泄漏电流(线路和灯具的泄漏电流总和)如表3所示。

GB 7000.1—2007《灯具 第一部分:一般要求与试验》第10.3款要求,额定输入容量不超过1 kVA的I类固定式灯具泄漏电流不应超过1 mA。本文中每套灯具额定输入均不超过1 kVA,每套灯具的泄漏电流暂按照1 mA计算。实际工程中建议按照灯具厂家给出的泄漏电流数据计算。

表3　220 V照明线路总泄漏电流　mA

注:3×4 mm2及3×6 mm2交联聚乙烯电缆的泄漏电流取自DBJ/T 15-77—2010《电气火灾监控系统设计、施工及验收规范》附录A.0.1中的数据;3×2.5 mm2交联聚乙烯电缆的泄漏电流按照15 mA/km估算。

SH 3038—2000《石油化工企业生产装置电力设计技术规范》第9.2.3款规定:照明线路每单相分支回路的电流一般不宜超过15 A,所接灯头数不宜超过25个。石油化工装置区常用的照明灯具有荧光灯、小功率金卤灯(70 W)、无极灯、节能灯等小功率灯具,每个线路所接灯具数量按照24套考虑。

由表3可知,断路器剩余电流保护整定值可设为100 mA。

对于石油化工装置区等户外照明回路,选用整定值为30 mA的剩余电流保护器往往不满足要求,应根据线路材料、长度、所带灯具的类型及数量的不同,选用整定值为100 mA、300 mA、500 mA等的剩余电流保护器或采用可调型的剩余电流保护器。

在长距离配电的照明系统中(例如路灯系统),利用断路器作为过电流保护不满足要求时,优先采用局部TT系统。

4　上下级保护电器之间的配合

(1) 上一级(图1中C点)保护电器采用TM热磁脱扣断路器。

① 当C点断路器采用TMD的热磁脱扣器时,其磁脱扣电流一般都在10In以上,不可调。对于小电流的塑壳断路器,不同系列的磁脱扣电流不同。如NSX系列NSX100NTM25磁脱扣电流为300 A,而Tmax系列中的T2S160TMD25的磁脱扣电流为500 A。

B点的单相接地短路电流为539 A,当C点断路器采用NSX100NTM25时,539/300=1.80>1.3,满足磁保护灵敏性的要求;当C点断路器采用T2S160TMD25时,539/500=1.08<1.3,不满足磁保护灵敏性的要求。

由分析可知,现场照明配电箱AL01配电线路末端短路的电流均小于300A,故不会引起C点断路器的越级跳闸。

② 当C点断路器采用TMG的热磁脱扣器时,其磁脱扣电流一般为(2.5～5.0)In。对于小电流的塑壳断路器,不同系列的磁脱扣电流不同,NSX100NTG25磁脱扣电流为80 A,不可调,T2S160TMG25磁脱扣电流为75 A,不可调。

B点的单相接地短路电流为539 A,当C点断路器采用NSX100NTG25时,539/80=6.74>1.3,满足磁保护灵敏性的要求。当现场配电箱AL01配电线路末端短路的电流Id≥1.3IC.set3=1.3×80=104 A时,C点断路器可能会越级跳闸,主要取决于上下级断路器之间(塑壳断路器和微型断路器之间)是否有选择性;当1.3IC.set3=104 A≥Id≥1.3IA.set3=65 A时,A点断路器动作,C点断路器不动作,保护具有选择性;当Id<1.3IA.set3=65 A时,A、C点断路器均不动作。

(2) 上一级保护电器采用带短延时的断路器。当断路器磁保护(瞬时过电流脱扣)不能满足要求时,可以采用带有短延时的断路器来保护。C点若采用带短延时的断路器时,短延时整定值IC.set2需满足:IC.set2≥1.2IA.set3(可靠系数1.2主要考虑脱扣器动作误差),其中IA.set3=50 A,则IC.set2≥60 A,IC.set1=25 A,故IC.set2=3IC.set1=75 A。

当线路末端短路电流Id≥1.3IC.set2=97.5 A时,断路器A动作,断路器C因有延时,不动作;若断路器A故障不能动作时,断路器C延时动作,作为断路器A的远后备保护。当97.5 A>Id≥1.3IA.set3=65 A时,断路器A动作,断路器C不动作,保护具有选择性;当Id<65 A时,A、C点断路器均不动作。

(2) 上一级保护电器采用剩余电流保护。只有当现场照明配电箱馈出线路采用剩余电流保护,C点塑壳断路器采用剩余电流保护才可能有选择性,C点剩余电流保护整定电流应至少为下级的剩余电流保护整定电流的3倍,或延时。

(3) 上一级保护电器采用零序电流保护。零序保护的整定电流一般为长延时整定电流的20%～100%,需避开正常运行时的不平衡电流、谐波电流、正常泄漏电流之和。一般情况下,在满足保护动作灵敏性要求的前提下,其整定值应尽量大,延时时间尽量长。

5　结　语

为了保证石油化工装置区中220 V照明线路末端短路时保护的灵敏性,需选择合适的配电线路截面和过电流保护器:

(1) 照明配电箱配电线路截面需综合考虑断路器的脱扣曲线、最远距离的分支线路长度、短路电流、线路压降、安装条件、经济性等因素。一般可采用B型曲线断路器,配电线路电缆采用3×4 mm2,最远距离的分支线路控制在150 m以内。

(2) 当照明配电箱馈出线路断路器过电流保护不能满足要求而采用剩余电流保护时,额定动作电流一般整定为100 mA或以上。

(3) 上一级塑壳断路器可采用特殊脱扣曲线的脱扣器(脱扣倍数比较低的脱扣器)、短延时脱扣器或者采用线路综合保护器等实现线路过电流保护和上下级开关的配合。

[1]低压配电设计规范:GB 50054—2011[S].

[2]王厚余.低压电气装置的设计安装和检验[M].2版.北京:中国电力出版社,2007.

[3]中国航空工业规划设计研究院组.工业与民用配电设计手册[M].3版.北京:中国电力出版社,2005.

Discussion About Single-phase Short-circuit Protection of Lighting Line End

SHEN Nanyang

[HQC(Guangzhou) Company, Guangzhou 510655, China]

Through the short-circuit current calculation of L-N and L-PE lighting circuits in a petrochemical plant area,the matching problems of different line section/length and different releases of electrical protective device were compared.The reasonable setting current value of residual current protector of the lighting circuit was calculated.The matching of the upper-stage and lower-stage electrical protective devices was illustrated through different releases and different protection modes.

single-phase short-circuit; protection sensitivity; residual current protection; release

沈南洋(1983—),男,工程师,从事化工电气设计工作。

TU 852

B

1674-8417(2016)07-0021-05

10.16618/j.cnki.1674-8417.2016.07.006

2016-03-10