基于断路器保护的配电线路最大敷设长度研究

陈旭文

(福州市规划设计研究院　福建福州　350108)



基于断路器保护的配电线路最大敷设长度研究

陈旭文

(福州市规划设计研究院福建福州350108)

根据国家标准GB10963、GB50054、GB/T15544对断路器短路时电磁脱扣的要求，以及结合最小短路电流计算的方法，推导出满足断路器短路保护要求的不同截面配电线路的最大敷设长度计算公式，计算出短路时断路器对配电线路的最大保护长度数值。计算结果表明，低压配电线路并不是在安装了短路保护断路器后就可以无限长敷设，当超过断路器最大保护长度时，断路器将不能可靠跳闸，线路将失去保护。

断路器;配电线路;短路保护;最大长度; 瞬时脱扣

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0　引言

短路分断故障是低压断路器最主要的功能之一。《低压配电设计规范》GB50054-2011要求，配电线路的最小短路电流应不小于该线路保护断路器磁脱扣整定电流的1.3倍。然而低压配电线路的短路电流主要取决于该配电线路的阻抗Z，它与线路的截面积S和线路敷设长度L相关。因此在选用断路器和整定相应线路的参数(主要为截面S和敷设长度L)时，应彼此进行参数上的配合。

1　计算模型

为保证保护断路器在最小短路电流时能可靠分断，断路器瞬时磁脱扣动作电流Idz应满足[1]：

Isc(min)≥1.3Idz

(1)

Idz-断路器瞬时磁脱扣动作整定电流，A。

Isc(min)-保护断路器所在回路线路末端短路时最小短路电流，A。

短路电流的最小值Isc(min)，若系统有引出中性线，则一般发生在电缆末端相线对中性线(或相对地)短路；若没有中性线引出，则发生在相间两相短路。低压系统的短路电流计算还基于低压系统的以下特点[2]：

(1) 一般用电单位的电源来自地区大中型电力系统，配电变压器的容量远远小于电力系统的容量，因此电路电流可按远离发电机端，即无限大电源容量的网络短路进行计算，短路电流周期分量不衰减。

(2) 计入短路各元件的有效电阻，但短路点的电弧电阻、导线连接点、开关设备和电器的接触电阻忽略不计。

当电路电阻较大，短路直流分量衰减较快，一般可以不考虑直流分量。

(3) 单位线路长度有效电阻的计算温度不同，在计算三相最大短路电流时，导体计算温度取为20℃；在计算单相短路电流时，假设的计算温度升高，电阻值增大，其值一般为20℃时电阻的1.5倍[2]；计算两相短路时，电缆温度升高，电阻增大值一般为20℃的1.25倍[2]。

(5)据IEC60909，计算220/380V低压系统的最小短路电流时电压系数cmin=0.95。

(6)远离发电机端短路时，两相短路稳态电流是三相短路稳态电流的0.866倍[2]。

根据上述的分析和假设，可推导出下列近似公式来计算最小短路电流Isc(min)：

①当电路为未引出中性线的三相三线电路时，线路末端发生两相短路时出现最小短路电流：

Isc(min)=Isc2=0.866·Isc3，即：

(2)

式中：

Un-系统标称电压，V，220/380V系统为380V；

Zd-短路电路总阻抗，Ω；

Isc(min)-最小短路电流，A。

②当电路为引出中性线的三相四线电路时，线路末端发生相对中性线短路时出现最小短路电流：

(3)

式中：

Zphn-短路电路相线和中性线环路总阻抗，Ω。

对于无限大电源容量的网络，高压侧电力系统的阻抗值Zs= 0；当三相四线回路内所有的导线都相互贴近 (通常如此)时，与电缆的电阻相比，电缆内芯线的感抗是可以忽略不计的，对 120 mm2以下的电缆这种近似算法是适用的。对于大于等于 120 mm2的电缆，电缆电抗的校正系数[4]Ks如表1：

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表1　电缆电抗的截面校正系数Ks

若线路为多根导体的并联，则每相导体的并联数量与电缆电抗的校正系数[4]Kp如表2：

表2　每相导体的并联数量与电缆电抗的截面校正系数Kp

根据上述假设和分析，可得：

(5)

(6)

式中：

ρ20-20℃时铜的电阻率，取为0.018Ω·mm2/m；

Sph-相线的截面积，mm2；

Sn-中性线的截面积，mm2；

L-相线的长度，m。

由式(2)、式(3)、式(5)可得未引出中性线的三相三线电路电缆最大计算长度为：

(7)

由式(2)、式(4)、式(6)可得引出中性线的三相四线电路电缆最大计算长度为：

(8)

3　典型计算结果及分析

根据式(7)可利用Excel软件编程计算得表3的计算结果，即未引出中性线的三相三线铜芯电缆满足短路保护要求最大敷设长度Lmax1(Kp=1)；同理根据(式8)可得表4的计算结果，即引出中性线的三相四线电路铜芯电缆满足短路保护要求最大敷设长度Lmax2(Sph/Sn=1，Kp=1)。表3和表4计算数值可作为实际设计参考速查。

表3　三相三线铜芯电缆最大敷设长度Lmax1(Kp=1)　m

表4　三相四线铜芯电缆最大敷设长度Lmax2

结合实际设计要求，表3和表4中仅给出在低压供电半径(250m)附近及以下范围内的最大计算长度数值。计算数值对应的电缆截面载流量不低于断路器的额定工作电流值。

由表3及表4计算结果可知，铜芯电缆满足短路保护要求的最大敷设长度与线缆截面成正比与断路器瞬时脱扣电流成反比。

由表3和表4计算结果对比可知，引出中性线的三相四线配电线路满足短路保护要求的最大敷设长度比未引出中性线的三相三线配电线路要短，这是因为引出中性线时线路的短路电流比未引出中性线时的短路电流大，导致短路器的保护距离缩短。

在国家标准GB10963中，根据小型断路器的脱扣特性不同分为B、C、D型断路器。

B型：B型断路器为阻性负载或无冲击负载提供保护。其脱扣特性为：当实际电流等于3倍额定电流时在小于等于0.1秒内不能脱扣，当实际电流等于5倍额定电流时在小于0.1秒内必须脱扣，即Idz=5In。

C型：C型断路器为阻性负载和较低冲击电流的感性负载提供保护。其脱扣特性为：当实际电流等于5倍额定电流时在小于等于0.1秒内不能脱扣，当实际电流等于10倍额定电流时在小于0.1秒内必须脱扣，即Idz=10In。

D型：D型断路器为接通时具有较高冲击电流的负载提供保护。其脱扣特性为：当实际电流等于10倍额定电流时在小于等于0.1秒内不能脱扣，当实际电流等于20倍额定电流时在小于0.1秒内必须脱扣，即Idz=20In。

根据不同脱扣特性断路器瞬时磁脱扣电流值Idz与其额定电流In的倍数关系，对于有引出中性线的电路可结合式(8)可以分别计算得出由B、C、D型断路器保护的铜导线最大长度：

B型断路器保护时：

(9)

C型断路器保护时：

(10)

D型断路器保护时：

(11)

对于没有引出中性线的电路，由B、C、D型断路器保护的铜导线最大长度修正系数[2]：Kn=1.73。

(12)

在实际设计过程中，使用较多的是C、D型脱扣特性的微型断路器，故为方便设计速查需要，此处根据式(10)及式(11)分别计算满足短路保护要求的由C、D型脱扣特性的微型断路器保护的铜导线(或电缆)的最大敷设长度数据，分别如表5和表6所示。

表5　C型断路器保护的铜导线电路的最大长度(瞬时电磁脱扣特性Idz=10In) 　m

表6　D型断路器保护的铜导线电路的最大长度(瞬时电磁脱扣特性WIdz=20In)W　m

对于没有引出中性线的电路，由C、D型断路器保护的铜导线最大长度分别由表5和表6计算结果乘以修正系数1.73即可得最终结果，此处不再赘述。

4　结语

低压配电线路并不是在安装了短路保护断路器后就可以无限长敷设，当电缆实际敷设长度超过断路器对该截面电缆的最大保护长度时，断路器将不能可靠跳闸，线路将失去保护，严重时会引起电气火灾。故在低压配电系统设计时，应在整定断路器及其相应配电线路的参数时，应对配电线路的阻抗对系统短路电流的限制进行校核，配电线路的长度应保持在断路器最大保护范围内，在某一截面下电缆的实际敷设长度超过断路器对该截面电缆的最大保护长度时，应适当增大电缆截面，使得断路器能够保护到该电缆的末端，从而保证低压配电系统安全可靠运行。文中的计算结果表3～表6可作为实际设计校核的速查表。

[1]国家建设部发布，低压配电设计规范 GB50054-2011[S].

[2]中国航空工业规划设计研究院.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.

[3]国家质检总局、国家标准化委员会.三相交流系统短路电流计算 GB/T 15544.1-2013/IEC60909-0:2001[S]. 北京：中国标准出版社，2014.

[4]意大利ABB S.p.A. ABB SACE Division. 低压配电电气设计安装手册(第四版)[M].北京：机械工业出版社，2008.

[5]Schneider Electric. Electrical Installation Guide[M].北京：中国电力出版社，2006.

陈旭文(1982-)，男，工学硕士，工程师，国家注册电气工程师,主要从事建筑电气，供配电系统安全方面的工作。

Research of Maximum Wire Length Base on Circuit Breaker Protection

CHENXuwen

(Fuzhou Planning Design &Research Institute, Fuzhou 350108)

In order to protect the end of wire short-circuit fault, according to the electron-releasing requirement of national standards as GB GB10963,GB50054,GB/T15544 to short-circuit breaker, and combined the method of minimum short-circuit current calculation, the formula of Maximum Wire Length for Circuit Breaker Short-Circuit Protection was deduced in the paper. Calculation results of the formula shows that the wire would lose protection when its length exceeded the maximum short-circuit protection length.

Circuit-Breaker; Distribution-Wire; Short-circuit Protection; Maximum Length; Instant-Releasing

陈旭文(1982-)，男，工程师，国家注册电气工程师。

2015-11-24

TU851

A

1004-6135(2016)01-0095-04