浅谈低压配电设计中断路器灵敏度校验

任飞宇

(浙江杰地建筑设计有限公司,浙江 杭州 310007)

浅谈低压配电设计中断路器灵敏度校验

任飞宇

(浙江杰地建筑设计有限公司,浙江 杭州 310007)

在民用建筑低压配电设计中,大量工程均使用断路器作为配电回路的短路保护、过载保护、接地故障保护。设计中,一般会重视断路器的选择性配合,也会进行配电线路的动热稳定与电压降校验,但缺少对断路器动作的灵敏度校验。在此通过案例对末端长距离配电断路器进行动作灵敏度校验,进而指出提高断路器动作灵敏度的解决办法及补充措施。

灵敏度； 断路器 ；单相接地故障电流 ；校验

1 断路器灵敏度校验的必要性

通常在低压配电设计中,很少有设计师重视断路器灵敏度的校验。经验告诉我们,对干线配电,一般不需要校验断路器的灵敏度,一是因为线路总阻抗较小,发生单相短路时,短路电流较大；二是因为断路器一般采用塑壳断路器,具有短延时及瞬时两段保护。但对于远离变电所的末端回路,如汽车库照明、排水泵、市政工程的路灯照明等等,如果线路过长,往往短路电流较小,就有必要进行断路器的灵敏度校验。

根据《低压配电设计规范(GB 50054—2011)》第6.2.1条： 配电线路的短路保护电器,应在短路电流对导体和连接处产生的热作用和机械作用造成危害之前切断电源,同样条文在《民用建筑电气设计规范(JGJ 16—2008)》第7.6.2为强制性条文。由此可知,规范要求在造成危害之前能及时切断电源,而要保证及时切断电源,就需要校验短路保护电器(断路器或熔断器,本文主要讨论断路器)动作的灵敏度。

为了保证低压断路器的瞬时或短延时过流脱扣器在系统最小运行方式下,在其保护范围内发生最轻微的短路故障时能可靠动作,规范规定低压断路器其灵敏度应不小于1.3[1],即

KLZ=Idmin/Izd≥1.3

(1)

式(1)中：Izd为低压瞬时或短延时过流脱扣器的整定电流,A；Idmin为断路器保护的线路末端在系统最小运行方式下的单相短路电流或两相短路电流(A),在TN、TT系统中为单相短路电流；KLZ为低压断路器的动作灵敏系数。

2 低压断路器灵敏度校验工程实例

2.1 工程实例

为验证低压断路器是否需要灵敏度校验,以某工程地下室照明回路为例：某住宅小区满铺地下室,约5万m2,共计12个防火分区,住宅公共设施及地下室负荷由专变供电,车库共设置两个专变,一南一北。专变内设置2台SC13系列800 kVA变压器,D,yn11连接,uk%=6,Δpk=6.6 kW,变压器高压侧系统短路容量SS=∞,车库配电系统接地制式为TN-C-S系统。南区地下室某配电间内设置车库普通照明总箱,为南区地下室6个防火分区车库照明供电,假设南区某防火分区内K1点短路,计算K1点单相短路电流,检验断路器灵敏度。配电系统干线见图1。

图1 末端回路低压配电干线示意图

图1中，m为TMY-3×(100×8)+63×6.3;L1为YJV-4×50;L2为YJV-4×50;L3为YJV-5×6;L4为BV-2×2.5+PE2.5。 以上所有线路使用电缆均为铜芯。

2.2 线路最远端短路电流计算

1)系统阻抗

由于实际工程中SS=∞,故高压侧系统阻抗ZS=0;XS=0;RS=0;Rphp·s=0;Xphp·s=0;

2)变压器的阻抗参考工业与民用配电设计手册第三版(下文简称配三)表4-22 SCB13(按SCB9选取参数)变压器数据为：

Rphp·T=1.65 mΩ；Xphp·T=11.89 mΩ；

3)母线段m单位长度阻抗查配三表4-24为:

4)低压柜到车库配电间总箱线路L1+L2单位长度阻抗查配三表4-25为:

5)车库配电间总箱到分配电间线路L3单位长度阻抗查配三表4-25为:

6)分配电间内配电箱到末端灯具线路L4单位长度阻抗查配三表4-25为:

由于单相接地短路电流值最小,对断路器动作灵敏性最为不利,故仅计算单相接地故障(L-PE)时K1点短路电流I″K1。

根据配三P163页公式4-56及4-55

(2)

(3)

(4)

2.3 末端断路器灵敏度校验

通常低压末端照明回路设计中,微型断路器选择额定电流为16 A,瞬时脱扣均为C曲线,以某合资品牌为例,脱扣曲线见图2。

图2 微型断路器脱扣曲线

可知其瞬时脱扣动作范围为5～10 In,根据以上计算结果进行灵敏度校验如下：

单相接地故障(L-PE)时

可见,当末端配电距离为80 m,单相接地故障(L-PE)时,灵敏度不满足规范要求。

2.4 末端线路合理配电距离

要计算末端线路合理的配电距离,根据上文相关计算公式可得知：

已知越到配电末端,线径越细,其阻抗成几何倍数增加,要满足此公式,必须要有合理的配电距离。而不同的设计师,其不同配电方式,带来的变化也不同。为了简化计算,假定2.2节计算中a～d(即变压器到车库配电间这一配电范围)为固定值 L1+L2=60 m。仍以图1为例,由于照明配电总箱到各照明配电分箱距离不定(L3),而此段线路阻抗对计算末端配电距离(L4)影响较大,故需计入其阻抗。在满足灵敏度要求情况下,末端允许最长配电距离计算见表1。

表1 L1+L2=60 m时L4计算值

注：L3—YJV-5×6;L4—BV-2×2.5+PE2.5。

如果假定L1+L2的距离为20 m,计算见表2。

表2 L1+L2=20 m时L4计算值

注：L3—YJV-5×6;L4—BV-2×2.5+PE2.5。

由表1、表2的数据可知L1+L2的长度对计算结果影响不大,几乎可以忽略不计。当末端配电箱距总配电箱越远,其末端配电距离越短,而且配电箱过电流保护电器不能使用脱扣电流为16 A的断路器,必须采用脱扣电流10 A的断路器。

考虑到不同的配电方式,假设按防火分区配电,减少一级配电,各防火分区内照明箱直接由变电所引来,电缆采用YJV-4×10,忽略线路m、L1、L2阻抗值,计算见表3。

表3 按防火分区配电情况下L4计算值

注：L3—YJV-4×10;L4—BV-2×2.5+PE2.5。

由计算数据可知,按防火分区配电可以大大提高末端配电距离,且越靠近变电所,则末端配电距离可以越长。

需要注意的是,以上计算所采用数据来自配三相关表格,可能存在误差,加上断路器采用8In,实际情况下,断路器整定倍数一般在5～10倍,对最终数据有一定影响,但不影响最终结论。

3 提高TN系统接地故障保护灵敏度的办法

对于距离变电所较远的长距离末端回路,断路器灵敏度校验结果很难满足规范要求,传统解决办法有以下三个[2]：

3.1 提高接地故障电流Id值

1)采用D,yn11组别的变压器。在实际工程中,基本上均采用此接线组别的变压器,已经没有提升空间。

2)加大相导体及保护接地导体截面。对于末端配电回路,此不失为一个很好的办法,同时还能减少配电回路的电压降,但是会造成有色金属浪费。

3)改变线路结构,如裸干线改为紧凑型封闭母线,架空线改为电缆。此措施可以降低电抗,增大单相接地故障电流值,但要增加投资。

3.2 采用带短延时过电流脱扣器的断路器

由于短延时过电流脱扣器整定电流值Iset2通常只有瞬时过电流脱扣器整定电流值Iset3的1/5～1/3,更容易满足。但是在末端配电中(如照明或污水泵等小负荷动力),由于回路容量较小,一般都是采用微型断路器,如果改成带短延时过电流脱扣器的塑壳断路器,成本增大,此方法也不可取。

3.3 对单相接地故障采用带接地故障保护的断路器

接地故障保护分两种方式,即零序电流保护和剩余电流保护。对零序电流保护,理由同上,末端回路以微型断路器居多,此法不可取,适用范围较小,除非末端本来是塑壳断路器的回路；对于采用剩余电流保护,同样适用范围有限制,对于小区景观照明回路,不啻为一个很好的办法,但对于如车库内的照明回路,此举会大大增加成本,也不适用。

笔者多年来参与过无数民用建筑工程设计,对此深有体会,对如何提高断路器动作灵敏度总结出以下几点：

1)合理的配电设计

通过合理的配电设计,完全可以避免末端线路过长的问题,比如对于大型车库,当末端照明线路过长而不合理时,可以采用按防火分区设置照明配电箱(电源直接引自变电所),或防火分区内增加分照明配电箱的方式,减少末端配电距离,控制在30～50 m合理范围内,则末端接地故障电流值会大大提高。

2)对末端照明配电箱配出回路的保护电器,由16 A额定电流调整为10 A,或者选择瞬时脱扣动作范围为更小的微断(如B型脱扣曲线的微断),这样一来,能大大提高配电距离。而且因为末端照明回路其负荷均不大,也不会导致断路器过载。

3)对特殊照明回路如小区景观照明、建筑物外立面照明,以及室外工作场所的电气设备等配电线路较长的回路采用带剩余电流保护的微型断路器。

4 灵敏度不满足时的补充措施

TN系统利用过负荷保护和短路保护的过电流保护电器及时动作兼做接地故障保护,要求保护电器的灵敏度必须满足规范要求,然而实际工程中,某些情况下接地故障电流值较小,即使采用提高灵敏度的措施,依然达不到规范要求,导致保护电器常常不能满足自动切断电源的时间要求[3]。在这种情况下必须采用剩余电流动作保护器。可见,灵敏度校验是针对过电流保护电器的,过电流保护器(熔断器、断路器)兼作间接接触防护电器最为经济简单,应优先采用。当过电流保护不满足灵敏度要求时,可采用提高灵敏度的相关措施,提高保护电器灵敏度。若仍然不满足,才考虑采用剩余电流动作保护器,这是间接接触防护(接地故障保护)自动切断电源最为有效的措施。设计师应该厘清保护电器灵敏度校验与间接接触防护自动切断电源两者之间的关系,正确使用剩余电流动作保护器。

5 结 语

本文通过工程实例进行校验,发现配电末端长距离回路的接地故障电流值较小,通过校验无法满足短路保护电器的动作可靠性。为了避免因不能迅速切断短路电流而导致的人身及财产损失,所以对类似此类超长配电回路均有必要做断路器灵敏度校验。配电设计中,低压电器除了选择性,灵敏度校验也应该引起设计师的重视。

[1] 中国建筑东北设计研究院. JGJ 16—2008民用建筑电气设计规范[S].北京：中国建筑工业出版社,2008.

[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[M].3版. 北京：中国电力出版社,2005．

[3] 中机中电设计研究院有限公司. GB 50054—2011低压配电设计规范[S].北京：中国计划出版社,2012.

Brief Introductio to the Short Circuiter Sensitivity Check in the Low Voltage Distribution Design

RENFeiyu

2017- 01- 12

任飞宇(1979—),男,浙江杭州人,工程师,从事建筑电气设计工作。

TM72

B

1008- 3707(2017)04- 0058- 04