隧道内远距离配电线路断路器保护灵敏度的探讨

金若翃， 王康伟

(1. 中铁第六勘察设计院集团有限公司， 天津 300306；2. 中铁隧道局集团有限公司勘察设计研究院， 广东 广州 511458)

0 引言

隧道低压配电系统故障主要有单相接地故障、两相接地短路、两相短路和三相短路，其中单相接地故障发生的概率最高，也最容易引起电气火灾或电击伤亡事故。隧道作为狭长型的交通建筑物，其供电半径往往较大，并且由于隧道内环境等因素的影响，变电所的选址[1]受到很大的限制，导致隧道内存在大量的长距离配电线路。当配电线路过长时，其相保阻抗会较大，发生单相接地故障时的故障电流较小，不能保证断路器瞬时或短延时过电流保护动作的可靠性。如果单相接地故障不能被及时处理，就会导致用电设备的烧毁甚至酿成事故，造成人们生命和财产的巨大损失。

对于远距离配电线路，设计人员较为注重的是线路末端的电能质量，通常会校验线路末端的电压损失[2]，也会根据选型结果对电缆进行热稳定[3]校验，却很少对配电线路断路器的灵敏度进行校验，这种做法往往只保证了配电线路的使用性，而忽略了配电线路的安全性。由于断路器有制造误差[4]，并且由于计算误差、电网电压偏差等因素，为保证断路器保护动作的可靠性，其动作灵敏度系数不得小于1.3[5-6]。虽然国家规范对断路器的灵敏度有明确的要求，但对校验方法描述却不够具体。因此，本文主要结合相关设计手册[7-9]，通过短路电流的计算、断路器动作电流的整定和灵敏度的计算，探讨灵敏度校验的一般方法，并提出提高断路器灵敏度的措施。

1 断路器灵敏度校验的相关规定

GB 50054—2011《低压配电设计规范》[5]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短延时过电流脱扣器整定电流的1.3倍，即

(1)

式中：Idmin为被保护线路预期短路电流最小值，在TN、TT系统中为单相短路电流，A；Izd为低压断路器瞬时或短延时过电流脱扣器整定电流，A；KLE为低压断路器的动作灵敏系数最小值，取1.3。

2 远距离配电线路的断路器灵敏度校验工程实例

2.1 工程背景

某水下隧道长5.3 km，水下盾构段长3.1 km，在北岸盾构井和南岸管控中心各设1座主变电所，在北岸4#雨水泵房、江中废水泵房以及南岸风机房设1座跟随所，低压系统接地型式为TN-S。

本文仅对动力负荷中线路最长的配电回路断路器进行灵敏度校验。该回路由北岸4#雨水泵房跟随所馈出，为B匝道2#雨水泵房配电，雨水泵房内有3台功率为30 kW的水泵(2用1备，必要时同时使用)，低压柜内馈线断路器整定值为250 A，电缆长度为613 m，进行电压损失校验后，电缆规格采用WDZBN-YJY22-1 kV 2×(3×150+2×70)。图1为B匝道2#雨水泵房配电回路末端发生单相接地故障时的示意图。

图1 配电回路末端单相接地故障示意图

Fig. 1 Sketch of single-phase grounding fault at end of distribution circuit

2.2 单相接地故障电流计算

2.2.1系统阻抗

根据Q/CSG 10012—2005《中国南方电网城市配电网技术导则》[10]，10 kV城市配电网的短路电流通常不超过20 kA，即最大系统短路容量约为363 MV·A，可假设系统短路容量Ss=200 MV·A，由于系统阻抗较小，计算误差符合工程设计要求。

由《工业与民用供配电设计手册(第4版)》[8](简称《配四》)查表(P304，表4.6-11)得系统相保阻抗为： 相保电阻Rphp-s=0.05 mΩ； 相保电抗Xphp-s=0.53 mΩ。

2.2.2 变压器阻抗

相关参数为： 变压器阻抗电压百分比Uk=6%，额定容量SN=0.8 MV·A。

由《配四》查表(P305，表4.6-13)得变压器的相保阻抗为： 相保电阻Rphp-t=1.74 mΩ； 相保电抗Xphp-t=11.6 mΩ。

2.2.3 低压开关柜内铜母排阻抗

相关参数为： 铜母排规格为4×(125×10)+1×(60×10)，母排长度lm=5 m。

由《工业与民用配电设计手册(第3版)》[7](简称《配三》)查表(P157，表4-24)得低压铜母排的相保阻抗为： 相保电阻Rphp-m=R′·lm=0.056×5 mΩ=0.28 mΩ(R′为铜母排单位长度相保电阻值，mΩ/m)；相保电抗Xphp-m=X′·lm=0.344×5 mΩ=1.72 mΩ(X′为铜母排单位长度相保电抗值，mΩ/m)。

2.2.4 配电线路阻抗

相关参数为： 电缆规格为WDZBN-YJY22-1 kV 2×(3×150+2×70)，长度为613 m。

由《配四》查表(P214，表4.2-48)得电缆的相保阻抗为：

相保电阻

式中：R(1)为电缆单位长度正序电阻值， mΩ/m；R(0)为电缆单位长度零序电阻值， mΩ/m；lx为配电线路电缆的长度。

相保电抗

式中：X(1)为电缆单位长度正序电抗值， mΩ/m；X(0)为电缆单位长度零序电抗值， mΩ/m。

2.2.5 配电线路总相保阻抗

综上，线路末端发生单相接地故障时总相保阻抗为：

Rphp-z=Rphp-s+Rphp-t+Rphp-m+Rphp-x=0.05 mΩ+

1.74 mΩ+0.28 mΩ+139.30 mΩ=

141.37 mΩ;

Xphp-z=Xphp-s+Xphp-t+Xphp-m+Xphp-x=0.53 mΩ+

11.6 mΩ+1.72 mΩ+64.79 mΩ=78.64 mΩ;

161.77 mΩ。

2.2.6 单相接地故障电流

配电线路末端发生单相接地故障时接地故障电流

2.3 断路器灵敏度校验

断路器瞬时过电流脱扣器的整定电流应躲过配电线路的尖峰电流，即

(2)

雨水泵房中单台水泵功率为30 kW，正常运行时计算电流为57 A，直接启动电流为370.5 A，全启动电流为926.3 A，将以上数据代入式(2)，得

1.2×(926.3+57×2) A=1 248.4 A，

则雨水泵房双电源切换箱的进线断路器的瞬时过电流保护整定值Iset3-B可取1 250 A。低压柜馈线断路器为选择性断路器，为实现与雨水泵房双电源切换箱进线断路器的选择性配合，其瞬时过电流保护的整定值按最大值整定，定时限过电流保护的整定值

Iset2-A≥1.3Iset3-B=1.3×1 250 A=1 625 A。

将数据代入式(1)，断路器的灵敏度系数

数据结果表明，灵敏度系数远小于1.3，不满足规范要求。

3 提高断路器灵敏度的方法

增大中性线的截面可以降低电缆的相保阻抗，从而提高线路末端的接地故障电流。现将电缆从3+2芯电缆改为4+1芯电缆，即电缆规格为WDZBN-YJY22-1 kV 2×(4×150+1×70)，重复以上接地故障电流计算，得Idmin=1 813.52 A。

更换电缆规格后，断路器的灵敏度系数

结果表明灵敏度系数依然不满足规范要求。对于本次实例，若只通过增大电缆截面的方法来提高断路器的灵敏度，则至少还需要将相导体增大2个等级才能满足规范要求，这显然不够经济合理。笔者发现，在采取将电缆型号改为WDZBN-YJY22-1 kV 2×(4×150+1×70)的措施后，可通过以下3个方法提高断路器灵敏度来保证配电线路的安全性，不需要再额外增大导体的截面。

1)雨水泵双电源切换箱进线断路器采用选择性断路器。定时限过电流脱扣器的整定电流应躲过短时间出现的负荷尖峰电流，即

Iset2≥Kset2(IstM1+IC(n-1))。

(3)

式中：Iset2为定时限过电流脱扣器的整定电流，A；Kset2为低压断路器定时限过电流脱扣器的可靠系数，可取1.2；IstM1为线路中最大一台电动机的启动电流，A；IC(n-1)为除启动电流最大的一台电动机以外的线路计算电流，A。

将数据代入式(3)，得

Iset2≥Kset2(IstM1+IC(n-1))=

1.2×(370.5+57×2) A=581.4 A，

则雨水泵房双电源切换箱的进线断路器的定时限过电流整定值Iset2-B可取600 A。低压柜内馈线断路器的定时限过电流整定时间比下级断路器的整定时间大一个量级，整定值在满足灵敏度要求的条件下可整定得大一些，取1 250 A，灵敏度系数

数据结果表明灵敏度系数满足规范要求。

2)雨水泵采用软启动，降低低压柜馈线断路器定时限过电流整定值。雨水泵采用软启动后，启动电流为171 A，全启动电流为427.5 A，将以上数据代入式(2)，得

1.2×(427.5+57×2) A=649.8 A，

则雨水泵房双电源切换箱的进线断路器的瞬时过电流整定值Iset3-B可取1 000 A。低压柜馈线断路器的定时限过电流整定值

Iset2-A≥1.3Iset3-B=1.3×1 000 A=1 300 A。

Iset2-A可取1 375 A。断路器灵敏度系数

数据结果表明灵敏度系数满足规范要求。

3)低压柜馈线回路采用具有剩余电流保护功能的断路器。当普通断路器无法通过瞬时过电流保护或定时限过电流保护实现远距离配电线路接地故障防护时，也可采用具有剩余电流保护功能(断路器自带或加装剩余电流保护模块)的断路器。为避免误动作，剩余电流保护器的整定值应大于线路和设备正常泄露电流之和的2倍，必要时可通过实际测量取得保护线路和设备对地泄露电流值。上下级剩余电流保护器应有良好的选择性配合，通常终端剩余电流保护器为不延时型，上级的剩余电流保护器为延时型，各级延时应有足够的时差。剩余电流保护器仅能实现接地故障防护功能，对于线路末端发生的两相短路，剩余电流保护器无法可靠动作，仍需要对断路器的灵敏度进行校验。

4 结论与讨论

由本文校验结果可知，隧道内远距离配电线路末端发生单相接地故障时，故障电流较小，难以保证断路器动作的可靠性，只考虑线路的电压损失而忽视断路器灵敏度的做法是不可取的，断路器灵敏度的校验应引起设计人员的重视。当灵敏度不满足要求时，可采用加大电缆截面、装设具有剩余电流保护功能的断路器、在满足配电和保护功能的前提下降低断路器的瞬时或短延时过电流脱扣器的整定值等一种或多种措施，从而提高断路器的灵敏度。然而，以上措施都在一定程度上增加了投资成本或维护成本，选用时应根据实际情况通过经济技术综合比较后确定。

本文中断路器动作电流的整定值虽然考虑了三段保护的选择性，但当下级回路的短路电流过大、超过上级断路器短路保护动作整定值时，仍会使上级断路器无选择性跳闸，为保证配电系统保护的选择性，必要时可采用智能断路器的级间选择性连锁技术。另外，隧道内远距离配电线路较多，逐条校验会重复大量工作并耗费大量时间，在本文分析的基础上，利用计算机技术编写用于自动校验断路器灵敏度的程序，不失为提高设计效率的一个好办法。

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