低压配电系统照明末端供电问题探讨

廖 昕

(深圳市建筑设计研究总院有限公司, 广东 深圳 518031)

0 引 言

在低压配电系统中,当供电距离过长时会导致线路电压降过大,使末端用照明设备在正常运行情况下端子处的电压偏差超过允许值;同时,因供电距离长而导致回路阻抗增加,发生短路时故障电流不足以使保护开关可靠动作,使电线电缆或设备绝缘损坏,严重时引发火灾等危害[1]。因此,在校验供电距离时,不仅需要进行电压降校验,还应进行保护开关动作灵敏度的校验。

本文结合某工程实例,对低压配电系统中长距离照明供电的电压降和开关灵敏度进行校验。

1 项目概况

某民用工程某台容量为1 250 kVA的变压器主母线上,馈出一个回路给普通照明配电总箱PAL,PAL箱分别馈出回路给地下室2个防火分区的照明配电箱AL1、AL2,AL1、AL2箱某出线各接有20盏28 W荧光灯,功率因数为0.9,具体数据如下:

(1) 照明支路从AL1箱引出3 m后接入灯具,荧光灯等距离安装,间距为3 m。

(2) 照明支路从AL2箱引出40 m后接入灯具,荧光灯等距离安装,间距约为3 m。

(3) 单灯额定电流为0.141 A,整条照明支路总电流为2.82 A。

低压配电系统示意图如图1所示。

图1 低压配电系统示意图

根据上述条件,分别对2个照明支路末端照明灯具端子处的电压降进行计算,并校验最末一级小型断路器的动作灵敏度。

2 电压降校验

2.1 三相平衡负荷线路电压降

三相平衡负荷线路的电压损失计算:

Δu%=IlΔua%

(1)

式中: Δu%——线电压降百分数,%;

Δua%——三相线路单位电流长度的电压降百分数,%/(A·km);

I——负荷电流,A;

l——线路长度,km。

2.2 单相负荷线路电压降

接在相电压上的单相负荷线路的电压降计算:

Δu%≈2IlΔua%

(2)

2.3 多个功率相等单相负荷在同一线路上等距离安装时电压降

等距离同功率负荷接线示意图如图2所示,在一条导线上接入n个用电设备,用电设备功率相同,相邻设备之间距离相同,则第m段线路的电压损失Δum%=[n-(m-1)]·2IlΔua%(其中

图2 等距离同功率负荷接线示意图

1≤m≤n)。

由此,可得出多个功率相等的单相负荷最末端设备处电压降如下:

(3)

表1 各段线路电压损失计算

注:各类线路的Δua%数据来源于文献[3]表9.4-19、表9.4-23、表9.4-24和表9.4-25。

由表1可知,AL1、AL2箱母线处的电压损失值分别如下:

根据式(3),AL1、AL2箱馈出的照明线路最末端电压损失值分别如下:

综合以上计算步骤,AL1、AL2箱照明出线最末端照明灯具端子处的电压损失值分别如下:

ΔuAL1-01%=ΔuAL1%+Δu4-1%=4.578%

ΔuAL2-01%=ΔuAL2%+Δu4-2%=3.716%

GB 50052—2009《供配电系统设计规范》[2]规定,对于照明用电,正常运行情况下一般工作场所用电设备端子处的电压偏差允许值为额定电压的±5%。根据以上计算,可得出如下结论:

(1) AL1箱最远供电距离为205 m,最末端用电设备端子处电压偏差为4.578%,满足允许值±5%的要求,电压降通过检验。

(2) AL2箱最远供电距离为190 m,最末端用电设备端子处电压偏差为3.716%,也满足允许值±5%的要求,电压降通过检验。

3 保护开关脱扣器动作灵敏度校验

为使低压断路器可靠切断接地故障电路,必须按下式校验断路器瞬时过电流脱扣器动作的灵敏性:

在探索性研究(exploratory research)中，研究人员探索问题的方式应该是开放的、包罗性的(inclusive)、排除预设的(unpredetermined)，然而，即使是出于验证理论(hypothesis-testing)、数据互证(triangulation)的目的，研究人员也都更倾向于选择一种更能接近被调查者的、更能获得全方位信息的方法。研究性访谈(research interview)正是这样一种方法。

Id≥KrelIset3

(4)

式中:Id——被保护线路预期短路电流最小值,在TN系统中为被保护线路末端接地故障电流;

Krel——低压断路器瞬时过电流脱扣器动作可靠系数,一般取1.3;

Iset3——低压断路器瞬时过电流脱扣器的整定电流。

3.1 单相接地故障电流的计算

TN接地系统的低压网络单相接地故障电流Id:

(5)

Rphp=Rph+Rp

Xphp=Xph+Xp

式中:Rphp——短路电路的相保回路电阻;

Xphp——短路电路的相保回路电抗;

Zphp——短路电路的相保回路阻抗;

Rph——相线电阻;

Rp——保护线电阻;

Xph——相线电抗;

Xp——保护线电抗。

3.2 低压配电系统单相短路电流的计算

根据文献[3]表4.3-5,可获得变压器低压侧的相保阻抗值。电线电缆的正序阻抗与相保阻抗之间存在以下关系:相保回路电阻Rphp=1.5(Rph+Rp),相保回路电抗Xphp=2Xph。

根据文献[4]表4-25,可获得电缆的相保阻抗值,根据文献[3]表9.4-23,可获得铜线的正序阻抗。

根据以上数据和计算公式,配电系统和线路的相保阻抗如表2所示。

表2 配电系统和线路的相保阻抗

注:供电系统短路容量300 MVA,变压器型号SCB11。

将图1的低压配电系统图转换为单相短路等效电路图,如图3所示。

图3 低压配电系统单相短路等效电路

当3-1段线路末端发生单相短路时,相保总电阻,Rphp=Rsphp+R1php+R2-1php+R3-1php=(1.09+5.96+1 204.14+1 254.00) mΩ=2 465.19 mΩ,相保总电抗,Xphp=Xsphp+X1php+X2-1php+X3-1php=(7.60+1.61+28.00+12.70) mΩ=49.91 mΩ。因此,单相接地故障电流Id3-1=89 A。

当3-2段线路末端发生单相短路时,相保总电阻Rphp=Rsphp+R1php+R2-2php+R3-2php=(1.09+5.96+645.08+2 508.00) mΩ=3 160.13 mΩ,相保总电抗Xphp=Xsphp+X1php+X2-2php+X3-2php=(7.60+1.61+15.00+25.40) mΩ=49.61 mΩ。因此,单相接地故障电流Id3-2=70 A。

对于末端照明回路出线,通常选择C型小型断路器,其瞬时脱扣电流为额定电流的5～10倍。小型断路器B、C、D型特性曲线如图4所示。

故根据灵敏度校验式(4),3-1段、3-2段线路保护开关的瞬时脱扣器电流值应分别满足:

图4 小型断路器B、C、D型特性曲线

3-1段、3-2段的线路保护开关脱扣器额定电流值应分别满足:

为使C型小型断路器发生单相接地短路时能可靠断开回路,对于3-1段回路,C型小型断路器额定值不应大于6 A;对于3-2段回路,C型小型断路器额定值不应大于5 A。

3.3 提高开关动作灵敏度的措施分析

如果配电线路过长,单相短路电流较小,当选择额定电流稍大的小型断路器时,脱扣器动作电流可能不满足灵敏性校验要求,通常采取以下措施来提高保护开关的灵敏度,并对其可行性进行分析[5-6]。

(1) 减少相保回路阻抗,增大单相接地故障电流。

① 将最末端铜芯导线截面积由2.5 mm2增大到4 mm2,相应调整表2中数据,如表3所示。

表3 配电系统和线路的相保阻抗数据(导线调整一)

注:供电系统短路容量300 MVA,变压器型号SCB11。

当3-1段线路末端发生单相短路时,单相接地故障电流Id3-1=110 A。此时,保护开关脱扣器额定电流值应满足:

为使C型小型断路器发生单相接地短路时能可靠断开回路,3-1段回路选择的C型小型断路器额定值不应大于10 A。

② 将2-1段线路电缆截面积由6 mm2增大到10 mm2,相应调整表2中数据,如表4所示。

当3-1段线路末端发生单相短路时,单相接地故障电流Id3-1=110 A。

表4 配电系统和线路的相保阻抗数值(导线调整二)

注:供电系统短路容量300 MVA,变压器型号SCB11。

比较以上计算结果,将2-1段电缆增大一级截面积与将3-1段电线增大一级截面积,可以获得同样的效果。因此,减少相保回路阻抗,增大单相接地故障电流的措施是可行的。

(2) 采用带接地故障保护的断路器。当线路末端发生单相接地故障时,故障电流仅数十安培,小型断路器额定电流选择稍大,就不能满足脱扣器动作灵敏度的要求。在3-1段线路上装设动作电流为1 A的剩余电流保护装置,用剩余电流值替代单相接地故障电流后,可计算出保护开关在单相接地故障时的动作灵敏度Krel=Id/IΔn=89,远大于1.3。

在采用带剩余电流保护装置的保护开关后,被保护线路预期短路电流的最小值不再是被保护线路末端接地故障电流,而应为末端L-N回路短路电流。

L-N回路阻抗与相保回路阻抗相同,保护开关的选择要求与发生单相接地短路时开关的选择要求一致。因此,采用带接地故障保护的断路器作为提高开关动作灵敏度的措施并不可行。

(3) 选用B型脱扣曲线小型断路器。3-1段和3-2段线路保护开关脱扣器额定电流值的计算调整:

对于3-1段和3-2段回路,选择的B型小型断路器额定值可提高到10 A。因此,选用B型脱扣曲线的小型断路器措施是可行的。

(4) 选择额定电流较小的小型断路器。3-1段照明支路的保护开关,可选择额定电流为6 A的C型脱扣曲线小型断路器。照明线路保护用低压断路器的瞬时过电流脱扣器还需满足下式:

Iset3≥KrelIC

(6)

式中:Iset3——瞬时过电流脱扣器的整定电流;

Krel——瞬时过电流脱扣器的可靠系数,荧光灯取3～5;

IC——照明线路的计算电流。

根据式(6),3-1段照明支路保护开关的瞬时过电流脱扣器整定电流满足:

因此,选用C型脱扣曲线的小型断路器措施是可行的。

4 结 语

通过以上分析可知,当低压配电系统中供电距离过长时,即使线路电压降满足要求,也不能保证开关的灵敏性满足要求。因此,须进行开关动作的灵敏度校验。当开关动作灵敏度不满足要求时,可通过适当的措施,保证开关动作灵敏度在合理范围内。

收稿日期：2018-05-31