故障防护的五组连续不等式解析

杨新军, 焦建雷

(1.秦皇岛市建筑设计院有限公司, 河北 秦皇岛 066000;2.北京兴电国际工程管理有限公司, 北京 100048)

0 引 言

电击防护是涉及人身安全的防护,可分为基本防护、故障防护[1-2]及附加防护。自动切断电源是最常用的故障防护措施。故障防护也称间接接触防护[3]、接地故障保护[4]。本文采用IEC 60364中提及的术语——故障防护。自动切断电源的故障防护措施,采用过电流保护兼做故障防护、剩余电流动作保护、三相不平衡电流保护(零序电流保护)[5]。过电流保护采用瞬时脱扣器和短延时脱扣器,而不采用过载脱扣器。本文主要解析TN系统的故障防护的五组连续不等式应用条件。

1 设置故障防护的要求

文献[3]第5.2.1条指出,对于未采用下列间接接触防护措施者(采用Ⅱ类设备;采取电气分隔措施;采用特低电压供电;将电气设备安装在非导电场所内;设置不接地的等电位联结),应采用自动切断电源防护措施。文献[4]第4.3.8条表明交流电动机应装设短路保护和接地故障保护。第4.5.1条表明照明配电终端回路应设短路保护、过负荷保护和接地故障保护。文献[6]第2.3.1条表明交流电动机应装设短路保护和接地故障的保护。

2 采用瞬时过电流脱扣器兼做故障防护

采用瞬时过电流脱扣器兼作故障防护应满足下列连续不等式:

(1)

式中:I′STM1——线路中最大一台电动机的全起动电流,对于笼型电动机,可取其起动电流ISTM1的2～2.5倍,本文取2倍;

IC(n-1)——除起动电流最大一台电动机以外的线路计算电流;

Iset3——瞬时过电流脱扣器的整定电流;

IK1——单相接地故障电流。

小容量远距离电动机单相接地故障电流IK1小,不易满足灵敏度要求。大容量电动机起动电流大,造成瞬时过电流脱扣器的整定电流Iset3大,也不易满足灵敏度要求。上述两种情况采用瞬时脱扣器兼作故障防护,不易满足式(1)要求。

可靠系数取1.3是源自文献[3]中第6.2.4条规定。考虑以下因素:断路器动作误差±20%[1],电网电压偏差-10%,计算误差等因素可能造成短路防护拒动作[7-8]。

文献[3]第6.2.4条条文说明中断路器的制造误差为±20%,这是基于文献[9]中第8.3.3.2.2条规定。而依据文献[10]第8.6.1条规定,微型断路器B型脱扣器5In时、C型脱扣器10In时、D型脱扣器20In时,在0.1 s内必定脱扣,无须再考虑1.3倍系数。

取可靠系数1.3已经考虑到断路器的制造误差,灵敏度校验无须再考虑制造误差产生的瞬动电流+20%的误差,即按照Iset3=(10～20、14)×(1+20%)In取值是错误的[11]。

利用长延时脱扣器作为故障防护只是个别型号能够满足切断时间的要求,不具有普遍性。

电动机直接起动全起动电流(有效值)I′STM1=(8.49～9.89)IrM。电动机Y-△起动绕组Y连接全起动电流(有效值)I′STM1=2.83IrM,绕组切换过程二次冲击电流I′STM1=13.44IrM[12]。瞬时过电流脱扣器的整定电流宜为Iset3=(10～20、14)In。

3 采用短延时过电流脱扣器兼做故障防护

采用短延时过电流脱扣器兼作故障防护应满足下列连续不等式:

(2)

式中:Iset2——短延时过电流脱扣器的整定电流。

I′STM1为线路中最大一台电动机的起动瞬时10 ms内全起动电流,包括周期分量和非周期分量。ISTM1为线路中最大一台电动机的起动阶段2～30 s内起动电流,其中轻载起动时间小于4 s,一般负载起动时间为4～10 s,重载起动时间为10～30 s,仅含周期分量不考虑非周期分量。

ISTM1=(6～7)IrM,Iset2=(1.5～10)Iset1,同一断路器短延时过电流脱扣器小于瞬时过电流脱扣器整定电流,故障防护灵敏度更容易满足。

短延时过电流脱扣器兼作终端设备故障防护时,短延时时间tsd不大于0.2 s,满足文献[1]中最长的切断时间要求。但是终端断路器采用选择性断路器,配电系统级间选择性就不易满足。

4 采用三相不平衡电流保护作故障防护

采用三相不平衡电流保护作故障防护应满足下列连续不等式:

(3)

式中:IN——三相不平衡电流;

Iset0——三相不平衡电流保护整定值。

IN通常不超过计算电流IC的20%～25%,三相不平衡电流保护整定值Iset0以断路器长延时脱扣器Iset1的50%～60%计算,即Iset0=0.5Iset1,IN=(0.2-0.25)IC,IC≤Iset1[5]。

式(3)中可靠系数取值1.3,基于文献[13]第T5.5条,电流不平衡度大于120%时开关电器断开,并考虑到三相不平衡电流脱扣器制造会产生+20%误差。

5 采用剩余电流保护作故障防护

采用剩余电流保护作故障防护应满足下列连续不等式:

(4)

式中:IL——线路和设备对地泄漏电流;

IΔn——剩余电流动作保护器(RCD)额定剩余动作电流;

IΔn0——额定剩余不动作电流,IΔn0=0.5IΔn。

表1 断路器保护级间配合

6 断路器级间配合

断路器保护级间配合如表1所示。上级、下级断路器的使用类别4种组合里,除下级选择性断路器与上级非选择性断路器不合理外,剩余3种都要满足表1中的瞬时脱扣整定电流或短延时脱扣整定电流,即上、下级断路器瞬时脱扣器或短延时脱扣器之间1.3倍级差;上级断路器瞬时脱扣器或短延时脱扣器小于保护线路末端单相短路电流的1.3倍。

7 工程实例

以某住宅小区为例进行计算,该工程由14栋高层住宅、28栋洋房、商业用房、物业用房、幼儿园组成,总建筑面积约为44.5万m2。其中,三号楼屋顶的正压送风机距离变电所最远,末端单相接地短路时,其短路电流最小,灵敏度最不容易满足。三号楼屋顶的正压送风机配电系统图如图1所示。三号楼单相接地故障电流计算电路图如图2所示。三号楼单相接地故障电流计算表如表2所示。

图1 三号楼屋顶的正压送风机配电系统图

图2 三号楼单相接地故障电流计算电路图

表2 三号楼单相接地故障电流计算表

(1) 断路器QF4的主要参数选择。

① 计算电动机额定电流:IrM=12.2 A,消防设备长延时脱扣器按1.5倍整定1.5×12.2=18.3 A[15],选择断路器额定电流In=20 A,Iset1=In=20 A,长延时脱扣器仅报警不脱扣。

② 查询电动机起动电流/额定电流倍数:ISTM1/IrM=6.5,起动电流ISTM1=79.3 A。

③ 电动机全起动电流(有效值)I′STM1=112.1 A。

④ 校验断路器瞬时脱扣器兼作故障保护灵敏度:瞬时脱扣器整定电流Iset3=200 A,按式(1)校验,采用瞬时过电流脱扣器兼做故障防护不满足要求。提高单相接地短路电流值,可以加大线路相线、保护线截面,本文不再讨论此做法。

⑤ 校验断路器短延时脱扣器兼作故障保护灵敏度:短延时时脱扣器整定电流Iset2=100 A,其中Iset2=1.5～10In可调,按式(2)校验,采用短延时过电流脱扣器兼做故障防护能满足要求,但不易满足选择性要求,不建议采用短延时过电流脱扣器兼作故障防护。

⑥ 校验三相不平衡电流保护做故障保护灵敏度:三相不平衡电流保护整定值Iset0=9 A,IN=2.44 A,按式(3)校验,可以采用三相不平衡电流保护作为故障保护。

⑦ 由于消防负荷不应采用剩余电流动作保护,因此该正压送风机不应采用剩余电流动作保护作故障保护。

(2) 选择性校验。

断路器QF3与断路器QF4为放射回路首端和末端保护电器,参数可以选择一致Iset3=200 A。

(3) 解决措施。

配电系统中线路L1和线路L2超出断路器QF1和QF2瞬时过电流保护兼做故障防护的允许长度。修改后的单相接地故障电流计算电路图如图3所示。

线路L1之Iset3=1 000 A,查文献[7]表5.4-7得允许长度为193 m,设计长度150 m,符合要求。

采用文献[7]“等效折算系数法”校验线路L2发生单相接地故障时的灵敏度。查文献[7]中表5.4-12可得L1折算系数K1=0.15,则等效长度L=120.5 m,再按L2之Iset3=200 A,查文献[7]表5.4-7得允许长度为147 m,符合要求。

校验线路L3发生单相接地故障时灵敏度,L1折算系数K1=0.09,L2折算系数K1=0.41,则等效长度L=55.68 m,再按L3之Iset3=200 A,查文献[7]表5.4-7得允许长度为59 m,符合要求。

8 结 语

人身电击防护和配电线路保护同等重要,不能顾此失彼。在规定时间内快速切除故障电流保护人身安全,需要满足故障防护灵敏度要求,可以采取降低保护电器故障时脱扣电流的措施,还可以采取提高接地故障电流值的措施,不同措施取舍还应兼顾经济性操作性。