电气设计需要引起重视的若干问题

李　平,　吴旭辉

(浙江大学建筑设计研究院有限公司, 浙江 杭州　310028)



电气设计需要引起重视的若干问题

李平,吴旭辉

(浙江大学建筑设计研究院有限公司, 浙江 杭州310028)

摘要：为避免由于电气设计的疏忽或不当,造成电气系统的功能失效或存在后期运行的安全隐患,列举一些电气设计中容易忽视的问题,在进行简要分析后提出了解决方案,以供电气设计人员参考借鉴。

关键词：电气设计; 短路分断能力校验; 电压损失; 保护灵敏度; 电动机起动方式

0引言

电气设计的原则是安全、可靠、经济、合理,要全面做到这几点,需要设计人员在设计过程中考虑周详。本文总结了一些在电气设计中容易被忽视的问题,这些问题有大有小,轻者可导致电气系统的功能失效,重者会埋下后期投入运行的安全隐患,希望能引起设计人员的重视。

1塑壳断路器、小型断路器短路分断能力的选择

短路动、热稳定及分断能力校验作为断路器选择的基本原则之一,需要特别注意以下两点:

(1) 变电所低压开关柜内塑壳断路器(Moulded Case Circuit Breaker,MCCB)短路分断能力的选择。低压配电系统示意图如图1所示。

低压主开关QF1通常采用万能式断路器(Air Circuit Breaker,ACB),馈出回路开关QF2采用MCCB。在实际运行中,考虑到避免停电范围扩大,QF1通常关闭短路瞬动功能,短路短延时设定为0.1~0.4 s的时间差,而QF2短路是瞬动的(瞬动时间为ms级),所以K1处发生短路后,QF2开断的短路电流需要计入非周期分量的影响。假设QF2拒动,QF1经过延时后开断,此时非周期分量已经衰减完毕,只需考虑周期分量的影响,所以在短路分断能力选择时,QF2应按三相短路冲击电流有效值Ish1进行校验,QF1按三相稳态短路有效值Ik1进行校验。一般从制造工艺上来说,ACB的短路分断能力通常高于MCCB,但此时MCCB的短路分断能力反而要求更高,这与常规判断不一样,且容易混淆。

图1　低压配电系统示意图

(2) 采用大截面母线槽作为供电干线,接于母线槽上配电箱中的MCCB或小型断路器(Miniature Circuit Breaker,MCB)短路分断能力的选择。由于大截面母线槽阻抗较低,如图1所示,K2处发生短路,其短路电流仍较大,故QF4、QF5短路分断能力需要经过短路电流计算后选择,不应盲目采用普通MCB(一般短路分断能力在6 kA以内)。这种问题在单相出线回路的开关选择上发生较多,此时应选用具有高分断能力的MCB。

2变电所所用配电箱进线电缆截面选择

变电所所用配电箱电源进线电缆截面不能简单地按载流量大于计算电流的方式来选择。由于变电所所用配电箱供电距离较短,所以发生短路时短路电流较大,此时进线电缆的热稳定校验更为重要,根据热稳定校验后选取的截面要远大于满足载流量要求的截面。

在电源系统短路容量300 MVA、系统基准电压0.4 kV的条件下,低压出线电缆采用交联聚乙烯绝缘电缆,短路点取在电缆的末端,另考虑MCCB短路瞬动时间为ms级,按三相短路冲击电流有效值进行计算。经过有关计算[1],变压器容量与变电所所用配电箱进线电缆截面可参照表1进行选择,其余小截面电缆且供电距离较短的线路可参照执行。同理,变电所所用配电箱内断路器也应按上述规定进行短路分断能力的校验。

表1变压器容量与低压出线电缆最小值选择表

变压器容量/kVA阻抗电压/Uk%电缆相线最小截面积/mm231541040041650041663041680061610006251250625160062520008252500825

3长距离供电线路的电压损失及低压断路器保护灵敏度校验

一般长距离供电线路需要考虑电压损失是否控制在合理范围内。文献[1]基于上述因素给出了电力线路合理的输送功率和距离,如0.38 kV电缆线路,输送功率≤175 kW,输送距离≤0.35 km。按上述输送功率及距离要求,当采用240 mm2截面的电缆时,供电线路电压损失计算(一)如图2所示。由图2可知,要控制电压损失在5%以内,功率因数要达0.95以上。

图2　供电线路电压损失计算(一)

输送功率和输送距离对电压损失的影响是相互关联的,功率越小,输送的距离越长,反之同理。另外,不能忽视功率因数、工作电压等因素对电压损失的影响。特别是在设计过程中不应只计及供电干线的电压损失,配电支线直至末端单相回路的电压损失都应计入,否则极易出现电压损失超出国家规范的要求范围(一般要求在±5%以内,某些特殊情况放宽至5%~-10%)。供电线路电压损失计算(二)如图3所示。由图3可以看出,第四级220 V配电线路在电压损失中所占的比重达19.6%。

此外,长距离供电线路对低压断路器保护动作灵敏度的影响同样需要引起重视。目前大部分民用用电设备对电压质量的适应范围越来越宽,因此电压偏移所造成的后果远不如保护装置拒动作所造成的危害大。由于单相短路电流计算较为繁琐,且牵涉因素较多,往往被设计人员忽略。单级配电回路采用交联聚乙烯绝缘电缆的情况下,不同变压器容量及导线截面积对应的最大供电距离如表2、表3所示,假定功率因数取0.8,导线按最大负荷计算。

图3　供电线路电压损失计算(二)

根据参考文献[2]可知,对于单极配电回路,当线路满足保护灵敏度条件,一定满足电压损失条件,可不再进行电压损失校验。对于二级配电回路基本也符合上述规律,只有在脱扣器短路短延时或瞬动电流倍数N取值较小(N=5),而电压损失要求按5%计算时,才明显表现出电压损失条件较强,即线路满足电压损失条件,且同时满足保护灵敏度条件。随着配电级数增多,待定线路的电压损失条件将趋强,而保护灵敏度条件将趋弱。

表2一般配电线路脱扣器短延时或瞬动倍数N=5

变压器容量/kVA导线截面积/mm24610162535507095120150185满足灵敏度条件时2002503154005006308001000125016007185108131150165189202210215——718610813215216719220721822622821871861091331531681952122242342392327286109133154170197215229241248243728610913415417119821723224525325172861091341551712002192352492582577286109134155171199218234248256254728611013415517220122023725126126072861101351561722012212382532642647286110135156173201222239255266267满足电压损失条件时92111139168190207234250261271276273

表3电动机配电线路脱扣器短延时或瞬动倍数N=12

变压器容量/kVA导线截面积/mm24610162535507095120150185满足灵敏度条件时20025031540050063080010001250160029344352586167666052——293544536064727371676446293544546166757979787464293544546268788385868477293545556369798589919186293545556370818792959793293545556370808791949489303645556470818894989996303645556471829095100103100303645566471839097102105104满足电压损失条件时92111139168190207234259261271276273

由上述结论可知,长距离供电线路需要同时注意电压损失及低压断路器保护灵敏度校验。当两者或其中之一不满足条件时,可通过放大线路导体截面积,或减小脱扣器短路短延时或瞬动电流倍数进行复核(供电动机配电时还需兼顾起动电流的影响)。

4电动机起动方式的选择及其保护开关的整定

GB 50055—2011《通用用电设备配电设计规范》规定,当符合下列条件时,电动机应全压起动:① 电动机起动时,配电母线的电压符合规范第2.2.2条的规定;② 机械能承受电动机全压起动时的冲击转矩;③ 制造厂对电动机的起动方式无特殊规定。

然而,在实际设计中,常有设计师不经计算随意采用降压起动的做法,特别是消防水泵等负荷,本身起动频率较低,更应优先考虑二次接线简单、可靠的全压起动。参考DGJ 08-100—2003《低压用户电气装置规程》第5.7.6条:“电动机允许直接起动的容量应小于供电变压器容量的8%,消防设备允许直接起动的容量应小于供电变压器容量的15%”,根据验算,上述取值已经留有一定裕量,实际设计时可以粗略估算电动机是否满足全压起动的条件。

此外,电动机的起动电流与其保护开关的整定电流如何匹配也是设计中容易忽视的问题,甚至由于开关选型错误导致电动机无法正常起动。文献[1]提供了过电流脱扣器的整定电流计算方法:① 瞬动脱扣器的整定电流应为电动机起动电流的2.0~2.5倍;② 长延时脱扣器作为后备保护时,其整定电流应按满足相应瞬动脱扣整定电流的条件确定,即

式中:Iset——断路器的长延时脱扣器整定电流;

Ist——电动机的起动电流;

Ksd——断路器的瞬动电流倍数;

Kst——电动机的堵转电流倍数(即电动机的起动电流倍数);

Ir——电动机的额定电流。

本文按常规数据选取,Kst=7。断路器为配电保护型时Ksd=10,为电动机保护型时Kst=12。瞬动整定电流按2.5Ist选取,可以得到:① 断路器为配电保护型,Iset≥1.75Ir;② 断路器为电动机保护型,Iset≥1.46Ir。

根据上述计算结果,电动机保护回路应选用电动机保护型断路器,并按1.46Ir选取长延时整定电流,避免电动机正常起动时断路器误动作。

按此方法选取的断路器同样符合国家标准GB 50054—2011《低压配电设计规范》第6.3.6条有关消防配电线路的规定“过负荷断电将引起严重后果的线路,其过负荷保护不应切断线路,可作用于信号”。

消防水泵及风机是在流体中运作的机械,属于轻载起动的电动机,其过载电流通常达不到1.46Ir,即使达到1.46Ir,对于配电线路还是正常负荷。此外,断路器的长延时脱扣器额定电流是按标准序列制造的,实际选择时大于1.46Ir。所以,即使消防水泵及风机发生过负荷,按上述方法选取的断路器仍不会动作。需要注意的是,该方法仅适用于按全压起动的消防水泵及风机(Kst=7),不适用于其他降压起动情况(Kst≤3)。

当然,消防类电动机的主保护回路中已有热继电器作为过负荷报警信号输出,主保护断路器优先选用电磁式脱扣器(国标代号3200,国际代号MA型)。在上一级电源总箱配出回路中断路器的长延时整定电流可按1.46Ir选取,即对配电线路实行保护,又不违反上述规范要求。

另外,在MCB脱扣器曲线的应用中,经常出现无论是否为电动机配电回路,均按C型脱扣曲线设计的情况。如果所带负荷较小而长延时整定按16 A设计,则开关不会误动作。如果负荷容量较大且刚好处于临界状态,则极易出现电动机起动跳闸的情况。

5树干式供电分支线路的保护及链式供电电缆的选择

GB 50054—2011第6.2.5条规定:“短路保护电器应装设在回路首端和回路导体载流量减小的地方。当不能设置在回路导体载流量减小的地方时,应采用下列措施:① 短路保护电器至回路导体载流量减小的这一段线路长度不应超过3 m;② 应采取将该段线路的短路危险减至最小的措施;③ 该段线路不应靠近可燃物。”另外,第6.2.6条明确了导体载流量减小处可不装设短路保护电器的各项条件。

实际设计中,上述措施和各项条件很难落实到位,规范设置这些要求也是优先考虑变径处设置保护电器的做法。所以,树干式供电的分支线路应就近于分支处设置短路保护开关,干线采用母线槽时推荐在插接箱内设置断路器。同理,链式供电线路的导体截面也应全线一致,不应有所减小,否则还需增设短路保护电器。

6安全电压

GB 17945—2010《消防应急照明和疏散指示系统》第6.2.1条规定:安装在地面的消防应急灯具主电源应使用安全电压。JGJ 57—2000《剧场建筑设计规范》第10.3.5条规定:乐池内谱架灯、化妆室台灯照明、观众厅座位排号灯的电源电压不得大于36 V。

以上均是人们易接触的电气设备,而且一旦发生积水等情况危险性更大。采用安全电压配电,可避免触电事故的发生,保障人身安全 。

此外,还需注意的是:① 安全电压回路的带电部分严禁与大地、其他回路的带电部分及保护导体相连接;② 安全电压回路的用电设备外露可导电部分不应与大地、其他回路的保护导体、用电设备外露可导电部分及外界可导电部分相连接。

7变频器、逆变器等设备的安装

随着变频器越来越多地应用在风机、水泵上,以及光伏发电系统在各地得到大力的推广,工程设计中接触到变频器及光伏发电用逆变器的情况越来越频繁。需要指出的是,此类电子设备具有一定的发热量,通常功率在7.5 kW以上的变频器需要装设通风散热设施,即使其容量很小,采用自然对流散热,也需要在柜体上开设透气孔。所以,在选取变频器配电柜时需要充分考虑散热的影响,预留一定的安装间距,以保证散热。

此外,应用于屋面露天用电设备的变频器柜不应露天设置。由于散热的原因,柜体的防护等级无法做到IP 55以上,在长期的风吹、日晒、雨淋的影响下,会严重影响变频器的运行寿命。比较妥当的做法是,在用电设备附近设置专用设备机房,并预留通风换气设备。同理,光伏发电系统的逆变器布置也是如此。

8LED灯光源的显色性问题

LED灯在室内的应用还处于初步阶段,其许多特性与常规的灯具(如白炽灯、荧光灯、金卤灯等)不同,在工程设计中需要特别注意,尤其是显色性差异特别大。

GB 50034—2013《建筑照明设计标准》第4.4.2条规定:长期工作或停留的房间或场所,照明光源的显色指数(Ra)不应小于80;第4.4.4条1款规定:当选用LED灯光源时,长期工作或停留的房间或场所,色温不宜高于4 000 K,特殊显色指数R9应大于0。

规范对应的条文解释已经很好地对上述规定的差异进行了说明:LED灯光源如果光谱中红色部分较为缺乏,会导致光源复现的色域大大减小,同时照明场景呆板、枯燥,从而影响照明环境质量。而对于这一问题,蓝光激发黄光荧光粉发光的二极管灯尤为突出。简单地说,常规的Ra值即使达到80,也不能保证LED灯显现物体的颜色,还需用特殊显色指数R9加以限定。

9大空间场所应急照明的选择

GB 50016—2014《建筑设计防火规范》规定了建筑内疏散照明的地面最低水平照度,较之GB 50016—2006有所提高。

大空间场所(如门厅或中庭等场所)在一些设计中常常忽略疏散照明的地面水平照度,只简单地在四周墙壁上布置几盏壁挂双头应急灯,大多无法满足GB 50016—2014规定的最低水平照度的要求。建议采用大功率的LED灯或卤钨灯作为疏散照明光源,并与顶面布置相结合,以保证地面的水平照度。另外,LED灯驱动电源及卤钨灯的表面温度很高,需按规范要求采取一定的防火措施。

10普通客梯火灾时非消防电源切除的设置

在一些设计图中经常发现,用于给普通客梯供电的公共用电总箱总开关处设置了非消防切除分励脱扣器,或在电梯电源箱处设置了带非消防切除功能的双电源开关,同时火灾自动报警系统图在上述箱体上设置非消防切除功能用的控制模块。这是错误的做法,如果施工单位按图施工,将埋下严重的安全隐患。

GB 50116—2013《火灾自动报警系统设计规范》第4.7.1条对此作了明确解释:对于非消防电梯,不能一发生火灾就立即切断电源,如果电梯无自动平层功能,则会将电梯里的人关在轿厢内,这是相当危险的。

合理的做法是火灾发生后,控制模块首先输出信号给相关危险部位的电梯控制箱,使电梯回到首层或转换层,再由电梯控制箱自身切断电源开关。

11结语

建筑电气的设计水平直接影响用户在使用电气设备时的安全性和可靠性。目前,我国的建筑电气设计存在着很多的问题,严重影响到建筑电气系统的运行质量,电气设计人员必须要引起足够的重视。

[1]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.

[2]雍静.按单相短路保护灵敏度确定低压配电距离[J].建筑电气,2000,19(2):3-8.

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Several Need Attentation Problems about Electrical Design

LIPing,WUXuhui

(Architectural Design and Research Institute of Zhejiang University, Hangzhou 310028, China)

Abstract：This paper introduced some neglected problems in electrical design,which avoid the function failure of the electrical system or the security risks of later operation due to the negligent or improper electrical design.After a brief analysis,the solutions were put forward.It can provide references for electrical designers.

Key words:electrical design; short circuit breaking capacity checking; voltage loss; protection sensitivity; starting mode of motor

收稿日期：2015-12-25

中图分类号：TU 852

文献标志码：A

文章编号：1674-8417(2016)02-0001-06

吴旭辉(1981—),男,高级工程师,主任工程师,从事建筑电气设计工作。