给排水项目中相关低压配电线路问题研究

石 伟

(中国市政工程中南设计研究总院有限公司, 湖北 武汉 430010)

给排水项目中相关低压配电线路问题研究

石 伟

(中国市政工程中南设计研究总院有限公司, 湖北 武汉 430010)

接地故障保护在排水工程低压配电系统设计中的作用就是防止电气火灾及线路损坏以及人身间接电击，因此接地故障保护方式的选择及其保护灵敏度的校验是保护措施得以正确实施的有力保障。为了保障供电线路运行的安全性，须对导体最小截面和线路电缆的保护电器分别进行校验。本文阐述了市政给水排水工程低压配电设计中与电缆相关的几个问题，并对这些问题提出参考意见。

给排水工程；低压配电；问题

Wuhan430010,China)

1 概 述

自来水厂和污水处理厂等公用服务工程运行可靠性是保证工程安全、持久运行的关键,因此，在大型自来水厂和污水处理厂项目中，其低压配电系统的可靠性要求也随之增高。在给排水工程相关配电系统中，配电线路设计、电缆选型和低压保护电气是重中之重，本文针对排水工程相关低压配电线路设计较常见的几个问题进行讨论和分析。

2 低压配电线路设计的几个问题

在自来水厂和污水处理厂工程中，因厂区占地面积大，各构筑物变配电间的距离较长，导致各构筑物之间敷设的电缆也较长。为了尽可能保障厂区配电网的稳定性，尽量消除停电影响，杜绝潜在的安全隐患，必须准确选择供配系统的保护方式以及准确整定参数。低压出线线缆热稳定校验、接地故障保护相关方式的选择及其灵敏度校验是关键问题[1-2]。

2.1 低压配电线路保护要求

根据《低压配电设计规范》(GB 50054—2011)相关规定[3]，配电线路应装设过负载保护、短路保护、接地故障保护；在选择能分断短路电流的保护电器时，应保证其分断能力能分段短路电流；应保证上下级配电线路保护电器动作的选择性，使故障发生时只切断该级故障线路，而保证上级保护电器不动作，从而使停电范围不扩大；保护电器和导体截面要能协调配合，达到动稳定与热稳定所需的要求。

上述相关设计内容应在电压损失计算、短路电流计算和线路负荷计算的设计环节上进行。

2.2 配电线路接地故障保护及其校验

在给排水工程中，接地故障是易危害人身安全的高发性事故，接地故障的保护方式是根据不同接地类型进行选择，同时，也是根据不同接地类型进行保护灵敏性校验。

2.2.1 接地故障保护方式选择

接地故障保护的目的是防止电气火灾、人身间接电击、线路损坏。《低压配电设计规范》(GB 50054—2011)第5.2.7～5.2.22条中提出了两种方式的接地故障保护：一种是利用剩余电流实现接地故障保护，另一种是由过电流保护兼做接地故障保护[3]。

由于零序电流保护在低压配电系统中应用时，存在可靠性低和局限性强的缺点，《低压配电设计规范》(GB 50054—2011)依据IEC标准取消了采用零序电流保护作为接地故障保护的形式。

由于给排水项目中低压配电系统的形式较多为TN型，故其接地故障保护多采用过电流保护兼做接地故障保护的形式。当低压断路器热磁脱扣器(瞬动整定值固定为10倍In)作为配电电缆过电流保护时，如配电线路较长，其接地故障保护灵敏性需进行校验，如不满足灵敏性要求，则需采取措施处理。

2.2.2 接地故障保护灵敏性校验

在低压配电线路设计中，计算低压供配电系统出线发生三相短路时的电流的目的是校验保护电器是否可以分断短路电流；计算低压供配电系统出线发生单相接地短路时的电流的目的是校验保护电器的动作灵敏性。

《低压配电设计规范》(GB 50054—2011)第6.2.4条规定：“短路电流不应小于低压断路器瞬时或短延时过电流脱扣器整定电流的1.3倍。”[3]当变配电间安装的是小容量变压器同时负荷离变电所又较远时，低压配电线在其末端发生接地故障时的其短路电流就会很小，但当保护电气整定值又较大时，保护电气很难在规定时间内可靠断开。

鉴于上述情况，通常以两种方法达到保护的灵敏性要求：一是采用短延时脱扣整定值可调的保护电器；二是适当加大导体截面从而达到使线路末端短路电流增大，进而达到提高灵敏性的效果。

出于保护方式经济性的考虑，很显然第一种方式更好，因此在实际的给排水工程中第一种方法比第二种方法应用更为广泛。

2.3 低压配电线路所选导体相关热稳定校验

若从低压配电柜直接给一个小负荷馈电，其计算电流最多几十安培，保护电器和馈线导体截面只以计算电流做依据，其取值会相对较小，此时应校验所选线缆发生短路故障时的热稳定性以及保护电器的分断能力，线路导体取配电线路各种短路故障中最大的短路电流值进行其热稳定性校验。

2.3.1 短路保护设备选择

《低压配电设计规范》(GB 50054—2011)第4.2.1条规定：“配电线路的短路保护，应在短路电流对导体和连接件产生的热作用和机械作用造成危害之前切断短路电流”[3]。当变配电间安装的是大容量变压器，其低压母线出线短路电流也相对应较大，如接线形式为D.yn11，安装容量为1000kVA的变压器，其低压配电柜出线处的接地故障电流也可达20kA以上，其三相短路电流约为23～25kA。因此基于保护电器分断能力大于该处最大短路电流的原则。在这种状况下，不能选用微型断路器(分断能力一般小于10kA)安装在低压屏出线处。

2.3.2 低压电缆热稳定校验

低压电缆热稳定需要校验,在多部国标规范的相关条文有规定。如《电力工程电缆设计规范》(GB 50217—2007)第3.7.8条要求“短路点应选取在通过电缆回路最大短路电流可能发生处”[4]，第3.7.7条中要求“对非熔断器保护的回路，应按满足短路热稳定条件确定电缆导体允许最小截面”。条文要求，在选择配电线缆截面积时要取电缆所有短路故障类型中出现的最大电流值进行校验，不能仅依据负荷计算电流选择配电线路线缆的截面积。尤其是在给变压器容量比较大的配电线路选择配电回路线缆时，因为其负荷计算电流较小，在满足电压损失和载流量的条件下，所选线缆导体截面往往比较小，但如果再加入电缆热稳定校验的条件，导体线缆的截面一般都会增大。

以一座污水处理厂为例，其变电所装有1000kVA(D.yn11)接线的变压器，其低压侧母线长度一般较短，大概10m，故其阻抗可忽略不计，因此低压柜低压变压器低压出口处短路电流值与出线开关处短路电流值可认为相等，其短路电流有效值约为24kA。生化池上的一些小型设备如搅拌器等(单台功率小于7.5kW)，其供电采用放射式供电回路，由于其计算电流约为20A，在满足压降及载流量的条件下选用铜芯截面为4mm2的线缆即可。

《低压配电设计规范》(GB 50054—2011)第6.2.3条明确规定：当短路持续时间大于等于0.1s而小于等于5s时，绝缘导体的热稳定应按下式进行校验[3]：

式中I——短路电流有效值(均方根值)，kA；K——不同绝缘的计算系数，对于给排水工程中常用的YJV-1kV电缆通常取143；

t——短路切除时间，s，取主保护切除时间与断路器全分闸时间之和。

给排水项目中断路器经常被用作短路保护电器，无论断路器用的是何种瞬时脱扣器，其对于短路电流的全分断时间基本上在10～20ms之间，有些厂家时间更短，按相关规范要求应考虑短路电流非周期分量对热作用。在短路持续时间小于0.1s的情况下，不能用上述公式进行校验，应按照公式K2S2>I2t(I2t是保护电器厂家提供的保护电器允许通过的能量值)进行校验，从而保证将短路电流被分断前其所含非周期分量的相关热效应考虑进去。

目前，国内市场上主流塑壳断路器都能够实现快速开断，并且自身还携带有限流作用。在进行热稳定校验时，必须将断路器自身的电气性能、电缆和系统进行综合考虑。结合具体参数进行计算可使热稳定校验结果更加准确。

国内外各厂商的限流型低压断路器尽管在产品上存在一定差异，但根据的都是电斥力基本原理。之所以可以缩短熄弧时间，是在电流达到最大值以前将其切断，从而使热应力和电动力得以减少，断流指标得以提升。下图为某主流品牌断路器热应力限制曲线。

低压断路器热应力限制曲线图

断路器自身的热应力限制曲线是对限流型低压断路器及低压电缆进行热稳定校验的必要依据，其原因是断路器动作前短路电流的热效应I2t值必须不大于导体自身对于热效应的承受能力。因此，在短路电流24kA处热效应值根据“断路器热应力限制曲线”可查得I2t<5×105(A2s)，因此满足条件的电缆截面为

实际工程中取铜芯面积为6mm2的YJV电缆即可满足导体线缆热稳定要求。

依据限流型断路器的“热应力限制曲线”及以往设计经验，当对容量不小于315kVA的变压器的低压配电柜出线处的短路电流进行热稳定校验时，铜芯截面不小于6mm2的电缆即可满足要求，当对容量不大于315kVA的变压器的低压配电柜出线处的短路电流进行热稳定校验时，铜芯截面不小于4mm2的电缆即可满足要求。如采用的断路器或熔断器其额定电流不超过400A，配电线路采用截面大于70mm2的铜芯电缆或绝缘导体，一般情况下能满足热稳定相关的规范要求。

3 电缆敷设的问题

为保证自来水厂或污水处理厂可靠性运行，变配电房采用放射式供电方式对厂区内主要生产建(构)筑物设备供配电，对于大型给排水项目，变配电房有大量的电缆在电缆沟进出口处，这时应合理优化电缆敷设方式及改善电缆散热条件和减小其对载流量的影响。《低压配电设计规范》(GB 50054—2011)第3.2.6条规定：“当电缆沿敷设路径中各场所的散热条件不相同时，电缆敷设条件应按最不利的场所确定。”[3]以下就电缆敷设的几个重要方面进行讨论。

3.1 影响电缆载流量的外部条件

电缆导体通电后达到长期允许工作温度时所对应的电流数值即为电缆长期允许载流量。在实际项目中，电缆允许载流量由敷设条件、电缆自身特性、所需通过的计算电流值共同决定。电缆自身特性又由电缆绝缘材料本身的散热性能、电缆自身的长期允许工作温度等因素决定。在电缆型号确定后，电缆散热情况及敷设环境的优化对所选电缆的允许载流量起着至关重要的作用。

3.2 变配电房电缆敷设方式

给排水工程中变配电房部分的低压电缆敷设主要有下进下出电缆沟敷设和上进上出桥架敷设两种，同时进出线电缆的敷设环境散热也受到低压配电柜布置的影响，下面对这两种敷设方式进行比较分析。

配电柜采用电缆下进下出方式时需搭配电缆沟，电缆在电缆沟内敷设至各设备。

配电柜采用电缆上进上出方式时需在配电柜上方设电缆桥架，电缆在电缆桥架内敷设至各设备。

下进下出方式在配电柜下配套设置的电缆沟沟深一般为800mm，因此，需与土建专业做好配合设置好预留沟槽，在与室外电缆沟或排管的连接处还需做好防水堵漏措施。当电缆沟转弯时，电缆沟内敷设的电缆易发生交错、拥挤，在交错或拥挤处不利于电缆的散热，从而导致整条线缆的载流量下降。

一旦配电间的电缆沟施工完成，无论因何种原因造成的电缆沟内电缆局部拥挤或交错都非常难以优化调整。

采用上进上出方式可以按照电缆填充率或排列间距有效调整电缆桥架层数、规格。在电缆易出现交错或拥挤的位置布置中间分支桥架就可很好地解决电缆局部拥挤的问题。由于大型场站项目需要较多的电缆桥架层数，因而需增加配电间室内层高。

上进上出的出线方式具有灵活性强和电缆散热好的优点，为给排水工程中提供了一种新的选择。

例如：对于多排布置的低压配电柜，各个低压配电柜的出线处，电缆交错、拥挤严重，极其不利于电缆散热，影响电缆的载流量。可考虑在低压配电柜中部构建出新的出线电缆敷设通道，在原敷设通道中途分流一部分出线电缆，采用分节、分段的方式。采取了这种措施后，一部分电缆被中间新建的电缆通道分流，电缆通道各个部分的电缆量都比较均匀和相对合理，减少了电缆局部拥挤，电缆散热条件大为改善，对于某些电缆还明显优化了路径，减少了长度。综上所述，采用上进上出出线方式，可相对容易地在配电柜中间构建分流通道，提高电缆的散热性。

4 结 语

接地故障保护在排水工程低压配电系统设计中的作用是防止电气火灾与线路损坏以及人身间接电击。接地故障保护方式选择及其保护灵敏度校验是保护措施得以正确实施的有力保障。为保证供电线路安全运行，须对导体最小截面和线路电缆的保护电器分别进行校验。为实现供电线路的最大载流量，对电缆敷设方式进行优化也是必不可少的。

[1] 宋玉强. 浅谈观音阁水库输水工程建设的重要意义[J]. 中国水能及电气化，2013(12):31-35.

[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(3版)[M].北京：中国电力出版社，2005.

[3] 任元会. 低压配电线路保护的几个问题[J]. 建筑电气， 2006(2):4-7.

[4] GB 50054—2011 低压配电设计规范[S]. 北京：中国计划出版社，2011.

[5] GB 50217—2007 电力工程电缆设计规范[S]. 北京：中国计划出版社，2007.

Study on Low-voltage Distribution Line in Water Supply and Drainage Project

SHI Wei

(CentalandSouthemChinaMunicipalEngineeringDesign&ResearchInstituteCo.,Ltd.,

The role of ground fault protection in the design of low-voltage distribution system of drainage project is to prevent electrical fires and line damage and indirect electric shock. Therefore, the choice of ground fault protection mode and its protection sensitivity check is the powerful protection guarantee of measures to be properly implemented. In order to ensure the safety of the power supply line operation, the minimum cross section of the conductor and the line cable protection appliances must be verified separately. This paper describes several issues related to cable in low-voltage distribution design of municipal water supply and drainage works， and make reference to these issues.

water supply and drainage project; low voltage distribution; problem

10.16617/j.cnki.11-5543/TK.2017.05.023

TU99

A

1673-8241(2017)05- 0067- 04