断路器灵敏度与电缆长度关系的探讨

刘毅斌， 戴芳文

（湖南省建筑设计院有限公司，长沙410012）

0 引言

随着国家城市化进程的推进及环保要求的提高，近年国内新建、扩建了大量的城市给水、污水厂。 这些工程有一些相同特点：厂区大、单体多、负荷分布分散且不均匀、整体负荷相对不大。 因此在变配电设计和实际项目中，由于变配电房（变压器）设置数量限制，时常出现变配电间（变压器）部分配电回来供电半径较大、配电电缆较长的情况，从而导致一系列的问题，如末端电压降不满足规范要求，部分一级配电柜内断路器无法有效保护过长电缆等。 前者引起了大部分设计者的注意，而后者是一个很重要但又容易被忽视的问题。

1 TN 系统及防止间接接触保护的要求

TN 系统为现有工程设计配电中广泛采用的接地型式，分为3 类：（1）TN⁃S 系统，系统的中性线与保护线是分开的；（2）TN⁃C 系统，系统的中性线与保护线是合并的；（3）TN⁃C⁃S 系统，系统中性线在进入单体或建筑物前采用TN⁃C 接线方式，当进入单体（建筑物）后，PE 线和N 线分开变成局部TN⁃S 系统。 具体可参考图1。

污水处理厂和水厂设计中，有很多功率较大的电机，其配电是直接由变压器下的一级配电柜馈电的，而电机负荷多采用TN⁃S 系统，根据TN 系统中对于PE 线和N 线分开后不能再合并，因此在水厂和污水处理厂设计中，多直接采用TN⁃S 系统，系统的中性（N）线与保护（PE）线是分开的。 因此本文以TN⁃S 系统为前提讨论相关问题。

图1 TN 接地系统示意图

根据GB 50054－2011《低压配电设计规范》（以下简称“《低规》”）第5.2.8 条规定：TN 系统中配电线路间接接触防护的动作特性应符合式（1）要求。

Zs× Ia≤U0（1）

式中，Ia为保证间接接触电器在规定时间内切断故障回路的动作电流，A；Zs为接地故障回路阻抗，Ω；U0为导体对地标称电压，U0＝220V。

现有工程的低压保护器件已全面实现断路器化，因此本文以断路器作为保护器件讨论。 《低规》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者短延时过电流脱扣器整定电流的1.3 倍，即

1.3Izd≤Id（2）

式中，Izd为断路器短延时电流或瞬时脱扣器整定值，A；Id为接地故障电流值，A。

2 案例分析

2.1 案例一

当配电线路较长，仅采用断路器的过电流脱扣器作为接地保护，可能存在难以同时满足式（1）和式（2）的要求。

下面以某项目工程实际为例：某自来水厂，厂区一配电间内设有1 台800kVA 变压器，该变压器接线方式为D，yn11，uk% ＝6，相保阻抗为Rphp.T＝1.65mΩ，相保感抗为Xphp.T＝11.89mΩ，其中该变压器下有一回路给该水厂的V 型滤池，该单体最大电机为反冲洗水泵，功率P ＝55kW，该电机正常运行电流Ie＝110A，启动电流按Iqd＝7Ie＝770A 计，该车间主要运行设备及负荷计算见表1。

滤池主要负荷清单及负荷计算表 表1

由表1 计算，可得最大计算电流值为340A（224.69kVA／（0.38kV× 3），选用YJV－1kV－（3×185＋2×95）电缆供电，电缆长度约350m。 查表可知电缆相关参数：单位相保阻抗Rphp.L＝0.420 mΩ／m，单位相保Xphp.L＝0.179 mΩ／m。 根据《工业与民用配电设计手册》（以下简称《手册》）4.6.4 节（低压网络短路电流计算），TN 接地系统的低压网络单相接地故障电流计算式为式（3）。

式中，Rphp、Xphp、Zphp分别为短路电路的相线—保护线回路（相保，保护线包括PE 线和PEN 线）电阻、相保电抗、相保阻抗，mΩ。

低压断路器采用短延时脱扣器时的整定值，根据《手册》式11.3－4 有公式（4）。

将式(17)～式(20)带入式(16)中,再将式(16)带入式(15)中即可得到目标的位置估计和速度估计的克拉美-罗下界。

Iset2≥krel2（IstM1＋IC（n－1）） （4）

式中，krel2为可靠系数，取1.2； IstM1为线路中最大一台电机的启动电流； IC（n－1）为线路中除最大一台电机以外的计算负荷电流。

根据式（4）可知：Iset2≥1.2kA，取1.2kA，不满足Izd＝1.015kA 的条件。

低压断路器采用瞬时脱扣器时的整定值，根据《手册》式11.3－5 有公式（5）。

式中，krel3为可靠系数，取1.2；I′stM1为线路中最大一台电机的全启动电流，一般可取电机启动电流IstM1的2～2.5 倍（A），这里按2 倍取。

根据式（5）可知：Iset3≥2.11kA，可取2.2kA，也不满足Izd≤1.015kA 的条件。

2.2 案例一 问题分析及解决

（1）尽量减少配电电缆长度，在条件允许的情况下将变、配电间放置于配电中心（负荷中心）。 可以参考《电气装置应用（设计）指南》（以下简称《指南》）章节G31，为满足断路器瞬时（短延时）脱扣灵敏度的要求，得到电缆最大长度的简易公式为Lmax＝0.8USph／ 2ρIm（0.8 系数为电压修正系数，考虑到了发生相地接地故障时，短路时因热量造成的电阻增大等情况，保护电器安装处上游的电压损失到标准电压的80%或更低），通常，Im的值有±20%容许偏差，因此在最坏情况下Lmax应按Im＋20%计算，如式（6）所示。

式中，U 为相电压，这里按230V 考虑；Sph、Spn为相线、中性线导线截面积，mm2；ρ 为导体密度，这里选取铜电线密度为0.023 Ω·mm2／m；Im为瞬时动作电流。

以50mm2铜线计，其截面积实际约为47.6 mm2，保护断路器设定的Im为630A 带入公式（6）得Lmax＝251.8m，取整为251m。 其他规格电缆可查表2。

通用断路器保护电缆长度 表2

公式（6）中为了方便计算，考虑Sph＝Spn即Sph／Spn＝1，电缆材料采用铜质，接地系统为TN 系统（或含中性线N 线），而实际情况往往有区别。 因此根据公式（6）原理，结合实际，得出最大电缆长度如式（7）所示。

L′max＝K1·K2·K3·Lmax（7）

式中，K1 为电缆接线方式修正系数，当采用三相三线制和单相二线400V（无中性线）回路，无中性线时取值1.73，当采用三相四线制或单相二线230V（含中性线）回路取值1；K2 材质为铜时取1，为铝时取0.62；K3 当Sph／Spn＝1 时取1，当Sph／Spn＝2 时取0.67。

2.3 案例二及分析

某车间有500kVA（10.5kV／0.4kV）变压器一台，车间采用TN⁃S 接地系统，低压配电柜内某回路断路器设定（得）瞬时脱扣整定值为1.25kA，该回路电缆为YJV－1／0.6kV－3×70＋2×35，材质为铜，长度为105m，请核实该型断路器设定值是否满足要求。

根据表2 可以得到Lmax＝187m。 根据公式（7），结合例子条件可得K1 ＝1，K2 ＝1，K3 ＝0.67，于是，L’max＝1×1×0.67×187 ＝125m，L’max＞105m，因此可知该断路器瞬时整定值满足要求。

（2）对较大电机采用软启动或者变频启动，以减小启动电流，改变Iset2值，如例2 中，如果采用变频启动，启动电流按Iqd＝1.5Ie＝165A，则Iset2≥0.5kA，Iset3≥0.6kA 即可满足Izd≤1kA 的要求。

（3）增大保护线面积，如采用240 的电缆，在其余同等条件下，Rphp.L＝0.285 mΩ，Xphp.L＝0.152 mΩ，则Izd≤1.4kA。

（4）在TN⁃S 系统采用零序电流保护，在TN⁃S系统中采用剩余电流保护（RCD）或采用带接地故障保护的低压断路器。 带接地故障保护的断路器整定：为了使接地故障脱扣器正确动作，其动作电流整定值Ig必须躲过线路中的最大不平衡电流Iph。

1）对于单相负荷或者单相负荷比例较重的混合动力回路，由于该回路不平衡电流较大，单相负荷产生的谐波电流设备也日益严重，线路最大不平衡电流：Iph＝（0.4 ～0.7）Ijs， Ijs为负荷计算电流，该计算公式比较适合市政工程的综合楼和机修车间等公共建构筑物。

2）对三相负荷平衡分配或三相负荷占较大比重的动力回路：Iph＝（0.2～0.3）Ijs。

3）单台电动机动力回路，其电压不平衡度为2%时，其不平衡电流：Iph＝0.14Ie，Ie为电动机额定电流。 根据不平衡电流，可以推导出整定值如式（8）所示。

Ig＝kset4Iph（8）

式中，Ig为接地故障电流整定值；kset4为可靠系数，1）、2）两种情况取值1.3～1.5，电机取值3～4。

2.4 小结

结合前面的实例，可以最终选择带接地故障的断路器，采用瞬时保护，保护值Iset3＝2.2kA，Ig＝150A。

相比于其他方案，笔者认为，采用带接地故障保护的低压断路器来解决TN 系统下接地故障对长距离供电的限制这个问题的方案，可能是最有效和经济的方案。

3 结束语

本文通过实例分析，对现有市政给排水厂电气设计中关于电缆过长的导致断路器灵敏度下降的问题进行了阐述和讨论。 其实在设计中，对于电缆过长而导致的其他问题（如电压降、启动问题等），大多数设计人员和校审人员以及现场施工人员都有相应的认识，而对于文中所提问题没有足够的重视，这样会给配电系统带来安全隐患。