漫谈工业项目低压电气装置设计要点

（金隆铜业有限公司，安徽 铜陵 244000）

电气设计师在开展工业项目的电气设计之前，首先需要掌握国家标准。低压电气装置设计的核心思想是电气安全、稳定可靠和经济实用。再者，开展深度调研，对项目所在地的环境条件、安装方式以及使用习惯有所掌握，对在不同环境条件下体现出来的不同性质与不同程度的潜在的电气危险，应分类采取相应的防范措施。

1 深入调研

工业项目在收资过程中，应该注重对当地自然环境条件和供电环境的等方面的资料收集工作。在《工业与民用供配电设计手册》第四版中，详细阐述了电气设备及导体的正常使用条件以及在不满足正常条件时，设计中应采取的相应措施。

一般情况下，影响电气设计的环境条件因素存在以下几种情况：当海拔高于1000m时会降低电气装置的绝缘同时提高温升，应进行修正；在风速较大的地区，应对架空线路、杆塔、屋顶设置的电气装置等提出抗风措施；在干热、湿热地区的电气装置宜选用干热、湿热型专用电气产品，并应视情况积极采取防潮、防水、防霉、防锈等干预手段；应注意提高电气设备的防护等级；在存在酸碱腐蚀、盐雾等情况的地区，电气设备应该采用防腐型，电缆保护管、裸露外壳的设备、桥架等应采用气璃钢或不锈钢等材质，至于保护层可采取热镀锌、涂防腐材料等方式；在土壤的电阻率比较高的地区，应当适当的采取相应的措施来降低接地电阻，比如利用建筑物的基础做联合接地、加打人工接地极、降阻剂等；在频繁受雷灾害的地区，应注意防雷措施，例如按规范等级设置接闪器、必要时假设避雷针、电源进线处设置浪涌保护器等；在有白蚁或鼠类等虫害的地区，电缆沟及入户管沟处应做好密封防堵的工作，应该选用壁厚质硬的PVC管材，以及带铠装外护套的电缆，并在必要时选用防白蚁电缆；电气装置必须满足抗震要求；为了选择最佳的供电网络接线方式，还须了解当地电网结构等信息。

2 了解电力负荷的特性

工业项目中电力负荷应用最为广泛的就是感应电动机。

2.1 感应电动机的安装功率

大多数电机都标明额定功率Pn（单位：kW）表示其机械轴额定输出的功率。

需要注意的是，安装功率指的是电气装置在工作中所有耗能设备额定功率之和，而不是指电机的实际供电功率。

2.2 感应电动机的视在功率

安装视在功率Sa（单位：kVA）通常被认为是各个负载视在功率的算术和。但是，视在功率的最大估算值并不简单的等于全部负载的安装视在功率之和。这一数值需求可以根据其额定输出功率、电机效率和功率因数的函数来求得。

需要注意的是，全厂负荷的视在功率并不是将单个负载计算出来的视在功率额定值简单的累加（所有的负载都具有相同的功率因数除外）。

2.3 感应电动机的启动电流和超瞬态电流

感应电动机的启动电流是启动瞬间电机的转速为零时的堵转电流，典型值大约为额定电流的5～7倍。通过使用Y-Δ起动装置、静态软起动装置或者变频器的相关设备，可以大大的降低起动电流。

电机的超瞬态电流峰值，典型值大约为额定电流的12～15倍，有时甚至高达25倍。因此断路器、接触器和热继电器的选择应能应对电机启动时非常高超瞬态电流。

2.4 全厂实际视在功率最大值的估算

并非所有单个负载都能以满额定功率的状态工作，也并非所有单个负载能在同一时刻同时运行。电气装置选型时，可以根据需要系数和同时系数来确定最大功率和视在功率。

需要系数：在正常条件下，负载的实际消耗功率一般会小于额定功率。因此该系数必须应用于每个单独负载，特别是电机。因为通常情况下，电机很少会工作在满负荷状态。

同时系数：该系数主要是考虑根据以往工厂实际运行经验，所有的指定设备并不会同时工作，也就是说存在着不同程度的分散使用的情况。其定义为：在指定的时间内的一组电器，其最大功率需求与他们同期单独最大功率之和的比例。按照这个定义，其值总是≤1。

3 基于规范的导体选择及保护

3.1 概述

对装置的供电需要敷设电缆并对其电气设备进行研究，从装置电源——各中间级——末级回路。

从装置的可靠性和安全性考虑，电缆敷设及其每一级的保护都必须满足例如以下的几个方面的条件：

（1）持续承载的负荷电流；

（2）正常的短时过电流；

（3）在运行过程中，不会因产生电压降而导致某些负载性能下降；

（4）保护设备（断路器或者熔断器）应对电缆及母线进行过电流保护和短路电流保护；

（5）保证对人员进行保护以免受到间接接触伤害。

对于某一回路中电缆规格与保护装置额定值选择的流程图如下：

功率需求量（需求的kVA和最大负荷电流A）→选择导体（选择导体的型号及绝缘、选择安装方法、按不同环境条件考虑校正系数和利用载流量表确定导体截面）→校验最大电压降（稳态条件和电机启动条件）→短路电流计算（上游短路功率、最大值和导体末端的最小值）→保护电器的选择（额定电流、分断能力、级联保护和校验选择性）。

3.2 过电流保护

3.2.1 过载保护

（1）根据规范校验过载保护

根据GB 50054-2011《低压配电设计规范》第6.3.3条中有明确规定。需要注意的是，规范中的断路器整定电流 是可长期通过保护电器而不会降低电器保护性能的电流，其并不是脱扣器的动作电流。当负载电流超过 时，不管过载时间长短，过载保护电器都不会动作。

同时，需校验保护电器在约定时间的约定脱扣跳闸电流应小于导体载流量的1.45倍。

（2）根据谐波含量选择过载保护及中性线导体截面

假定在负载的3相导体是满载的条件下，来讨论三相4芯或5芯电缆的载流量。当导体中有谐波电流通过时，流经中性线的电流变大甚至超过相电流，这就会影响电缆的载流能力。因此，过载保护选择校验需考虑线路的谐波含量。可根据负荷电流的谐波含量来选择相线、中性线的截面，具体可参考国标GB 50054-2011表3.2.9：具体如下。

表1 电缆载流量的降低系数[3]

3.2.2 短路保护

根据GB 50054-2011第6.2.2条及6.2.3条，短路保护电器的选择，应能保证在安装地点可能出现的最大短路电流时，短路保护电器仍能可靠分段，也就是说其额定分段能力应大于或等于故障点的最大短路电流。

需要注意的是，如果短路保护电器的额定分断能力小于其安装处的预期短路电流时，则应在该线路的上一级装设具有不小于该分断能力的短路保护电器。同时，为了使该段线路及其短路保护电器能够承受短路电流通过时产生的短路能量，除了需注意匹配上下两级短路保护电器的动作保护特性以外，还应对电缆和绝缘导体进行热稳定校验以选择合理的截面，确保被保护线路的任意点发生短路故障时，短路保护电器都能在约定时间内可靠切断电源并保证被保护电缆和导体的绝缘在允许的极限温度内承载极大的短路能量而不被损坏。热稳定校验时，还需注意短路电流持续时间的影响。

3.2.3 低压电气装置的过电压保护

有四种过电压可能会对电器装置和负载产生干扰，分别是操作过电压、工频过电压、静电放电引起的过电压和大气过电压。本文主要介绍暂时工频过电压的防护和瞬态冲击过电压的防护。

（1）暂时工频过电压防护

在工业项目的终端变配电所设计时，应考虑暂时工频过电压的防护。系统接地和保护接地的电阻值应在综合考虑工频过电压限值和接触电压限值、低压系统接地故障自动切除电源要求及高、低压系统接地型式这几种情况来确定。

当高压中性点有效接地、低压采用TN系统时，需要引出低压线路做总等电位联结。当高压系统发生接地故障时所引起的低压电器装置外露可导电部分允许的接触电压的幅值和持续时间不应超过《工业与民用配电手册》的图13.6.2中曲线所给出的值；其引起的低压电器装置中作用于设备的相对地绝缘上的工频应力电压的幅值和持续时间不应超过《工业与民用配电手册》的表13.6.3中规定的值。

当高压中性点不接地或非有效接地、低压TN系统接触电压限值≤50V时，规范要求 ，则接地电阻值取5Ω即可满足要求。

因此，首先需确定工业项目所在地的高压系统接地形式，同时需要关注高压接地故障保护电器动作时间等主要技术参数以及接地故障电流值。

（2）瞬态冲击过电压防护

瞬态冲击过电压是指电力系统正常运行时，电气设备在额定电压下工作时，遭遇由操作、雷击、故障、或参数配置引起的系统中某部分电压升高大大超过正常运送的数值电压。

一般可以采取两种措施来应对。其一是通过在电气装置中采取等电位联结、分流、接地、屏蔽以及正确合理的综合布线等方式来防止在设备线路上产生这种危险过电压，其二是通过在线路中设置SPD来消除或减少这种过电压造成的有害效应。

4 结语

本文从工业项目建设前期的关于收集对低压电器装置影响的各种资料介绍开始，通过对工业项目主要电气负荷特性的了解，重点介绍了基于规范的低压电器导体选择及保护的设计理念，以便广大设计师能更有效更准确的解决工程实际问题。