从灵敏度校验探讨断路器及电缆选用

2021-12-17蔡长雨

现代建筑电气 2021年11期

陈刚, 陈松, 蔡长雨

(浙江绿城建筑设计有限公司重庆分公司, 重庆 401121)

0 引言

随着规范对设计要求的提高、项目周期缩短、甲方要求的形式多样化等,校验断路器的单相接地故障灵敏度是一件耗时耗力的工作,同时设计人员又面临着设计质量终身制的责任,不做校验对设计的风险非常高。采用文献[1]第四章单相短路电流的计算方法和文献[2]第十一章最小单相短路电流的计算方法对比选择更为符合要求的计算方法,调用相关数据快速计算断路器单相接地故障电流、断路器长延时整定值、电缆规格、穿管大小、电流互感器变比及校验断路器灵敏度。

1 自动切断电源防护措施规范依据

GB 50054—2011《低压配电设计规范》[3]第5.2.8条规定:TN系统中配电线路的间接接触防护电器的动作特征,应符合下式的要求:

ZsIa≤U0

(1)

式中:Zs——接地故障回路的阻抗;

Ia——接地故障电流;

U0——相导体对地标称电压。

GB 50054—2011《低压配电设计规范》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短延时过电流脱扣器整定电流的1.3倍。即当TN-S系统内发生的接地故障电流满足断路器瞬时或短延时过电源脱扣器整定电流的1.3倍时,可利用断路器作为过电流保护电器兼做故障保护。

Ik≥Ia≥1.3Im

(2)

式中:Ik——故障点计算故障电流;

Im——断路器瞬时或短延时动作电流整定值。

18D802《建筑电气工程施工安装》第75页及GB 50303—2015《建筑电气工程施工质量验收规范》规定:低压成套配电柜和配电箱(盘)内末端用电回路中,所设过电流保护电器兼作故障防护时,应在回路末端测量接地故障回路阻抗。

2 自动切断电源时间要求

GB 50054—2011《低压配电设计规范》中第5.2.9条规定,TN系统中配电线路的间接接触防护电器切断故障回路的时间,应符合下列规定:

(1) 配电线路或仅供给固定式电气设备用电的末端线路,不宜大于5 s;

(2) 供给手持式电气设备和移动式电气设备用电的末端线路或插座回路,TN系统的最长切断时间不应大于表5.2.9的规定。

GB 50054—2011表5.2.9中TN系统最长切断时间如表1所示。

表1 GB 50054—2011表5.2.9中TN系统最长切断时间

文献[2]第1454页:如在有关回路或设备内的相导体和外露可导电部分或保护接地导体之间发生阻抗可忽略不计的故障,保护电器应在所要求的切断电源时间内自动切断该回路或设备的相导体。对于额定电流不超过63 A插座或者32 A插座固定连接的用电设备的终端回路,文献[2]中TN系统最长切断时间如表2所示。

表2 文献[2]中TN系统最长切断时间 s

3 复核TN系统故障电流、断路器灵敏度校验

(1) 以某工程地下室风机配电回路为例,该地下室约6万m2,共计16个防火分区,车库设置一个专变配电房,专变配电房内设置2台SCB13系列800 kVA变压器D,yn11连接,uk%=6,ΔPk=6.6 kW,变压器高压侧系统短路容量Ss=300 MVA,车库配电系统接地形式为TN-S系统。已知地下室消防总箱设于专变配电房内,配电柜低压馈线回路至消防总箱约为10 m,消防总箱至风机配电箱约为110 m,风机配电箱至风机约5 m,各级配电箱安装容量、断路器整定电流及电缆截面如表3所示。低压配电示意图如图1所示,计算K1～K4点单相接地故障电流,检验各级配电断路器灵敏度。

表3 各级配电箱安装容量、断路器整定电流及电缆截面

图1 低压配电示意图

根据文献[1]第163页中,单相短路电流为

(3)

(4)

式中:Un——标称电压,取380 V;

c——电压系数,取0.95;

Zphp——短路点阻抗。

利用式(3)对各级配电箱发生单相接地故障时电流进行计算。单相接地故障电流计算结果如表4所示。

表4 单相接地故障电流计算结果

根据文献[2]第986页中式11.3-5,末端电动机低压断路器的选择应满足以下要求。断路器的瞬时过电流脱扣器整定电流应躲过配电线路的尖峰电流,即

Iset3≥Kset3[I′stM1+Ic(n-1)]

(5)

式中:Iset3——断路器的瞬时过电流脱扣器整定电流;

Kset3——低压断路器瞬时过电流脱扣器的可靠系数,考虑电动机起动电流误差和断路器瞬动电流误差,可取1.2;

I′stM1——线路中最大一台电动机的全起动电流,包括周期分量和非周期分量,对于笼型电动机,其值可取电动机起动电流IstM1的2.0～2.5倍,本文取2;

Ic(n-1)——除起动电流最大的一台电动机以外的线路计算电流。

电动机的起动电流约为额定电流的7倍,对于单台电动机回路,根据式(5),有

(6)

式中:IrM——电动机的额定电流。

校验断路器灵敏度计算如表5所示。

表5 校验断路器灵敏度计算

从整个工程地下室风机配电回路计算分析,末端电动机M额定电流IrM1=28.5 A,1级、2级、3级配电断路器,1.3Iset3≤Ia≤Ik;末端断路器,Iset3≥16.8IrM1;该配电回路末端电动机能满足起动要求,各级配电也能满足断路器灵敏度校验,但总箱至分箱L2这段距离远超文献[2]第966页中表11.2-4用断路器作间接接触防护4×95+1×50电缆最大允许长度81 m,而本次则是110 m,也能满足要求。因此,采用文献[1]第163页中单相接地故障电流的计算公式计算线路长度的结果偏大,在实际工程应用时,考虑最不利情况时采用文献[2]第965页、第966页中11.2-7式进行校验各段断路器灵敏度。

根据文献[2],TN系统发生接地故障时的回路示意图如图2所示。

图2 TN系统发生接地故障时的回路示意图

根据图2,计算最小接地故障电流的近似公式为

(7)

(8)

其中,1.5为由于短路引起发热,电缆电阻的增大系数。

式中:k——考虑总等电位联结(局部等电位联结)外的供电回路部分阻抗的约定系数,取0.8～1.0;

U0——相对地标称电压;

S——相导体截面积;

k1——电缆电抗校正系数,当S≤95 mm2时,取1.0,当S为120 mm2和150 mm2时,取0.96,当S≥185 mm2时,取0.92;

k2——多根相导体并联使用的校正系数;

n——每相并联的导体根数;

p——20 ℃时的导体电阻率;

L——电缆长度;

m——材料相同的每相导体总截面积(Sn)与PE导体截面积(SPE)之比。

故障点离变压器较远,k取0.8;故障点离变压器较近,甚至于变压器设在总等电位联结(局部等电位联结)内,k取1.0;如果已知上述比值的实际值,则用实际值。

式(8)可转化为

(9)

以地下室风机配电回路为例,根据文献[3]第865页,用三相平衡负荷线路电压降计算电压损失值。

Δu%=Δua%IL

(10)

式中: Δu%——线路电压损失百分数;

Δua%——三相线路每1 A·km的的电压损失百分数;

I——负荷计算电流;

L——线路长度。

变电房至总箱K2处L1线路电压损失百分数为

ΔuK2%=ΔuaK2%Ijs总箱L1

(11)

总箱至分箱K3处L2线路电压损失百分数为

ΔuK3%=ΔuaK3%Ijs分箱L2

(12)

分箱至末端风机K4处L3线路电压损失百分数为

ΔuK4%=ΔuaK4%Ijs电机L3

(13)

将计算所得各段线路电路电压损失百分数代入文献[2]第965页、第966页中11.2-7式,依次计算各段配电K2～K4处最小接地故障电流。

变电房至总箱K2处最小接地故障电流为

(14)

总箱至分箱K3处最小接地故障电流为

(15)

分箱至末端风机K4处最小接地故障电流为

(16)

式中:m1、m2、m3——各段材料相同的每相导体总截面积(Sn)与PE导体截面积(SPE)之比;

S1、S2、S3——各段相导体截面积;

K11、K12、K13——各段电缆电抗校正系数,当S≤95 mm2时,取1.0,当S为120 mm2和150 mm2时,取0.96,当S≥185 mm2时,取0.92;

K21、K22、K23——多根相导体并联使用的校正系数。

将各段线路最小接地故障电流、线路电压损失百分数列表计算,进行校验各级配电断路器灵敏度。最小单相接地故障电流计算如表6所示。

表6 最小单相接地故障电流计算

表6中3级配电,末端电动机M额定电流IrM1=28.5 A,1.3Iset3≤Ia≤Ik,Iset3≥16.8IrM1;2级配电,Ik≤1.3Iset3≤Ia;1级配电,1.3Iset3≤Ia≤Ik。

采用该方法配电回路末端电动机能满足起动要求,三段配电中2级配电时,总箱馈线开关对发生单相接地故障在线路L2末端K3处时不能满足断路器灵敏度校验。

考虑各级箱体位置不做变动,将2级配电中总箱馈线开关增设短延时过电流脱扣器。为保证上级配电箱出线断路器短延时(Iset2)保护与下级断路器瞬时保护(Iset3)不误动,根据文献[2]第1 022页公式11.9-1,上级用选择型断路器(一般用于主干线)应按要求整定:Iset2(上)≥1.3Iset3(下)或Iset2(上)≥1.3Iset2(下);当带有短延时脱扣器时,Iset3不宜太小,一般Iset3为(12～15)Iset1。

最小单相接地故障电流计算如表7所示。表7中3级配电,末端电动机M额定电流IrM1=28.5 A,1.3Iset3≤Ia≤Ik;Iset3≥16.8IrM1;2级配电,

表7 最小单相接地故障电流计算

整个工程地下室风机配电回路末端电动机能满足起动要求,各级配电也能满足断路器灵敏度校验,配电箱位置不用调整,电缆截面积也不用增大,仅在2级配电中馈线开关增加短延时脱扣器,不会造成额外过多的费用,不失为一种好的措施来自动切除故障电源。

对于上级保护是选择型断路器,下级保护是非选择型断路器时,应符合:上级断路器的短路短延时脱扣整定电流不应小于下级断路器短路瞬时脱扣整定电流的1.3倍。根据文献[2]中第11章,计算最小接地故障电流方法来反算上级断路器增加短延时脱扣电流。末端箱上下级断路器两种脱扣方式上级电缆最大允许长度对比如表8所示。

表8 末端箱上下级断路器两种脱扣方式上级电缆最大允许长度对比

由表8知,类似总箱设置在配电房,分箱、末端风机在风机房时,一旦供电半径超过100 m后,总箱至分箱这段线路断路器灵敏度很难满足要求,建议在总箱馈线开关增加短延时过电流脱扣器。对于同一断路器,由于短延时过电流脱扣器整定电流值Iset2通常只有瞬时过电流脱扣器整定电流值Iset3的1/5～1/3,更容易切断故障电源,所以断路器间接接触防护灵敏性更易满足。

(2) 以某工程地下室照明配电回路为例,地下室约6万m2,共计16个防火分区,在车库设置一个专变配电房,专变配电房内设置2台SCB13系列800 kVA变压器,D,yn11连接,uk%=6,ΔPk=6.6 kW,变压器高压侧系统短路容量Ss=∞,车库配电系统接地形式为TN-S系统。已知照明总箱设于专变配电房内,配电柜低压馈线回路至照明总箱约为10 m,照明总箱至车库照明配电箱约为70 m,照明箱至末端灯具的距离约95 m,断路器整定电流及电缆截面如表9所示。低压配电示意图见图1。计算K6～K8点单相接地故障电流,检验各级配电断路器灵敏度。

表9 断路器整定电流及电缆截面

根据文献[2]第866页,用接相电压的单相负荷线路电压降计算电压损失值。

Δu%=2Δua%IL

(17)

式中: Δu%——线路电压损失百分数;

Δua%——三相线路每1 A·km的的电压损失百分数;

I——负荷计算电流;

L——线路长度。

变电房至照明总箱K6处L4线路电压损失百分数为

ΔuK6%=ΔuaK6%Ijs总箱L4

(18)

照明总箱至照明配电箱K7处L5线路电压损失百分数为

ΔuK7%=ΔuaK7%Ijs分箱L5

(19)

照明配电箱至末端灯具K8处L6线路电压损失百分数为

ΔuK8%=ΔuaK8%Ijs照明灯L6

(20)

将计算所得各段线路电路电压损失百分数代入文献[2]中第965页、第966页中11.2-7式,依次计算各段配电K6～K8处最小接地故障电流。

变电房至照明总箱K6处最小接地故障电流为

(21)

照明总箱至照明配电箱K7处最小接地故障电流为

(22)

照明配电箱至末端灯具K8处最小接地故障电流为

(23)

式中:m4、m5、m6——各段材料相同的每相导体总截面积(Sn)与PE导体截面积(SPE)之比;

S4、S5、S6——各段相导体截面积;

K31、K32、K33——各段电缆电抗校正系数,当S≤95 mm2时,取1.0,当S为120 mm2和150 mm2时,取0.96,当S≥185 mm2时,取0.92;

K41、K42、K43——多根相导体并联使用的校正系数。

将各段线路最小接地故障电流、线路电压损失百分数列表计算,进行校验各级配电断路器灵敏度。最小单相接地故障电流计算如表10所示。

表10 最小单相接地故障电流计算

表10中1级、2级配电,1.3Iset3≤Ia≤Ik,断路器灵敏度满足要求;末端3级配电,Ik≤1.3Iset3≤Ia,照明配电箱馈线开关对发生单相接地故障在线路L6末端K8处时不能满足断路器灵敏度校验。

考虑各级箱体位置不做变动,将末端3级配电中馈线开关选用B型曲线脱扣方式,再次校验末端断路器灵敏度[4-5]。最小单相接地故障电流计算如表11所示。

表11 最小单相接地故障电流计算

表11中1级、2级、3级配电,1.3Iset3≤Ia≤Ik,断路器灵敏度均满足要求。在狭长的坡地车库里,往往配电间照明配电箱位置远离末端灯具,距离比较长,照明配电箱末端开关采用C型曲线脱扣方式时不一定能满足末端断路器灵敏度校验,此时选用B型曲线脱扣方式减小断路器过电流脱扣倍数,从而增大断路器保护的距离。