电动机负荷长距离配电线路断路器保护灵敏度分析

柳 新

(上海市政工程设计研究总院(集团)有限公司，上海 200092)

0 引言

长大型隧道工程呈线性长条形走向，出于通风、消防排烟考虑，隧洞沿线需设置若干射流风机，而变电所往往结合洞口雨水泵房、消防泵房等设备房或者工作井设置，隧洞内部分射流风机距离变电所较远，过往工程案例中甚至出现过风机配电回路长达1km 的情况。 对于长距离电动机配电回路，设计人员在配电电缆选型时，会关注电缆载流量、电压降甚至热稳定等参数信息，却忽视对配电回路断路器的灵敏度进行校验。

隧道低压配电系统故障主要有三相短路、两相短路、单相接地故障，其中，单相接地故障发生概率最高。 对于长距离配电回路，线路相保阻抗较大，单相接地故障时故障电流较小，导致断路器瞬时或短延时过电流保护不能可靠动作，引起线路过热、损坏，甚至引发电气火灾，危及人身和财产安全。因此，在进行长距离配电回路电缆、开关器件选型时，不仅需要进行电缆压降计算，还应对保护开关动作灵敏度进行校验。

本文结合某隧道工程实例，对射流风机长距离配电回路进行电缆选型、开关器件电流整定和灵敏度分析。

1 工程概况

某湖底隧道长1.7km，单洞单向通行，两端洞口均设置有雨水泵房，隧道中间段最低点设置有废水泵房，射流风机沿隧道纵向均匀分布。 考虑工程经济性和方案可行性，结合两端雨水泵房各设置一座10/0.4kV 变电所， 每座变电所内设置两台2×800kVA 变压器，低压系统接地型式为TN-S。

选取其中距离洞口变电所最远的一组射流风机(图1)进行分析。 其额定功率37kW、额定电流70A、启动电流508A。 由南洞口变电所两段母线各馈出一路低压电源，末端双切后给风机配电。 考虑电缆敷设环境及负荷重要性，电缆选择无卤低烟耐火铜芯电缆，配电干线线路长700m，线路首端断路器1QL长延时整定值Iset1设置为100A。 电动机配电图路电压降分析见表1。

表1 37kW 电动机配电回路电压降(L＝700m )

图1 射流风机配电示意图

2 线路电缆选型

查文献[1]表9.3-24，忽略电缆敷设场所、环境温度等因素对电缆载流量的影响，16mm2及以上截面的电缆均满足本配电回路载流量需求，考虑线路首端断路器过负荷保护，可选择25mm2及以上截面的电缆。

依据文献[2] ，对于电动机负荷，正常运行情况下一般工作场所用电设备端子处的电压偏差允许值为额定电压的±5%。 射流风机为三相平衡负荷，根据文献[1]，有电压降计算公式(忽略末端风机控制箱至电动机段线路电压降):

式中，Δua%为三相线路每1A·km 的电压损失百分数，%/A·km；I为负荷电流，A；L为线路长度，m。

3 断路器保护灵敏度校验

射流风机配电线路保护有过载保护、三相短路保护、两相短路保护和单相接地故障保护，其中单相接地短路故障电流最小，相同的开关整定值下断路器最不易触发动作。 故下文选择配电线路单相接地短路故障工况进行断路器保护灵敏度校验。

单相接地故障电流按照相保回路进行计算。线路L末端发生单相接地故障时，该相保回路中主要有高压系统、变压器、低压电缆三种阻抗，单相接地故障电流为:

查询文献[1]表4.6-11、表4.6-13 可以得出，系统侧及变压器折算到低压侧的相保阻抗(高压侧短路容量为200 MVA):

查询文献[1]表4.2-46 ，通过计算得出电缆相保阻抗、回路总相保阻抗及故障电流，汇总形成表2～3。

表2 电缆相保阻抗

线路首端断路器瞬时脱扣整定值Iset3应躲过配电线路的尖峰电流:

式中，Iset3为瞬时过电流脱扣器的整定电流，A；Kset3为低压断路器瞬时过电流脱扣器的可靠系数，取1.2；I′stM1为线路中最大一台电动机的全启动电流，A；IC(n-1)为除启动电流最大的一台电动机以外的线路计算电流，A。

风机全启动电流倍数取2.2，则有:Iset3≥1.2×2.2× 508＝1341.1A。 根据计算结果，断路器瞬时脱扣整定值可设定为1 350A。

根据文献[2] 6.2.4 规定，断路器动作灵敏度系数应满足以下要求:

式中，krel为断路器保护灵敏度系数；Id为末端短路故障电流，A；Iset为断路器瞬时脱扣整定值。

将表3 数据，断路器瞬时脱扣整定值代入灵敏度计算公式(4)中，校验断路器动作灵敏度，计算结果见表4。 显然，灵敏度不满足规范要求。

表3 故障回路总相保阻抗及故障电流

表4 断路器瞬动脱扣灵敏度

4 提高断路器保护灵敏度的几种方案

分析断路器脱扣器动作灵敏度求解公式，要提高灵敏度，一是增大线路末端接地故障电流值，二是减小断路器脱扣整定值。

4.1 增大线路末端接地故障电流值

(1)采用D，yn11 接线组别变压器

相比较Y，yn11 接线组别变压器，D，yn11 接线组别变压器零序阻抗小(当低压侧发生单相短路时，零序电流不能在高压侧绕组流通，高压侧对于零序电流相当于开路状态，故在计算单相短路电流时认为无此阻抗)，可在一定程度上增大线路末端接地故障电流。 不过，结合前面相保阻抗计算可以看出，对于长距离配电线路单相接地故障，系统阻抗占整体相保阻抗比例小，系统侧的阻抗优化对线路末端单相接地故障电流影响甚小。 且在实际工程中，基本上均采用此接线组别的变压器，已经没有提升空间。

(2)加大配电线路导体截面积

由表4 可知，加大配电线路导体截面积来提高单相接地故障电流，简单有效。 不过在配电回路较长时，仅靠加大配电线路导体截面积，使线路首端断路器保护灵敏度满足要求，可能需要将电缆截面提升好几档。 而电缆费用在隧道电气工程费用中占比大，若所有长距离配电线路均采用此方法提高保护开关灵敏度，必然会大大增加电气工程投资，且造成金属浪费。

对电缆相保电阻和相保电抗公式展开分析，有以下公式:

式中，R(0)ph为相导体单位长度零序电阻值，mΩ/m；R(0)p为PE 导体单位长度零序电阻值，mΩ/m；X(0)ph为相导体单位长度零序电阻值，mΩ/m；X(0)p为PE 导体单位长度零序电阻值，mΩ/m。

对比文献[1]式4.2-24、式4.2-25，导体的零序电阻(零序电抗)为正序电阻(正序电抗)的4～5倍。 结合公式(5)、(6)可知，增大PE 线截面比增大一个档位的相线截面，可更有效地减小相保电阻、相保电抗值，对断路器脱扣器动作灵敏度的提升效果更好。

4.2 减小断路器脱扣整定值

(1)采用带短延时过电流脱扣断路器

对于同一断路器，由于短延时过电流脱扣器整定值Iset2通常只有瞬时过电流脱扣器整定Iset3的1/5～1/3， 所以间接接触防护灵敏度更容易满足。Iset2应躲过短时间出现的负荷尖峰电流，即:

式中，Kset2为低压断路器定时限过电流脱扣器的可靠系数，取1.2；IstM1为线路中最大一台电动机的启动电流，A。IC(n-1)为除启动电流最大的一台电动机以外的线路计算电流，A。 则:Iset2≥1.2×508＝ 609.6A。Iset2可设置为610A，将Iset2及表3数据代入灵敏度公式中，校验断路器灵敏度，结果见表5。

表5 断路器短延时脱扣灵敏度

与表4 数据对比，相同配置下，采用短延时脱扣保护的灵敏度比采用瞬时脱扣保护灵敏度高出1倍，但是电缆截面积需增大至240mm2时，灵敏度才满足要求。

(2)采用带接地故障保护功能的断路器

接地故障保护又分为两种方式，即三相不平衡电流保护和剩余电流保护[3]。 文献[3][5]均对其进行了相关分析，二者均为行之有效的间接接触防护策略，还可显著提高接地故障保护灵敏度。 但是，二者对三相、两相不接地短路故障的保护作用不大，且影响线路、设备泄露电流的因素较多，在配电回路起始端装设带接地故障保护功能的断路器并不合适；隧道射流风机兼用消防排烟风机，火灾工况下需保持其供电连续性，根据文献[2] 6.3.6要求，剩余电流保护不能作用于跳闸，仅作用于报警。 故带接地故障保护功能断路器不适用于隧道射流风机配电线路保护。

(3)采用合适的风机启动方式

电动机直接启动时，启动电流较大，断路器瞬时脱扣整定值为躲过启动电流，需设定为较大值，不同启动方式下电动机启动倍数如表6 所示[4]。

表6 不同启动方式下电动机启动倍数

根据前述内容，代入相关数据，可计算出不同启动方式下断路器瞬时脱扣灵敏度值(表7)。

表7 不同启动方式下断路器瞬时脱扣灵敏度值

由表7 可知，风机采用星三角启动、软启动器启动、变频启动均可大幅提高断路器瞬时脱扣灵敏度，采用变频启动时灵敏度增大效果最好。 由于射流风机兼作火灾工况时排烟风机，需考虑供电可靠性，故其配电回路不建议增设变频启动装置，实际工程中射流风机可选择星三角启动或者软启动器启动，星三角启动装置价格便宜，软启动器装置价格稍高，但是自动化水平高，市政行业应用广泛。

(4)满足使用需求条件下改变风机配置模式

与隧道通风专业沟通，将现场设置的单台37kW 射流风机更改为2 台18.5kW 射流风机，由变电所至现场风机控制柜的配电干线电缆规模不变，现场控制柜馈出2 路线路，分别给2 台风机配电，如图2 所示。

图2 改为2×18.5kW 风机组后配电示意图

18.5kW 风机额定电流为37A，启动电流为259A，断路器D1 的瞬动脱扣器整定值应躲过电动机启动时过程中的尖峰电流(两台风机逐台启动)，I′set3≥Kset3× [I′stM1+IC(n-1)] ＝1.2 × (259 × 2.2 +37)＝728.16A。

若断路器带短延时脱扣功能，有I′set2≥Kset2× [IstM1+IC(n-1)] ＝1.2 ×(259 + 37)＝355.2A。

断路器瞬时脱扣整定值I′set3可设置为750A，短延时脱扣整定值I′set2可设置为360A。

代入相关数据，可计算出不同电动机负荷配置下灵敏度值(表8)。

表8 不同电动机负荷配置下灵敏度计算

根据表8 计算结果，改变末端射流风机机组配置模式，不改变配电干线其他参数情况下，断路器脱扣灵敏度显著提高。 对于本工程电动机负荷长距离配电回路，改变风机配置模式且线路首端采用具有短延时脱扣功能的断路器后，选取120mm2截面电缆即可满足灵敏度要求。

5 结束语

电动机负荷长距离配电回路发生单相接地短路故障时，线路相保阻抗大，故障电流较小；为了躲避电动机启动时的尖峰电流，断路器的脱扣整定值不能太小。 以上两因素叠加，导致电动机负荷长距离配电回路的首端保护断路器的脱扣器动作灵敏度难以满足规范要求。

经过上述分析，为解决灵敏度不足的问题，有如下几种解决方案:(1)适当增大配电线缆特别是PE 线截面积，简单有效，但是经济效益差；(2)采用合适的风机启动方式，如星三角启动、软启动器启动等；(3)在满足使用需求前提下，末端大功率电动机设备可改为多台小功率电动机组，并控制电机逐台启动。 (4)线路首端采用具有短延时脱扣功能的断路器。

以上解决方案中，第3 种方案更改末端大功率电动机设备为多台小功率电动机组，并配置具有短延时脱扣功能断路器，简单易行，不额外增加投资，配电线路上不增加电气设备，安全可靠，实际工程设计时建议优先考虑。