石 偉

(中國市政工程中南設計研究總院有限公司, 湖北 武漢 430010)

給排水項目中相關低壓配電線路問題研究

石 偉

(中國市政工程中南設計研究總院有限公司, 湖北 武漢 430010)

接地故障保護在排水工程低壓配電系統(tǒng)設計中的作用就是防止電氣火災及線路損壞以及人身間接電擊，因此接地故障保護方式的選擇及其保護靈敏度的校驗是保護措施得以正確實施的有力保障。為了保障供電線路運行的安全性，須對導體最小截面和線路電纜的保護電器分別進行校驗。本文闡述了市政給水排水工程低壓配電設計中與電纜相關的幾個問題，并對這些問題提出參考意見。

給排水工程；低壓配電；問題

Wuhan430010,China)

1 概 述

自來水廠和污水處理廠等公用服務工程運行可靠性是保證工程安全、持久運行的關鍵,因此，在大型自來水廠和污水處理廠項目中，其低壓配電系統(tǒng)的可靠性要求也隨之增高。在給排水工程相關配電系統(tǒng)中，配電線路設計、電纜選型和低壓保護電氣是重中之重，本文針對排水工程相關低壓配電線路設計較常見的幾個問題進行討論和分析。

2 低壓配電線路設計的幾個問題

在自來水廠和污水處理廠工程中，因廠區(qū)占地面積大，各構筑物變配電間的距離較長，導致各構筑物之間敷設的電纜也較長。為了盡可能保障廠區(qū)配電網的穩(wěn)定性，盡量消除停電影響，杜絕潛在的安全隱患，必須準確選擇供配系統(tǒng)的保護方式以及準確整定參數。低壓出線線纜熱穩(wěn)定校驗、接地故障保護相關方式的選擇及其靈敏度校驗是關鍵問題[1-2]。

2.1 低壓配電線路保護要求

根據《低壓配電設計規(guī)范》(GB 50054—2011)相關規(guī)定[3]，配電線路應裝設過負載保護、短路保護、接地故障保護；在選擇能分斷短路電流的保護電器時，應保證其分斷能力能分段短路電流；應保證上下級配電線路保護電器動作的選擇性，使故障發(fā)生時只切斷該級故障線路，而保證上級保護電器不動作，從而使停電范圍不擴大；保護電器和導體截面要能協(xié)調配合，達到動穩(wěn)定與熱穩(wěn)定所需的要求。

上述相關設計內容應在電壓損失計算、短路電流計算和線路負荷計算的設計環(huán)節(jié)上進行。

2.2 配電線路接地故障保護及其校驗

在給排水工程中，接地故障是易危害人身安全的高發(fā)性事故，接地故障的保護方式是根據不同接地類型進行選擇，同時，也是根據不同接地類型進行保護靈敏性校驗。

2.2.1 接地故障保護方式選擇

接地故障保護的目的是防止電氣火災、人身間接電擊、線路損壞?！兜蛪号潆娫O計規(guī)范》(GB 50054—2011)第5.2.7～5.2.22條中提出了兩種方式的接地故障保護：一種是利用剩余電流實現接地故障保護，另一種是由過電流保護兼做接地故障保護[3]。

由于零序電流保護在低壓配電系統(tǒng)中應用時，存在可靠性低和局限性強的缺點，《低壓配電設計規(guī)范》(GB 50054—2011)依據IEC標準取消了采用零序電流保護作為接地故障保護的形式。

由于給排水項目中低壓配電系統(tǒng)的形式較多為TN型，故其接地故障保護多采用過電流保護兼做接地故障保護的形式。當低壓斷路器熱磁脫扣器(瞬動整定值固定為10倍In)作為配電電纜過電流保護時，如配電線路較長，其接地故障保護靈敏性需進行校驗，如不滿足靈敏性要求，則需采取措施處理。

2.2.2 接地故障保護靈敏性校驗

在低壓配電線路設計中，計算低壓供配電系統(tǒng)出線發(fā)生三相短路時的電流的目的是校驗保護電器是否可以分斷短路電流；計算低壓供配電系統(tǒng)出線發(fā)生單相接地短路時的電流的目的是校驗保護電器的動作靈敏性。

《低壓配電設計規(guī)范》(GB 50054—2011)第6.2.4條規(guī)定：“短路電流不應小于低壓斷路器瞬時或短延時過電流脫扣器整定電流的1.3倍?！盵3]當變配電間安裝的是小容量變壓器同時負荷離變電所又較遠時，低壓配電線在其末端發(fā)生接地故障時的其短路電流就會很小，但當保護電氣整定值又較大時，保護電氣很難在規(guī)定時間內可靠斷開。

鑒于上述情況，通常以兩種方法達到保護的靈敏性要求：一是采用短延時脫扣整定值可調的保護電器；二是適當加大導體截面從而達到使線路末端短路電流增大，進而達到提高靈敏性的效果。

出于保護方式經濟性的考慮，很顯然第一種方式更好，因此在實際的給排水工程中第一種方法比第二種方法應用更為廣泛。

2.3 低壓配電線路所選導體相關熱穩(wěn)定校驗

若從低壓配電柜直接給一個小負荷饋電，其計算電流最多幾十安培，保護電器和饋線導體截面只以計算電流做依據，其取值會相對較小，此時應校驗所選線纜發(fā)生短路故障時的熱穩(wěn)定性以及保護電器的分斷能力，線路導體取配電線路各種短路故障中最大的短路電流值進行其熱穩(wěn)定性校驗。

2.3.1 短路保護設備選擇

《低壓配電設計規(guī)范》(GB 50054—2011)第4.2.1條規(guī)定：“配電線路的短路保護，應在短路電流對導體和連接件產生的熱作用和機械作用造成危害之前切斷短路電流”[3]。當變配電間安裝的是大容量變壓器，其低壓母線出線短路電流也相對應較大，如接線形式為D.yn11，安裝容量為1000kVA的變壓器，其低壓配電柜出線處的接地故障電流也可達20kA以上，其三相短路電流約為23～25kA。因此基于保護電器分斷能力大于該處最大短路電流的原則。在這種狀況下，不能選用微型斷路器(分斷能力一般小于10kA)安裝在低壓屏出線處。

2.3.2 低壓電纜熱穩(wěn)定校驗

低壓電纜熱穩(wěn)定需要校驗,在多部國標規(guī)范的相關條文有規(guī)定。如《電力工程電纜設計規(guī)范》(GB 50217—2007)第3.7.8條要求“短路點應選取在通過電纜回路最大短路電流可能發(fā)生處”[4]，第3.7.7條中要求“對非熔斷器保護的回路，應按滿足短路熱穩(wěn)定條件確定電纜導體允許最小截面”。條文要求，在選擇配電線纜截面積時要取電纜所有短路故障類型中出現的最大電流值進行校驗，不能僅依據負荷計算電流選擇配電線路線纜的截面積。尤其是在給變壓器容量比較大的配電線路選擇配電回路線纜時，因為其負荷計算電流較小，在滿足電壓損失和載流量的條件下，所選線纜導體截面往往比較小，但如果再加入電纜熱穩(wěn)定校驗的條件，導體線纜的截面一般都會增大。

以一座污水處理廠為例，其變電所裝有1000kVA(D.yn11)接線的變壓器，其低壓側母線長度一般較短，大概10m，故其阻抗可忽略不計，因此低壓柜低壓變壓器低壓出口處短路電流值與出線開關處短路電流值可認為相等，其短路電流有效值約為24kA。生化池上的一些小型設備如攪拌器等(單臺功率小于7.5kW)，其供電采用放射式供電回路，由于其計算電流約為20A，在滿足壓降及載流量的條件下選用銅芯截面為4mm2的線纜即可。

《低壓配電設計規(guī)范》(GB 50054—2011)第6.2.3條明確規(guī)定：當短路持續(xù)時間大于等于0.1s而小于等于5s時，絕緣導體的熱穩(wěn)定應按下式進行校驗[3]：

式中I——短路電流有效值(均方根值)，kA；K——不同絕緣的計算系數，對于給排水工程中常用的YJV-1kV電纜通常取143；

t——短路切除時間，s，取主保護切除時間與斷路器全分閘時間之和。

給排水項目中斷路器經常被用作短路保護電器，無論斷路器用的是何種瞬時脫扣器，其對于短路電流的全分斷時間基本上在10～20ms之間，有些廠家時間更短，按相關規(guī)范要求應考慮短路電流非周期分量對熱作用。在短路持續(xù)時間小于0.1s的情況下，不能用上述公式進行校驗，應按照公式K2S2>I2t(I2t是保護電器廠家提供的保護電器允許通過的能量值)進行校驗，從而保證將短路電流被分斷前其所含非周期分量的相關熱效應考慮進去。

目前，國內市場上主流塑殼斷路器都能夠實現快速開斷，并且自身還攜帶有限流作用。在進行熱穩(wěn)定校驗時，必須將斷路器自身的電氣性能、電纜和系統(tǒng)進行綜合考慮。結合具體參數進行計算可使熱穩(wěn)定校驗結果更加準確。

國內外各廠商的限流型低壓斷路器盡管在產品上存在一定差異，但根據的都是電斥力基本原理。之所以可以縮短熄弧時間，是在電流達到最大值以前將其切斷，從而使熱應力和電動力得以減少，斷流指標得以提升。下圖為某主流品牌斷路器熱應力限制曲線。

低壓斷路器熱應力限制曲線圖

斷路器自身的熱應力限制曲線是對限流型低壓斷路器及低壓電纜進行熱穩(wěn)定校驗的必要依據，其原因是斷路器動作前短路電流的熱效應I2t值必須不大于導體自身對于熱效應的承受能力。因此，在短路電流24kA處熱效應值根據“斷路器熱應力限制曲線”可查得I2t<5×105(A2s)，因此滿足條件的電纜截面為

實際工程中取銅芯面積為6mm2的YJV電纜即可滿足導體線纜熱穩(wěn)定要求。

依據限流型斷路器的“熱應力限制曲線”及以往設計經驗，當對容量不小于315kVA的變壓器的低壓配電柜出線處的短路電流進行熱穩(wěn)定校驗時，銅芯截面不小于6mm2的電纜即可滿足要求，當對容量不大于315kVA的變壓器的低壓配電柜出線處的短路電流進行熱穩(wěn)定校驗時，銅芯截面不小于4mm2的電纜即可滿足要求。如采用的斷路器或熔斷器其額定電流不超過400A，配電線路采用截面大于70mm2的銅芯電纜或絕緣導體，一般情況下能滿足熱穩(wěn)定相關的規(guī)范要求。

3 電纜敷設的問題

為保證自來水廠或污水處理廠可靠性運行，變配電房采用放射式供電方式對廠區(qū)內主要生產建(構)筑物設備供配電，對于大型給排水項目，變配電房有大量的電纜在電纜溝進出口處，這時應合理優(yōu)化電纜敷設方式及改善電纜散熱條件和減小其對載流量的影響?！兜蛪号潆娫O計規(guī)范》(GB 50054—2011)第3.2.6條規(guī)定：“當電纜沿敷設路徑中各場所的散熱條件不相同時，電纜敷設條件應按最不利的場所確定?！盵3]以下就電纜敷設的幾個重要方面進行討論。

3.1 影響電纜載流量的外部條件

電纜導體通電后達到長期允許工作溫度時所對應的電流數值即為電纜長期允許載流量。在實際項目中，電纜允許載流量由敷設條件、電纜自身特性、所需通過的計算電流值共同決定。電纜自身特性又由電纜絕緣材料本身的散熱性能、電纜自身的長期允許工作溫度等因素決定。在電纜型號確定后，電纜散熱情況及敷設環(huán)境的優(yōu)化對所選電纜的允許載流量起著至關重要的作用。

3.2 變配電房電纜敷設方式

給排水工程中變配電房部分的低壓電纜敷設主要有下進下出電纜溝敷設和上進上出橋架敷設兩種，同時進出線電纜的敷設環(huán)境散熱也受到低壓配電柜布置的影響，下面對這兩種敷設方式進行比較分析。

配電柜采用電纜下進下出方式時需搭配電纜溝，電纜在電纜溝內敷設至各設備。

配電柜采用電纜上進上出方式時需在配電柜上方設電纜橋架，電纜在電纜橋架內敷設至各設備。

下進下出方式在配電柜下配套設置的電纜溝溝深一般為800mm，因此，需與土建專業(yè)做好配合設置好預留溝槽，在與室外電纜溝或排管的連接處還需做好防水堵漏措施。當電纜溝轉彎時，電纜溝內敷設的電纜易發(fā)生交錯、擁擠，在交錯或擁擠處不利于電纜的散熱，從而導致整條線纜的載流量下降。

一旦配電間的電纜溝施工完成，無論因何種原因造成的電纜溝內電纜局部擁擠或交錯都非常難以優(yōu)化調整。

采用上進上出方式可以按照電纜填充率或排列間距有效調整電纜橋架層數、規(guī)格。在電纜易出現交錯或擁擠的位置布置中間分支橋架就可很好地解決電纜局部擁擠的問題。由于大型場站項目需要較多的電纜橋架層數，因而需增加配電間室內層高。

上進上出的出線方式具有靈活性強和電纜散熱好的優(yōu)點，為給排水工程中提供了一種新的選擇。

例如：對于多排布置的低壓配電柜，各個低壓配電柜的出線處，電纜交錯、擁擠嚴重，極其不利于電纜散熱，影響電纜的載流量。可考慮在低壓配電柜中部構建出新的出線電纜敷設通道，在原敷設通道中途分流一部分出線電纜，采用分節(jié)、分段的方式。采取了這種措施后，一部分電纜被中間新建的電纜通道分流，電纜通道各個部分的電纜量都比較均勻和相對合理，減少了電纜局部擁擠，電纜散熱條件大為改善，對于某些電纜還明顯優(yōu)化了路徑，減少了長度。綜上所述，采用上進上出出線方式，可相對容易地在配電柜中間構建分流通道，提高電纜的散熱性。

4 結 語

接地故障保護在排水工程低壓配電系統(tǒng)設計中的作用是防止電氣火災與線路損壞以及人身間接電擊。接地故障保護方式選擇及其保護靈敏度校驗是保護措施得以正確實施的有力保障。為保證供電線路安全運行，須對導體最小截面和線路電纜的保護電器分別進行校驗。為實現供電線路的最大載流量，對電纜敷設方式進行優(yōu)化也是必不可少的。

[1] 宋玉強. 淺談觀音閣水庫輸水工程建設的重要意義[J]. 中國水能及電氣化，2013(12):31-35.

[2] 中國航空工業(yè)規(guī)劃設計研究院. 工業(yè)與民用配電設計手冊(3版)[M].北京：中國電力出版社，2005.

[3] 任元會. 低壓配電線路保護的幾個問題[J]. 建筑電氣， 2006(2):4-7.

[4] GB 50054—2011 低壓配電設計規(guī)范[S]. 北京：中國計劃出版社，2011.

[5] GB 50217—2007 電力工程電纜設計規(guī)范[S]. 北京：中國計劃出版社，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