陳 剛, 陳 松, 蔡長(zhǎng)雨

(浙江綠城建筑設(shè)計(jì)有限公司 重慶分公司, 重慶 401121)

0 引 言

隨著規(guī)范對(duì)設(shè)計(jì)要求的提高、項(xiàng)目周期縮短、甲方要求的形式多樣化等,校驗(yàn)斷路器的單相接地故障靈敏度是一件耗時(shí)耗力的工作,同時(shí)設(shè)計(jì)人員又面臨著設(shè)計(jì)質(zhì)量終身制的責(zé)任,不做校驗(yàn)對(duì)設(shè)計(jì)的風(fēng)險(xiǎn)非常高。采用文獻(xiàn)[1]第四章單相短路電流的計(jì)算方法和文獻(xiàn)[2]第十一章最小單相短路電流的計(jì)算方法對(duì)比選擇更為符合要求的計(jì)算方法,調(diào)用相關(guān)數(shù)據(jù)快速計(jì)算斷路器單相接地故障電流、斷路器長(zhǎng)延時(shí)整定值、電纜規(guī)格、穿管大小、電流互感器變比及校驗(yàn)斷路器靈敏度。

1 自動(dòng)切斷電源防護(hù)措施規(guī)范依據(jù)

GB 50054—2011《低壓配電設(shè)計(jì)規(guī)范》[3]第5.2.8條規(guī)定:TN系統(tǒng)中配電線路的間接接觸防護(hù)電器的動(dòng)作特征,應(yīng)符合下式的要求:

ZsIa≤U0

(1)

式中:Zs——接地故障回路的阻抗;

Ia——接地故障電流;

U0——相導(dǎo)體對(duì)地標(biāo)稱電壓。

GB 50054—2011《低壓配電設(shè)計(jì)規(guī)范》第6.2.4條規(guī)定:當(dāng)短路保護(hù)電器為斷路器時(shí),被保護(hù)線路末端的短路電流不應(yīng)小于斷路器瞬時(shí)或短延時(shí)過電流脫扣器整定電流的1.3倍。即當(dāng)TN-S系統(tǒng)內(nèi)發(fā)生的接地故障電流滿足斷路器瞬時(shí)或短延時(shí)過電源脫扣器整定電流的1.3倍時(shí),可利用斷路器作為過電流保護(hù)電器兼做故障保護(hù)。

Ik≥Ia≥1.3Im

(2)

式中:Ik——故障點(diǎn)計(jì)算故障電流;

Im——斷路器瞬時(shí)或短延時(shí)動(dòng)作電流整定值。

18D802《建筑電氣工程施工安裝》第75頁及GB 50303—2015《建筑電氣工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范》規(guī)定:低壓成套配電柜和配電箱(盤)內(nèi)末端用電回路中,所設(shè)過電流保護(hù)電器兼作故障防護(hù)時(shí),應(yīng)在回路末端測(cè)量接地故障回路阻抗。

2 自動(dòng)切斷電源時(shí)間要求

GB 50054—2011《低壓配電設(shè)計(jì)規(guī)范》中第5.2.9條規(guī)定,TN系統(tǒng)中配電線路的間接接觸防護(hù)電器切斷故障回路的時(shí)間,應(yīng)符合下列規(guī)定:

(1) 配電線路或僅供給固定式電氣設(shè)備用電的末端線路,不宜大于5 s;

(2) 供給手持式電氣設(shè)備和移動(dòng)式電氣設(shè)備用電的末端線路或插座回路,TN系統(tǒng)的最長(zhǎng)切斷時(shí)間不應(yīng)大于表5.2.9的規(guī)定。

GB 50054—2011表5.2.9中TN系統(tǒng)最長(zhǎng)切斷時(shí)間如表1所示。

表1 GB 50054—2011表5.2.9中TN系統(tǒng)最長(zhǎng)切斷時(shí)間

文獻(xiàn)[2]第1454頁:如在有關(guān)回路或設(shè)備內(nèi)的相導(dǎo)體和外露可導(dǎo)電部分或保護(hù)接地導(dǎo)體之間發(fā)生阻抗可忽略不計(jì)的故障,保護(hù)電器應(yīng)在所要求的切斷電源時(shí)間內(nèi)自動(dòng)切斷該回路或設(shè)備的相導(dǎo)體。對(duì)于額定電流不超過63 A插座或者32 A插座固定連接的用電設(shè)備的終端回路,文獻(xiàn)[2]中TN系統(tǒng)最長(zhǎng)切斷時(shí)間如表2所示。

表2 文獻(xiàn)[2]中TN系統(tǒng)最長(zhǎng)切斷時(shí)間 s

3 復(fù)核TN系統(tǒng)故障電流、斷路器靈敏度校驗(yàn)

(1) 以某工程地下室風(fēng)機(jī)配電回路為例,該地下室約6萬m2,共計(jì)16個(gè)防火分區(qū),車庫設(shè)置一個(gè)專變配電房,專變配電房?jī)?nèi)設(shè)置2臺(tái)SCB13系列800 kVA變壓器D,yn11連接,uk%=6,ΔPk=6.6 kW,變壓器高壓側(cè)系統(tǒng)短路容量Ss=300 MVA,車庫配電系統(tǒng)接地形式為TN-S系統(tǒng)。已知地下室消防總箱設(shè)于專變配電房?jī)?nèi),配電柜低壓饋線回路至消防總箱約為10 m,消防總箱至風(fēng)機(jī)配電箱約為110 m,風(fēng)機(jī)配電箱至風(fēng)機(jī)約5 m,各級(jí)配電箱安裝容量、斷路器整定電流及電纜截面如表3所示。低壓配電示意圖如圖1所示,計(jì)算K1～K4點(diǎn)單相接地故障電流,檢驗(yàn)各級(jí)配電斷路器靈敏度。

表3 各級(jí)配電箱安裝容量、斷路器整定電流及電纜截面

圖1 低壓配電示意圖

根據(jù)文獻(xiàn)[1]第163頁中,單相短路電流為

(3)

(4)

式中:Un——標(biāo)稱電壓,取380 V;

c——電壓系數(shù),取0.95;

Zphp——短路點(diǎn)阻抗。

利用式(3)對(duì)各級(jí)配電箱發(fā)生單相接地故障時(shí)電流進(jìn)行計(jì)算。單相接地故障電流計(jì)算結(jié)果如表4所示。

表4 單相接地故障電流計(jì)算結(jié)果

根據(jù)文獻(xiàn)[2]第986頁中式11.3-5,末端電動(dòng)機(jī)低壓斷路器的選擇應(yīng)滿足以下要求。斷路器的瞬時(shí)過電流脫扣器整定電流應(yīng)躲過配電線路的尖峰電流,即

Iset3≥Kset3[I′stM1+Ic(n-1)]

(5)

式中:Iset3——斷路器的瞬時(shí)過電流脫扣器整定電流;

Kset3——低壓斷路器瞬時(shí)過電流脫扣器的可靠系數(shù),考慮電動(dòng)機(jī)起動(dòng)電流誤差和斷路器瞬動(dòng)電流誤差,可取1.2;

I′stM1——線路中最大一臺(tái)電動(dòng)機(jī)的全起動(dòng)電流,包括周期分量和非周期分量,對(duì)于籠型電動(dòng)機(jī),其值可取電動(dòng)機(jī)起動(dòng)電流IstM1的2.0～2.5倍,本文取2;

Ic(n-1)——除起動(dòng)電流最大的一臺(tái)電動(dòng)機(jī)以外的線路計(jì)算電流。

電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)電流約為額定電流的7倍,對(duì)于單臺(tái)電動(dòng)機(jī)回路,根據(jù)式(5),有

(6)

式中:IrM——電動(dòng)機(jī)的額定電流。

校驗(yàn)斷路器靈敏度計(jì)算如表5所示。

表5 校驗(yàn)斷路器靈敏度計(jì)算

從整個(gè)工程地下室風(fēng)機(jī)配電回路計(jì)算分析,末端電動(dòng)機(jī)M額定電流IrM1=28.5 A,1級(jí)、2級(jí)、3級(jí)配電斷路器,1.3Iset3≤Ia≤Ik;末端斷路器,Iset3≥16.8IrM1;該配電回路末端電動(dòng)機(jī)能滿足起動(dòng)要求,各級(jí)配電也能滿足斷路器靈敏度校驗(yàn),但總箱至分箱L2這段距離遠(yuǎn)超文獻(xiàn)[2]第966頁中表11.2-4用斷路器作間接接觸防護(hù)4×95+1×50電纜最大允許長(zhǎng)度81 m,而本次則是110 m,也能滿足要求。因此,采用文獻(xiàn)[1]第163頁中單相接地故障電流的計(jì)算公式計(jì)算線路長(zhǎng)度的結(jié)果偏大,在實(shí)際工程應(yīng)用時(shí),考慮最不利情況時(shí)采用文獻(xiàn)[2]第965頁、第966頁中11.2-7式進(jìn)行校驗(yàn)各段斷路器靈敏度。

根據(jù)文獻(xiàn)[2],TN系統(tǒng)發(fā)生接地故障時(shí)的回路示意圖如圖2所示。

圖2 TN系統(tǒng)發(fā)生接地故障時(shí)的回路示意圖

根據(jù)圖2,計(jì)算最小接地故障電流的近似公式為

(7)

(8)

其中,1.5為由于短路引起發(fā)熱,電纜電阻的增大系數(shù)。

式中:k——考慮總等電位聯(lián)結(jié)(局部等電位聯(lián)結(jié))外的供電回路部分阻抗的約定系數(shù),取0.8～1.0;

U0——相對(duì)地標(biāo)稱電壓;

S——相導(dǎo)體截面積;

k1——電纜電抗校正系數(shù),當(dāng)S≤95 mm2時(shí),取1.0,當(dāng)S為120 mm2和150 mm2時(shí),取0.96,當(dāng)S≥185 mm2時(shí),取0.92;

k2——多根相導(dǎo)體并聯(lián)使用的校正系數(shù);

n——每相并聯(lián)的導(dǎo)體根數(shù);

p——20 ℃時(shí)的導(dǎo)體電阻率;

L——電纜長(zhǎng)度;

m——材料相同的每相導(dǎo)體總截面積(Sn)與PE導(dǎo)體截面積(SPE)之比。

故障點(diǎn)離變壓器較遠(yuǎn),k取0.8;故障點(diǎn)離變壓器較近,甚至于變壓器設(shè)在總等電位聯(lián)結(jié)(局部等電位聯(lián)結(jié))內(nèi),k取1.0;如果已知上述比值的實(shí)際值,則用實(shí)際值。

式(8)可轉(zhuǎn)化為

(9)

以地下室風(fēng)機(jī)配電回路為例,根據(jù)文獻(xiàn)[3]第865頁,用三相平衡負(fù)荷線路電壓降計(jì)算電壓損失值。

Δu%=Δua%IL

(10)

式中: Δu%——線路電壓損失百分?jǐn)?shù);

Δua%——三相線路每1 A·km的的電壓損失百分?jǐn)?shù);

I——負(fù)荷計(jì)算電流;

L——線路長(zhǎng)度。

變電房至總箱K2處L1線路電壓損失百分?jǐn)?shù)為

ΔuK2%=ΔuaK2%Ijs總箱L1

(11)

總箱至分箱K3處L2線路電壓損失百分?jǐn)?shù)為

ΔuK3%=ΔuaK3%Ijs分箱L2

(12)

分箱至末端風(fēng)機(jī)K4處L3線路電壓損失百分?jǐn)?shù)為

ΔuK4%=ΔuaK4%Ijs電機(jī)L3

(13)

將計(jì)算所得各段線路電路電壓損失百分?jǐn)?shù)代入文獻(xiàn)[2]第965頁、第966頁中11.2-7式,依次計(jì)算各段配電K2～K4處最小接地故障電流。

變電房至總箱K2處最小接地故障電流為

(14)

總箱至分箱K3處最小接地故障電流為

(15)

分箱至末端風(fēng)機(jī)K4處最小接地故障電流為

(16)

式中:m1、m2、m3——各段材料相同的每相導(dǎo)體總截面積(Sn)與PE導(dǎo)體截面積(SPE)之比;

S1、S2、S3——各段相導(dǎo)體截面積;

K11、K12、K13——各段電纜電抗校正系數(shù),當(dāng)S≤95 mm2時(shí),取1.0,當(dāng)S為120 mm2和150 mm2時(shí),取0.96,當(dāng)S≥185 mm2時(shí),取0.92;

K21、K22、K23——多根相導(dǎo)體并聯(lián)使用的校正系數(shù)。

將各段線路最小接地故障電流、線路電壓損失百分?jǐn)?shù)列表計(jì)算,進(jìn)行校驗(yàn)各級(jí)配電斷路器靈敏度。最小單相接地故障電流計(jì)算如表6所示。

表6 最小單相接地故障電流計(jì)算

表6中3級(jí)配電,末端電動(dòng)機(jī)M額定電流IrM1=28.5 A,1.3Iset3≤Ia≤Ik,Iset3≥16.8IrM1;2級(jí)配電,Ik≤1.3Iset3≤Ia;1級(jí)配電,1.3Iset3≤Ia≤Ik。

采用該方法配電回路末端電動(dòng)機(jī)能滿足起動(dòng)要求,三段配電中2級(jí)配電時(shí),總箱饋線開關(guān)對(duì)發(fā)生單相接地故障在線路L2末端K3處時(shí)不能滿足斷路器靈敏度校驗(yàn)。

考慮各級(jí)箱體位置不做變動(dòng),將2級(jí)配電中總箱饋線開關(guān)增設(shè)短延時(shí)過電流脫扣器。為保證上級(jí)配電箱出線斷路器短延時(shí)(Iset2)保護(hù)與下級(jí)斷路器瞬時(shí)保護(hù)(Iset3)不誤動(dòng),根據(jù)文獻(xiàn)[2]第1 022頁公式11.9-1,上級(jí)用選擇型斷路器(一般用于主干線)應(yīng)按要求整定:Iset2(上)≥1.3Iset3(下)或Iset2(上)≥1.3Iset2(下);當(dāng)帶有短延時(shí)脫扣器時(shí),Iset3不宜太小,一般Iset3為(12～15)Iset1。

最小單相接地故障電流計(jì)算如表7所示。表7中3級(jí)配電,末端電動(dòng)機(jī)M額定電流IrM1=28.5 A,1.3Iset3≤Ia≤Ik;Iset3≥16.8IrM1;2級(jí)配電,

表7 最小單相接地故障電流計(jì)算

整個(gè)工程地下室風(fēng)機(jī)配電回路末端電動(dòng)機(jī)能滿足起動(dòng)要求,各級(jí)配電也能滿足斷路器靈敏度校驗(yàn),配電箱位置不用調(diào)整,電纜截面積也不用增大,僅在2級(jí)配電中饋線開關(guān)增加短延時(shí)脫扣器,不會(huì)造成額外過多的費(fèi)用,不失為一種好的措施來自動(dòng)切除故障電源。

對(duì)于上級(jí)保護(hù)是選擇型斷路器,下級(jí)保護(hù)是非選擇型斷路器時(shí),應(yīng)符合:上級(jí)斷路器的短路短延時(shí)脫扣整定電流不應(yīng)小于下級(jí)斷路器短路瞬時(shí)脫扣整定電流的1.3倍。根據(jù)文獻(xiàn)[2]中第11章,計(jì)算最小接地故障電流方法來反算上級(jí)斷路器增加短延時(shí)脫扣電流。末端箱上下級(jí)斷路器兩種脫扣方式上級(jí)電纜最大允許長(zhǎng)度對(duì)比如表8所示。

表8 末端箱上下級(jí)斷路器兩種脫扣方式上級(jí)電纜最大允許長(zhǎng)度對(duì)比

由表8知,類似總箱設(shè)置在配電房,分箱、末端風(fēng)機(jī)在風(fēng)機(jī)房時(shí),一旦供電半徑超過100 m后,總箱至分箱這段線路斷路器靈敏度很難滿足要求,建議在總箱饋線開關(guān)增加短延時(shí)過電流脫扣器。對(duì)于同一斷路器,由于短延時(shí)過電流脫扣器整定電流值Iset2通常只有瞬時(shí)過電流脫扣器整定電流值Iset3的1/5～1/3,更容易切斷故障電源,所以斷路器間接接觸防護(hù)靈敏性更易滿足。

(2) 以某工程地下室照明配電回路為例,地下室約6萬m2,共計(jì)16個(gè)防火分區(qū),在車庫設(shè)置一個(gè)專變配電房,專變配電房?jī)?nèi)設(shè)置2臺(tái)SCB13系列800 kVA變壓器,D,yn11連接,uk%=6,ΔPk=6.6 kW,變壓器高壓側(cè)系統(tǒng)短路容量Ss=∞,車庫配電系統(tǒng)接地形式為TN-S系統(tǒng)。已知照明總箱設(shè)于專變配電房?jī)?nèi),配電柜低壓饋線回路至照明總箱約為10 m,照明總箱至車庫照明配電箱約為70 m,照明箱至末端燈具的距離約95 m,斷路器整定電流及電纜截面如表9所示。低壓配電示意圖見圖1。計(jì)算K6～K8點(diǎn)單相接地故障電流,檢驗(yàn)各級(jí)配電斷路器靈敏度。

表9 斷路器整定電流及電纜截面

根據(jù)文獻(xiàn)[2]第866頁,用接相電壓的單相負(fù)荷線路電壓降計(jì)算電壓損失值。

Δu%=2Δua%IL

(17)

式中: Δu%——線路電壓損失百分?jǐn)?shù);

Δua%——三相線路每1 A·km的的電壓損失百分?jǐn)?shù);

I——負(fù)荷計(jì)算電流;

L——線路長(zhǎng)度。

變電房至照明總箱K6處L4線路電壓損失百分?jǐn)?shù)為

ΔuK6%=ΔuaK6%Ijs總箱L4

(18)

照明總箱至照明配電箱K7處L5線路電壓損失百分?jǐn)?shù)為

ΔuK7%=ΔuaK7%Ijs分箱L5

(19)

照明配電箱至末端燈具K8處L6線路電壓損失百分?jǐn)?shù)為

ΔuK8%=ΔuaK8%Ijs照明燈L6

(20)

將計(jì)算所得各段線路電路電壓損失百分?jǐn)?shù)代入文獻(xiàn)[2]中第965頁、第966頁中11.2-7式,依次計(jì)算各段配電K6～K8處最小接地故障電流。

變電房至照明總箱K6處最小接地故障電流為

(21)

照明總箱至照明配電箱K7處最小接地故障電流為

(22)

照明配電箱至末端燈具K8處最小接地故障電流為

(23)

式中:m4、m5、m6——各段材料相同的每相導(dǎo)體總截面積(Sn)與PE導(dǎo)體截面積(SPE)之比;

S4、S5、S6——各段相導(dǎo)體截面積;

K31、K32、K33——各段電纜電抗校正系數(shù),當(dāng)S≤95 mm2時(shí),取1.0,當(dāng)S為120 mm2和150 mm2時(shí),取0.96,當(dāng)S≥185 mm2時(shí),取0.92;

K41、K42、K43——多根相導(dǎo)體并聯(lián)使用的校正系數(shù)。

將各段線路最小接地故障電流、線路電壓損失百分?jǐn)?shù)列表計(jì)算,進(jìn)行校驗(yàn)各級(jí)配電斷路器靈敏度。最小單相接地故障電流計(jì)算如表10所示。

表10 最小單相接地故障電流計(jì)算

表10中1級(jí)、2級(jí)配電,1.3Iset3≤Ia≤Ik,斷路器靈敏度滿足要求;末端3級(jí)配電,Ik≤1.3Iset3≤Ia,照明配電箱饋線開關(guān)對(duì)發(fā)生單相接地故障在線路L6末端K8處時(shí)不能滿足斷路器靈敏度校驗(yàn)。

考慮各級(jí)箱體位置不做變動(dòng),將末端3級(jí)配電中饋線開關(guān)選用B型曲線脫扣方式,再次校驗(yàn)?zāi)┒藬嗦菲黛`敏度[4-5]。最小單相接地故障電流計(jì)算如表11所示。

表11 最小單相接地故障電流計(jì)算

表11中1級(jí)、2級(jí)、3級(jí)配電,1.3Iset3≤Ia≤Ik,斷路器靈敏度均滿足要求。在狹長(zhǎng)的坡地車庫里,往往配電間照明配電箱位置遠(yuǎn)離末端燈具,距離比較長(zhǎng),照明配電箱末端開關(guān)采用C型曲線脫扣方式時(shí)不一定能滿足末端斷路器靈敏度校驗(yàn),此時(shí)選用B型曲線脫扣方式減小斷路器過電流脫扣倍數(shù),從而增大斷路器保護(hù)的距離。

4 結(jié) 語

配電設(shè)計(jì)中,由于建筑的多樣性,變配電房集中、供電半徑長(zhǎng)而迂回等因素,在塔樓、車庫配電或照明中使用斷路器作間接接觸防護(hù)時(shí)難以滿足靈敏度保護(hù)要求,故障情況下很難達(dá)到自動(dòng)切斷電源。針對(duì)斷路器靈敏度保護(hù)不滿足的情況,對(duì)民用建筑配電建議如下:

(1) 選用Dyn11接線組別變壓器,不用Yyn0接線組別變壓器。由于前者比后者的零序阻抗小得多,近端單相接地故障電流值將明顯增大。

(2) 合理選擇配電級(jí)數(shù)及分配電室,縮短各級(jí)保護(hù)開關(guān)保護(hù)線纜的長(zhǎng)度。

(3) 合理加大電纜截面,相同斷路器瞬時(shí)或短延時(shí)動(dòng)作電流整定值時(shí),電纜截面越大,允許長(zhǎng)度越大;但加大電纜截面,經(jīng)濟(jì)性降低,業(yè)主投入大,慎重選用。

(4) 采用帶短延時(shí)過電流脫扣器的斷路器。

(5) 照明配電回路末端斷路器選用B型曲線脫扣方式,增大斷路器保護(hù)范圍。

(6) 采用帶接地故障保護(hù)的斷路器。

(7) 電井內(nèi)所有配電箱外殼做好局部等電位聯(lián)結(jié),末端機(jī)房做好輔助等電位聯(lián)結(jié),降低接觸電壓(降至50 V以下),保護(hù)人身安全。

(8) 采用剩余電流動(dòng)作保護(hù)器(RCD)作為附加保護(hù)措施。