胡可峰

(世源科技工程有限公司，北京 100142)

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變電所配電線路的線路保護(hù)探討

0引言

我國(guó)是電氣火災(zāi)多發(fā)的國(guó)家，進(jìn)入20世紀(jì)90年代后由于用電量增多，電氣火災(zāi)發(fā)生的次數(shù)約占火災(zāi)總數(shù)的30%，居于各類(lèi)火災(zāi)之首，其中，短路引起的火災(zāi)超過(guò)了電氣火災(zāi)總數(shù)的50%。電氣線路因過(guò)熱等原因會(huì)導(dǎo)致絕緣水平下降，在外因觸發(fā)下，絕緣層容易被擊穿而造成短路。

變電所內(nèi)低壓配電設(shè)計(jì)中，在線路末端發(fā)生短路故障時(shí)，如果斷路器脫扣器的保護(hù)整定值設(shè)置不當(dāng)，短路故障電流可能小于脫扣器的短路短延時(shí)保護(hù)或短路瞬時(shí)保護(hù)的整定值，此時(shí)短路故障電流只能靠脫扣器的過(guò)載長(zhǎng)延時(shí)來(lái)斷開(kāi)，無(wú)法及時(shí)切除，隨著時(shí)間和次數(shù)增多，將引起線路絕緣老化，極端情況下短路故障產(chǎn)生的高溫還將引起火災(zāi)[1]。

1相關(guān)規(guī)范要求

GB 50054-2011《低壓配電設(shè)計(jì)規(guī)范》(以下簡(jiǎn)稱(chēng)《低規(guī)》)3.2.2規(guī)定，導(dǎo)體必須滿足載流量[2]、線路保護(hù)、動(dòng)穩(wěn)定與熱穩(wěn)定[3-5]、線路壓降[6]、機(jī)械強(qiáng)度等方面的要求。本文根據(jù)規(guī)范要求，主要探討配電線路是否滿足線路保護(hù)的要求。

《低規(guī)》6.2.4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(guò)電流脫扣器整定電流的1.3倍[7]。條文解釋如下：按照現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 14048.2《低壓開(kāi)關(guān)設(shè)置和控制設(shè)備 第2部分：斷路器》的規(guī)定，斷路器的制造誤差為±20%，再加上計(jì)算誤差、電網(wǎng)電壓變差等因素，故規(guī)定被保護(hù)線路末端的短路電流不應(yīng)小于低壓斷路器瞬時(shí)或短延時(shí)過(guò)電流脫扣器整定電流的1.3倍。

2計(jì)算依據(jù)

本文計(jì)算依據(jù)《工業(yè)與民用配電設(shè)計(jì)手冊(cè)》(第三版)(以下簡(jiǎn)稱(chēng)《手冊(cè)》)第四章“短路電流計(jì)算”，以及國(guó)家建筑標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)圖集04DX101-1《建筑電氣常用數(shù)據(jù)》相關(guān)數(shù)據(jù)及公式。

2.1計(jì)算公式

低壓配電線路的末端發(fā)生短路故障時(shí)，由于短路點(diǎn)離發(fā)電機(jī)較遠(yuǎn)，因此可視為遠(yuǎn)端短路[8]。又由于線路末端的單相接地故障電流小于三相短路電流，因此本文選取單相接地故障電流作為校驗(yàn)依據(jù)。

根據(jù)《手冊(cè)》表4-32《低壓三相和單相接地故障電流計(jì)算表》可知：

式中，Id為單相接地故障電流，kA；Un為系統(tǒng)標(biāo)稱(chēng)電壓，kV；Rphp為短路電路的相保電阻，mΩ；Xphp為短路電路的相保電抗，mΩ；Zphp為短路電路的相保阻抗，mΩ。

2.1.1系統(tǒng)S的相保阻抗

系統(tǒng)S的相保阻抗可根據(jù)《手冊(cè)》表4-21《10(6)/0.4kV變壓器高壓側(cè)系統(tǒng)短路容量與高壓側(cè)阻抗、相保電抗(歸算到400V)的數(shù)值關(guān)系》進(jìn)行推導(dǎo)。

推導(dǎo)公式如下：

1)系統(tǒng)阻抗/mΩ

2)系統(tǒng)電抗/mΩ

Xs=0.995Zs

系統(tǒng)電阻/mΩ

Rs=0.1Xs

3)對(duì)于D,yn11或Y,yn0連接的變壓器

相保電阻/mΩ

Rphp·s=2Rs/3

相保電抗/mΩ

Xphp·s=2Xs/3

式中，Uav為系統(tǒng)平均電壓，kV。

當(dāng)變壓器高壓側(cè)系統(tǒng)短路容量不同時(shí)，變壓器高壓側(cè)相保阻抗(折算到400V)計(jì)算值如表1所示。

表1　變壓器高壓側(cè)相保阻抗(折算到400V)計(jì)算值

2.1.2變壓器T的阻抗

實(shí)際工程中，當(dāng)變壓器品牌及型號(hào)確定后，可根據(jù)《手冊(cè)》表4-23《SC(B)9系列10(6)/0.4kV變壓器的阻抗平均值(歸算到400V)側(cè)》查詢變壓器的負(fù)載損耗，再依據(jù)《手冊(cè)》表4-2中變壓器的阻抗與負(fù)載損耗的關(guān)系，推導(dǎo)出變壓器的阻抗值。推導(dǎo)公式如下：

1)變壓器電阻/mΩ

2)變壓器電抗/mΩ

3)變壓器阻抗/mΩ

式中，ΔP為變壓器短路損耗，kW；Srt為變壓器的額定容量，MVA;Ur為額定電壓，kV；uk%為變壓器阻抗電壓百分值。

表2為某品牌10/0.4kV不同容量的變壓器根據(jù)負(fù)載損耗計(jì)算的相保阻抗值與相保電抗值。

表2　相保阻抗值、相保電抗值

2.1.3母線m的阻抗值

不同容量的變壓器，根據(jù)變壓器低壓側(cè)額定電流對(duì)應(yīng)不同規(guī)格的母線。母線載流量可根據(jù)國(guó)標(biāo)圖集04DX101-1《建筑電氣常用數(shù)據(jù)》頁(yè)4-3表4.4《變壓器低壓側(cè)出線選擇》確定。由于母線的阻抗不僅與母線的集膚效應(yīng)系數(shù)相關(guān)，還與母線的平放或豎放以及排列間距相關(guān)。因此實(shí)際工程中通過(guò)查表來(lái)計(jì)算母線的阻抗[10-11]。本文母線阻抗值根據(jù)《手冊(cè)》表4-24《低壓母線單位長(zhǎng)度阻抗值》來(lái)確定。當(dāng)變壓器容量≤630kVA時(shí)，相線間距D為250mm；當(dāng)變壓器容量>630kVA時(shí)，相線間距D為350mm。

母線阻抗值根據(jù)《手冊(cè)》表4-24《低壓母線單位長(zhǎng)度阻抗值》確定，如表3所示。

表3　低壓母線單位長(zhǎng)度阻抗值(《手冊(cè)》表4-24)

2.1.4配電線路的阻抗值

配電線路的阻抗值根據(jù)《手冊(cè)》表4-25《線路單位長(zhǎng)度阻抗值》來(lái)確定。本文所選校驗(yàn)的配電線路為銅芯交聯(lián)聚乙烯絕緣聚氯乙烯護(hù)套電力電纜。電纜的相保電抗按鋼管布線考慮。

電纜單位長(zhǎng)度阻抗值可根據(jù)《手冊(cè)》表4-25《線路單位長(zhǎng)度阻抗值》確定，如表4所示[9]。

表4　線路單位長(zhǎng)度阻抗值(《手冊(cè)》表4-25)

2.2工程實(shí)例

某項(xiàng)目變壓器高壓側(cè)系統(tǒng)短路容量324MVA，變壓器容量630kVA，電壓等級(jí)10/0.4kV,接線方式為D,yn11，阻抗電壓6%。配電柜斷路器脫扣器額定電流分別為40A、100A、160A、200A、250A、315A。對(duì)配電線路短路保護(hù)靈敏度進(jìn)行校驗(yàn)。

2.2.1確定系統(tǒng)S的相保阻抗

系統(tǒng)電阻

Rs=0.1Xs=0.1×0.491=0.049mΩ

系統(tǒng)電抗

Xs=0.995Zs=0.995×0.494=0.491mΩ

相保電阻

相保電抗

2.2.2確定變壓器T的阻抗

本項(xiàng)目某品牌630kVA的變壓器的短路損耗ΔP為5.08kW。

變壓器電阻

變壓器阻抗

=15.238mΩ

變壓器電抗

=15.100mΩ

故變壓器相保電阻Rph·p=2.048mΩ

相保電抗Xph·p=15.100mΩ

2.2.3確定母線m的規(guī)格相保阻抗值

根據(jù)國(guó)標(biāo)圖集04DX101-1《建筑電氣常用數(shù)據(jù)》頁(yè)4-3可知，當(dāng)變壓器容量為630kVA，確定銅母線截面面積為3(80×8)+1(63×6.3)=2.3169×103mm2。

考慮到變電所內(nèi)部配電柜的數(shù)量及配電柜寬度的限制，銅母線的長(zhǎng)度按8m計(jì)算，得出母線的相保電阻Rphpm=0.624mΩ,相保電抗Xphpm=3.056 mΩ。

2.2.4確定不同截面電纜的相保阻抗值

電纜載流量可查詢國(guó)標(biāo)圖集04DX101-1《建筑電氣常用數(shù)據(jù)》表6-8《YJV、YJLV三芯電力電纜持續(xù)載流量(A)》，按環(huán)境溫度35℃、雙層橋架敷設(shè)的條件進(jìn)行考慮。根據(jù)《手冊(cè)》表9-24《敷設(shè)在自由空氣中多芯電纜載流量校正系數(shù)》可知，校正系數(shù)取0.78。

電纜載流量及對(duì)應(yīng)的脫扣器額定電流如表5所示。

表5　電纜載流量及對(duì)應(yīng)的脫扣器額定電流表

單位長(zhǎng)度電纜阻抗值根據(jù)《手冊(cè)》表4-25《線路單位長(zhǎng)度阻抗值》確定，如表6所示。

表6　線路單位長(zhǎng)度阻抗值(《手冊(cè)》表4-25)

2.2.5計(jì)算結(jié)果匯總

1)短路點(diǎn)總相保電阻/mΩ

2)短路點(diǎn)總相保電抗/mΩ

3)短路點(diǎn)總相保阻抗/mΩ

4)單相接地故障電流/A

根據(jù)《低規(guī)》6.2.4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(guò)電流脫扣器整定電流的1.3倍。

表7為選定電纜長(zhǎng)度為100m時(shí)，單相接地故障電流及脫扣器最大允許整定倍數(shù)。

通過(guò)表7可知，為了滿足配電線路整定保護(hù)的靈敏度，當(dāng)脫扣器短路瞬時(shí)整定值設(shè)定為10倍或10倍以上時(shí)，脫扣器必須設(shè)置短路短延時(shí)保護(hù)或者增大配電線路的截面，以保證斷路器脫扣器整定電流值的1.3倍大于線路末端發(fā)生短路故障時(shí)的電流。

表7　單相接地故障電流及脫扣器最大允許整定倍數(shù)

在實(shí)際工程中，為了對(duì)下級(jí)配電箱的整定保護(hù)有更好的選擇性，保證下級(jí)配電箱的配電線路發(fā)生短路故障時(shí)不至于引起變電所內(nèi)的斷路器脫扣器的瞬時(shí)脫扣，變電所內(nèi)的斷路器的瞬時(shí)脫扣整定值往往需要大一些[14]。所以線路末端發(fā)生短路故障時(shí)，短路電流除以1.3后，不應(yīng)小于脫扣器的短路瞬時(shí)整定值。表8為脫扣器短路瞬時(shí)整定電流為脫扣器額定電流的10倍時(shí)，配電線路的最大允許距離。

表8　配電線路的最大允許距離

通過(guò)以上結(jié)果可知，當(dāng)實(shí)際電纜長(zhǎng)度大于計(jì)算得出的最大允許距離時(shí)，斷路器脫扣器需設(shè)置短路短延時(shí)保護(hù)或增大配電線路的電纜截面。

4結(jié)束語(yǔ)

根據(jù)國(guó)家相關(guān)規(guī)范要求，對(duì)變電所斷路器脫扣器短路保護(hù)的整定值需進(jìn)行校驗(yàn)，以滿足配電線路的保護(hù)要求。如果斷路器脫扣器的整定值設(shè)置不當(dāng)，線路的短路故障電流無(wú)法得到及時(shí)切除，隨著故障次數(shù)增多，將引起線路老化及絕緣破壞，極端情況下將引起火災(zāi)。

當(dāng)斷路器脫扣器短路瞬時(shí)整定保護(hù)滿足不了配電線路的線路保護(hù)要求時(shí)，有兩個(gè)選擇：(1)斷路器脫扣器增設(shè)適當(dāng)?shù)亩搪范萄訒r(shí)保護(hù)。(2)增大配電線路的截面。在實(shí)際工程中還需校驗(yàn)配電線路壓降是否滿足要求，當(dāng)配電線路的壓降滿足要求時(shí)，可選擇有短路短延時(shí)保護(hù)的脫扣器，并設(shè)置適當(dāng)?shù)亩搪范萄訒r(shí)保護(hù)；當(dāng)配電線路的壓降不滿足要求時(shí)，需增大配電線路的截面，然后重新進(jìn)行線路保護(hù)的校驗(yàn)。

參考文獻(xiàn)

[1]王厚余.建筑物電氣裝置600問(wèn)[M].北京:中國(guó)電力出版社，2013.

[2]田曉艷.低壓配電系統(tǒng)配出電纜最小截面計(jì)算[J].建筑電氣, 2012,31(4):34-38.

[3]常瑞增.按熱穩(wěn)定校驗(yàn)的常用10(6)kV電纜最小截面[J].港工技術(shù),2007 (3):14-17,45.

[4]李良勝.低壓電纜熱穩(wěn)定校驗(yàn)探討[J].建筑電氣,2011, 30(6):12-18.

[5]趙德貴.按電壓損失校驗(yàn)中低壓電纜的截面[J].供用電, 2009, 26(5):68-70.

[6]何琳,潘仲明,曲耀君.低壓配電系統(tǒng)中按電壓損失校驗(yàn)的電纜最小截面探討[J].化工設(shè)計(jì),2011,21(1):36-37,1,2.

[7]GB 50054-2011低壓配電設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京:中國(guó)計(jì)劃出版社,2011.

[8]中國(guó)航空工業(yè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院 組編.工業(yè)與民用配電設(shè)計(jì)手冊(cè)(第三版)[M].北京:中國(guó)電力出版社,2005.

[9]04D×101-1建筑電氣常用數(shù)據(jù)[S].北京:中國(guó)計(jì)劃出版社,2006.

[10]徐志強(qiáng).矩形母線集膚效應(yīng)系數(shù)與阻抗的計(jì)算[J].低壓電器, 1997, 7(3):27-29.

[11]胡冰，張曉峰.用有限元方法計(jì)算矩形母線的集膚效應(yīng)[J].低壓電器, 2005, (3):7-9,16.

胡可峰

碩士,工程師,主要研究方向?yàn)楣┡潆娤到y(tǒng)設(shè)計(jì)。

Discussion on Line Protection of Distribution Line in Substation

Hu Kefeng

胡可峰

(世源科技工程有限公司，北京 100142)

摘要GB 50054-2011《低壓配電設(shè)計(jì)規(guī)范》提出導(dǎo)體需滿足線路保護(hù)要求，線路末端短路電流值應(yīng)滿足斷路器脫扣器的整定保護(hù)。根據(jù)《工業(yè)與民用配電設(shè)計(jì)手冊(cè)》相關(guān)資料，推導(dǎo)出了變壓器高壓側(cè)系統(tǒng)阻抗和變壓器阻抗的計(jì)算，分析了變壓器高壓側(cè)系統(tǒng)阻抗、變壓器阻抗、母線阻抗、配電線路的截面及長(zhǎng)度對(duì)變電所斷路器脫扣器短路保護(hù)整定值的影響。

關(guān)鍵詞短路短路容量短路阻抗

Abstract‘Code for design of low voltage electrical installations’(GB 50054-2011) requires the conductor meet the requirement of distribution line protection and short-circuit current at the end of line meet the setting protection of circuit breaker tripping device. According to the ‘Industrial and Civil Distribution Design Handbook’ related information, deriving the calculation of the impedance in transformer’s high-voltage side system and transformer’s impedance, analyzing that the impedance of transformer’s high-voltage side system, transformer’s impedance, bus bar impedance, the cross section and the length of distribution line affect on the setting value of substation circuit breaker tripping device.

Keywordsshort circuit, short-circuit capacity, short-circuit impedance

作者簡(jiǎn)介