沈 南 洋

(廣東寰球廣業(yè)工程有限公司, 廣東 廣州　510655)

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照明線路末端單相短路保護(hù)探討

沈 南 洋

(廣東寰球廣業(yè)工程有限公司, 廣東 廣州510655)

通過石油化工裝置區(qū)照明線路L-N間及L-PE間的短路電流計算,比較不同截面、長度的線路與保護(hù)電器不同脫扣器之間的配合問題,計算了照明線路剩余電流保護(hù)的合理整定電流值,通過不同的脫扣器和不同的保護(hù)方式說明上下級之間的保護(hù)配合問題。

單相短路; 保護(hù)靈敏性; 剩余電流保護(hù); 脫扣器

0　引　言

石油化工裝置區(qū)一般為易燃易爆環(huán)境,其用電可靠性要求較高。GB 50054—2011《低壓配電設(shè)計規(guī)范》[1]規(guī)定:給固定式電氣設(shè)備供電的末端線路,切斷故障回路的時間不宜大于5 s。在實(shí)際工程中,裝置區(qū)220 V照明線路末端發(fā)生的單相短路,其短路電流一般不大(特別是發(fā)生接地故障時,其故障電流較小),短路保護(hù)器不一定能夠在5 s內(nèi)可靠脫扣,故需校驗(yàn)其保護(hù)動作的靈敏度,或綜合考慮采取多種措施以滿足GB 50054—2011的要求。

1　石油化工裝置區(qū)照明電源系統(tǒng)接地方式

石油化工裝置區(qū)主要為鋼框架多層結(jié)構(gòu),安裝在鋼框架上的照明燈具可以采用TN-S系統(tǒng)。遠(yuǎn)離裝置區(qū)外的路燈難以實(shí)現(xiàn)等電位聯(lián)結(jié),當(dāng)別處或其中某個燈具發(fā)生接地故障時,引自電源的PE線可能將故障電壓傳導(dǎo)至其他路燈外殼而造成危險[2],需采用TT系統(tǒng)。

2　照明線路的單相短路電流計算

照明線路末端短路(單相)電流按照文獻(xiàn)[3]提供的計算方法計算。

低壓單相(L-N間)短路電流為

(1)

Rd=Rs+RL

Xd=Xs+XL

式中:Rs、Xs——現(xiàn)場照明配電箱進(jìn)線側(cè)系統(tǒng)阻抗;

RL、XL——現(xiàn)場照明配電箱饋出回路的線路阻抗。

TN-S系統(tǒng)低壓網(wǎng)絡(luò)的單相接地故障電流按照式(1)計算,但必須將電阻、電抗、阻抗改為相保電阻、相保電抗、相保阻抗。

3　照明線路末端的單相短路保護(hù)

某大型石化裝置區(qū)現(xiàn)場照明配電箱供電系統(tǒng)示意圖如圖1所示,進(jìn)線處電氣參數(shù)如下:

(1) 現(xiàn)場照明配電箱AL01進(jìn)線電源:380/220 V,TN-S接地系統(tǒng)。

(2) 現(xiàn)場照明配電箱AL01進(jìn)線及出線電纜類型:交聯(lián)聚乙烯絕緣聚氯乙烯護(hù)套銅芯電纜(ZR-YJV-0.6/1 kV)。

圖1　供電系統(tǒng)示意圖

(3) 現(xiàn)場照明配電箱AL01進(jìn)線處阻抗:當(dāng)進(jìn)線電纜采用ZR-YJV-0.6/1kV 5×16 mm2(線路長度為100 m)時,進(jìn)線處電源側(cè)的電阻R=309.9 mΩ,電抗X=29.6 mΩ,相保電阻Rph.p=407 mΩ,相保電抗Xph.p=29.9 mΩ,進(jìn)線處單相短路電流約為539 A(L-PE間)、706 A(L-N間)。

TN-S系統(tǒng)220 V線路末端單相短路電流如表1所示。

表1　TN-S系統(tǒng)220 V線路末端單相短路電流　A

注:照明配電箱進(jìn)線電纜為ZR-YJV-0.6/1 kV 5×16 mm2。

3.1斷路器作為保護(hù)器

GB 50054—2011規(guī)定:當(dāng)短路保護(hù)電器為斷路器時,被保護(hù)線路末端的短路電流不應(yīng)小于斷路器瞬時或短延時過電流脫扣器整定電流的1.3倍。其中1.3倍主要考慮斷路器的制造誤差(±20%)、計算誤差及電壓波動等因數(shù)。C型曲線瞬時磁脫扣的動作范圍為(5～10)In,本文計算取8In。B型曲線瞬時磁脫扣的動作范圍為(3～5)In,本文計算取4In。

當(dāng)現(xiàn)場照明配電箱AL01的配電回路采用C10A小型斷路器作為保護(hù)器時,末端短路電流需大于1.3×8×10=104 A才能保證瞬時可靠脫扣。

當(dāng)現(xiàn)場照明配電箱AL01的配電回路采用B10A小型斷路器作為保護(hù)器時,末端短路電流需大于1.3×4×10=52 A時才能保證瞬時可靠脫扣。

由表1及以上分析可知:

(1) L-PE之間的短路電流小于L-N之間的短路電流,所以采用斷路器作為保護(hù)器時,主要校驗(yàn)L-PE之間的短路電流(接地故障電流)。

(2) 采用B型曲線的斷路器比采用C型曲線的斷路器更容易滿足保護(hù)的要求。

(3) 適當(dāng)加大照明配電箱出線線路截面,可以增加線路末端的單相短路電流,從而提高斷路器動作的靈敏度,斷路器也可以保護(hù)更長的線路。照明配電線路保護(hù)開關(guān)采用B10A斷路器,當(dāng)電纜采用3×6mm2時,滿足保護(hù)靈敏度要求的最長分支線路長度可達(dá)300 m;電纜采用3×4 mm2時,滿足保護(hù)靈敏度要求的最長分支線路長度為250 m左右;電纜采用3×2.5 mm2時,滿足保護(hù)靈敏度要求的最長分支線路長度只有100 m左右。

在石油化工裝置區(qū)的照明系統(tǒng)中,現(xiàn)場照明配電箱的配電回路可采用B10A小型斷路器作為保護(hù)電器。目前的防爆燈具中,大多數(shù)標(biāo)配的接線端子適用于≤2.5 mm2導(dǎo)線(防爆熒光燈標(biāo)配的接線端子適用于≤4 mm2導(dǎo)線),所以照明主線路常用3×4 mm2電纜,從接線盒分支到燈具接線端子之間的電纜采用3×2.5 mm2電纜。從現(xiàn)場照明配電箱到分支線路最末一個燈具的最長分支線路的長度控制在250 m以內(nèi)。另外考慮線路壓降等因素,建議最長分支線路的長度控制在150 m以內(nèi)。照明用的防爆接線盒接線口一般為DN20或DN25,當(dāng)主線路采用3×6 mm2電纜時,接線較困難(特別是鎧裝電纜或耐火電纜),所以在石油化工裝置的照明設(shè)計中一般應(yīng)避免該規(guī)格的電纜作為照明配電線路。

另外,當(dāng)現(xiàn)場照明配電箱AL01的進(jìn)線電纜由ZR-YJV-0.6/1 kV 5×16 mm2改為ZR-YJV-0.6/1 kV 4×25+1×16 mm2(線路長度為100 m)時,進(jìn)線處電源側(cè)的電阻、電抗、相保電阻、相保電抗分別為208.3 mΩ、29.5 mΩ、274 mΩ、29.4 mΩ,進(jìn)線處單相接地短路電流約為797 A(L-PE間)、1 046 A(L-N間)。進(jìn)線電纜截面加大一級后TN-S系統(tǒng)220 V線路末端單相短路電流如表2所示。

表2　進(jìn)線電纜截面加大一級后TN-S系統(tǒng)220 V線路末端單相短路電流　A

注:照明配電箱進(jìn)線電纜為ZR-YJV-0.6/1 kV 4×25+1×16 mm2

對比表1、表2,現(xiàn)場照明配電箱進(jìn)線電纜的截面加大一級后,配電箱饋出線路末端的單相短路電流變化不大,所以在設(shè)計中應(yīng)避免為了增大饋出線路末端單相短路電流而盲目加大進(jìn)線電纜的截面?，F(xiàn)場照明配電箱進(jìn)線電纜的截面應(yīng)根據(jù)線路壓降、熱穩(wěn)定校驗(yàn)、斷路器保護(hù)動作靈敏性、經(jīng)濟(jì)性等因素綜合選擇。

3.2剩余電流保護(hù)器

剩余電流保護(hù)是防止人身觸電、電氣火災(zāi)及電氣設(shè)備損壞的一種有效的防護(hù)措施。當(dāng)現(xiàn)場照明配電箱的配電線路采用斷路器不能滿足過電流速斷保護(hù)時,可采用帶剩余電流保護(hù)的小型斷路器作為保護(hù)電器。為避免誤動作,斷路器剩余電流保護(hù)整定值IA.set4應(yīng)大于正常運(yùn)行時線路和設(shè)備的泄漏電流總和的2.5～4.0倍[3]。

220 V照明線路總泄漏電流(線路和燈具的泄漏電流總和)如表3所示。

GB 7000.1—2007《燈具 第一部分:一般要求與試驗(yàn)》第10.3款要求,額定輸入容量不超過1 kVA的I類固定式燈具泄漏電流不應(yīng)超過1 mA。本文中每套燈具額定輸入均不超過1 kVA,每套燈具的泄漏電流暫按照1 mA計算。實(shí)際工程中建議按照燈具廠家給出的泄漏電流數(shù)據(jù)計算。

表3　220 V照明線路總泄漏電流　mA

注:3×4 mm2及3×6 mm2交聯(lián)聚乙烯電纜的泄漏電流取自DBJ/T 15-77—2010《電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計、施工及驗(yàn)收規(guī)范》附錄A.0.1中的數(shù)據(jù);3×2.5 mm2交聯(lián)聚乙烯電纜的泄漏電流按照15 mA/km估算。

SH 3038—2000《石油化工企業(yè)生產(chǎn)裝置電力設(shè)計技術(shù)規(guī)范》第9.2.3款規(guī)定:照明線路每單相分支回路的電流一般不宜超過15 A,所接燈頭數(shù)不宜超過25個。石油化工裝置區(qū)常用的照明燈具有熒光燈、小功率金鹵燈(70 W)、無極燈、節(jié)能燈等小功率燈具,每個線路所接燈具數(shù)量按照24套考慮。

由表3可知,斷路器剩余電流保護(hù)整定值可設(shè)為100 mA。

對于石油化工裝置區(qū)等戶外照明回路,選用整定值為30 mA的剩余電流保護(hù)器往往不滿足要求,應(yīng)根據(jù)線路材料、長度、所帶燈具的類型及數(shù)量的不同,選用整定值為100 mA、300 mA、500 mA等的剩余電流保護(hù)器或采用可調(diào)型的剩余電流保護(hù)器。

在長距離配電的照明系統(tǒng)中(例如路燈系統(tǒng)),利用斷路器作為過電流保護(hù)不滿足要求時,優(yōu)先采用局部TT系統(tǒng)。

4　上下級保護(hù)電器之間的配合

(1) 上一級(圖1中C點(diǎn))保護(hù)電器采用TM熱磁脫扣斷路器。

① 當(dāng)C點(diǎn)斷路器采用TMD的熱磁脫扣器時,其磁脫扣電流一般都在10In以上,不可調(diào)。對于小電流的塑殼斷路器,不同系列的磁脫扣電流不同。如NSX系列NSX100NTM25磁脫扣電流為300 A,而Tmax系列中的T2S160TMD25的磁脫扣電流為500 A。

B點(diǎn)的單相接地短路電流為539 A,當(dāng)C點(diǎn)斷路器采用NSX100NTM25時,539/300=1.80>1.3,滿足磁保護(hù)靈敏性的要求;當(dāng)C點(diǎn)斷路器采用T2S160TMD25時,539/500=1.08<1.3,不滿足磁保護(hù)靈敏性的要求。

由分析可知,現(xiàn)場照明配電箱AL01配電線路末端短路的電流均小于300A,故不會引起C點(diǎn)斷路器的越級跳閘。

② 當(dāng)C點(diǎn)斷路器采用TMG的熱磁脫扣器時,其磁脫扣電流一般為(2.5～5.0)In。對于小電流的塑殼斷路器,不同系列的磁脫扣電流不同,NSX100NTG25磁脫扣電流為80 A,不可調(diào),T2S160TMG25磁脫扣電流為75 A,不可調(diào)。

B點(diǎn)的單相接地短路電流為539 A,當(dāng)C點(diǎn)斷路器采用NSX100NTG25時,539/80=6.74>1.3,滿足磁保護(hù)靈敏性的要求。當(dāng)現(xiàn)場配電箱AL01配電線路末端短路的電流Id≥1.3IC.set3=1.3×80=104 A時,C點(diǎn)斷路器可能會越級跳閘,主要取決于上下級斷路器之間(塑殼斷路器和微型斷路器之間)是否有選擇性;當(dāng)1.3IC.set3=104 A≥Id≥1.3IA.set3=65 A時,A點(diǎn)斷路器動作,C點(diǎn)斷路器不動作,保護(hù)具有選擇性;當(dāng)Id<1.3IA.set3=65 A時,A、C點(diǎn)斷路器均不動作。

(2) 上一級保護(hù)電器采用帶短延時的斷路器。當(dāng)斷路器磁保護(hù)(瞬時過電流脫扣)不能滿足要求時,可以采用帶有短延時的斷路器來保護(hù)。C點(diǎn)若采用帶短延時的斷路器時,短延時整定值IC.set2需滿足:IC.set2≥1.2IA.set3(可靠系數(shù)1.2主要考慮脫扣器動作誤差),其中IA.set3=50 A,則IC.set2≥60 A,IC.set1=25 A,故IC.set2=3IC.set1=75 A。

當(dāng)線路末端短路電流Id≥1.3IC.set2=97.5 A時,斷路器A動作,斷路器C因有延時,不動作;若斷路器A故障不能動作時,斷路器C延時動作,作為斷路器A的遠(yuǎn)后備保護(hù)。當(dāng)97.5 A>Id≥1.3IA.set3=65 A時,斷路器A動作,斷路器C不動作,保護(hù)具有選擇性;當(dāng)Id<65 A時,A、C點(diǎn)斷路器均不動作。

(2) 上一級保護(hù)電器采用剩余電流保護(hù)。只有當(dāng)現(xiàn)場照明配電箱饋出線路采用剩余電流保護(hù),C點(diǎn)塑殼斷路器采用剩余電流保護(hù)才可能有選擇性,C點(diǎn)剩余電流保護(hù)整定電流應(yīng)至少為下級的剩余電流保護(hù)整定電流的3倍,或延時。

(3) 上一級保護(hù)電器采用零序電流保護(hù)。零序保護(hù)的整定電流一般為長延時整定電流的20%～100%,需避開正常運(yùn)行時的不平衡電流、諧波電流、正常泄漏電流之和。一般情況下,在滿足保護(hù)動作靈敏性要求的前提下,其整定值應(yīng)盡量大,延時時間盡量長。

5　結(jié)　語

為了保證石油化工裝置區(qū)中220 V照明線路末端短路時保護(hù)的靈敏性,需選擇合適的配電線路截面和過電流保護(hù)器:

(1) 照明配電箱配電線路截面需綜合考慮斷路器的脫扣曲線、最遠(yuǎn)距離的分支線路長度、短路電流、線路壓降、安裝條件、經(jīng)濟(jì)性等因素。一般可采用B型曲線斷路器,配電線路電纜采用3×4 mm2,最遠(yuǎn)距離的分支線路控制在150 m以內(nèi)。

(2) 當(dāng)照明配電箱饋出線路斷路器過電流保護(hù)不能滿足要求而采用剩余電流保護(hù)時,額定動作電流一般整定為100 mA或以上。

(3) 上一級塑殼斷路器可采用特殊脫扣曲線的脫扣器(脫扣倍數(shù)比較低的脫扣器)、短延時脫扣器或者采用線路綜合保護(hù)器等實(shí)現(xiàn)線路過電流保護(hù)和上下級開關(guān)的配合。

[1]低壓配電設(shè)計規(guī)范:GB 50054—2011[S].

[2]王厚余.低壓電氣裝置的設(shè)計安裝和檢驗(yàn)[M].2版.北京:中國電力出版社,2007.

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

Discussion About Single-phase Short-circuit Protection of Lighting Line End

SHEN Nanyang

[HQC(Guangzhou) Company, Guangzhou 510655, China]

Through the short-circuit current calculation of L-N and L-PE lighting circuits in a petrochemical plant area,the matching problems of different line section/length and different releases of electrical protective device were compared.The reasonable setting current value of residual current protector of the lighting circuit was calculated.The matching of the upper-stage and lower-stage electrical protective devices was illustrated through different releases and different protection modes.

single-phase short-circuit; protection sensitivity; residual current protection; release

沈南洋(1983—),男,工程師,從事化工電氣設(shè)計工作。

TU 852

B

1674-8417(2016)07-0021-05

10.16618/j.cnki.1674-8417.2016.07.006

2016-03-10