楊新軍, 焦建雷

(1.秦皇島市建筑設(shè)計院有限公司, 河北 秦皇島 066000;2.北京興電國際工程管理有限公司, 北京 100048)

0 引 言

電擊防護是涉及人身安全的防護,可分為基本防護、故障防護[1-2]及附加防護。自動切斷電源是最常用的故障防護措施。故障防護也稱間接接觸防護[3]、接地故障保護[4]。本文采用IEC 60364中提及的術(shù)語——故障防護。自動切斷電源的故障防護措施,采用過電流保護兼做故障防護、剩余電流動作保護、三相不平衡電流保護(零序電流保護)[5]。過電流保護采用瞬時脫扣器和短延時脫扣器,而不采用過載脫扣器。本文主要解析TN系統(tǒng)的故障防護的五組連續(xù)不等式應(yīng)用條件。

1 設(shè)置故障防護的要求

文獻[3]第5.2.1條指出,對于未采用下列間接接觸防護措施者(采用Ⅱ類設(shè)備;采取電氣分隔措施;采用特低電壓供電;將電氣設(shè)備安裝在非導(dǎo)電場所內(nèi);設(shè)置不接地的等電位聯(lián)結(jié)),應(yīng)采用自動切斷電源防護措施。文獻[4]第4.3.8條表明交流電動機應(yīng)裝設(shè)短路保護和接地故障保護。第4.5.1條表明照明配電終端回路應(yīng)設(shè)短路保護、過負(fù)荷保護和接地故障保護。文獻[6]第2.3.1條表明交流電動機應(yīng)裝設(shè)短路保護和接地故障的保護。

2 采用瞬時過電流脫扣器兼做故障防護

采用瞬時過電流脫扣器兼作故障防護應(yīng)滿足下列連續(xù)不等式:

(1)

式中:I′STM1——線路中最大一臺電動機的全起動電流,對于籠型電動機,可取其起動電流ISTM1的2～2.5倍,本文取2倍;

IC(n-1)——除起動電流最大一臺電動機以外的線路計算電流;

Iset3——瞬時過電流脫扣器的整定電流;

IK1——單相接地故障電流。

小容量遠(yuǎn)距離電動機單相接地故障電流IK1小,不易滿足靈敏度要求。大容量電動機起動電流大,造成瞬時過電流脫扣器的整定電流Iset3大,也不易滿足靈敏度要求。上述兩種情況采用瞬時脫扣器兼作故障防護,不易滿足式(1)要求。

可靠系數(shù)取1.3是源自文獻[3]中第6.2.4條規(guī)定?？紤]以下因素:斷路器動作誤差±20%[1],電網(wǎng)電壓偏差-10%,計算誤差等因素可能造成短路防護拒動作[7-8]。

文獻[3]第6.2.4條條文說明中斷路器的制造誤差為±20%,這是基于文獻[9]中第8.3.3.2.2條規(guī)定。而依據(jù)文獻[10]第8.6.1條規(guī)定,微型斷路器B型脫扣器5In時、C型脫扣器10In時、D型脫扣器20In時,在0.1 s內(nèi)必定脫扣,無須再考慮1.3倍系數(shù)。

取可靠系數(shù)1.3已經(jīng)考慮到斷路器的制造誤差,靈敏度校驗無須再考慮制造誤差產(chǎn)生的瞬動電流+20%的誤差,即按照Iset3=(10～20、14)×(1+20%)In取值是錯誤的[11]。

利用長延時脫扣器作為故障防護只是個別型號能夠滿足切斷時間的要求,不具有普遍性。

電動機直接起動全起動電流(有效值)I′STM1=(8.49～9.89)IrM。電動機Y-△起動繞組Y連接全起動電流(有效值)I′STM1=2.83IrM,繞組切換過程二次沖擊電流I′STM1=13.44IrM[12]。瞬時過電流脫扣器的整定電流宜為Iset3=(10～20、14)In。

3 采用短延時過電流脫扣器兼做故障防護

采用短延時過電流脫扣器兼作故障防護應(yīng)滿足下列連續(xù)不等式:

(2)

式中:Iset2——短延時過電流脫扣器的整定電流。

I′STM1為線路中最大一臺電動機的起動瞬時10 ms內(nèi)全起動電流,包括周期分量和非周期分量。ISTM1為線路中最大一臺電動機的起動階段2～30 s內(nèi)起動電流,其中輕載起動時間小于4 s,一般負(fù)載起動時間為4～10 s,重載起動時間為10～30 s,僅含周期分量不考慮非周期分量。

ISTM1=(6～7)IrM,Iset2=(1.5～10)Iset1,同一斷路器短延時過電流脫扣器小于瞬時過電流脫扣器整定電流,故障防護靈敏度更容易滿足。

短延時過電流脫扣器兼作終端設(shè)備故障防護時,短延時時間tsd不大于0.2 s,滿足文獻[1]中最長的切斷時間要求。但是終端斷路器采用選擇性斷路器,配電系統(tǒng)級間選擇性就不易滿足。

4 采用三相不平衡電流保護作故障防護

采用三相不平衡電流保護作故障防護應(yīng)滿足下列連續(xù)不等式:

(3)

式中:IN——三相不平衡電流;

Iset0——三相不平衡電流保護整定值。

IN通常不超過計算電流IC的20%～25%,三相不平衡電流保護整定值Iset0以斷路器長延時脫扣器Iset1的50%～60%計算,即Iset0=0.5Iset1,IN=(0.2-0.25)IC,IC≤Iset1[5]。

式(3)中可靠系數(shù)取值1.3,基于文獻[13]第T5.5條,電流不平衡度大于120%時開關(guān)電器斷開,并考慮到三相不平衡電流脫扣器制造會產(chǎn)生+20%誤差。

5 采用剩余電流保護作故障防護

采用剩余電流保護作故障防護應(yīng)滿足下列連續(xù)不等式:

(4)

式中:IL——線路和設(shè)備對地泄漏電流;

IΔn——剩余電流動作保護器(RCD)額定剩余動作電流;

IΔn0——額定剩余不動作電流,IΔn0=0.5IΔn。

表1 斷路器保護級間配合

6 斷路器級間配合

斷路器保護級間配合如表1所示。上級、下級斷路器的使用類別4種組合里,除下級選擇性斷路器與上級非選擇性斷路器不合理外,剩余3種都要滿足表1中的瞬時脫扣整定電流或短延時脫扣整定電流,即上、下級斷路器瞬時脫扣器或短延時脫扣器之間1.3倍級差;上級斷路器瞬時脫扣器或短延時脫扣器小于保護線路末端單相短路電流的1.3倍。

7 工程實例

以某住宅小區(qū)為例進行計算,該工程由14棟高層住宅、28棟洋房、商業(yè)用房、物業(yè)用房、幼兒園組成,總建筑面積約為44.5萬m2。其中,三號樓屋頂?shù)恼龎核惋L(fēng)機距離變電所最遠(yuǎn),末端單相接地短路時,其短路電流最小,靈敏度最不容易滿足。三號樓屋頂?shù)恼龎核惋L(fēng)機配電系統(tǒng)圖如圖1所示。三號樓單相接地故障電流計算電路圖如圖2所示。三號樓單相接地故障電流計算表如表2所示。

圖1 三號樓屋頂?shù)恼龎核惋L(fēng)機配電系統(tǒng)圖

圖2 三號樓單相接地故障電流計算電路圖

表2 三號樓單相接地故障電流計算表

(1) 斷路器QF4的主要參數(shù)選擇。

① 計算電動機額定電流:IrM=12.2 A,消防設(shè)備長延時脫扣器按1.5倍整定1.5×12.2=18.3 A[15],選擇斷路器額定電流In=20 A,Iset1=In=20 A,長延時脫扣器僅報警不脫扣。

② 查詢電動機起動電流/額定電流倍數(shù):ISTM1/IrM=6.5,起動電流ISTM1=79.3 A。

③ 電動機全起動電流(有效值)I′STM1=112.1 A。

④ 校驗斷路器瞬時脫扣器兼作故障保護靈敏度:瞬時脫扣器整定電流Iset3=200 A,按式(1)校驗,采用瞬時過電流脫扣器兼做故障防護不滿足要求。提高單相接地短路電流值,可以加大線路相線、保護線截面,本文不再討論此做法。

⑤ 校驗斷路器短延時脫扣器兼作故障保護靈敏度:短延時時脫扣器整定電流Iset2=100 A,其中Iset2=1.5～10In可調(diào),按式(2)校驗,采用短延時過電流脫扣器兼做故障防護能滿足要求,但不易滿足選擇性要求,不建議采用短延時過電流脫扣器兼作故障防護。

⑥ 校驗三相不平衡電流保護做故障保護靈敏度:三相不平衡電流保護整定值Iset0=9 A,IN=2.44 A,按式(3)校驗,可以采用三相不平衡電流保護作為故障保護。

⑦ 由于消防負(fù)荷不應(yīng)采用剩余電流動作保護,因此該正壓送風(fēng)機不應(yīng)采用剩余電流動作保護作故障保護。

(2) 選擇性校驗。

斷路器QF3與斷路器QF4為放射回路首端和末端保護電器,參數(shù)可以選擇一致Iset3=200 A。

(3) 解決措施。

配電系統(tǒng)中線路L1和線路L2超出斷路器QF1和QF2瞬時過電流保護兼做故障防護的允許長度。修改后的單相接地故障電流計算電路圖如圖3所示。

線路L1之Iset3=1 000 A,查文獻[7]表5.4-7得允許長度為193 m,設(shè)計長度150 m,符合要求。

采用文獻[7]“等效折算系數(shù)法”校驗線路L2發(fā)生單相接地故障時的靈敏度。查文獻[7]中表5.4-12可得L1折算系數(shù)K1=0.15,則等效長度L=120.5 m,再按L2之Iset3=200 A,查文獻[7]表5.4-7得允許長度為147 m,符合要求。

校驗線路L3發(fā)生單相接地故障時靈敏度,L1折算系數(shù)K1=0.09,L2折算系數(shù)K1=0.41,則等效長度L=55.68 m,再按L3之Iset3=200 A,查文獻[7]表5.4-7得允許長度為59 m,符合要求。

8 結(jié) 語

人身電擊防護和配電線路保護同等重要,不能顧此失彼。在規(guī)定時間內(nèi)快速切除故障電流保護人身安全,需要滿足故障防護靈敏度要求,可以采取降低保護電器故障時脫扣電流的措施,還可以采取提高接地故障電流值的措施,不同措施取舍還應(yīng)兼顧經(jīng)濟性操作性。