TN接地系统短路保护灵敏度设计探讨.pdf

Aug.2023Vol.42No.8516http:I162口2 3 年第8 期ELECTRICITYBUILDING建筑电气TN接地系统短路保护灵敏度设计探讨林信坤日（福建建工装配式建筑研究院有限公司，福州市350001)Discussion on Design of Short-circuitProtection SensitivityyofTNEarthingSystemLIN Xinkun(Fujian Jiangong Prefabricated Research Institute Co.,Ltd.,Fuzhou350001,China)Abstract:Based on the sensitivity requirementsfor short-circuit protection in low-voltage distributionlines，t h i s a r t i c l e a n a l y z e s t h e m a i n m e a s u r e stoimprove theshort-circuit protection sensitivityyoflow-voltage distribution lines.By utilizing the relevantdata from the existing national standard atlas 19DX101-1 Common Data for Building Electrical Systems,amethod is derived to conveniently and quicklydetermine whether the short-circuit protection sensitivityof TN earthing system in low-voltage distribution linesmeets the requirements.Keywords:low-voltagedistributionline;single-phase short circuit;single-phase earth fault;short-circuitprotectionsensitivity;decentralizeddistribution;loop distribution;power supply range;equivalentimpedance摘要：根据低压配电线路短路保护灵敏度要求，分析提高低压配电线路短路保护灵敏度的主要措施。利用现有国家标准图集19 DX1011建筑电气常用数据有关数据，推导出方便快速判定TN接地系统低压配电线路短路保护灵敏度能否满足要求的方法。关键词：低压配电线路；单相短路；单相接地故障；短路保护灵敏度；树干式配电；链式配电；供电范围；等值阻抗中图分类号：TU852文献标识码：Adoi:10.3969/j.issn.1003-8493.2023.08.0030引言在工程设计中，往往忽略了低压配电线路短路保护灵敏度校验，有的只考虑照明支路短路保护灵敏度校验，对插座及小动力等回路未做要求，也存在设置剩余电流动作保护电器就能满足低压配电线路短路保护灵敏度条件的误区。本文根据低压配电线路短路保护灵敏度要求，分析提高低压配电线路短路保护灵敏度的主要措施，利用现有国家标准图集19 DX1011建筑电气常用数据有关数据，推导出方便快速判定低压配电线路短路灵敏度能否满足要求的方法。规范依据及低压配电线路短路灵敏度校验要求GB55024-2022建筑电气与智能化通用规范第2.0.1条规定：建筑电气工程应能向电气设备输送和分配电能，当供配电系统或电气设备发生故障危及人身安全时，应具备在规定的时间内切断其电源的功能。GB500542 0 11低压配电设计规范第6.2.4条规定：当短路保护电器为断路器时，被保护线路末端的短路电流不应小于断路器瞬时或短延时过电流脱扣器整定电流的1.3倍。灵敏度校验公式见式（1）：Ik/,1.3或lk/(K,In)1.3(1)式中：Ik线路预期最小短路电流，A；l断路器瞬时脱扣器的整定电流，A；作者信息林信坤，男，福建建工装配式建筑研究院有限公司，高级工程师，副总工程师。517http:TN接地系统短路保护灵敏度设计探讨（林信坤）17OO与配电供电K2一一约定脱扣电流为额定电流的倍数；I.一一断路器长延时脱扣器的整定电流，A。一般情况下，保护线（PE）截面积不大于中性线（N）截面积，即线路“相零”（LN）阻抗不大于线路相保（L-PE）阻抗，因此线路末端单相接地故障电流即为线路预期最小短路电流，当断路器兼作接地故障保护时，采用线路末端单相接地故障电流进行短路保护灵敏度校验，确保故障时开关可靠跳闸；对于设有剩余电流动作保护器的线路，单相接地故障由剩余电流动作保护电器保护，但剩余电流动作保护电器无法保护线路单相短路，需采用线路末端单相短路电流进行短路保护灵敏度校验。2提高低压配电线路短路保护灵敏度方法2.1降低线路阻抗2.1.1树干式配电由图1可知，图1（a）中短路点A的“相零”（L-N）阻抗比图1（b）中短路点B小，即单相短路电流（单相接地故障电流）A点比B点大。根据低压配电线路灵敏度校验公式可以判断出，A点短路保护灵敏度比B点高，即A点更容易满足短路保护灵敏度要求。由此可以看出，树干式配电比放射式配电对末端线路短路保护灵敏度校验更有利；但是对于变压器低压柜出线开关短路保护灵敏度校验可能不利。总之，每级配电线路均应满足短路保护灵敏度要求，在工程实际中要综合考虑。2.1.2链式配电链式配电提高短路保护灵敏度原理与树干式配电相似。图2 为某项目地下室排水泵配电方式，该项目地下室排水泵为三级负荷，初步设计时配电方式采用由AP箱向各排水泵控制箱放射式配电，为满足短路保护灵敏度要求，需放大各回路线缆截面积12级，增加了工程造价；当采用链式配电方式后，既满足短路保护灵敏度要求，又不会增加工程造价。对于一、二级负荷的重要用电设备，不能采用链式配电，需采用树干式或放射式配电。2.1.3控制末端配电箱供电范围末端配电箱一般是给照明、插座、小动力等用电设备供电，其出线回路线缆截面积小、阻抗大，通过线路2线路3YJY-435+116BJY-3 2.53m65mALAL短路点AALMCB-63/C10A/1P变压器(a）树干式配电(a)Decentralized distribution线路2线路3YJY-435+116BJY-32.588m65mALXS6 I+S81t-XIXAL短路点BALWS9MCB-63/C10A/1P(RCBO-63/C10A/2P，30 m A)ZAL变压器(b）放射式配电(b)Radial distribution图1不同配电方式对短路保护灵敏度的影响Fig.1Influence of different distribution onshort-circuit protection sensitivity电源箱排水泵控制箱APACACACACAC图2 链式配电Fig.2Loop distribution分区分块多设末端分配电箱，即控制末端配电箱供电距离，更容易满足短路保护灵敏度要求；当末端配电箱或控制箱集中设置在配电间时，其供电半径不宜大于5 0 m。2.1.4配电箱尽量设在负荷中心配电箱设在负荷中心，配电箱出线线缆长度相应缩短，不但对减少工程造价有利，而且降低线路阻抗，对提高短路保护灵敏度非常有利。在工程设计中，要尽量避免设置长距离、小容量的配电回路，对518http:/Aug.2023Vol.421No.818223年第8 期ELECTRICITYBUILDING建筑电气于小容量用电设备较为集中的地方，可采用二次配电方式。2.1.5放大线缆截面积线缆的阻抗与其截面积成反比，线缆截面积越大，线路阻抗越低，线路预期最小短路电流也越大，线路短路保护灵敏度越高。放大线缆截面积有下列3种情况：对于相导体截面积大于16 mm的线缆，可采用5 芯同截面积线缆，即PE线截面积与N线、相线相同，放大PE线截面积，降低线路相保（LPE）阻抗，加大线路预期最小短路电流，对单相接地故障短路保护灵敏度不满足要求而单相短路满足要求时，适合采用这种方式；放大相线线缆截面积，N线与PE线截面积也相应放大；同时加粗相线、N线和PE线，且截面积相同，在城市道路照明设计中，通常采用此方法。2.1.6优化线路路径，缩短线路长度线缆的阻抗与其长度成正比，缩短线路长度，降低线路阻抗，也就加大线路预期最小短路电流。设计中尤其要避免倒供电现象，不但会增加线路长度，增加工程造价，还对短路保护灵敏度校验不利；图3（a）用电设备接线布线合理，而图3（b）用电设备接线布线不合理。在计算照明末端线路长度时，需注意照明控制面板开关设置位置的影响，图4（a）照明灯具接线合理，而图4（b）照明灯具接线不合理。2.2降低短路保护动作电流值a.采用可调式塑壳断路器作为短路保护电器，减小脱扣电流倍数，即降低断路器瞬时（短延时）脱扣器的整定电流（1），提高短路保护灵敏度；减小脱扣电流倍数时，要注意断路器瞬时（短延时）脱扣器的整定电流应能躲过电动机等用电设备启动电流。b.选择合适的微型断路器。B型微型断路器瞬时脱扣电流I,=3Ih5In，型=5 I10 n（以用电设备用电设备出线进线出线进线方位方位方位方位(a)方式1(b)方式2(a)IMethod 1(b)Method 2图3某平面用电设备布线走向Fig.3Cabling routing of electrical equipmentin a certain layout照明灯具照明灯具进线方位进线方位控制面板开关控制面板开关方式1(b)方式2Method 1(b)1Method 2图4某平面照明接线方式Fig.4Lighting wiring methods in a certain layout产品样本为准）。对于末端照明回路，特别是夜景照明、室外照明等回路，其截面积小、线路长、阻抗大，可以选用B型微型断路器，提高短路保护灵敏度；当照明采用LED光源时，要注意LED灯启动时峰值电流的影响。2.3采用剩余电流动作保护电器接地故障保护由剩余电流动作保护电器完成，但还须校验线路单相短路保护灵敏度。提高短路保护灵敏度应结合供电可靠性、工程造价等因素，综合应用各种措施，确定合适的方案；减小断路器的额定电流（I.），也可提高短路保护灵敏度，其本质相当于降低断路器的动作电流。3判定TN接地系统低压配电线路短路保护灵敏度能否满足要求的简便方法短路保护灵敏度能否满足要求，需要通过计算方能作出准确判断，然而因其计算繁琐、工作量大，设计往往忽略这部分设计内容。笔者通过分析19DX1011，结合相关电气原理知识，得出等值阻抗的线路转化关系，方便工程设计快速作出较为准确判断，供设计参考使用。3.1线缆间等值阻抗的线路转化19DX101-1中满足自动切断电源的TN系统接地故障保护线路最大允许长度计算式见式（2）：Lmax=0.8USph kz kg/p(1+m)Imk)(2)式中：U。相电压；Sph一相导体截面积；kz电缆电抗校正系数（Sph95mm取1,Sph=120mm取0.9,Sph=150mm取Sph=120mm取0.9,Sph=150mm取0.85,Sph185mm取0.8);519http:TN接地系统短路保护灵敏度设计探讨（林信坤）19时，表1也适用于日丁短路保护灵当线路为3+2 芯线缆，即N线与PE线同截面积等值阻抗的线路转换；路器兼作接地故障保护时需要说明的是：表适用于TN接地系统断OO与配电供电k3一多多根相导体并联使用的校正系数；P一日电阻率；m相导体与中性导体（或保护接地中性导体）截面积的比值，m=Sph/SpE(或SpEN），一般取1或2;SpE保护导体截面积；SPEN保护接地中性导体截面积；m断路器瞬时或短延时动作电流整定值，A；ki一一可靠系数。根据线路最大允许长度Lmax计算式，并结合相关电气原理知识，得出等值阻抗的线路转化关系，其关系可表达为：kp,L,/S,=p2L,/S,(S,S,)当为同材质线路时：L,=L2 S,/(S,k)(3)式中：SI、S2 乡线缆相导体截面积；LI、L,线缆长度;k一一校正系数，取值见表1。敏度校验，等值阻抗的线路转换；当线路为4+1线缆，即N线截面积大于PE线截面积，采用单相短路电流进行短路保护灵敏度校验时，按表1等值阻抗的线路转换关系求得S,截面积线路长度值乘以0.6 7 后再计人转换后等值阻抗的线路长度；对于相导体截面积大于16mm的线缆，采用5 芯同截面积线缆，即PE线截面积与N线及相线截面积相同时，19 DX101-1第4-2 5 页中线路最大允许长度Lmax需放大到1.5 倍。根据上述等值阻抗的线路转化关系，将短路点之前不同截面积的线路均转化为短路点末端线路截面积的等效长度，得出末端短路点等值阻抗线路总长度，与19 DX101-1第4-2 5 页数据作比较，就能快速判断能否满足短路保护灵敏度要求。应用举例（忽略线路预留长度以及用电设备接触电阻等影响）：图1（a）中，线路1转化为线路3的等值阻抗长度为15 0 2.5/18 5/0.5 9=3.4m；线路2 转化为线路3的等值阻抗长度为32.5/35/0.6 7=0.3m；转化为线路3的等值阻抗线路总长度为3.4+0.3+65=68.7m；查19 DX101-1第4-2 5 页，微型断路器C10（l,=10 0 A)，Lma x=7 3m；由此判断图1（a)中线路3满足短路保护灵敏度校验。图1（b）中，线路1转化为线路3的等值阻抗长度为6 5 2.5/18 5/0.5 9=1.5 m；线路2 转化为线路3的等值阻抗长度为8 8 2.5/35/0.6 7=9.4m；转化为线路3的等值阻抗线路总长度为1.5+9.4+65=75.9m，大于7 3m，由此判断图1（b）中线路3不满足短路保护灵敏度校验。图1（b）中，当设有30 mA剩余电流动作保护电器时，采用单相短路电流进行短路保护灵敏度校验，线路1转化为线路3的等值阻抗长度为（6 5 2.5/185/0.59）0.6 7=1m；线路2 转化为线路3的等值阻抗长度为（8 8 2.5/35/0.6 7）0.6 7=6.3m；表1校正系数k的取值情况Tab.1Values of correction factor k长度为L，的线缆长度为L，的线缆校正系数备注相导体截面积S2相导体截面积S，S,16mmS,16mmk=116mmS,95mmh=116 mmS,95mmS,16 mm2k=1(2/3)=0.6716mmS,95mmk=0.9/1=0.9S,=120 mm2S,16mm2k=0.9(2/3)=0.6SpE=Sph时,S,=120 mm2k=0.85/0.9=0.95m=1;S,=150 mm16 mmS,95 mmk=0.85/1=0.85SpESph时,S,16 mm2k=0.85 (2/3)=0.57m=2S,=150 mm20.8/0.85=0.94S,=120 mm2k=0.8/0.9=0.89S,185 mm16mmS,95mmk=0.8/1=0.8S,16 mmk=0.8(2/3)=0.59注：表1校正系数h取值系利用式（2）中电缆电抗校正系数k,计算求得。520http:/Aug.22023Vol.42No.8202023-07-17修回2023-05-16来稿2023年第8 期ELECTRICITYBUILDING建筑电气转化为线路3的等值阻抗线路总长度1+6.3+6 5=72.3m，小于7 3m，由此判断图1（b）中线路3设有30 mA剩余电流动作保护电器时，满足短路保护灵敏度校验。3.2断路器脱扣器瞬时或短延时整定值与允许线路长度转换关系满足短路保护灵敏度要求的最大允许线路长度与断路器脱扣器瞬时或短延时整定值成反比，同线缆长度转换关系可表达为：l3al LmaxI=la2 Lmax2(4)式中：13al、13a 2断路器脱扣器瞬时或短延时整定值；maxlmax2满足短路保护灵敏度最大允许线缆长度。对于19 DX101-1中无对应断路器脱扣器短延时整定值时，则利用式（4）进行转换，得出满足自动切断电源的TN系统接地故障保护线路最大允许长度Lmax。例如：采用可调式塑壳断路器MCCB-160-3P，In=100A、I,=6 I,=6 0 0 A，线缆YJY-0.6/1kV-435+116；由19 DX101-1可知：l，=10 0 0 A时，YJY-0.6/1kV-435+116线缆的Lmax=68m；利用式（4）得出：l,=600A时，YJY-0.6/1kV-435+116线缆的Lmax=681000/600=113 m。4结论配电线路发生短路时，保护电器应能尽快切除故障线路；满足短路保护灵敏度是短路保护的基本要求，否则线路可能因短路过电流导致电气元件损坏，引起电气火灾等危害。变压器容量的变化对短路保护灵敏度校验影响很小，尤其当变压器容量较大而线路截面积较小时，影响更小1，因此可忽略变压器容量的变化对线路最大允许长度Lmax的影响。综上所述得出以下结论：a.减少线路阻抗，加大线路预期最小短路电流，降低短路保护动作电流值，都可提高短路保护灵敏度。b.采用剩余电流动作保护电器可以提高短路保护灵敏度，但无法保护单相短路，因此还要采用线路末端单相短路电流进行短路保护灵敏度校验。c.低压干线线缆截面积越大，对照明、插座、小动力等末端回路短路保护灵敏度校验影响越小，因此减少照明、插座、小动力等末端回路线路长度，是提高短路保护灵敏度首选措施。d.利用式（3）等值阻抗的线路转换关系，求得末端线路等值阻抗的线路长度，并利用式（4）及19DX1011第4-2 5 页相关数据，进行短路保护能否满足灵敏度要求的判断，是行之有效，而且相对简单快捷的。e.在工程实际建设中，线路存在预留长度，以及用电设备接触电阻等，都会影响线路阻抗大小，因此在利用19 DX1011中42 5 页线路最大允许长度Lmx数据时，要适当预留。参考文献1雍静按单相短路保护灵敏度确定低压配电距离J建筑电气，2 0 0 0，38（2)：3-8.2中国建筑标准设计研究院有限公司19 DX101一1建筑电气常用数据【M北京：中国计划出版社，2019.3中国航空工业规划设计研究总院有限公司工业与民用供配电设计手册M4版北京：中国电力出版社，2 0 16.4中国建筑标准设计研究院有限公司，住房和城乡建设部建筑电气标准化技术委员会，中国建筑设计研究院有限公司，等GB550242 0 2 2 建筑电气与智能化通用规范S北京：中国建筑工业出版社，2 0 2 2.5】中机中电设计研究院有限公司GB50054-2011低压配电设计规范S北京：中国计划出版社，2 0 12.6中国联合工程公司GB50052-2009供配电系统设计规范S北京：中国计划出版社，2 0 10.7 】中国建筑东北设计研究院有限公司CB51348-2019民用建筑电气设计标准S北京：中国建筑工业出版社，2 0 2 0.8中国新时代国际工程公司GB50055-2011通用用电设备配电设计规范S北京：中国计划出版社，2011.