?
杨喜云
(厦门市市政工程管理处,福建 厦门 361004)
摘要:阐述了道路照明单相(接地)短路故障电流计算和保护选择的重要性,并通过单相(接地)短路故障电流计算和低压断路器的选择实例,简单介绍了在实际运用中,针对低压断路器动作灵敏性不足的问题采取的比较有效的保护措施。
关键词:道路照明;单相短路电流;计算;断路器;保护;保护措施
引言
道路照明低压配电系统的主要特点有:配电半径长(一般要几百米,甚至上千米);用电负荷分散;行人触及的可能性大。这种系统发生三相或二相短路,一般用熔断器或断路器即可自动切%5??相(接地)短路故障,由于线路较长,故障电流较小,常规的保护装置就无法切断或无法很快的切断故障线路,行人一旦接触,发生电击的危险就很大。因此,道路照明系统单相(接地)短路故障的故障电流计算和保护选择显得尤为重要。本文通过一个案例来介绍如何进行短路电流计算,并对如何选择保护方面做些探讨。
1 单相短路电流值的计算
如图1所示,已知变压器高压侧短路容量为100MVA,变压器采用SCB200/10/0.4kV一台,D,yn11结线形式。单向供电940m的配电线路中,照明灯具按40m间距布置,三相供电照明灯具采用400W的高压钠灯,其中在340m路口处采用一组半高杆灯7×NG400W,功率因数均补偿至0.85以上,在200m和700m处各有一座公交候车亭,每座用电负荷预计1500W,功率因素要求补偿至0.85,照明干线采用YJV-1kV-4×35+1×16的电力电缆穿保护管敷设,计算线路末端发生单相短路时的短路电流①【注】注:一般实际案例中,主干道道路照明控制箱的出线回路至少4个,若设置半夜灯则要8个,考虑到本文主要为了说明问题,图1仅为实际案例中的一个出线回路,可达到简单明了的目的。。
首先,笔者选择YJV-1kV-4×35+1×16,截面是否考虑过大,这里简单解释如下:
回路电流计算值为
Ic
=31.5A
式中,系数1.1为高压钠灯镇流器的损耗。
电缆截面的选择主要依据温升、经济电流、电压损失、机械强度等条件来选择。对于三相供电的道路照明线路,主要依据经济电流选择的电缆截面,温升、机械强度一般都能满足要求,电压损失也能达到要求(而道路照明单相供电时选择电缆截面主要考虑的条件是电压损失)。查《工业与民用配电设计手册》[1](第三版)表9-58,上述电缆的截面应选择25mm2。但考虑到在实际应用中,为了减少变压器的设置数量,降低投资,一般都是在主干道的道路照明设计时综合考虑周边次%合考虑周边次干道、支路等照明用电,因此在主干道照明变压器的容量设置和电缆选择时会适当考虑加大截面,故上述案例中电缆截面选择35mm2。
图1 道路照明设计案例(其中一个回路)
Fig.1 Curve: Road lighting design case(One of the circuits)
1.1 高压侧系统阻抗的计算
采用D,yn11连接的配电变压器,当低压侧发生单相短路时,零序电流不能在高压侧绕组流通,高压侧对于零序电流相当于开路状态,故在计算单相接地短路电流时视若无此阻抗。查《工业与民用配电设计手册》[1](第三版)表4-21可知,当变压器高压侧短路容量为100MVA时,高压侧系统相保电阻、电抗为:Rphp·s=0.11mΩ,Xphp·s=1.06mΩ。
1.2 变压器阻抗的计算
查《工业与民用配电设计手册》[1](第三版)表4-23可知,当采用SCB200/10/0.4kV,D,yn11结线形式的变压器时,变压器相保电阻、电抗为:Rphp·T=8.96mΩ,Xphp·T=29.93mΩ。
1.3 其他元件阻抗及母线阻抗的计算
自动开关、接触器、电流互感器的接触电阻、线圈电阻及线圈电抗在长距离配电系统中远小于其他元件的电阻电抗值,可以忽略不计。母线长度较短,计算中忽略不计,其他元件及母线相保电阻、电抗为:Rphp·M=0mΩ,Xphp·M=0mΩ。
1.4 线路相保阻抗的计算
自动开关、接触器、电流互感器的接触电阻、线圈电阻及线圈电抗在长距离配电系统中远小于其他元件的电阻电抗值,可以忽略不计。母线长度较短,计算中忽略不计。查《工业与民用配电设计手册》[1](第三版)表4-25可知,交联聚乙烯绝缘电力电缆YJV-1kV-4×35+1×16的相保电阻为2.397mΩ/m,相保电抗为0.191mΩ/m。
1.5 单相接地(零)短路电流的计算
单机接地(零)短路电流的计算如下:
式中,R=Rphp·s+Rphp·T+Rphp·m+Rphp·L
=0.11+8.96+0+2397×0.94
=2262.25mΩ
Xphp=Xphp·s+Xphp·T+Xphp·m+Xphp·L
=1.06+29.93+0+191×0.94=210.53mΩ
则
=96.8A
2 低压断路器的选择
2.1 低压断路器的过电流脱扣器的整定
根据上述计算,该回路道路照明计算电流为Ic=31.5A,则断路器反时限和瞬时过电流脱扣器整定电流分别为
Iset1≥Krel1Ic=1.0×31.5=31.5A
Iset3≥Krel3Ic=4.0×31.5=126.0A
式中,Ic为照明线路的计算电流;Krel1、Krel3分别为反时限和瞬时过电流脱扣器可靠系数,查《工业与民用配电设计手册》[1](第三版)表11-42,高压钠灯取值Krel1=1.0,Krel3=4。
2.2 按短路电流校验低压断路器动作的灵敏性
为使低压断路器可靠切断接地故障电路,必须按下式来校验断路器瞬时过电流脱扣器动作的灵敏性,即
Idmin≥KrelIset3=1.3×126=163.8A
该道路照明工程线路末端接地故障电流为96.8A,显然低压断路器动作电流不能满足灵敏性要求。
3 针对低压断路器动作灵敏性不足采取的措施
在目前道路照明工程中,针对单相接地(零)短路电流值小,低压断路器动作灵敏性不足这种情况,较有效的措施主要有:
1)选用D,yn11接线组别变压器取代Y,yn0接线组别变压器,单相接地故障电流Id值将有明显增大,但从上述道路照明工程案例中可以看出,即使按D,yn11接线组别变压器设计,动作灵敏性仍然达不到要求。
2)加大相导体及保护接地导体截面。该措施对于截面较小的电缆和穿管绝缘线,单线接地故障电流Id值有较大增加。
如上述案例中电缆改用YJV-1kV-5×35, 查《工业与民用配电设计手册》[1](第三版)表4-25可知,其相保电阻为1.503mΩ/m,相保电抗为0.191mΩ/m ,则单相接地(零)短路电流为
式中,R=Rphp·s+Rphp·T+Rphp·m+Rphp·L
=0.11+8.96+0+1.503×940
=1421.89mΩ
Xphp=Xphp·s+Xphp·T+Xphp·m+Xphp·L
=1.06+29.93+0+0.191×940
=210.53mΩ
则
=153.1A
由此可知,加大保护接地导体截面,单线接地故障电流Id值有了显著的增加,接近于灵敏度要求。
3)采用带短延时过电流脱扣器的断路器。采用熔断器或断路器的瞬时过电流脱扣器不能满足接地故障要求时,则可采用带短延时过电流脱扣器的断路器作接地故障保护,断路器短延时过电流脱扣器整定电流Iset2应符合下式要求,即
Id≥1.3Iset2
对于同一断路器,由于短延时过电流脱扣器整定电流值Iset2通常只有瞬时过电流脱扣器整定电流值Iset3的1/5~1/3左右,即Id≥1.3Iset2=1.3×(25.2~42)=32.8~54.6A,根据上述案例计算可知Id=96.8A,显然能够满足Id≥1.3Iset2的要求。
4)采用带接地故障保护中剩余电流保护方式的断路器。剩余电流保护所检测的是三相电流加中性线电流的向量和,即剩余电流
N。三相四线配电线路正常运行时,即使三相负载不平衡,剩余电流只是线路泄漏电流,当某一相发生接地故障时,则检测的三相电流加中性线电流的向量和不为零,而等于接地故障电流IPE(G)。
检测剩余电流通常是在断路器后三相线和中性线上各装一只TA,取4只TA二次电流向量和,或采用专用的剩余电流互感器,乘以变比,即剩余电流
N。为避免误动作,断路器剩余电流保护整定值Iset4应大于正常运行时线路和设备的泄漏电流总和的2.5~4倍,同时,断路器接地故障保护的整定值Iset4还应符合下式要求,即
IPE(G)≥1.3Iset4
由于路灯配电处于室外,配电环境较复杂,路灯漏电如误动作会给安全照明带来隐患,因此结合路灯实际,一般情况下,道路照明工程的剩余流动作值选择不小于300mA。
综上所述,对于道路照明接地故障的保护选择,最有效的措施和方式是:1)提高保护接地线的截面(当相线截面在35mm2及以下时,保护接地线的最小截面不应小于相线的截面;当相线截面在35mm2以上时,保护接地线的最小截面不得小于相线截面的50%,详见《城市道路照明工程施工及验收规程》[2](CJJ 89—2012)。2)采用带短延时过电流脱扣器的断路器。3)采用带接地故障保护中剩余电流保护方式的断路器,剩余电流动作值选择不小于300mA。
4 结束语
近年来关于路灯因下雨漏电或保护措施不当,导致触电事故时有发生,这不能不引起道路照明行业的重视。在道路照明设计时一定要采取行之有效的保护措施和保护方式,在实际运行管理时,也要根据实际负荷的变化及时调整保护的整定值,必要时应更换低压断路器。只有这样才能确保道路照明的正常运行,确保人们的生命和财产安全。
参考文献
[1] 任元会,卞铠生,姚家伟.工业与民用配电设计手册[M].第三版.北京:中国电力出版社, 2005.
[2] 城市道路照明工程施工及验收规程:CJJ 89—2012[S].北京:中国建筑工业出版社,2012.
Calculation and Protection Selection of Single-phase Short-circuit Current for the City Road Lighting
Yang Xiyun
(XiamenMunicipalEngineeringManagementOffice,Xiamen 361004,China)
Abstract:This paper expounds the importance of the single-phase (grounding) short-circuit current calculation and protection selection for the road lighting. And through the instance of the single-phase (grounding) short-circuit current calculation and the instance of choosing low-voltage circuit-breakers, this paper introduces the effective protective measures towards the problem of the low-voltage circuit-breaker’s lack of action sensitivity in practical use.
Key words:road lighting; single-phase short-circuit current; calculation; circuit-breaker; protection; protective measures