石 偉

(中國(guó)市政工程中南設(shè)計(jì)研究總院有限公司, 湖北 武漢 430010)

給排水項(xiàng)目中相關(guān)低壓配電線路問(wèn)題研究

石 偉

(中國(guó)市政工程中南設(shè)計(jì)研究總院有限公司, 湖北 武漢 430010)

接地故障保護(hù)在排水工程低壓配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的作用就是防止電氣火災(zāi)及線路損壞以及人身間接電擊，因此接地故障保護(hù)方式的選擇及其保護(hù)靈敏度的校驗(yàn)是保護(hù)措施得以正確實(shí)施的有力保障。為了保障供電線路運(yùn)行的安全性，須對(duì)導(dǎo)體最小截面和線路電纜的保護(hù)電器分別進(jìn)行校驗(yàn)。本文闡述了市政給水排水工程低壓配電設(shè)計(jì)中與電纜相關(guān)的幾個(gè)問(wèn)題，并對(duì)這些問(wèn)題提出參考意見(jiàn)。

給排水工程；低壓配電；問(wèn)題

Wuhan430010,China)

1 概 述

自來(lái)水廠和污水處理廠等公用服務(wù)工程運(yùn)行可靠性是保證工程安全、持久運(yùn)行的關(guān)鍵,因此，在大型自來(lái)水廠和污水處理廠項(xiàng)目中，其低壓配電系統(tǒng)的可靠性要求也隨之增高。在給排水工程相關(guān)配電系統(tǒng)中，配電線路設(shè)計(jì)、電纜選型和低壓保護(hù)電氣是重中之重，本文針對(duì)排水工程相關(guān)低壓配電線路設(shè)計(jì)較常見(jiàn)的幾個(gè)問(wèn)題進(jìn)行討論和分析。

2 低壓配電線路設(shè)計(jì)的幾個(gè)問(wèn)題

在自來(lái)水廠和污水處理廠工程中，因廠區(qū)占地面積大，各構(gòu)筑物變配電間的距離較長(zhǎng)，導(dǎo)致各構(gòu)筑物之間敷設(shè)的電纜也較長(zhǎng)。為了盡可能保障廠區(qū)配電網(wǎng)的穩(wěn)定性，盡量消除停電影響，杜絕潛在的安全隱患，必須準(zhǔn)確選擇供配系統(tǒng)的保護(hù)方式以及準(zhǔn)確整定參數(shù)。低壓出線線纜熱穩(wěn)定校驗(yàn)、接地故障保護(hù)相關(guān)方式的選擇及其靈敏度校驗(yàn)是關(guān)鍵問(wèn)題[1-2]。

2.1 低壓配電線路保護(hù)要求

根據(jù)《低壓配電設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50054—2011)相關(guān)規(guī)定[3]，配電線路應(yīng)裝設(shè)過(guò)負(fù)載保護(hù)、短路保護(hù)、接地故障保護(hù)；在選擇能分?jǐn)喽搪冯娏鞯谋Ｗo(hù)電器時(shí)，應(yīng)保證其分?jǐn)嗄芰δ芊侄味搪冯娏?；?yīng)保證上下級(jí)配電線路保護(hù)電器動(dòng)作的選擇性，使故障發(fā)生時(shí)只切斷該級(jí)故障線路，而保證上級(jí)保護(hù)電器不動(dòng)作，從而使停電范圍不擴(kuò)大；保護(hù)電器和導(dǎo)體截面要能協(xié)調(diào)配合，達(dá)到動(dòng)穩(wěn)定與熱穩(wěn)定所需的要求。

上述相關(guān)設(shè)計(jì)內(nèi)容應(yīng)在電壓損失計(jì)算、短路電流計(jì)算和線路負(fù)荷計(jì)算的設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)上進(jìn)行。

2.2 配電線路接地故障保護(hù)及其校驗(yàn)

在給排水工程中，接地故障是易危害人身安全的高發(fā)性事故，接地故障的保護(hù)方式是根據(jù)不同接地類型進(jìn)行選擇，同時(shí)，也是根據(jù)不同接地類型進(jìn)行保護(hù)靈敏性校驗(yàn)。

2.2.1 接地故障保護(hù)方式選擇

接地故障保護(hù)的目的是防止電氣火災(zāi)、人身間接電擊、線路損壞。《低壓配電設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50054—2011)第5.2.7～5.2.22條中提出了兩種方式的接地故障保護(hù)：一種是利用剩余電流實(shí)現(xiàn)接地故障保護(hù)，另一種是由過(guò)電流保護(hù)兼做接地故障保護(hù)[3]。

由于零序電流保護(hù)在低壓配電系統(tǒng)中應(yīng)用時(shí)，存在可靠性低和局限性強(qiáng)的缺點(diǎn)，《低壓配電設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50054—2011)依據(jù)IEC標(biāo)準(zhǔn)取消了采用零序電流保護(hù)作為接地故障保護(hù)的形式。

由于給排水項(xiàng)目中低壓配電系統(tǒng)的形式較多為TN型，故其接地故障保護(hù)多采用過(guò)電流保護(hù)兼做接地故障保護(hù)的形式。當(dāng)?shù)蛪簲嗦菲鳠岽琶摽燮?瞬動(dòng)整定值固定為10倍In)作為配電電纜過(guò)電流保護(hù)時(shí)，如配電線路較長(zhǎng)，其接地故障保護(hù)靈敏性需進(jìn)行校驗(yàn)，如不滿足靈敏性要求，則需采取措施處理。

2.2.2 接地故障保護(hù)靈敏性校驗(yàn)

在低壓配電線路設(shè)計(jì)中，計(jì)算低壓供配電系統(tǒng)出線發(fā)生三相短路時(shí)的電流的目的是校驗(yàn)保護(hù)電器是否可以分?jǐn)喽搪冯娏鳎挥?jì)算低壓供配電系統(tǒng)出線發(fā)生單相接地短路時(shí)的電流的目的是校驗(yàn)保護(hù)電器的動(dòng)作靈敏性。

《低壓配電設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50054—2011)第6.2.4條規(guī)定：“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?！盵3]當(dāng)變配電間安裝的是小容量變壓器同時(shí)負(fù)荷離變電所又較遠(yuǎn)時(shí)，低壓配電線在其末端發(fā)生接地故障時(shí)的其短路電流就會(huì)很小，但當(dāng)保護(hù)電氣整定值又較大時(shí)，保護(hù)電氣很難在規(guī)定時(shí)間內(nèi)可靠斷開。

鑒于上述情況，通常以兩種方法達(dá)到保護(hù)的靈敏性要求：一是采用短延時(shí)脫扣整定值可調(diào)的保護(hù)電器；二是適當(dāng)加大導(dǎo)體截面從而達(dá)到使線路末端短路電流增大，進(jìn)而達(dá)到提高靈敏性的效果。

出于保護(hù)方式經(jīng)濟(jì)性的考慮，很顯然第一種方式更好，因此在實(shí)際的給排水工程中第一種方法比第二種方法應(yīng)用更為廣泛。

2.3 低壓配電線路所選導(dǎo)體相關(guān)熱穩(wěn)定校驗(yàn)

若從低壓配電柜直接給一個(gè)小負(fù)荷饋電，其計(jì)算電流最多幾十安培，保護(hù)電器和饋線導(dǎo)體截面只以計(jì)算電流做依據(jù)，其取值會(huì)相對(duì)較小，此時(shí)應(yīng)校驗(yàn)所選線纜發(fā)生短路故障時(shí)的熱穩(wěn)定性以及保護(hù)電器的分?jǐn)嗄芰?，線路導(dǎo)體取配電線路各種短路故障中最大的短路電流值進(jìn)行其熱穩(wěn)定性校驗(yàn)。

2.3.1 短路保護(hù)設(shè)備選擇

《低壓配電設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50054—2011)第4.2.1條規(guī)定：“配電線路的短路保護(hù)，應(yīng)在短路電流對(duì)導(dǎo)體和連接件產(chǎn)生的熱作用和機(jī)械作用造成危害之前切斷短路電流”[3]。當(dāng)變配電間安裝的是大容量變壓器，其低壓母線出線短路電流也相對(duì)應(yīng)較大，如接線形式為D.yn11，安裝容量為1000kVA的變壓器，其低壓配電柜出線處的接地故障電流也可達(dá)20kA以上，其三相短路電流約為23～25kA。因此基于保護(hù)電器分?jǐn)嗄芰Υ笥谠撎幾畲蠖搪冯娏鞯脑瓌t。在這種狀況下，不能選用微型斷路器(分?jǐn)嗄芰σ话阈∮?0kA)安裝在低壓屏出線處。

2.3.2 低壓電纜熱穩(wěn)定校驗(yàn)

低壓電纜熱穩(wěn)定需要校驗(yàn),在多部國(guó)標(biāo)規(guī)范的相關(guān)條文有規(guī)定。如《電力工程電纜設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50217—2007)第3.7.8條要求“短路點(diǎn)應(yīng)選取在通過(guò)電纜回路最大短路電流可能發(fā)生處”[4]，第3.7.7條中要求“對(duì)非熔斷器保護(hù)的回路，應(yīng)按滿足短路熱穩(wěn)定條件確定電纜導(dǎo)體允許最小截面”。條文要求，在選擇配電線纜截面積時(shí)要取電纜所有短路故障類型中出現(xiàn)的最大電流值進(jìn)行校驗(yàn)，不能僅依據(jù)負(fù)荷計(jì)算電流選擇配電線路線纜的截面積。尤其是在給變壓器容量比較大的配電線路選擇配電回路線纜時(shí)，因?yàn)槠湄?fù)荷計(jì)算電流較小，在滿足電壓損失和載流量的條件下，所選線纜導(dǎo)體截面往往比較小，但如果再加入電纜熱穩(wěn)定校驗(yàn)的條件，導(dǎo)體線纜的截面一般都會(huì)增大。

以一座污水處理廠為例，其變電所裝有1000kVA(D.yn11)接線的變壓器，其低壓側(cè)母線長(zhǎng)度一般較短，大概10m，故其阻抗可忽略不計(jì)，因此低壓柜低壓變壓器低壓出口處短路電流值與出線開關(guān)處短路電流值可認(rèn)為相等，其短路電流有效值約為24kA。生化池上的一些小型設(shè)備如攪拌器等(單臺(tái)功率小于7.5kW)，其供電采用放射式供電回路，由于其計(jì)算電流約為20A，在滿足壓降及載流量的條件下選用銅芯截面為4mm2的線纜即可。

《低壓配電設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50054—2011)第6.2.3條明確規(guī)定：當(dāng)短路持續(xù)時(shí)間大于等于0.1s而小于等于5s時(shí)，絕緣導(dǎo)體的熱穩(wěn)定應(yīng)按下式進(jìn)行校驗(yàn)[3]：

式中I——短路電流有效值(均方根值)，kA；K——不同絕緣的計(jì)算系數(shù)，對(duì)于給排水工程中常用的YJV-1kV電纜通常取143；

t——短路切除時(shí)間，s，取主保護(hù)切除時(shí)間與斷路器全分閘時(shí)間之和。

給排水項(xiàng)目中斷路器經(jīng)常被用作短路保護(hù)電器，無(wú)論斷路器用的是何種瞬時(shí)脫扣器，其對(duì)于短路電流的全分?jǐn)鄷r(shí)間基本上在10～20ms之間，有些廠家時(shí)間更短，按相關(guān)規(guī)范要求應(yīng)考慮短路電流非周期分量對(duì)熱作用。在短路持續(xù)時(shí)間小于0.1s的情況下，不能用上述公式進(jìn)行校驗(yàn)，應(yīng)按照公式K2S2>I2t(I2t是保護(hù)電器廠家提供的保護(hù)電器允許通過(guò)的能量值)進(jìn)行校驗(yàn)，從而保證將短路電流被分?jǐn)嗲捌渌侵芷诜至康南嚓P(guān)熱效應(yīng)考慮進(jìn)去。

目前，國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上主流塑殼斷路器都能夠?qū)崿F(xiàn)快速開斷，并且自身還攜帶有限流作用。在進(jìn)行熱穩(wěn)定校驗(yàn)時(shí)，必須將斷路器自身的電氣性能、電纜和系統(tǒng)進(jìn)行綜合考慮。結(jié)合具體參數(shù)進(jìn)行計(jì)算可使熱穩(wěn)定校驗(yàn)結(jié)果更加準(zhǔn)確。

國(guó)內(nèi)外各廠商的限流型低壓斷路器盡管在產(chǎn)品上存在一定差異，但根據(jù)的都是電斥力基本原理。之所以可以縮短熄弧時(shí)間，是在電流達(dá)到最大值以前將其切斷，從而使熱應(yīng)力和電動(dòng)力得以減少，斷流指標(biāo)得以提升。下圖為某主流品牌斷路器熱應(yīng)力限制曲線。

低壓斷路器熱應(yīng)力限制曲線圖

斷路器自身的熱應(yīng)力限制曲線是對(duì)限流型低壓斷路器及低壓電纜進(jìn)行熱穩(wěn)定校驗(yàn)的必要依據(jù)，其原因是斷路器動(dòng)作前短路電流的熱效應(yīng)I2t值必須不大于導(dǎo)體自身對(duì)于熱效應(yīng)的承受能力。因此，在短路電流24kA處熱效應(yīng)值根據(jù)“斷路器熱應(yīng)力限制曲線”可查得I2t<5×105(A2s)，因此滿足條件的電纜截面為

實(shí)際工程中取銅芯面積為6mm2的YJV電纜即可滿足導(dǎo)體線纜熱穩(wěn)定要求。

依據(jù)限流型斷路器的“熱應(yīng)力限制曲線”及以往設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)對(duì)容量不小于315kVA的變壓器的低壓配電柜出線處的短路電流進(jìn)行熱穩(wěn)定校驗(yàn)時(shí)，銅芯截面不小于6mm2的電纜即可滿足要求，當(dāng)對(duì)容量不大于315kVA的變壓器的低壓配電柜出線處的短路電流進(jìn)行熱穩(wěn)定校驗(yàn)時(shí)，銅芯截面不小于4mm2的電纜即可滿足要求。如采用的斷路器或熔斷器其額定電流不超過(guò)400A，配電線路采用截面大于70mm2的銅芯電纜或絕緣導(dǎo)體，一般情況下能滿足熱穩(wěn)定相關(guān)的規(guī)范要求。

3 電纜敷設(shè)的問(wèn)題

為保證自來(lái)水廠或污水處理廠可靠性運(yùn)行，變配電房采用放射式供電方式對(duì)廠區(qū)內(nèi)主要生產(chǎn)建(構(gòu))筑物設(shè)備供配電，對(duì)于大型給排水項(xiàng)目，變配電房有大量的電纜在電纜溝進(jìn)出口處，這時(shí)應(yīng)合理優(yōu)化電纜敷設(shè)方式及改善電纜散熱條件和減小其對(duì)載流量的影響?！兜蛪号潆娫O(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50054—2011)第3.2.6條規(guī)定：“當(dāng)電纜沿敷設(shè)路徑中各場(chǎng)所的散熱條件不相同時(shí)，電纜敷設(shè)條件應(yīng)按最不利的場(chǎng)所確定?！盵3]以下就電纜敷設(shè)的幾個(gè)重要方面進(jìn)行討論。

3.1 影響電纜載流量的外部條件

電纜導(dǎo)體通電后達(dá)到長(zhǎng)期允許工作溫度時(shí)所對(duì)應(yīng)的電流數(shù)值即為電纜長(zhǎng)期允許載流量。在實(shí)際項(xiàng)目中，電纜允許載流量由敷設(shè)條件、電纜自身特性、所需通過(guò)的計(jì)算電流值共同決定。電纜自身特性又由電纜絕緣材料本身的散熱性能、電纜自身的長(zhǎng)期允許工作溫度等因素決定。在電纜型號(hào)確定后，電纜散熱情況及敷設(shè)環(huán)境的優(yōu)化對(duì)所選電纜的允許載流量起著至關(guān)重要的作用。

3.2 變配電房電纜敷設(shè)方式

給排水工程中變配電房部分的低壓電纜敷設(shè)主要有下進(jìn)下出電纜溝敷設(shè)和上進(jìn)上出橋架敷設(shè)兩種，同時(shí)進(jìn)出線電纜的敷設(shè)環(huán)境散熱也受到低壓配電柜布置的影響，下面對(duì)這兩種敷設(shè)方式進(jìn)行比較分析。

配電柜采用電纜下進(jìn)下出方式時(shí)需搭配電纜溝，電纜在電纜溝內(nèi)敷設(shè)至各設(shè)備。

配電柜采用電纜上進(jìn)上出方式時(shí)需在配電柜上方設(shè)電纜橋架，電纜在電纜橋架內(nèi)敷設(shè)至各設(shè)備。

下進(jìn)下出方式在配電柜下配套設(shè)置的電纜溝溝深一般為800mm，因此，需與土建專業(yè)做好配合設(shè)置好預(yù)留溝槽，在與室外電纜溝或排管的連接處還需做好防水堵漏措施。當(dāng)電纜溝轉(zhuǎn)彎時(shí)，電纜溝內(nèi)敷設(shè)的電纜易發(fā)生交錯(cuò)、擁擠，在交錯(cuò)或擁擠處不利于電纜的散熱，從而導(dǎo)致整條線纜的載流量下降。

一旦配電間的電纜溝施工完成，無(wú)論因何種原因造成的電纜溝內(nèi)電纜局部擁擠或交錯(cuò)都非常難以優(yōu)化調(diào)整。

采用上進(jìn)上出方式可以按照電纜填充率或排列間距有效調(diào)整電纜橋架層數(shù)、規(guī)格。在電纜易出現(xiàn)交錯(cuò)或擁擠的位置布置中間分支橋架就可很好地解決電纜局部擁擠的問(wèn)題。由于大型場(chǎng)站項(xiàng)目需要較多的電纜橋架層數(shù)，因而需增加配電間室內(nèi)層高。

上進(jìn)上出的出線方式具有靈活性強(qiáng)和電纜散熱好的優(yōu)點(diǎn)，為給排水工程中提供了一種新的選擇。

例如：對(duì)于多排布置的低壓配電柜，各個(gè)低壓配電柜的出線處，電纜交錯(cuò)、擁擠嚴(yán)重，極其不利于電纜散熱，影響電纜的載流量。可考慮在低壓配電柜中部構(gòu)建出新的出線電纜敷設(shè)通道，在原敷設(shè)通道中途分流一部分出線電纜，采用分節(jié)、分段的方式。采取了這種措施后，一部分電纜被中間新建的電纜通道分流，電纜通道各個(gè)部分的電纜量都比較均勻和相對(duì)合理，減少了電纜局部擁擠，電纜散熱條件大為改善，對(duì)于某些電纜還明顯優(yōu)化了路徑，減少了長(zhǎng)度。綜上所述，采用上進(jìn)上出出線方式，可相對(duì)容易地在配電柜中間構(gòu)建分流通道，提高電纜的散熱性。

4 結(jié) 語(yǔ)

接地故障保護(hù)在排水工程低壓配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的作用是防止電氣火災(zāi)與線路損壞以及人身間接電擊。接地故障保護(hù)方式選擇及其保護(hù)靈敏度校驗(yàn)是保護(hù)措施得以正確實(shí)施的有力保障。為保證供電線路安全運(yùn)行，須對(duì)導(dǎo)體最小截面和線路電纜的保護(hù)電器分別進(jìn)行校驗(yàn)。為實(shí)現(xiàn)供電線路的最大載流量，對(duì)電纜敷設(shè)方式進(jìn)行優(yōu)化也是必不可少的。

[1] 宋玉強(qiáng). 淺談?dòng)^音閣水庫(kù)輸水工程建設(shè)的重要意義[J]. 中國(guó)水能及電氣化，2013(12):31-35.

[2] 中國(guó)航空工業(yè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院. 工業(yè)與民用配電設(shè)計(jì)手冊(cè)(3版)[M].北京：中國(guó)電力出版社，2005.

[3] 任元會(huì). 低壓配電線路保護(hù)的幾個(gè)問(wèn)題[J]. 建筑電氣， 2006(2):4-7.

[4] 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.

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Study on Low-voltage Distribution Line in Water Supply and Drainage Project

SHI Wei

(CentalandSouthemChinaMunicipalEngineeringDesign&ResearchInstituteCo.,Ltd.,

The role of ground fault protection in the design of low-voltage distribution system of drainage project is to prevent electrical fires and line damage and indirect electric shock. Therefore, the choice of ground fault protection mode and its protection sensitivity check is the powerful protection guarantee of measures to be properly implemented. In order to ensure the safety of the power supply line operation, the minimum cross section of the conductor and the line cable protection appliances must be verified separately. This paper describes several issues related to cable in low-voltage distribution design of municipal water supply and drainage works， and make reference to these issues.

water supply and drainage project; low voltage distribution; problem

10.16617/j.cnki.11-5543/TK.2017.05.023

TU99

A

1673-8241(2017)05- 0067- 04