工业项目中长距离低压配电线路的设计探讨

2021-06-21 14:13李颖旭

世界有色金属 2021年4期

李颖旭

（中色科技股份有限公司苏州分公司，江苏苏州 215026）

引言

在工程项目低压配电设计中，一个核心原则就是需要将变配电站设置在用电负荷的中心，使得变配电站至最远的用电点距离不至于过长，以保证电压损失满足国标要求，且保护电器的短路保护能够可靠动作。在工业项目中，根据其工艺设备的布置以及各流程车间的总图布置，很难保证每一个用电点都在变配电站的可靠供电半径内，出于经济性的考虑，也不宜随意增设变配电站，这时就需要根据实际情况考虑合适的设计方案。

1 电压偏差和电压损失

电能在输送的过程中，由于线路阻抗的存在，线路上会产生电压降（即电压损失），导致线路末端的电压会比电源处的电压要低。电气设备本身均有其工作的额定电压，我国低压配电的电压等级一般为380V，大部分低压电器的额定工作电压也为380V。在不采取其他有效措施的情况下，当线路长度过长时，就会造成电气设备的供电电压与其额定工作电压的差值（此差值与额定工作电压的比值即为电压偏差）过大，使得电气设备无法正常运行。

1.1 电压偏差的限值

参照现行国家规范的相关规定，末端负荷允许的电压偏差一般为-5%，道路照明或偏远场所的照明可适当放宽至-10%[2]。

同时，若某一末端负荷经过了多级配电，其端电压应考虑每一级配电线路上的电压损失的叠加。

1.2 限制电压损失的措施

基于电压损失的产生原因，限制电压损失的措施有减小供电线路的阻抗和减少供电线路上的电流。

（1）供电线路一般为架空线或电缆，但由于同等输电能力下，架空线路的阻抗要大于电缆的阻抗，故一般在低压配电线路中均采用电缆线路。电缆线路的阻抗值与其导体截面积有关，导体截面积逾小则单位长度的阻抗值逾大，故通过放大电缆导体截面积规格，可以适当的减少线路上的电压损失。

但是放大电缆导体截面并不能完全解决电压损失的问题，在大多数工程项目中，低压配电系统的接地形式为TNC-S或TN-S系统，其供电线路为四芯或五芯电缆，考虑到电缆敷设和施工便利，一般来说电缆的相导体截面不宜大于240mm2，特别是针对小规格的配电回路，一味的放大截面也会使电缆与接线端子严重不匹配。

（2）在末端负荷确定（有功功率恒定）的情况下，要降低供电线路上的电流，仅能通过在线路末端采用无功补偿的方式，提高负荷功率因数，从而减小线路电流。但是此种方式有很大的局限性，对于单个末端负荷采取就地补偿的措施会增加造价和占地，且一些负荷并不具备条件设置就地补偿装置。

1.3 提升电源电压

通过调节变压器高压侧分接头可以调节变压器的低压侧输出电压，我国10/0.4或20/0.4标准变压器高压侧一般为0，±2.5%，±5%五个接头，在变压器高压侧为额定电压时，其对应的低压侧理想输出电压如下表：

通过提升变压器低压侧输出电压虽然无法降低供电线路上的电压损失，但能提升线路末端电压即电气设备的供电电压，从而减小电压偏差。在采取抑制电压损失的措施后仍无法将电压偏差限制在可承受范围内时，可以通过此种措施来尝试满足电气设备运行的需要。

1.4 变压器的电压损失

变压器是实现电压转换的设备，低压配电系统中10/0.4或20/0.4变压器一般为Dyn11接线组别。由于变压器本身也是一种感性负荷，在电压转换的过程中，在变压器上也会产生电压损失。

变压器电压损失的计算公式为

其中β：变压器运行的负荷率，工程上变压器负荷率一般不超过85%，取β=0.85；

φ：变压器所带负荷的功率因数角，取cosφ=0.95；

ua：ua=Pk/SrT（%），SrT为变压器容量，Pk为变压器负载损耗，可从厂家样本上查取；

ur：ur2=uk2-ua2，uk为变压器额定阻抗电压，可从厂家样本上查取。

干式变压器相较于油浸变压器具有安全性高、维护方便等优点，在工程中得到更多的采用，同时出于节能的考虑，本文计算以SCB13干式变压器为基准进行，不同容量变压器电压损失的计算结果列于下表：

1.5 电压损失的计算

对于低压配电系统，可将变压器作为供电电源，自变压器至末端负荷的电压损失的计算如下：

其中△uG：变压器高压侧的电压损失；

e：调节变压器高压侧分接头导致的相对于系统标称电压的电压提升（%）；

E：消耗在其他电气元器件上的低压损失，如母线上、电缆接头上的电压损失。根据表2的计算结果，SCB13干式变压器电压损失在2%～2.5%，考虑一定工程裕量以及母线、电缆接头上的电压损失，可近似考虑△uT+E=3%。

表2 SCB13干式变压器数据及电压损失

线路电压损失△ul的计算公式如下（默认三相平衡）：

其中I：线路负荷的实际最大电流；

L：线路长度；

Un：标称电压，即Un =380V；

φl：线路所带负荷的功率因数角；

R’，X’：线路单位长度的电阻和电抗。

线路电缆一般采用YJV-0.6/1.0kV铜芯电缆，同时工业项目中不可避免会用到多拼电缆，计算多拼电缆构成的线路压降时，可认为线路电抗X’保持不变，电阻减小为R’/n（n为多拼电缆的根数），故根据公式（3）可计算出各截面电缆单位线路长度下的单位电流电压损失百分比，如下表：

2 断路器短路保护的灵敏性

在低压配电系统（TN系统）中，常用的短路保护元器件有断路器和熔断器。由于断路器维护便利的特性，国内工程中低压配电系统的短路保护元器件多采用断路器。断路器短路保护的灵敏性即为当断路器保护的线路上任一点发生短路时，断路器能够可靠动作，以切断线路电源。

表3 YJV-0.6/1.0kV电缆线路的电压损失[%/（A*km）]

2.1 基于单相接地故障保护灵敏性的供电半径

短路的类型有（1）三相短路（2）两相短路（3）两相接地短路（4）单相接地短路。一般来说在低压网络中，三相短路电流最大，而单相接地短路最小[1]。故应采用单相接地短路电流作为校验断路器保护灵敏性的依据。

以单相接地短路电流校验保护灵敏性时，采用断路器保护（TN系统）的供电电缆的最大允许长度的详细计算与结果表格，电气相关手册及国家图集中多有列出，本文不再赘述。

2.2 提高短路保护灵敏性的措施

如本文前文所述，工业项目中难免遇到线路长度过长的情况，此时如发生短路，保护该线路的断路器可能不会及时动作。此时就需要采取一些措施来保证短路时线路的可靠切断。

2.2.1 放大电缆截面

放大电缆截面能够有效降低线路阻抗，从而提高线路上的短路电流值，确保保护动作的灵敏性。这也是保障保护灵敏性的最常用手段。

2.2.2 采用带短延时脱扣功能的断路器

低压断路器分为微型断路器（MCB）、塑壳断路器（MCCB）以及框架断路器（ACB）。受断路器分断能力的限制，变压器二次侧低压配电柜中一般以塑壳断路器（MCCB）和框架断路器（ACB）为主。

ACB标配三段式保护电子脱扣器（LSI，长延时动作、短延时动作、瞬时动作），短延时动作整定电流值通常仅为瞬时动作整定电流值的1/2左右，当瞬动脱扣器难以可靠动作时，可利用短延时动作脱扣器来保障保护动作的灵敏性。

出于经济性考虑，MCCB通常采用热磁脱扣器，其为二段式保护（LI），不具备短延时动作的功能。当瞬时动作不可靠时，需要单独配置三段式保护电子脱扣器的MCCB。

2.2.3 采用熔断器作为线路保护电器

熔断器的保护特性曲线实际上更为契合短路保护的需求，但是由于熔断器动作后需要重新更换熔芯（丝），在国内一直未得到大范围推广。当断路器保护灵敏性难以保证时，可考虑采用熔断器作为线路的保护电器。

需要注意的是，仅考虑短路保护灵敏性的情况下，采用熔断器保护也仅仅是比采用断路器保护时的供电半径要大，并不能无限制增加供电距离。熔断器的保护是反时限特性，当短路电流过小而熔断器的动作时间超过规定动作时限（对于固定式电气设备，应≤5s；对于移动式设备，应≤0.4s）时，采用熔断器保护同样不能保证线路故障时的可靠动作，实际应用时应根据负荷性质和熔断器的保护特性曲线确定是否可以选择采用熔断器。

2.2.4 加设接地故障保护

大多数情况下，采用2.2.1～2.2.3节的措施可以满足保护灵敏性的要求。但是如果在采用了该三种措施后，仍无法保障短路时的可靠动作，这时就需要考虑加设接地故障保护。

现国内工程中常用的接地故障保护的方式有两种：（1）加装RCD （2）选用具有接地故障保护功能的四段式（LSIG）电子脱扣器的断路器。

剩余电流保护装置（RCD）是通过一个零序电流互感器测得三相电流加中性导体电流的向量和，正常情况下在三相平衡线路中该向量和应等于零，当该矢量和大于设定值时，RCD将会动作，切断线路的电源供应。

而断路器的接地故障保护功能则是通过在断路器后安装电流互感器，将电流互感器测得的电流值以矢量方式相加，测得不平衡电流或剩余电流（一部分厂家是在三根相导体上共安装3个电流互感器，另一部分厂家是在三根相导体以及中性导体上共安装4个电流互感器），当测得的电流超过脱扣器整定电流时，脱扣器即会动作。

以上两种方式原理近乎相同，只是测量方式有所区别。相比较而言，RCD的设定值相对较低，一般仅有30～500mA，故RCD不适用于三相不平衡线路。同时为了避免误动作，采用RCD作为接地故障保护的手段时，应尽量调大动作定值。

根据该两种方式的动作原理，不难得出，当线路中发生两相短路、两相接地短路或单相接地短路时，不论是三相线电流的矢量和还是三相线及中性线电流的矢量和均不为零，均能使得线路能够及时被切断。而当线路中发生三相短路时，则不会引起RCD或电子脱扣器接地故障保护的动作。故在采用了本节所列措施时，仍需确保三相短路电流能够使得断路器的瞬动脱扣器或短延时动作脱扣器能够可靠动作。