電動機負荷長距離配電線路斷路器保護靈敏度分析

柳 新

(上海市政工程設計研究總院(集團)有限公司，上海 200092)

0 引言

長大型隧道工程呈線性長條形走向，出于通風、消防排煙考慮，隧洞沿線需設置若干射流風機，而變電所往往結合洞口雨水泵房、消防泵房等設備房或者工作井設置，隧洞內部分射流風機距離變電所較遠，過往工程案例中甚至出現過風機配電回路長達1km 的情況。 對于長距離電動機配電回路，設計人員在配電電纜選型時，會關注電纜載流量、電壓降甚至熱穩定等參數信息，卻忽視對配電回路斷路器的靈敏度進行校驗。

隧道低壓配電系統故障主要有三相短路、兩相短路、單相接地故障，其中，單相接地故障發生概率最高。 對于長距離配電回路，線路相保阻抗較大，單相接地故障時故障電流較小，導致斷路器瞬時或短延時過電流保護不能可靠動作，引起線路過熱、損壞，甚至引發電氣火災，危及人身和財產安全。因此，在進行長距離配電回路電纜、開關器件選型時，不僅需要進行電纜壓降計算，還應對保護開關動作靈敏度進行校驗。

本文結合某隧道工程實例，對射流風機長距離配電回路進行電纜選型、開關器件電流整定和靈敏度分析。

1 工程概況

某湖底隧道長1.7km，單洞單向通行，兩端洞口均設置有雨水泵房，隧道中間段最低點設置有廢水泵房，射流風機沿隧道縱向均勻分布。 考慮工程經濟性和方案可行性，結合兩端雨水泵房各設置一座10/0.4kV 變電所， 每座變電所內設置兩臺2×800kVA 變壓器，低壓系統接地型式為TN-S。

選取其中距離洞口變電所最遠的一組射流風機(圖1)進行分析。 其額定功率37kW、額定電流70A、啟動電流508A。 由南洞口變電所兩段母線各饋出一路低壓電源，末端雙切后給風機配電。 考慮電纜敷設環境及負荷重要性，電纜選擇無鹵低煙耐火銅芯電纜，配電干線線路長700m，線路首端斷路器1QL長延時整定值Iset1設置為100A。 電動機配電圖路電壓降分析見表1。

表1 37kW 電動機配電回路電壓降(L＝700m )

圖1 射流風機配電示意圖

2 線路電纜選型

查文獻[1]表9.3-24，忽略電纜敷設場所、環境溫度等因素對電纜載流量的影響，16mm2及以上截面的電纜均滿足本配電回路載流量需求，考慮線路首端斷路器過負荷保護，可選擇25mm2及以上截面的電纜。

依據文獻[2] ，對于電動機負荷，正常運行情況下一般工作場所用電設備端子處的電壓偏差允許值為額定電壓的±5%。 射流風機為三相平衡負荷，根據文獻[1]，有電壓降計算公式(忽略末端風機控制箱至電動機段線路電壓降):

式中，Δua%為三相線路每1A·km 的電壓損失百分數，%/A·km；I為負荷電流，A；L為線路長度，m。

3 斷路器保護靈敏度校驗

射流風機配電線路保護有過載保護、三相短路保護、兩相短路保護和單相接地故障保護，其中單相接地短路故障電流最小，相同的開關整定值下斷路器最不易觸發動作。 故下文選擇配電線路單相接地短路故障工況進行斷路器保護靈敏度校驗。

單相接地故障電流按照相?；芈愤M行計算。線路L末端發生單相接地故障時，該相?；芈分兄饕懈邏合到y、變壓器、低壓電纜三種阻抗，單相接地故障電流為:

查詢文獻[1]表4.6-11、表4.6-13 可以得出，系統側及變壓器折算到低壓側的相保阻抗(高壓側短路容量為200 MVA):

查詢文獻[1]表4.2-46 ，通過計算得出電纜相保阻抗、回路總相保阻抗及故障電流，匯總形成表2～3。

表2 電纜相保阻抗

線路首端斷路器瞬時脫扣整定值Iset3應躲過配電線路的尖峰電流:

式中，Iset3為瞬時過電流脫扣器的整定電流，A；Kset3為低壓斷路器瞬時過電流脫扣器的可靠系數，取1.2；I′stM1為線路中最大一臺電動機的全啟動電流，A；IC(n-1)為除啟動電流最大的一臺電動機以外的線路計算電流，A。

風機全啟動電流倍數取2.2，則有:Iset3≥1.2×2.2× 508＝1341.1A。 根據計算結果，斷路器瞬時脫扣整定值可設定為1 350A。

根據文獻[2] 6.2.4 規定，斷路器動作靈敏度系數應滿足以下要求:

式中，krel為斷路器保護靈敏度系數；Id為末端短路故障電流，A；Iset為斷路器瞬時脫扣整定值。

將表3 數據，斷路器瞬時脫扣整定值代入靈敏度計算公式(4)中，校驗斷路器動作靈敏度，計算結果見表4。 顯然，靈敏度不滿足規范要求。

表3 故障回路總相保阻抗及故障電流

表4 斷路器瞬動脫扣靈敏度

4 提高斷路器保護靈敏度的幾種方案

分析斷路器脫扣器動作靈敏度求解公式，要提高靈敏度，一是增大線路末端接地故障電流值，二是減小斷路器脫扣整定值。

4.1 增大線路末端接地故障電流值

(1)采用D，yn11 接線組別變壓器

相比較Y，yn11 接線組別變壓器，D，yn11 接線組別變壓器零序阻抗小(當低壓側發生單相短路時，零序電流不能在高壓側繞組流通，高壓側對于零序電流相當于開路狀態，故在計算單相短路電流時認為無此阻抗)，可在一定程度上增大線路末端接地故障電流。 不過，結合前面相保阻抗計算可以看出，對于長距離配電線路單相接地故障，系統阻抗占整體相保阻抗比例小，系統側的阻抗優化對線路末端單相接地故障電流影響甚小。 且在實際工程中，基本上均采用此接線組別的變壓器，已經沒有提升空間。

(2)加大配電線路導體截面積

由表4 可知，加大配電線路導體截面積來提高單相接地故障電流，簡單有效。 不過在配電回路較長時，僅靠加大配電線路導體截面積，使線路首端斷路器保護靈敏度滿足要求，可能需要將電纜截面提升好幾檔。 而電纜費用在隧道電氣工程費用中占比大，若所有長距離配電線路均采用此方法提高保護開關靈敏度，必然會大大增加電氣工程投資，且造成金屬浪費。

對電纜相保電阻和相保電抗公式展開分析，有以下公式:

式中，R(0)ph為相導體單位長度零序電阻值，mΩ/m；R(0)p為PE 導體單位長度零序電阻值，mΩ/m；X(0)ph為相導體單位長度零序電阻值，mΩ/m；X(0)p為PE 導體單位長度零序電阻值，mΩ/m。

對比文獻[1]式4.2-24、式4.2-25，導體的零序電阻(零序電抗)為正序電阻(正序電抗)的4～5倍。 結合公式(5)、(6)可知，增大PE 線截面比增大一個檔位的相線截面，可更有效地減小相保電阻、相保電抗值，對斷路器脫扣器動作靈敏度的提升效果更好。

4.2 減小斷路器脫扣整定值

(1)采用帶短延時過電流脫扣斷路器

對于同一斷路器，由于短延時過電流脫扣器整定值Iset2通常只有瞬時過電流脫扣器整定Iset3的1/5～1/3， 所以間接接觸防護靈敏度更容易滿足。Iset2應躲過短時間出現的負荷尖峰電流，即:

式中，Kset2為低壓斷路器定時限過電流脫扣器的可靠系數，取1.2；IstM1為線路中最大一臺電動機的啟動電流，A。IC(n-1)為除啟動電流最大的一臺電動機以外的線路計算電流，A。 則:Iset2≥1.2×508＝ 609.6A。Iset2可設置為610A，將Iset2及表3數據代入靈敏度公式中，校驗斷路器靈敏度，結果見表5。

表5 斷路器短延時脫扣靈敏度

與表4 數據對比，相同配置下，采用短延時脫扣保護的靈敏度比采用瞬時脫扣保護靈敏度高出1倍，但是電纜截面積需增大至240mm2時，靈敏度才滿足要求。

(2)采用帶接地故障保護功能的斷路器

接地故障保護又分為兩種方式，即三相不平衡電流保護和剩余電流保護[3]。 文獻[3][5]均對其進行了相關分析，二者均為行之有效的間接接觸防護策略，還可顯著提高接地故障保護靈敏度。 但是，二者對三相、兩相不接地短路故障的保護作用不大，且影響線路、設備泄露電流的因素較多，在配電回路起始端裝設帶接地故障保護功能的斷路器并不合適；隧道射流風機兼用消防排煙風機，火災工況下需保持其供電連續性，根據文獻[2] 6.3.6要求，剩余電流保護不能作用于跳閘，僅作用于報警。 故帶接地故障保護功能斷路器不適用于隧道射流風機配電線路保護。

(3)采用合適的風機啟動方式

電動機直接啟動時，啟動電流較大，斷路器瞬時脫扣整定值為躲過啟動電流，需設定為較大值，不同啟動方式下電動機啟動倍數如表6 所示[4]。

表6 不同啟動方式下電動機啟動倍數

根據前述內容，代入相關數據，可計算出不同啟動方式下斷路器瞬時脫扣靈敏度值(表7)。

表7 不同啟動方式下斷路器瞬時脫扣靈敏度值

由表7 可知，風機采用星三角啟動、軟啟動器啟動、變頻啟動均可大幅提高斷路器瞬時脫扣靈敏度，采用變頻啟動時靈敏度增大效果最好。 由于射流風機兼作火災工況時排煙風機，需考慮供電可靠性，故其配電回路不建議增設變頻啟動裝置，實際工程中射流風機可選擇星三角啟動或者軟啟動器啟動，星三角啟動裝置價格便宜，軟啟動器裝置價格稍高，但是自動化水平高，市政行業應用廣泛。

(4)滿足使用需求條件下改變風機配置模式

與隧道通風專業溝通，將現場設置的單臺37kW 射流風機更改為2 臺18.5kW 射流風機，由變電所至現場風機控制柜的配電干線電纜規模不變，現場控制柜饋出2 路線路，分別給2 臺風機配電，如圖2 所示。

圖2 改為2×18.5kW 風機組后配電示意圖

18.5kW 風機額定電流為37A，啟動電流為259A，斷路器D1 的瞬動脫扣器整定值應躲過電動機啟動時過程中的尖峰電流(兩臺風機逐臺啟動)，I′set3≥Kset3× [I′stM1+IC(n-1)] ＝1.2 × (259 × 2.2 +37)＝728.16A。

若斷路器帶短延時脫扣功能，有I′set2≥Kset2× [IstM1+IC(n-1)] ＝1.2 ×(259 + 37)＝355.2A。

斷路器瞬時脫扣整定值I′set3可設置為750A，短延時脫扣整定值I′set2可設置為360A。

代入相關數據，可計算出不同電動機負荷配置下靈敏度值(表8)。

表8 不同電動機負荷配置下靈敏度計算

根據表8 計算結果，改變末端射流風機機組配置模式，不改變配電干線其他參數情況下，斷路器脫扣靈敏度顯著提高。 對于本工程電動機負荷長距離配電回路，改變風機配置模式且線路首端采用具有短延時脫扣功能的斷路器后，選取120mm2截面電纜即可滿足靈敏度要求。

5 結束語

電動機負荷長距離配電回路發生單相接地短路故障時，線路相保阻抗大，故障電流較??；為了躲避電動機啟動時的尖峰電流，斷路器的脫扣整定值不能太小。 以上兩因素疊加，導致電動機負荷長距離配電回路的首端保護斷路器的脫扣器動作靈敏度難以滿足規范要求。

經過上述分析，為解決靈敏度不足的問題，有如下幾種解決方案:(1)適當增大配電線纜特別是PE 線截面積，簡單有效，但是經濟效益差；(2)采用合適的風機啟動方式，如星三角啟動、軟啟動器啟動等；(3)在滿足使用需求前提下，末端大功率電動機設備可改為多臺小功率電動機組，并控制電機逐臺啟動。 (4)線路首端采用具有短延時脫扣功能的斷路器。

以上解決方案中，第3 種方案更改末端大功率電動機設備為多臺小功率電動機組，并配置具有短延時脫扣功能斷路器，簡單易行，不額外增加投資，配電線路上不增加電氣設備，安全可靠，實際工程設計時建議優先考慮。