對于電力電纜配電距離問題,業(yè)內(nèi)研究較多,通常從短路故障保護(hù)靈敏度和電壓降兩方面綜合考慮電力電纜截面和配電距離。但是,電氣設(shè)備的控制回路是特殊的配電線路,它的負(fù)載性質(zhì)與一般的配電線路有所不同。常用電氣設(shè)備控制回路的負(fù)載一般由接觸器線圈、繼電器線圈、信號燈及各種開關(guān)、觸點本身阻抗等組成。盡管在控制過程中,隨著觸點的接通或斷開,它的負(fù)載阻抗是有變化的,但是它的負(fù)載阻抗(在穩(wěn)定狀態(tài))是明確的,是一個相對穩(wěn)定值。故在一般情況下,其配電負(fù)荷小,不存在過負(fù)荷問題,配電距離與電壓降關(guān)系不大。二次回路的可靠工作還與控制電纜線路電容電流有關(guān),過長的配電距離會造成觸點拒動或誤動作。另外,長距離配線的電流測量回路由于阻抗過大,會造成電流互感器測量誤差過大。
筆者尚未看到從二次回路控制電纜接地故障的技術(shù)要求角度討論其配電距離的研究文獻(xiàn)。由于熔斷器具有良好的短路保護(hù)作用,二次回路通常采用小容量熔斷器進(jìn)行保護(hù),能否滿足短路保護(hù)靈敏度要求尚未可知。本文針對不同熔斷器的容量選擇,對應(yīng)控制電纜不同線芯截面選型,研究其配電距離。
根據(jù)二次回路控制電纜配電距離相關(guān)研究成果,總結(jié)配電距離校驗方法如下。
參照《工業(yè)與民用供配電設(shè)計手冊》(4版,以下簡稱”4版《手冊》”)P1106公式,可按照下式校驗控制線路長度:
式中:Lmax1——按接觸器可靠吸合計算的導(dǎo)線長度,m;
Un——控制線路標(biāo)稱電壓,V;
Δu——控制線路單位長度電壓降,V/(A·km);
Pa——接觸器線圈吸合功率,VA。
對同一種控制電纜,在控制電壓及合理壓降范圍內(nèi),接觸器線圈吸合功率越大,控制線路允許導(dǎo)線長度越短;對相等的接觸器線圈吸合功率,電纜截面積越大,接觸器可靠吸合的控制線路允許長度越長。
參照4版《手冊》P1105公式,可按照下式用線路電容校驗控制線路長度:
式中:Lmax2——控制線路臨界長度,km;
Ph——接觸器或繼電器的保持功率,VA;
C——單位長度線路電容,μF/km。
對同一種控制電纜,在控制電壓及長度線路電容已知的情況下,接觸器線圈保持功率越大,接觸器可靠斷開的控制線路允許長度越長。
參照4版《手冊》P761公式,可按照下式計算:
式中:Lmax3——控制線路臨界長度,m;
S——保護(hù)導(dǎo)體的截面積,mm2;
γ——電導(dǎo)率,銅取57×106S/m;
Zbn——電流互感器所選準(zhǔn)確級下允許的二次負(fù)荷,當(dāng)忽略電抗時僅計電阻時為Rbn,Ω;
Zmr——測量表計的負(fù)荷,Ω;
Rt——接觸電阻,一般取0.05~0.1Ω;
Kcon1、Kcon2——導(dǎo)線接線系數(shù),儀表或繼電器接線系數(shù),參見4版《手冊》P749表8.3-5。
在工程實際中,終端電流表指示是否準(zhǔn)確與互感器選擇(額定二次電流、額定二次負(fù)載容量)、控制電纜截面及控制電纜長度等因素有關(guān)。當(dāng)控制電纜截面為一定值時,這時控制電纜長度就需要根據(jù)實際情況選擇不同參數(shù)的電流互感器,才能使終端電流表顯示符合規(guī)范要求。
接地故障持續(xù)時間不超過5 s時,按GB 50054-2011《低壓配電設(shè)計規(guī)范》第6.2.3條規(guī)定,短路時絕緣導(dǎo)體的熱穩(wěn)定要求其截面應(yīng)該滿足下式要求:
式中:S——保護(hù)導(dǎo)體的截面積,mm2;
I——通過保護(hù)電器的預(yù)期故障電流或短路電流方均根值,A;
t——保護(hù)電器自動切斷電流的動作時間,s;
k——根據(jù)導(dǎo)線和絕緣不同決定的系數(shù)。
工程設(shè)計中接地故障校驗計算用式(4)以確定線路導(dǎo)體截面積和保護(hù)電器的參數(shù)。
假設(shè)在圖1中異地控制按鈕箱K點發(fā)生接地故障,滿足自動切斷電源的TN系統(tǒng)接地故障保護(hù)線路允許長度由4版《手冊》P965公式確定:
式中:Lmax4——回路允許的長度,m;
0.8~1.0——電源側(cè)阻抗系數(shù),是考慮接地故障回路忽略變壓器阻抗和高壓側(cè)系統(tǒng)阻抗導(dǎo)致的誤差進(jìn)行的修正,當(dāng)故障點遠(yuǎn)離配電變壓器,線路截面積較小、變壓器容量較大時,取高值(如0.95~1),反之,取較低值;
U0——相電壓;
Sph——相導(dǎo)體截面;
k1——電纜電抗校正系數(shù),當(dāng)Sph≤95 mm 2時,取1.0;當(dāng)Sph為120 mm 2和150 mm2時,取0.96;當(dāng)S ph≥185 mm2時,取0.92;
k2——多根相導(dǎo)體并聯(lián)使用的校正系數(shù),k2=4 (n-1)/n (n≥2),單根電纜時取1;
1.5——由于短路引起發(fā)熱,電纜電阻的增大系數(shù);
ρ——20℃時的導(dǎo)體電阻率,Ω·mm2/m;
m——相導(dǎo)體截面Sph與PE導(dǎo)體截面Spe之比,m的計算值應(yīng)取整;
Ik——接地故障電流。
在采用熔斷器兼作接地故障保護(hù)時,根據(jù)其反時限特性,若采用式(4),控制線路允許長度校驗比較麻煩。為簡化設(shè)計,按GB/T 13539.2-2015《低壓熔斷器第2部分:專職人員使用的熔斷器的補(bǔ)充要求(主要用于工業(yè)的熔斷器)標(biāo)準(zhǔn)化熔斷器系統(tǒng)示例A到K》第5.6.3條,短路時的熔斷器截斷電流(Ik)可近似看作其門限值,額定電流(I n)符合表1,可認(rèn)為滿足接地故障保護(hù)設(shè)計要求。
根據(jù)GB 51348-2019《民用建筑電氣設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》表7.4.2(導(dǎo)體允許截面積),控制電纜線芯截面積不應(yīng)小于0.5 mm2,常見的控制電纜規(guī)格有0.5 mm2、0.75 mm 2、1.0 mm2、1.5 mm 2、2.5 mm2。采用熔斷器保護(hù)時,由于熔斷器的反時限特性,一般2.5 mm 2以下電纜,選用熔斷器16 A以下滿足熱穩(wěn)定要求。因此,參數(shù)取值如下:電源側(cè)阻抗系數(shù)取0.95,U0取220 V;S ph取0.5 mm2、0.75 mm 2、1.0 mm2、1.5 mm 2、2.5 mm2;k 1取1;k2取1.0;ρ取0.017 2Ω·mm 2/m。
利用表1及式(5),用熔斷器做間接接觸防護(hù)時銅芯電纜允許長度計算參見表2。
從表2可知,允許長度和熔斷器額定電流、電纜截面選型密切相關(guān),當(dāng)配電線路較長,接地故障電流較小,間接接觸防護(hù)電器難以滿足接地故障保護(hù)靈敏性的要求時,可增大控制電纜截面及縮短控制回路長度。二次控制回路導(dǎo)線的長度控制可用下式表示:
即控制線路的允許長度根據(jù)實際情況,應(yīng)取Lmax1、Lmax2、L max3、Lmax4四者中較小值,才能滿足相關(guān)要求。
圖1 典型二次控制回路接地故障示意圖
表1 熔斷器切斷接地故障回路的動作電流數(shù)值(t≤5 s)
表2 a G/g G熔斷器做間接接觸防護(hù)時銅芯電纜允許長度(切斷時間t≤5 s)
根據(jù)GB 13539.1-2015《低壓熔斷器第1部分:基本要求》,分為專職人員使用的熔斷器(又稱工業(yè)用熔斷器)和非熟練人員使用的熔斷器(又稱家用熔斷器)兩大類型。熔斷器類型第1個字母表示分?jǐn)喾秶ā癵”表示全范圍分?jǐn)嗄芰Φ娜蹟嗥?,“a”表示部分范圍分?jǐn)嗄芰Φ娜蹟嗥鳎?;?個字母表示使用類別,其字母準(zhǔn)確地規(guī)定時間-電流特性、約定時間和約定電流及門限(“G”表示一般用途;“M”表示保護(hù)電動機(jī)電路)。例如:“g G”表示一般用途全范圍分?jǐn)嗄芰Φ娜蹟囿w,一般用于線路保護(hù);“a M”表示保護(hù)電動機(jī)電路的部分范圍分?jǐn)嗄芰Φ娜蹟囿w。控制回路中一般選擇“g G”熔斷器。
參考國標(biāo)圖集16D303-2《常用風(fēng)機(jī)控制電路圖》和16D303-3《常用水泵控制電路圖》,設(shè)計選用二次回路保護(hù)熔斷器RT18-32X/6A,選用規(guī)范要求的截面控制電纜時,距離約為72 m。因此,在設(shè)計大型工業(yè)與民用建筑時需要特別注意。
電纜的阻抗由電阻和電抗組成,電抗又由感抗和容抗組成。感抗的大小和線間距離有關(guān):距離越大,感抗越大;距離越小,感抗越小??刂齐娎|的線間距離都較小,因此控制電纜的感抗比大截面電力電纜的感抗要小,總的阻抗也就小了,因此電流流過時產(chǎn)生的電壓降也就小了,故控制電纜電抗值小,占比小,可以忽略。
熔斷器具有良好的短路保護(hù)作用,熔斷器不僅具有體積小、結(jié)構(gòu)簡單、維護(hù)方便、價格低廉的優(yōu)點,而且分?jǐn)嗄芰?qiáng),具有很強(qiáng)的限流作用。在系統(tǒng)設(shè)計中,如果采用熔斷器作短路保護(hù),則可大大降低短路電流對系統(tǒng)所產(chǎn)生的動穩(wěn)定、熱穩(wěn)定要求,使系統(tǒng)設(shè)計更經(jīng)濟(jì)。盡管目前微型斷路器的分?jǐn)嗄芰軓?qiáng),可以安全分?jǐn)嗫刂苹芈范搪冯娏?,但由于控制回路的截面較小,而短路電流幾乎與主回路的短路電流相同,故控制回路的熱穩(wěn)定性相對不太容易得到滿足。由于熔斷器以其自身產(chǎn)生的熱量參數(shù)確定切斷電路時間,只要合理選用就能保證在短路電流損壞線路絕緣前被切斷,故選用熔斷器作為控制回路的保護(hù)電器更具有現(xiàn)實意義。因此,熔斷器的短路保護(hù)性能優(yōu)于低壓斷路器,更適合于控制回路短路保護(hù)
GB 16895.21-2011《低壓電氣裝置第4-41部分:安全防護(hù)電擊防護(hù)》與GB 51348-2019中,將低壓配電系統(tǒng)的電擊防護(hù)由直接接觸防護(hù)、間接接觸防護(hù)兩種兼有的防護(hù),修改為基本防護(hù)、故障保護(hù)和附加防護(hù)三類。同時,對于故障情況下的自動切斷電源時間分類也做了重新規(guī)定,依據(jù)GB 16895.21-2011表41.1,對于不超過32 A的終端回路,在交流220 V的TN系統(tǒng),切斷電源時間動作時間0.4 s,表2中配電距離將大大降低。本文限于篇幅未做詳細(xì)比較。
從熔斷器的額定電流選擇,對應(yīng)控制電纜不同線芯截面選型,在滿足接地故障保護(hù)靈敏性要求下取其允許配電距離,對防范接地故障,保護(hù)人身安全有很重要的指導(dǎo)意義。同樣在選擇控制電纜時應(yīng)綜合分析各方面的影響因素,采用合適的電纜長度,從而確保遠(yuǎn)程控制線路的安全運行。
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