关于路灯tn-s系统保护配置问题的探讨

关于 TN-S 系统保护配置问题的探讨 引言 现在路灯设计时均采用五芯电缆，但对供电一次设备选配没有引起足够的重视，在路灯维 护中常常会发现灯杆漏电、主电缆失地都没有使配电柜出线开关或熔丝跳闸，这反映出开 关选择及整定不合理的问题，严重威胁路灯运行安全。那如何合理选配一次电气设备呢？ 1 路灯一次回路保护的电气设备选择 一个路灯回路的完整保护，应至少包括两级：配电线路干线开关保护和灯具短路保护。干 线开关的选择，除要按箱变内母线出口处三相短路电流来校验其分断能力外，尚应保证开 关在该回路灯具启动和工作时均不误动作，而在过载、短路或接地故障时则应可靠动作。 此外，干线开关还要尽量与其下一级保护（灯杆中的熔丝）做好级间配合，不越级跳闸。 对配电型断路器而言，它有 A 类和 B 类之分：A 类为非选择型，B 类为选择型。所谓选择 型是指断路器具有过载长延时、短路短延时和短路瞬时的三段保护特性。对配电型断路器 而言，它有 A 类和 B 类之分： A 类为非选择型，B 类为选择型。所谓选择型是指断路器具 有过载长延时、短路短延时和短路瞬时的三段保护特性。 根据工业与民用配电设计手册 （第三版）第十一章第六节，非选择型断路器与熔断器、 非选择型断路器与非选择型断路器都不能保证选择性断电。我公司现在普遍采用：灯具的 保护都是采用熔丝保护，配电柜出线采用速断型单极空开，其上一级是采用速断的 A 类空 开。这两种情况是我司普遍存在的现象，都无法实现保护的选择性。由此可见，我们的一 次电气设备的选配是不合理，应考虑改进。 根据设计手册要求，初定下列配置方案： 灯杆的短路保护采用熔丝，配电柜内各回路的出线电缆前的保护也采用熔丝，其他一次开 关选用选择型的空气开关，或者配电柜内各回路出线及上级电器都选用选择型空气开关。 2 路灯一次回路保护的电气设备配置 2 1 灯杆熔丝配置： 根据城市道路照明工程施工及验收规程行业标准 CJJ 89 2001 第 7.1.10 规定： 250W 及以下汞灯、 150W 及以下钠灯和白炽灯可采用 4A 熔丝； 250W 钠灯和 400W 汞灯可采用 6A 熔丝； 400W 钠灯可采用 10A 熔丝；1000W 钠灯和汞灯可采用 15A 熔 丝。 这是一个非强制性规定，我们可以选用更为严格的规定。为躲过路灯的启动电流，路灯的 启动电流是运行电流 1.31.9 倍，考虑可靠系数 1.3，熔丝的容量按灯具正常运行电流的 1.9*1.3=2.47 倍来配置，即 150W 钠灯采用 4A 熔丝；250W 钠灯采用 4A 熔丝；400W 钠灯 采用 6A 熔丝。实践证明此容量选配是合理的。 2 2 配电柜内一次保护电器配置： 根据城市道路照明工程施工及验收规程CJJ89-2001 的行业标准 6.2.2 规定：“在保护接 零系统中，用熔断器作保护装置时，单相短路电流不应小于熔断片额定熔断电流的 4 倍； 用自动开关作保护装置时，单相短路电流不应小于自动开关瞬时或延时动作电流的 1.5 倍。 ” 2.2.1 各回路出线采用熔丝时的容量： 容量选择按照计算电流的 2.47 倍来配置，同时还要用短路电流值来验证选择的合理性。 以下列路灯供电系统为例：变压器 S9-M-160/10，电缆为 VLV-35 的铝芯电缆，供电半径 900 米，路灯间距 35 米，灯杆长度 12 米，主车道照明用 400高压钠灯，辅道或人行道 用 150W 高压钠灯。 当 L900m 在 f2 处短路时，低压电缆 R4=3.930900=3537 m，X4=0.19 900=171.9m 因此，回路总相保电阻 R = 0.05+10+0.372+35373547(m), 总相保电抗 X=0.53+30+0.451+171.9203 (m)。于是， Id=220/= 220/0.062(KA)=62A 当 L=900m 时，回路负荷电流 If=14.3/(0.380.9)=24.14(A) 熔丝容量 2.4724.14=59.6A 而短路电流只有 62A，显然无法保证熔丝可靠动作。 当 L=700m 时，低压电缆 R4=3.930700=2751 m，X4=0.19700=133.7m 因此，回路总相保电阻 R = 0.05+10+0.372+27512761(m), 总相保电抗 X=0.53+30+0.451+133.7165 (m)。于是， Id=220/= 220/0.080(KA)=80A 当 L=700m 时，回路计算电流 Ic =200.55(1+10% ）/(0.380.9）=20.43A ，熔丝容量 2.4720.43=50.5A，而短路电流只有 80A，当电缆发生单相短路时，熔丝能够熔断，但也 无法满足“单相短路电流不应小于熔断片额定熔断电流的 4 倍”的要求，如果再减少供电 半径，这需要增加变压器数量，所以供电半径太小也不合适。所以还是考虑回路出线使用 选择型断路器。 2.2.2 各回路出线采用选择型断路器的配置 2.2.2.1 过载长延时保护 照明用低压断路器的长延时过电流脱扣器的整定电流为： Ir1Kr1Ic （1） 式中：Kr1长延时过电流脱扣器的可靠系数，取 1.1； I c照明回路的计算电流。 2.2.2.2 短延时保护 照明用低压断路器的短路过电流脱扣器的整定电流为： Ir2Kr2Ic （2） 式中，Ic照明回路的计算电流； Kr2短路过电流脱扣器的可靠系数。经过充分足够 次数的实践检验，在路灯回路中，为了可靠避让灯具启动之影响， Kr2 可由路灯（基本为 HID 灯）的启动倍数（指启动电流与工作电流之比） ，再乘以一个裕量系数 1.3 来得到。而 根据相关资料，HID 灯具的启动倍数一般介于 1.31.9 之间，因此取 Kr2=1.91.3=2.47。另 一方面，Ir2 也经常以长延时整定电流 Ir1 与整定倍数（特指断路器短路过电流脱扣器的整 定电流与长延时整定电流之比）K 的乘积形式来表达，即 Ir2=KIr1，于是有 Ir2=KIr12.47Ic，由此可得整定倍数 K2.47 （Ic/ Ir1） 。 另一方面，为了保证短路灵敏性，由式（1）可得到：Id 1.3Ir2 =1.3(KIr1)，故 KId/ (1.3Ir1)=0.77（ Id/ Ir1） 。至此，即得到 K 取值范围的完整计算公式： 2.47（Ic/ Ir1）K 0.77 （Id/ Ir1） （3 ） 式（3）表明，降低回路运行电流或增大回路短路电流，对于拓宽 K 的取值范围都十分有利。 此外，断路器短路过电流脱扣器的整定倍数 K 一定要合理取值，其大小应有所限制： K 若 整定太小，则无法避开灯具启动电流，可能导致开关误动；K 若整定太大，又无法满足短 路灵敏度要求，可能导致开关拒动。 当路灯配电干线最末端发生接地故障（即图 1 中的 f2）时，灯具引接线（ BVV 线）的相保 阻抗不再计入回路中。 当 L=700m 时，低压电缆 R4=3.930700=2751 m，X4=0.19700=133.7m 因此，回路总相保电阻 R = 0.05+10+0.372+27512761(m), 总相保电抗 X=0.53+30+0.451+133.7165 (m)。于是， Id=220/= 220/0.08(KA)=80A， 将接地故障电流 Id=80A，计算电流 Ic=20.43A, 长延时过流整定值 Ir1=23A 代入到式（3）中 就得到，2.194K 2.678 本例干线开关可选取 K=2.2（短延时倍数）的 CM1E。则 Ir2=KIr1=2.223A=50.6A（短延时 脱扣器整定电流值） 根据城市道路照明工程施工及验收规程CJJ89-2001 的行业标准 6.2.2 规定：“在保护接 零系统中，用自动开关作保护装置时，单相短路电流不应小于自动开关瞬时或延时动作电 流的 1.5 倍。 ” Id/ Ir2=80/50.6=1.581.5，满足规范要求。 经计算，L=700m 时，灯杆上的短路电流达 68A，大于短延时脱扣器的电流整定值。为 了从动作时间方面来满足上、下级间配合，此处利用了 B 类断路器的短延时脱扣器的短延 时功能而非瞬时脱扣器的瞬动功能。 当然，当 L-N 短路忽略不计时，也可采用 RCD 来作为路灯干线开关（据了解，厦门市政设 计院现在新设计的路灯方案，回路出线均采用带漏保的开关，其运行的经验有待进一步了 解。 ） 2 23 柜内一次回路的空气开关容量 根据工业与民用配电设计手册 （第三版）第十一章第六节，非选择型断路器与非选择型 断路器都不能保证选择性断电, 非选择型断路器与选择型断路器可以保证选择性断电。所 以只有第一级可以用非选择型断路器，其他级都应选用选择型断路器。上级断路器整定值 (下级断路器整定值的 1.2 倍，即可保证其选择性。 3 综上所述： 路灯杆内保护采用熔丝，配