谈道路照明的短路校验.doc

摘 要：针对道路照明电气设计中常见的长距离配电保护和电缆截面选择问题，通过实例计算，深入说明单相短路电流计算在城市道路照明设计中的重要性，对今后电气设计工作有一定参考价值。关键词：单相短路；灵敏性；过电流脱扣器；照明设计是城市道路设计中比较重要的一项设计内容。为了确保城市道路照明能为车辆驾驶人员以及行人创造良好的视看环境，达到保障交通安全，提高交通运输效率，方便人民生活，防止犯罪活动和美化城市环境的效果，建设部于1991年特制定了城市道路照明设计标准CJJ45-91。标准要求道路照明设计原则为“安全可靠、技术先进、经济合理、节约能源、维修方便”。并对照明标准、光源和灯具的选择、照明设计、照明供电和控制以及节能措施等方面做了较详尽的规定和要求。笔者在工程设计中运用和深入了解标准的过程中，受益匪浅，同时也发现一些不完善之处，比较突出的是规范中对照明供电保护及电缆选择没有做详细说明和要求。在道路实际使用中发生的电气故障，小到电缆烧毁，大到人身触电伤亡事故的出现，都与此相关。笔者希望本文起抛砖引玉的作用，以引起有关部门的重视，并与本行业同仁一同探讨。在道路照明配电中，由于配电线路较长，配电线路零序阻抗较大，单相接地（零）短路电流相对较小。为了计算低压配电系统的单相接地（零）电流，需要利用不对称短路电流的计算方法。不对称短路电流可利用计算三相短路的原则进行计算。因为电压的对称分量与相应的电流对称分量成正比，因此在正序、负序和零序分量中，都能独立地满足欧姆定律和克希荷夫定律。正序、负序和零序电流也只产生相应地正序、负序和零序电压，利用这一个重要的性质，可以用电工学中对称分量法分析在对称电路中所产生的各种不对称短路。1 单相接地（零）短路电流的计算不对称短路时，由于距发电机的电气距离很远，降压变压器容量与发电机电源容量相比甚小，因此，可假定正序阻抗约等于负序阻抗。单相接地（零）短路电流按下式计算：=式中UC标称线电压（V）； R0，X0，Z0 配电网络的总零序电阻，总零序电抗，总零序阻抗；R1，X1，Z1 配电网络的总正序电阻，总正序电抗，总正序阻抗；单相接地（零）短路公式推导参见电力工业出版社出版的高等学校教材电力系统继电保护原理第一章第六节内容。2 电路中主要元件阻抗2.1 电力系统正序电抗的计算在计算低压电力网络短路时，有时需要计入系统电抗Xx，如果系统电抗不知，只有原线圈方面的短路容量或高压断路器的额定容量Sdn（MVA）时,则系统正序电抗可近似地按下式计算： X=（m） 式中 Uj=Up平均线电压（V）；Sdn 原线圈方面的短路容量或高压断路器的额定容量（kVA）。2.2 变压器阻抗的计算变压器的正序电阻：R=（m） 变压器的正序电抗：X=（m）式中 Pd 变压器短路损耗 （kW）；Ue 变压器二次侧额定电压 （V）；Se 变压器额定容量 （kVA）；Ud% 变压器阻抗电压百分比。变压器的零序电抗是与其本身结构和绕组的接法有关。目前不少厂家生产的Dyn11结线变压器比Yyn0结线变压器零序阻抗小，二次侧短路电流大，可提高一次侧过电流保护兼作二次侧单相接地保护的灵敏性。故建议使用Dyn11结线变压器，变压器的零序电阻，零序电抗的取值计算如下：R0=RI+RII=R1 X0=XI+XII=X1 式中 R0，X0 变压器的零序电阻，零序电抗；RI，XI 变压器的一次绕组电阻，漏电抗；RII，XII 变压器的二次绕组电阻，漏电抗；R1，X1 变压器的正序电阻，正序电抗。推导参见机械工业出版社出版的高等学校教材工厂供电。2.3 铜、铝母线电阻电抗的计算（矩形截面母线各相在同一平面内）：R=10（m）X=0.145llg（m）式中 R、X 铜、铝母线电阻及电抗；l 母线长度（m）； 铜、铝导电率；S 导线截面（mm2）；Dj 母线相间几何均距（mm）；h 母线宽度（mm）。2.4 低压电网中的其他元件如断路器、电流互感器的正序、零序电阻和电抗可查表。参见工厂配电设计手册第一版表4-22，表4-25，表4-26。2.5 配电线路的正、负序电阻和正、负序电抗和电抗 值参见工厂配电设计手册第一版表4-27至4-33。线路的零序电阻、零序电抗、相强电阻、相保电抗可从这些表中给出的相线和得护线的零序电阻和零序电抗值按下列公式计算而得：线路的零序电阻 R0=R0x+3R0l 线路的零序电抗 X0=X0x+3X0l线路的相电阻 R00=1/3（R1+R2+R0x+3R0l）线路的相电抗 X0=1/3（X1+X2+X0x+3X0l）式中 R0l，X0l 相零线的零序电阻和零序电抗；R0x，X0x保护零线的零序电阻和零序电抗；R1，R2，R0线路的正序、负序和零序电阻；X1，X2，X0线路的正序、负序和零序电抗。3 下面通过具体的道路照明配电系统图（见附图），计算单相接地（零）短路电流值已知变压器高压侧短路容量为100 MVA，变压器采用SLC-100kVA/10/0.4kV一台，Dyn11结线形式。配电系统采用三相四线制TT系统。在1000m配电线路中，照明灯具按35m间距布置，配电方式采用间隔配电，故每条线路上每70m设置一套灯具，照明灯具采用总功率为2250W的高压钠灯灯具一套，照明干线采用VV221kV425mm2电力电缆一根，穿PVC管埋地敷设。计算如下： 3.1 正序分量计算高压系统的正序电抗： X1=1.6（m） 高压系统中无零序电流流过，故不计及零序电流。变压器正序电阻：238.4（m） 变压器正序电抗：X2=79.2m 断路器、接触器、电流互感器的接触电阻、线圈电阻及线圈电抗在长距离配电系统中远小于其他元件的电阻电抗值，可以忽略不计。母线长度较短，计算中忽略不计。电缆相线的正序电阻： R3=895 （m） 电缆相线的正序电抗： X3=82 （m） 3.2 零序分量计算高压系统中无零序电流流过，故不计及零序阻抗。变压器零序电阻： R02=R2=38.4（m） 变压器零序电抗： X02=X2=79.2（m） 电缆线路：相线 X0x=101（m） R0x=R3=895（m） 保护线 X0l=137（m） R0l=2193（m） 电缆线路的零序电抗： X0=X0x+3X0l=101+3137=512（m） 电缆线路的零序电阻： R0=R0x+3R0l=895+32193=7474（m） 最末点发生单相接地时相护回路电抗：Xxl=1/3（2Xl+X0）=1/3（2（1.6+79.2+82）+（79.2+512）=305.6（m） 最末点发生单相接地时相护回路电阻：Rxl=（2Rl+R0）/3 =（2（38.4+895）+（38.4+7474）/33127（m） 单相接地短路电流为：= =69900（mA）69.9A4 断路器的选择4.1 断路器额定电流的确定 一千米路灯数量为14盏，高压钠灯功率因数为0.45。道路照明计算电流： js=23（A） IezIjs 取 Iez=100A4.2 断路器长延时动作的过电流热脱扣器额定电流.的确定： Izd1Kz1Ijs=123=23A 取脱扣器额定电流为 It.e=25A。照明用断路器长延时脱扣器对高压钠灯的计算系数取1。参见工厂配电设计手册第一版表11-21。4.3 断路器瞬时动作的过电流脱扣器的确定 Izd3Kz3Ijs=623=138A 取 Izd3=150A照明用断路器瞬时脱扣器对高压钠灯的计算系数取6。参见工厂配电设计手册第一版表11-21。4.4 按短路电流校验断路器动作灵敏性： =0.466 断路器动作系数取1.5时，灵敏性远远达不到要求。 用断路器动作系数及短路电流确定断路器瞬时脱扣器整定倍数值： N=1.86 由于单相接地电流较小，现有的热磁式断路器瞬时过电流脱扣器的整定电流值最小为3倍脱扣器额定电流，一般较难满足灵敏性的要求。如用过电流长延时脱扣器做后备保护，容易使电缆长时间过电流，轻则烧毁电缆，重则引起火灾。由于道路配电属于单相配电，即使配电中尽量使三相平衡，零序电流仍较大，也不能使用另加零序保护装置的措施。5 结论按“JB1284-73”的规定，非选择型配电用断路器的瞬时过电流脱扣器的整定电流值为10倍脱扣器额定电流（可调式为310倍），只具有瞬时过电流脱扣器的断路器，其脱扣器整定电流值为13倍或38倍脱扣器额定电流。遗憾的是，至今尚未查到如上面规定提到的只具有瞬时过电流脱扣器的热磁式断路器产品，包括像ABB,Schneider,Moeller等国外大公司也无此类产品。目前解决这个问题的办法：（1）加大电缆截面，降低配电线路的零序电阻和电抗，一般道路照明设计中，线路电压都能满足规范要求，在不影响投资和施工难度的情况下，这不失为一个好办法；（2）使用电子式脱扣器，其保护短路时磁脱扣可最小做到1.5倍脱扣器额定电流。能满足保护要求；（3）减少配电距离，以满足电气保护可靠性，具体做法可参照根据单相短路电流确定配电最小距离的相关资料，本文不再赘述；（4）采取可靠的接地保护方式，做好防触电安全防护工作非常必要。现在照明工程上经常使用TT系统，该系统便于运用在路灯周围作等电位的方法，以防止间接触电。在满足电缆线路泄漏电流要求的情况下，在电源侧加装漏电保护，较少接地故危害。单相电流短路危害，主要在于短路电流小，使得电气保护元件不能及时切断短路电流，从而造成电缆发热燃烧，