学习低压配电线路过负荷保护问题

　　 1 前言
　　大量的中小型企业、民用建筑物设计配置的用电设备和生活用电的家用电器，大多数采用低压220/380V系统供电。为了更加合理设计和选择配电系统中的电气设备和导线，需要根据用电设备有关的电力负荷进行统计计算，所得到的负荷为计算负荷。按照联接在电力网络上一切用电设备所需要的功率，统称用户的用电负荷;按照所消耗功率的性质，用电负荷又分为有功负荷[单位以千瓦(kW)表示]和无功负荷[单位以千乏(kVar)表示]。在低压配电线路中又分为干线配电和分支线配电。
　　在低压配电干线系统中，干线的用电负荷电流一般不是固定不变的，是周期性变化的。当配电线路通过短时少量的过负荷电流时，保护断路器不应动作，在过负荷电流引起的导线温升对导线的绝缘、接头、接线端子或导线周围的物质造成损害前，断路器应可靠动作(在此说明一下，导线接头过热在运行过程中常有发生，其原因是常因氧化、腐蚀、裂痕等原因而造成接触不良，使接头处的电阻远远大于同长度导线电阻，当电流通过时，由于电流的热效应使接头处导线的温度升高，造成接头处过热)。为此，《低压配电设计规范》(GB50054-2011)规定了断路器过电流脱扣器与被保护线路在相关电流参数上的配合关系，断路器额定电流、脱扣器整定电流过负荷保护的两个公式。笔者在校审设计图纸中常发现，有的设计人员没有完全理解两个公式中的电流参数及其配合关系，在选用线缆截面时也未能进行保护效验。本文就学习国标GB50054-2011中关于配电线路过负荷保护两个公式中的电流参数及其配合关系简短发表看法。
　　 2 过负荷保护的两个公式
　　《低压配电设计规范》(GB50054-2011)第6.3.3条规定，过负荷保护电器的动作特性应符合下列公式的要求：
　　Iβ≤In≤IZ(1)
　　I2≤1.45IZ(2)
　　式中：Iβ—回路计算电流(A);
　　In—断路器或熔断器额定电流或整定电流(A);
　　IZ—导体允许持续载流量(A);
　　I2—保证保护电器可靠动作的电流(A).
　　当保护电器为断路器时，IZ为约定时间内的约定动作电流;当为熔断器时，I2为约定时间内的约定熔断电流。使用断路器按标准GB14048.2-94规定，约定动作电流为1.3In，只要满足In≤IZ，即符合公式(2)要求。In也就是断路器脱扣器长延时整定电流Izd1，也就是要求满足公式：
　　IZd1≤IZ或IZd1/IZ≤I2(3)
　　用这两个公式说明过负荷保护电器与被保护回路的线缆须作如下步骤相配合。即由计算电流IB→额定电流或整定电流In→线缆载流量IZ→约定动作电流I2(保护回路不同参数电流I)→达到线缆的限值1.45IZ.
　　配电线路过载保护的断路器及线缆截面的选择，不是根据配电干线瞬时或短时的最大负荷值，而是根据配电干线的计算负荷并按公式(1)、(2)的要求来确定。正确计算配电干线的计算负荷(或计算电流IB)，用以确定断路器的额定电流或整定电流In来选择线缆截面的。配电干线的计算负荷是用电设备组从供电系统取用半小时平均负荷的最大值(P30)，一般来说，线缆通过电流达到稳定的时间约为3~4τ(τ=10min)，也就是载流导体的热效应约在30min的时间可达到稳定的温升值。所以，配电设计中通常采用30min作为最大平均负荷(P30)，按发热条件来选择配电变压器、线缆和电器电流的依据。因此，不考虑时间很短的高峰负荷会造成线缆的最高温升，因为线缆高负荷电流还来不及将温升升到高温之前，高负荷电流就已经消失了。只有持续时间在30min以上的负荷值，才有可能使线缆的温度升到最大温度。如果计算负荷值准确、实际运行时也不会有负荷增加，按公式(1)确定的配电线路就不会过负荷，也不存在用公式(2)来校验保护是否有效的问题。如果计算负荷偏小或变化后设备负荷有所增加，可能导致配电线路过负荷。当过负荷电流达到线缆载流量的限值1.45IZ，保护电器必须在约定时间内可靠动作，也就是公式(2)规定约定动作电流I2不大于线缆允许持续载流量的1.45倍，它是通过生产厂家产品试验的结果。
　　过负荷保护电器的动作特性公式中，IB、I2属于保护电器电流参数，符合国家产品标准配电用断路器、熔断器的约定电流和约定时间的规定值见下表，由产品标准给出。


　　保护电器的In值是指可长期通过保护电器而不会使其特性变劣的电流，I1是保护电器约定不动作电流，I2是保护电器约定动作电流。通过保护电器的电流不大于I1时，保护电器肯定不动作;通过保护电器的电流大于I1时，保护电器可能动作也可能不动作;通过保护电器的电流大于I2时，保护电器在约定时间内可靠动作。显然，对于小于I2值的持续过负荷电流不可能实现可靠保护，过负荷保护所要达到的线路过负荷保护规定值是相对的，是权衡安全性和经济性的结果。


　　3 配电线路的保护电器特性分析


　　配电线路的干线以及它们的分支线或引至用电设备的支线(自干线或配电箱引出)应有防止过电流保护装置。任一线段的过电流保护器均应考虑到持续通过其中最大平均负荷电流和在线路中接入个别大型电动机时产生的短时尖峰电流的作用。换句话说，就是选用低压断路器的脱扣器或熔断器的熔断片的整定动作电流应满足下表的条件。从保护电器的相关特性来说，In值相同，选用不同的保护电器，其I2值不同，选用线路过负荷保护而要求的线缆IZ值也就不同，电流参数配合关系分析如下：


　　(1)配电线路用断路器保护，I2=1.3In，当满足公式(1)中In≤IZ的要求时，可得1.3In<1.45IZ，即IZ<1.45IZ.可见，满足公式(1)，也自然满足公式(2)的要求，在设计配电工程中应用公式(1)确定断路器的脱扣器整定电流、线缆载流量，无需按公式(2)校验。


　　(2)配电线路用熔断器保护，I2=1.6In，当满足公式(1)中In≤IZ的要求时，未必能满足1.6In<1.45IZ，即公式(2)的要求，所以，确定熔片电流、线缆截流量必须按公式(2)校验。当校验不满足要求时，一般是加大一级线缆截面。由于我国线缆产品载流量级差均大于1.6/1.45=1.1，加大一级线缆截面后，新的线缆载流量IZ1>1.1In，即IZ<1.45IZ，满足公式(2)的要求，所以，加大一级线缆截面后，无需再次校验。


　　(3)举例说明。例1：某低压配电干线系统的干线计算电流IB=130A，保护用断路器脱扣器整定电流In=140A，选用埋地敷设的YJV型3×35+1×16mm2电缆，电缆载流量164A，电缆载流量校正系数取0.9，电缆允许持续载流量IZ=164A×0.9=147.6A，其相关电流参数IB=130A，In=140A，IZ=147.6A，即IB


　　(1)配电线路用断路器保护其整定电流为140A，断路器脱扣器可靠动作的电流I2=1.3In=1.3×140=182A<1.45IZ=1.45×147.6=214A，满足了公式(2)的要求。


　　(2)配电线路熔断器保护时，I2=1.6In=1.6×140=224A，且大于1.45×147.6=214A，不能满足公式(2)的要求，电缆截面加大一级，选用YJV型号-3×50+1×25mm2电缆，电缆允许持续载流量IZ1=189A×0.9=170A，1.45IZ1=246.5A，I2=1.6In=1.6×140=224A<246.5A，满足公式(2)的要求。加大一级电缆载流量应满足IZ≥(1.6/1.45)In=1.1×140=154A.所以，只有选用YJV型-3×50+1×25mm2电缆，才能满足过负荷保护要求。


　　例2：配电干线系统的干线计算电流IB=163A，用断路器保护In=200A，选用埋地敷设铠装型电缆YJV22-3×95+1×50mm2电缆载流量286A，电缆载流量校正系数取0.9，电缆允许持续载流量IZ=286×0.9=257.4A，其相关电流参数IB=163A，In=200A，IZ=257.4A，即IB


　　(1)配电线路用断路器保护其整定电流为200A，断路器脱扣器可靠动作的电流I2=1.3In=1.3×200A=260A <过负荷电流达到电缆载流的限值1.45iz=1.45×257.4=373.2a，所以iz=260a<373.2a，满足公式(2)的要求。


　　(2)配电线路用熔断器保护时，I2=1.6In=320A<1.45IZ=1.45×257.4=373.2A，也满足公式(2)的要求。而YJV22-3×95+1×50电缆的载流量应满足IZ≥(1.6/1.45)In=1.1×200=220A，能满足过负荷保护要求。


　　4 结束语


　　(1)正确计算配电线路的计算负荷是做好过负荷保护设计的基础，过负荷保护规定要达到的线路过负荷保护安全是相对的。


　　(2)配电线路用断路器作为保护电器，按公式(1)确定的保护电器In、线缆载流量IZ也能满足公式(2)的要求。


　　(3)配电线路用熔断器作为保护电器，按公式(1)确定的熔片额定电流In、线缆载流量IZ不能满足公式(2)的要求，应用此式校验保护是否有效。


　　(4)选用的断路器或熔断器的型号、规格参数详见生产厂家产品说明。