分析低压线路过负荷保护两个公式的应用

核心提示：文章简述低压配电线路的计算负荷及其物理意义，介绍了并分析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，举例说明两个公式的应用，总结两个公式的应用要点。在低压配电干线系统中，干线的负荷电流一般不是恒定不变而是周期性变化的，当配电线路通过短时间少量的过负荷电流时，保护电器不应动作，在过负荷电流引起的导体温升对导体的绝缘、接头、端子或导体周围的物质造成损害前，保护电器应可靠动作。为此，国家规范规定了过负荷保护电器与被保护线路在相关电流参数上的配合关系，常称其为过负荷保护的两个公式。笔者在审查工作中发现，有的设计人员没有完全理解公式中的电流参数及其配合关系，未能熟练应用公式选择线缆截面并进行保护校验。本文简述低压配电线路的计算负荷及其物理意义，介绍并分析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，举例说明两个公式的应用，总结了两个公式的应用要点。
１　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：
　　ＩＢ≤Ｉｎ≤Ｉｚ（１）
　　Ｉ２≤１．４５Ｉｚ（２）
　　式中：ＩＢ—回路计算电流（Ａ）；
　　Ｉｎ—熔断器熔体额定电流或断路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，Ｉ２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。
对这两个公式可用图形形象地表达过负荷保护电器与被保护回路导体的特性配合（见右图）。
配电线路过负荷保护的保护电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过负荷保护两个公式的要求来确定。正确计算配电干线的计算负荷（或计算电流ＩＢ），是确定保护电器的额定电流或整定电流并选择线缆截面的基础。配电干线的计算负荷定义为用电设备组从供电系统取用半小时的平均负荷的最大值（Ｐ３０），其物理意义是指由这个计算负荷所产生的恒定温升等于实际负荷变化所产生的最大温升。之所以规定取半小时的平均负荷的最大值作为计算负荷，是因为一般１６ｍｍ２以上的导体达到稳定温升的时间约为３０ｍｉｎ，因此时间很短暂的尖峰负荷不是造成导体达到最高温度的主要矛盾，因为导体还来不及升到其相应的温度之前，这个尖峰负荷就已经消失了，只有持续时间在３０ｍｉｎ以上的负荷值，才有可能构成导体的最大温升。因此，如果计算负荷准确，实际运行时负荷也没有增加，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。计算负荷不准确（偏小）或工艺条件变化后设备负荷的增加均可能导致配电线路过负荷，当过负荷电流达到导体载流量的限值（１．４５Ｉｚ），保护电器必须在约定时间内可靠动作，也就是公式（２）规定的保护电器约定动作电流Ｉ２不大于导体允许持续载流量的１．４５倍，它是通过试验，综合和归纳所作试验结果并经协商通过的结果。
２　过负荷保护电器的相关特性
过负荷保护电器的动作特性公式中Ｉｎ、Ｉ２属于保护电器电流参数，由产品标准给出，也可由制造厂给出。符合国家产品标准配电用熔体、断路器的约定电流和约定时间的规定值见表１.
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等于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能实现可靠保护，过负荷保护规定所要达到的线路过负荷保护安全是相对的，是权衡经济性与安全性的结果。
３　分析
由保护电器的相关特性可见，Ｉｎ值相同，选用不同的保护电器，其Ｉ２值则不同，实现线路过负荷保护而要求的线缆Ｉｚ值就不同，电流参数配合关系分析如下。
①采用配电用断路器保护，Ｉ２＝１．３Ｉｎ，当满足公式（１）中Ｉｎ≤Ｉｚ的要求时，可得１．３Ｉｎ＜１．４５Ｉｚ，即Ｉ２＜１．４５Ｉｚ。可见，满足公式（１）、也自然满足公式（２）的要求，在设计实践中应用公式（１）确定的 脱扣器整定电流、线缆载流量，无需按公式（２）校验。
②采用熔断器保护，Ｉ２＝１．６Ｉｎ，当满足公式（１）中Ｉｎ≤Ｉｚ的要求时，未必满足１．６Ｉｎ＜１．４５Ｉｚ，即未必满足Ｉ２＜１．４５Ｉｚ；可见，满足公式（１），未必满足公式（２）的要求，按公式（１）确定的熔体额定电流、线缆载流量，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），加大一级线缆截面后，新的线缆载流量Ｉｚ１＞（１．６/１．４５）Ｉｚ.
由Ｉｎ≤Ｉｚ可得：
　　Ｉｎ＜（１．４５/１．６）Ｉｚ１
　　１．６Ｉｎ＜１．４５　Ｉｚ１
　　即Ｉ２＜１．４５Ｉｚ１，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当采用熔断器保护时，Ｉ２＝１．６Ｉｎ，代入公式（２）得：
　　１．６Ｉｎ≤１．４５Ｉｚ
　　即Ｉｚ≥（１．６／１．４５）Ｉｎ　
可见，当熔体额定电流Ｉｎ确定后，线缆载流量应满足Ｉｚ≥（１．６/１．４５）Ｉｎ，也必然满足公式（１）中Ｉｚ≥Ｉｎ的要求。所以，当熔体额定电流Ｉｎ确定后，可由公式（２）确定线缆载流量Ｉｚ并选择线缆，在设计实践中无需按公式（１）校验。
４　举例
举例１：某低压配电干线系统的干线计算电流ＩＢ＝８５Ａ，保护电器Ｉｎ＝１００Ａ，选用电缆ＹＪＶ－３×２５＋１×１６，电缆载流量校正系数取０．９，电缆载流量数据见表２，分析其是否满足过负荷保护要求。
分析：由表２得，所选电缆Ｉｚ＝１０９Ａ，１．４５Ｉｚ＝１５８Ａ
　　相关电流参数满足ＩＢ＜Ｉｎ＜Ｉｚ，即满足公式（１）的要求。
　　①当保护电器采用配电用断路器时
　　Ｉ２＝１．３Ｉｎ＝１３０Ａ＜１．４５Ｉｚ，也满足公式（２）的要求。
　　②当保护电器采用熔断器时
　　Ｉ２＝１．６Ｉｎ＝１６０Ａ≮１．４５Ｉｚ，不满足公式（２）的要求，电缆截面加大一级，选用电缆ＹＪＶ－３×３５＋１×１６，由表２得，电缆Ｉｚ１＝１３６Ａ
　　１．４５Ｉｚ１＝１９７Ａ
　　Ｉ２＝１．６Ｉｎ＝１６０Ａ＜１．４５Ｉｚ１
　　满足公式（２）的要求。
　　③当保护电器采用熔断器时
　　由公式（２）计算，线缆载流量应满足
　　Ｉｚ≥（１．６/１．４５）Ｉｎ＝１１０Ａ
　　由表２数据可知，应选用电缆ＹＪＶ－３×３５＋１×１６，才能满足过负荷保护要求。
　　举例２：某低压配电干线系统的干线计算电流ＩＢ＝１６３Ａ，保护电器Ｉｎ＝２００Ａ，选用电缆ＹＪＶ－３×９５＋１×５０，电缆载流量校正系数取０．９，电缆技术数据见表２，分析其是否满足过负荷保护要求。
　　分析：由表２得，所选电缆Ｉｚ＝２５７Ａ，１．４５Ｉｚ＝３７３Ａ
　　相关电流参数满足ＩＢ＜Ｉｎ＜Ｉｚ，即满足公式（１）的要求。
　　①当保护电器采用配电用断路器时
　　Ｉ２＝１．３Ｉｎ＝２６０Ａ＜１．４５Ｉｚ，也满足公式（２）的要求。
　　②当保护电器采用熔断器时
　　Ｉ２＝１．６Ｉｎ＝３２０Ａ＜１．４５Ｉｚ，也满足公式（２）的要求。
　　③当保护电器采用熔断器时
　　由公式（２），线缆载流量应满足
　　Ｉｚ≥（１．６/１．４５）Ｉｎ＝２２１Ａ
　　由表２数据可知，选用电缆ＹＪＶ－３×９５＋１×５０，能满足过负荷保护要求。
５　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）采用配电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，在设计实践中无需按公式（２）校验保护是否有效。
（3）采用熔断器作为保护电器，按公式（１）确定的熔体额定电流Ｉｎ、线缆载流量Ｉｚ，未必能满足公式（２）的要求，必须按公式（２）校验保护是否有效。
（4）采用熔断器作为保护电器，按公式（１）确定的熔体额定电流Ｉｎ、线缆载流量Ｉｚ，按公式（２）校验不满足要求时，加大一级线缆截面后，就可满足要求，无需再次校验。
（5）采用熔断器作为保护电器，当熔体额定电流Ｉｎ确定后，由公式（２）确定线缆载流量Ｉｚ≥（１．６/１．４５）Ｉｎ并选择线缆，必然满足公式（１）中Ｉｚ≥Ｉｎ的要求，在设计实践中无需按公式（１）校验。
（6）爆炸危险等特殊环境的线缆载流量应按相关规范规定确定（如爆炸气体环境１、２区线缆载流量不应小于保护熔断器熔体额度电流的１．２５倍，或断路器反时限过电流脱扣器额度电流的１．２５倍）。