浅谈影响低压配电线路相导体截面选择的因素

2022-09-11

0 引言

配电线路的作用是将电能送到各用电单位的线路。在我国交流系统中低压配电线路通常是指配电电压为380V/220V、频率为60Hz的配电线路。一根配电线路是由保护电器以及配电导体组成, 根据导体的作用及功能可分为相导体、中性线导体、接地导体, 本文就配电系统设计时影响低压配电线路相导体截面选择的因素进行分析和探讨。

1 载流量

载流量是指一条线缆线路在输送电能时所通过的电流量。本文所指载流量为导体长期允许载流量, 即在热稳定条件下, 当导体达到长期允许工作温度时的载流量。导体的载流量取决于导体的材质、敷设方式、环境温度以及导体的截面。在其他条件不变的情况下, 导体的载流量将随着导体截面增大而增大, 但非线性增长。

配电线路设计时, 要求导体长期允许载流量不小于线路计算电流, 即Iz≥Ic。所以在明确导体的材质、敷设方式、环境温度后, 相导体截面的选择会受线路计算电流大小的影响。

现举例说明, 某通信机房内1#服务器机柜计算电流为25A, 配电线缆为三芯ZC-YJV (阻燃型交联聚乙烯绝缘聚氯乙烯护套电力电缆) , 电缆敷设及环境温度校正系数为0.8, 相导体截面选择计算如下:

1) 电缆长期允许载流量计算;

式中Iz为导体长期允许载流量、Ic为线路计算电流、F为电缆敷设及环境温度校正系数、Iec为YJV电缆长期允许载流量。

2) 选择相导体截面;

根据Iec≥31.25A的要求, 并对照表1-1, 选择的相导体截面S≥4 (mm2) 。

2 电压偏差

电压偏差是配电系统在正常运行方式下 (即系统中所有元件都按预订工况运行) , 系统各点的实际电压U对系统标称电压Un的电压偏差△U, 电压偏差常用相对于系统标称电压的百分数表示, 即:

由于配电线路导体自身存在阻抗, 引起了配电线路电压损失 (即U-Un) , 在线路导体材质、长度、使用环境以及经过导体电流以一定的情况下导体截面越大阻抗就越小, 配电线路电压损失越小。所以为保证用电负荷可正常运行, 应按电压偏差校验配电线路相导体截面。

以文献[1]表9-63给出的计算式为例:

式中R0为三相线路单位长度的电阻、X0为三相线路单位长度的感抗、I为负荷计算电流、L为线路长度、△Ua为三相线路每1A*km的电压损失百分数、cosφ为功率因素。

假设线路为三相负荷平衡线路, △U按7%控制, I=40A, L=300m, cosφ=0.8, 对相导体截面进行校验, 根据公示2-2得:△Ua≤0.583%/ (A*km)

根据上表所示, 选择的相导体截面积S≥16 (mm2) 。

3 机械强度

机械强度指材料受外力作用时, 其单位面积上所能承受的最大负荷。导体敷设方式、敷设环境不同, 导体所承受的外力作用也不同。所以配电线路选择相导体时应按机械强度校验截面。文献[1]根据各类国家标准整理出表9-9按机械强度允许的最小截面, 由于现行国家标准《电缆的导体》GB/T 3956的规定铝导体的最小截面是10mm2, 故调整表格中相应内容, 具体如下表所示。

如上表所示, 假设具体工程中所用配电线缆采用穿线槽敷设, 线缆材料为铜线, 相导体截面积S≥1.5 (mm2) 。

4 热稳定

热稳定是一种承受热量的能力, 配电线路导体的热稳定是指电流通过导体时, 导体要产生热量, 并且该热量与电流的平方成正比, 当有短路电流通过导体时, 将产生巨大的热量, 由于短路时间很短, 热量来不及向周围介质散发, 衡量电路及元件在这很短的时间里, 能否承受短路时巨大热量的能力。

根据《GB 50054-2011低压配电设计规范》中3.2.14的要求, 选择相导体截面时应能满足电气系统间接接触防护自动切断电源的条件, 且能承受预期的故障电流或短路电流, 即相导体截面S应满足下列公式:

式中t为短路电流持续时间, I为计算短路电流, K为计算基数 (取决于导体的物理特性) 。

现举例说明, 某配电线路计算三相短路电流为3k A, 断路器的燃弧时间及固有动作时间之间和约为0.05s, 配电线缆为YJV电力电缆 (根据文献[1]中表11-1查得K=143) 。根据公式4-2, 计算得相导体截面S≥4.6mm2。

5 线路保护

配电线路保护主要是在电气故障情况下, 防止因间接接触带电体而导致人身电击, 因线路故障导致过热造成损坏、甚至导致电气火灾。根据《GB 50054-2011低压配电设计规范》中6.1.1要求, 配电线路应装设过负荷保护和短路保护。

1) 过负荷保护

过负荷保护是指当配电线路电流超过过负荷保护装置预设值时, 过负荷保护装置自动断开电流回路, 起到保护有效负载的作用。过负荷保护电器的动作特性满足下列公式要求:

式中Iz为导体长期允许载流量、In为线路保护电器额定电流或整定电流, Ic为线路计算电流, 根据公式5-1可以看出导体长期允许载流量应不小于线路保护电器额定电流或整定电流。

现举例说明:如配电线路保护电器为微型断路器, 整定电流为32A, 配电线缆为YJV电力电缆, 电缆敷设及环境温度校正系数为0.8。根据公式5-1, YJV电缆长期允许载流量Iec≥40A, 本文表1-1所示, 选择的相导体截面积S≥6 (mm2) 。

2) 短路保护

《GB 50054-2011低压配电设计规范》中6.2.4要求:当短路保护电器为断路器时, 被保护线路末端的短路电流不应小于断路器瞬时或短延时过电流脱扣器整定电流的1.3倍。现以微型断路器为例进行说明, 根据瞬时脱口特性微型断路器可分为B、C、D三型, 其中B型瞬时脱口范围为 (3~5) In, C型为 (5~10) In, D型为 (10~14) In, In为微型断路器额定电流。为满足上述要求, 如采用B型微型断路器, 则应满足以下公式:

式中Id为线路末端短路电流, Z位线路阻抗, R为线路电阻, X为线路电抗, R和X值根据线路长度及导体截面计算所得。

现举例说明, 某配电线路长200m, 配电保护电器为B型微型断路器, 额定电流为25A, 配电电缆为五芯YJV电力电缆, 当线路末端发生单相短路故障时, 相导体截面积S的选择计算如下:

根据公式5-6的计算结果以及表5-1中线路阻抗的对应值 (线路阻抗计算过程本文不单独介绍) , 选择的相导体截面积S≥10 (mm2) 。

6 经济电流

相导体截面选择的影响因素除了上述技术条件外, 另一个影响因素是经济条件, 即按经济电流选择。在一定的敷设条件下, 每一线芯截面都有一个经济电流范围。文献[1]中表9-58为0.6/1.0k V低压电缆的经济电流范围。现举例说明, 某一负荷计算电流Ic=40A, 年最大负荷利用小时数Tmax=4000h, 地处华东区域, 环境系数为0.8, 电缆选用YJV电力电缆。

1) 按载流量考虑

根据公式1-1及1-2, YJV电缆长期允许载流量Iec≥50A, 选择的相导体截面积S≥16 (mm2) ;

2) 按经济电流考虑

根据6-1所示, 选择的相导体截面积S≥25 (mm2) 。