低压三相电动机远距离配电问题探讨_王路波

Id3
= 1. 05ST
槡3 U n
uk% 100
那么图 1 中 K1 点的三相短路电流约为 25 kA， 实际上这个数应该是大于 K1 点的实际三相短路电 流的，所 以 断 路 器 的 分 断 能 力 只 要 大 于 或 等 于
25 kA肯定是满足要求的。
需要注意的是，当各电气元件参数均已知时，
借助电气设计软件进行计算同样省时省力。
Id1 = 50 / ＲA ≥Ia 或 ＲA Ia ≤50 V 式中，ＲA 为接地极电阻和自然接地极至外露导电 部分的 PE 线电阻之和； Ia 为使防护电器在规定时 间内可靠动作电流，采用 ＲCD 时，Ia 为 ＲCD 的额
图 5 方案四配电系统图
综合比较方案一至方案四，其中方案二至方 案四均是比较经济和容易实现的。故当保护电器 过电流 保 护 兼 作 接 地 故 障 保 护 不 能 满 足 要 求 时， 可以根据实际情况选用这三种方案的任何一种。
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·建筑电气·2014 年第 33 卷第 2 期
低压三相电动机远距离配电问题探讨
| Power Distribution 供配电
槡 Id3 = 1. 05U0 / Ｒ2K + X2K
Ｒk = ＲS + ＲT + Ｒm Xk = XS + XT + Xm 式中，U0 为系统相电压； Ｒk、Xk 为短路电路的总 电阻、总电抗； Ｒs、Xs 为变压器高压侧系统的电 阻、电抗 （ 归算到 400 V 侧） ； Ｒm、Xm 为低压母 线电阻、总电抗。
配电系统中的系统接地型式、短路保护电器和电缆的选择 和配电电缆的选择设计进行探讨。
等展开分析和探讨。
王路波 /上海浚源建筑设计有限公司河北设计院
对工程设计人员来说，在日常的工 程设计中，难免遇到一些远离变电所的 电动机，如一些水泵、工业生产用电动 机等。因为配电线路较长，若配电系统 设计不恰当，往往会出现电动机无法起 动、发生短路故障时开关没有跳闸引发 触电事故等问题，而这些问题与其配电 设计中系统接地型式、保护电器及导体
定动作电流 IΔn。 对于本方案，当 Ia 为 300 mBiblioteka Baidu 时，要求 ＲA ≤
50 V /0. 3 A = 166 Ω； 当 Ia 为 500 mA 时，要 求 ＲA≤50 V /0. 5 A = 100 Ω，均比较容易满足。这里 值得一提的是，对于处于户外的电气装置，且所 处场所难以进行等电位联结时，TT 系统从电击安 全性和保护可靠性上来说，是优于 TN 系统的。本 方案配电系统图如图 5 所示。
那么对于图 1 所示系统，若选择配电电缆规 格为 4 × 16 mm2 ，查 《手册》 知电缆单位长度相 保电阻为 3. 291 mΩ，图 1 中 K2 点的单相接地故 障 电 流 为： Id1 = 220 V / （ 3. 291 mΩ × 200 ） = 0. 334 kA = 334 A，所选断路器瞬时整定值的 1. 3 倍为 1 248 A，与 Id1 相差甚远，无法满足要求。
简单，根据其工作条件按 《工业与民 时及瞬时值做出整定后，尚应根据配电回
用配电设计手册》 第 3 版 （ 以下简称 路的预期三相短路电流 Id3 、末端单相接地
《手册》） 及厂家样本中提供的开关配 故障电流 Id1 等对其分断能力及灵敏度等进 合表选择即可满足要求，短路保护电器 行校验。
（ 断路器、熔断器） 及配电导体的选择
常规的变压器，在已知系统短路容量 的情况下，求 Id3 值最简便的 方法 是 查 《手 册 》。 当 变 压 器参 数 比 较 特 殊 时， 则 应 加
以计 算， 下 面 介 绍 一 种 简 单
的估算方法。
图 1 典型笼型低压三相电动机配电系统图
根 据 《手 册 》 中 的 公 式，K1 点的三相短路电流为
图 4 方案三配电系统图
4） 方案四： 将系统接地型式改为 TT 系 统。 系统接地型式改为 TT 系统时，保护电器一般选用 剩余电流保护装置 （ ＲCD） 。保护方式基本与方案 三相同，不 过 增 加 了 接 地 电 阻 的 要 求。TT 系 统 中，为满足预期接触电压超过 50 V 时，防护电器 能及时切断电源的要求，故障电流 Id1 应大于防护 电器在规定时间内 （ 这里为 5 s） 切断电源的可靠 动作电流，即
结束语
通过以上分析，远距离电动机的配电设计需 要一个计算和仔细分析的过程，才可以有一个安 全可靠的系统，忽略任一环节，都可能引发事故。
（ 收稿日期： 2013-03-18） EA
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王路波 /工程师
的选择等有着密切的关系。 一般的电动机主回路分别由短路保
护电器 （ 断路器、熔断器） 、接触器、 热继电 器 和 配 电 导 体 （ 导 线 或 电 缆）
短路 保 护 电 器 分 断 能 力 及 灵 敏 度 的 校验
对于图 1 中断路器来说，在以工作电
组成，其中接触器及热继电器选择较为 压、工作电流初步对短路保护电器的长延
图 3 方案二配电系统图
3） 方案三： 采用剩余电流动作保护电器。根 据 GB 50054—2011 《低 压 配 电 设 计 规 范 》 第 5. 2. 13 条规定，当保护电器过电流保护兼做接地 故障保护不能满足要求时，应采用剩余电流动作 保护电器。此时，断路器剩余电流保护整定值 Iset4 要求大于正常运行时，线路和设备的泄露电流总 和的 2. 5 ～ 4 倍，同时 Iset4 的 1. 3 倍尚应不大于接 地故障时流过线路 PE 线的故障电流，一般取 Iset4 整定值为 300 mA 或 500 mA。本方案配电系统图 如图 4 所示。
| 供配电 Power Distribution
低压三相电动机远距离配电问题探讨
对于远离变电所的电动机，往往因配电距离较远，需 短路保护电器采用断路器，配电导体采用
要对其短路保护能力及电动机可正常运行的供电电压进行 交联聚乙烯电缆，配电距离 200 m。下面
校验。结合工程实例，就远距离普通笼型低压三相电动机 以图 1 为例就其配电系统中短路保护电器
2. 保护电器短路保护灵敏度的校验
对于断路器，要求 K2 点的单相接地故障电流 大于断路器瞬时整定值的 1. 3 倍，即 Id1 ≥1. 3Iset3 。
根据 《手册》 计算公式
槡 Id1 = U0 /
Ｒ2 php
+
X2 php
式中，Ｒ php 、X php 为短路 电 路 的 总 相 保 电 阻、 相 保
一般情况下，系统相电压是显而易见的，而
系统阻抗、变压器阻抗及母线阻抗则需要计算和
查表获得，使得三相短路电流的计算显得较为烦
琐。这里认为一般情况下可以采用简易计算方式对
K1 点的三相短路电流进行估算，公式推导如下： 通过比较电气元件阻抗可知，系统阻抗、变
压器阻 抗 和 母 线 阻 抗 三 者 中， 变 压 器 阻 抗 最 大，
1. 保护电器分断能力的校验
则需要经过详细计算和分析。
对于图 1 所示的配电系统，要求断路
关键词/ Keywords 电动机·
接地型式· 短路保护· 电压损失·
图 1 所示为一典型的笼型低压三相 电动机配电系统图，系统接地型式采用 常用 的 TN—S 系 统，直 接 起 动 方 式，
器的分断能力应大于 K1 点的预期三相短路 电流 Id3 。
电抗。
在系统各元件参数难以得知的情况下，这里
同样可以进行简易估算方式，推导如下： 通过比较电气元件相保阻抗可知，系统相保
阻抗、变压器相保阻抗、母线相保阻抗和配电电 缆相保阻抗中，配电电缆线路相保阻抗最大，而 其相保电阻远大于其相保电抗，若忽略系统相保 阻抗、 变 压 器 相 保 阻 抗 和 电 缆 相 保 电 抗，则： Id1 = U0 / Ｒphp. L 。
4. 配电电缆电压损失校验 根据以上内容，对配电电缆已有一个基本的 选型，一般情况下应该是可以满足要求的。但是， 因配电距离较远，为了电动机能够正常的起动和 运行，这里尚应考虑线路的电压损失，校验线路 末端的电压偏差。当电缆截面积选用 16 mm2 时， 根据 《手册》，线路的电压损失百分比为 Δu% = 0. 518 × 56. 8 × 0. 2 = 5. 88， 显 然 不 满 足 GB 50052—2009 《供配电系统设计规范》5. 0. 4 条第 一款电动机电压偏差 ± 5% 的要求。因此宜加大电 缆截面积至25 mm2 ，此时线路电压损失百分比为 Δu% = 0. 340 × 56. 8 × 0. 2 = 3. 86，满足规范要求。 这样方案三及方案四的电缆应分别改为 YJV—0. 6 / 1 kV 3 × 25 mm2 + 1 × 16 mm2 及 YJV—0. 6 /1 kV 3 × 25 mm2 。
而变压 器 电 抗 远 大 于 其 电 阻， 若 忽 略 系 统 阻 抗、
母线阻抗和变压器电阻，则
Id3 ≈1. 05U0 / XT
XT
= uk% 100
× U2n ST
式中，uk% 为变压器阻抗电压百分值； Un 为系统
标称电压，kV； ST 为变压器容量，MV·A； U0 =
Un /槡3。 可得
电动机主回路保护电器及电缆的初步 选择
根据配电回路电压、电流等工作条件， 断路器长延时整定值 Iset1 = 80 A，作 为 电 动机保护电器，其瞬时整定值应为电动机 起动电流 2 ～ 2. 5 倍，这里取其为Iset3 = 12Iset1 = 960 A，配电电缆根据载流量要求初步选 择 YJV—0. 6 /1 kV 4 × 16 mm2 ， 如 图 1 所示。
图 2 方案一配电系统图
2） 方案二： 选择熔断器作为保护电器。优先 选择 aM 熔 断 器，额 定 电 流 为 80 A。 依 据 《手 册》，要求 K2 点 Id1 ≥Kr，Ir = 6 × 80 A = 480 A，而 通过前面的计算知 K2 点 Id1 为 334 A，接近但仍不
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通过上述计算分析可以看出，仅从保护电器 的工作条件来选择开关是远远不够的，尤其是配 电距离较远时，断路器单相接地故障保护能力难 以满足要求。
3. 如何解决配电回路单相接地故障保护无法 满足的问题
要使得配电回路的单相接地故障保护满足要 求，则需要对配电系统进行修改，可采用的修改 方案如下：
1） 方案一： 加大电缆截面积，以提高短路点 的单相接地故障电流。通过计算可得知，若要 K2 点单相接地故障电流大于或等于 1 248 A，可将电 缆规格改为 YJV—0. 6 /1 kV 4 × 70 mm2 。显然，采 用此方案需要增加电缆投资，且电缆截面积的增 大增加了电动机接线的困难。本方案配电系统图 如图 2 所示。
2014 年 1 月下·建筑电气·
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| 供配电 Power Distribution
满足要求。此时若按方案一，通过加大电缆截面 积来提高短路点的单相接地故障电流，则电缆规 格只需改为 YJV—0. 6 /1 kV 4 × 25，便可满足要 求，显然相对较为经济一些。本方案配电系统图 如图 3 所示。