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太平洋线缆新闻动态
小截面控制电缆的配电距离校验
来源: 太平洋电线电缆 发布日期: 2021.05.22 浏览次数:
信息摘要:
本文针对不同熔断器的容量选择,对应控制电缆不同线芯截面选型,研究其最大配电距离。

对于电力电缆配电距离问题,业内研究较多,通常从短路故障保护灵敏度和电压降两方面综合考虑电力电缆截面和配电距离。但是,电气设备的控制回路是特殊的配电线路,它的负载性质与一般的配电线路有所不同。常用电气设备控制回路的负载一般由接触器线圈、继电器线圈、信号灯及各种开关、触点本身阻抗等组成。尽管在控制过程中,随着触点的接通或断开,它的负载阻抗是有变化的,但是它的最大负载阻抗(在稳定状态)是明确的,是一个相对稳定值。故在一般情况下,其配电负荷小,不存在过负荷问题,配电距离与电压降关系不大。二次回路的可靠工作还与控制电缆线路电容电流有关,过长的配电距离会造成触点拒动或误动作。另外,长距离配线的电流测量回路由于阻抗过大,会造成电流互感器测量误差过大。

笔者尚未看到从二次回路控制电缆接地故障的技术要求角度讨论其最大配电距离的研究文献。由于熔断器具有良好的短路保护作用,二次回路通常采用小容量熔断器进行保护,能否满足短路保护灵敏度要求尚未可知。本文针对不同熔断器的容量选择,对应控制电缆不同线芯截面选型,研究其最大配电距离。

1 二次控制回路导线配电距离校验方法

根据二次回路控制电缆配电距离相关研究成果,总结配电距离校验方法如下。

1.1 按照电压降校验

参照《工业与民用供配电设计手册》(4版,以下简称”4版《手册》”)P1106公式,可按照下式校验控制线路最大长度:


控制电缆1

式中:Lmax1——按接触器可靠吸合计算的最大导线长度,m;

Un——控制线路标称电压,V;

Δu——控制线路单位长度电压降,V/(A·km);

Pa——接触器线圈吸合功率,VA。

对同一种控制电缆,在控制电压及合理压降范围内,接触器线圈吸合功率越大,控制线路最大允许导线长度越短;对相等的接触器线圈吸合功率,电缆截面积越大,接触器可靠吸合的控制线路最大允许长度越长。

1.2 按照线路电容校验

参照4版《手册》P1105公式,可按照下式用线路电容校验控制线路长度:


控制电缆2

式中:Lmax2——控制线路临界长度,km;

Ph——接触器或继电器的保持功率,VA;

C——单位长度线路电容,μF/km。

对同一种控制电缆,在控制电压及长度线路电容已知的情况下,接触器线圈保持功率越大,接触器可靠断开的控制线路最大允许长度越长。

1.3 按保证电流互感器电流回路误差范围校验

参照4版《手册》P761公式,可按照下式计算:

 

控制电缆3

式中:Lmax3——控制线路临界长度,m;

S——保护导体的截面积,mm2;

γ——电导率,铜取57×106S/m;

Zbn——电流互感器所选准确级下允许的二次负荷,当忽略电抗时仅计电阻时为Rbn,Ω;

Zmr——测量表计的负荷,Ω;

Rt——接触电阻,一般取0.05~0.1Ω;

Kcon1、Kcon2——导线接线系数,仪表或继电器接线系数,参见4版《手册》P749表8.3-5。

在工程实际中,终端电流表指示是否准确与互感器选择(额定二次电流、额定二次负载容量)、控制电缆截面及控制电缆长度等因素有关。当控制电缆截面为一定值时,这时控制电缆长度就需要根据实际情况选择不同参数的电流互感器,才能使终端电流表显示符合规范要求。

1.4 按接地故障校验

接地故障持续时间不超过5 s时,按GB 50054-2011《低压配电设计规范》第6.2.3条规定,短路时绝缘导体的热稳定要求其截面应该满足下式要求:


控制电缆4

式中:S——保护导体的截面积,mm2;

I——通过保护电器的预期故障电流或短路电流方均根值,A;

t——保护电器自动切断电流的动作时间,s;

k——根据导线和绝缘不同决定的系数。

工程设计中接地故障校验计算用式(4)以确定线路导体截面积和保护电器的参数。

2 按接地故障保护灵敏度校验方法

2.1 基本公式

假设在图1中异地控制按钮箱K点发生接地故障,满足自动切断电源的TN系统接地故障保护线路最大允许长度由4版《手册》P965公式确定:

 

控制电缆5

式中:Lmax4——回路允许的最大长度,m;

0.8~1.0——电源侧阻抗系数,是考虑接地故障回路忽略变压器阻抗和高压侧系统阻抗导致的误差进行的修正,当故障点远离配电变压器,线路截面积较小、变压器容量较大时,取高值(如0.95~1),反之,取较低值;

U0——相电压;

Sph——相导体截面;

k1——电缆电抗校正系数,当Sph≤95 mm 2时,取1.0;当Sph为120 mm 2和150 mm2时,取0.96;当S ph≥185 mm2时,取0.92;

k2——多根相导体并联使用的校正系数,k2=4 (n-1)/n (n≥2),单根电缆时取1;

1.5——由于短路引起发热,电缆电阻的增大系数;

ρ——20℃时的导体电阻率,Ω·mm2/m;

m——相导体截面Sph与PE导体截面Spe之比,m的计算值应取整;

Ik——最小接地故障电流。

2.2 熔断器动作电流

在采用熔断器兼作接地故障保护时,根据其反时限特性,若采用式(4),控制线路最大允许长度校验比较麻烦。为简化设计,按GB/T 13539.2-2015《低压熔断器第2部分:专职人员使用的熔断器的补充要求(主要用于工业的熔断器)标准化熔断器系统示例A到K》第5.6.3条,短路时的熔断器截断电流(Ik)可近似看作其门限值,额定电流(I n)符合表1,可认为满足接地故障保护设计要求。

2.3 参数选择

根据GB 51348-2019《民用建筑电气设计标准》表7.4.2(导体最小允许截面积),控制电缆线芯截面积不应小于0.5 mm2,常见的控制电缆规格有0.5 mm2、0.75 mm 2、1.0 mm2、1.5 mm 2、2.5 mm2。采用熔断器保护时,由于熔断器的反时限特性,一般2.5 mm 2以下电缆,选用熔断器16 A以下满足热稳定要求。因此,参数取值如下:电源侧阻抗系数取0.95,U0取220 V;S ph取0.5 mm2、0.75 mm 2、1.0 mm2、1.5 mm 2、2.5 mm2;k 1取1;k2取1.0;ρ取0.017 2Ω·mm 2/m。


控制电缆6

2.4 用熔断器做故障防护时铜芯电缆最大允许长度计算

利用表1及式(5),用熔断器做间接接触防护时铜芯电缆最大允许长度计算参见表2。

从表2可知,最大允许长度和熔断器额定电流、电缆截面选型密切相关,当配电线路较长,接地故障电流较小,间接接触防护电器难以满足接地故障保护灵敏性的要求时,可增大控制电缆截面及缩短控制回路长度。二次控制回路导线的最大长度控制可用下式表示:


控制电缆7

即控制线路的允许长度根据实际情况,应取Lmax1、Lmax2、L max3、Lmax4四者中较小值,才能满足相关要求。

控制电缆8

图1 典型二次控制回路接地故障示意图  


表1 熔断器切断接地故障回路的动作电流数值(t≤5 s)

控制电缆9


表2 a G/g G熔断器做间接接触防护时铜芯电缆最大允许长度(切断时间t≤5 s)

控制电缆最后

3 相关问题探讨

3.1 熔断器选型

根据GB 13539.1-2015《低压熔断器第1部分:基本要求》,分为专职人员使用的熔断器(又称工业用熔断器)和非熟练人员使用的熔断器(又称家用熔断器)两大类型。熔断器类型第1个字母表示分断范围(“g”表示全范围分断能力的熔断器,“a”表示部分范围分断能力的熔断器);第2个字母表示使用类别,其字母准确地规定时间-电流特性、约定时间和约定电流及门限(“G”表示一般用途;“M”表示保护电动机电路)。例如:“g G”表示一般用途全范围分断能力的熔断体,一般用于线路保护;“a M”表示保护电动机电路的部分范围分断能力的熔断体。控制回路中一般选择“g G”熔断器。

参考国标图集16D303-2《常用风机控制电路图》和16D303-3《常用水泵控制电路图》,设计选用二次回路保护熔断器RT18-32X/6A,选用规范要求的最小截面控制电缆时,最大距离约为72 m。因此,在设计大型工业与民用建筑时需要特别注意。

3.2 电缆电阻与电抗

电缆的阻抗由电阻和电抗组成,电抗又由感抗和容抗组成。感抗的大小和线间距离有关:距离越大,感抗越大;距离越小,感抗越小。控制电缆的线间距离都较小,因此控制电缆的感抗比大截面电力电缆的感抗要小,总的阻抗也就小了,因此电流流过时产生的电压降也就小了,故控制电缆电抗值小,占比小,可以忽略。

3.3 熔断器与断路器保护的比较

熔断器具有良好的短路保护作用,熔断器不仅具有体积小、结构简单、维护方便、价格低廉的优点,而且分断能力强,具有很强的限流作用。在系统设计中,如果采用熔断器作短路保护,则可大大降低短路电流对系统所产生的动稳定、热稳定要求,使系统设计更经济。尽管目前微型断路器的分断能力很强,可以安全分断控制回路短路电流,但由于控制回路的截面较小,而短路电流几乎与主回路的短路电流相同,故控制回路的热稳定性相对不太容易得到满足。由于熔断器以其自身产生的热量参数确定切断电路时间,只要合理选用就能保证在短路电流损坏线路绝缘前被切断,故选用熔断器作为控制回路的保护电器更具有现实意义。因此,熔断器的短路保护性能优于低压断路器,更适合于控制回路短路保护 [2]

3.4 接地故障保护的要求

GB 16895.21-2011《低压电气装置第4-41部分:安全防护电击防护》与GB 51348-2019中,将低压配电系统的电击防护由直接接触防护、间接接触防护两种兼有的防护,修改为基本防护、故障保护和附加防护三类。同时,对于故障情况下的自动切断电源时间分类也做了重新规定,依据GB 16895.21-2011表41.1,对于不超过32 A的终端回路,在交流220 V的TN系统,最长的切断电源时间动作时间0.4 s,表2中配电距离将大大降低。本文限于篇幅未做详细比较。

4 结语

从熔断器的额定电流选择,对应控制电缆不同线芯截面选型,在满足接地故障保护灵敏性要求下取其最大允许配电距离,对防范接地故障,保护人身安全有很重要的指导意义。同样在选择控制电缆时应综合分析各方面的影响因素,采用合适的电缆长度,从而确保远程控制线路的安全运行。


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