关于路灯TN-S系统保护配置问题的探讨

关于TN-S系统保护配置问题的探讨引言现在路灯设计时均采用五芯电缆，但对供电一次设备选配没有引起足够的重视，在路灯维护中常常会发现灯杆漏电、主电缆失地都没有使配电柜出线开关或熔丝跳闸，这反映出开关选择及整定不合理的问题，严重威胁路灯运行安全。那如何合理选配一次电气设备呢？1路灯一次回路保护的电气设备选择一个路灯回路的完整保护，应至少包括两级：配电线路干线开关保护和灯具短路保护。干线开关的选择，除要按箱变内母线出口处三相短路电流来校验其分断能力外，尚应保证开关在该回路灯具启动和工作时均不误动作，而在过载、短路或接地故障时则应可靠动作。此外，干线开关还要尽量与其下一级保护（灯杆中的熔丝）做好级间配合，不越级跳闸。对配电型断路器而言，它有A类和B类之分：A类为非选择型，B类为选择型。所谓选择型是指断路器具有过载长延时、短路短延时和短路瞬时的三段保护特性。对配电型断路器而言，它有A类和B类之分：A类为非选择型，B类为选择型。所谓选择型是指断路器具有过载长延时、短路短延时和短路瞬时的三段保护特性。根据《工业与民用配电设计手册》（第三版）第十一章第六节，非选择型断路器与熔断器、非选择型断路器与非选择型断路器都不能保证选择性断电。我公司现在普遍采用：灯具的保护都是采用熔丝保护，配电柜出线采用速断型单极空开，其上一级是采用速断的A类空开。这两种情况是我司普遍存在的现象，都无法实现保护的选择性。由此可见，我们的一次电气设备的选配是不合理，应考虑改进。根据设计手册要求，初定下列配置方案：灯杆的短路保护采用熔丝，配电柜内各回路的出线电缆前的保护也采用熔丝，其他一次开关选用选择型的空气开关，或者配电柜内各回路出线及上级电器都选用选择型空气开关。2路灯一次回路保护的电气设备配置2．1灯杆熔丝配置：根据《城市道路照明工程施工及验收规程》行业标准CJJ89—2001第7.1.10规定：250W及以下汞灯、150W及以下钠灯和白炽灯可采用4A熔丝；250W钠灯和400W汞灯可采用6A熔丝；400W钠灯可采用10A熔丝；1000W钠灯和汞灯可采用15A熔丝。这是一个非强制性规定，我们可以选用更为严格的规定。为躲过路灯的启动电流，路灯的启动电流是运行电流1.3～1.9倍，考虑可靠系数1.3，熔丝的容量按灯具正常运行电流的1.9*1.3=2.47倍来配置，即150W钠灯采用4A熔丝；250W钠灯采用4A熔丝；400W钠灯采用6A熔丝。实践证明此容量选配是合理的。2．2配电柜内一次保护电器配置：根据《城市道路照明工程施工及验收规程》CJJ89-2001的行业标准6.2.2规定：“在保护接零系统中，用熔断器作保护装置时，单相短路电流不应小于熔断片额定熔断电流的4倍；用自动开关作保护装置时，单相短路电流不应小于自动开关瞬时或延时动作电流的1.5倍。”2.2.1各回路出线采用熔丝时的容量：容量选择按照计算电流的2.47倍来配置，同时还要用短路电流值来验证选择的合理性。以下列路灯供电系统为例：变压器S9-M-160/10，电缆为VLV-35的铝芯电缆，供电半径900米，路灯间距35米，灯杆长度12米，主车道照明用400Ｗ高压钠灯，辅道或人行道用150W高压钠灯。当L＝900m在f2处短路时，低压电缆R4=3.930×900=3537mΩ，X4=0.19１×900=171.9mΩ因此，回路总相保电阻R=0.05+10+0.372+3537≈3547(mΩ),总相保电抗X=0.53+30+0.451+171.9≈203(mΩ)。于是，Id=220/)(22XR=220/222033547＝0.062(KA)=62A当L=900m时，回路负荷电流If=cos3UP＝14.3/(3×0.38×0.9)=24.14(A)熔丝容量2.47×24.14=59.6A而短路电流只有62A，显然无法保证熔丝可靠动作。当L=700m时，低压电缆R4=3.930×700=2751mΩ，X4=0.19１×700=133.7mΩ因此，回路总相保电阻R=0.05+10+0.372+2751≈2761(mΩ),总相保电抗X=0.53+30+0.451+133.7≈165(mΩ)。于是，Id=220/)(22XR=220/221652761＝0.080(KA)=80A当L=700m时，回路计算电流Ic=cos3UP＝20×0.55×(1+10%）/(3×0.38×0.9）=20.43A，熔丝容量2.47×20.43=50.5A，而短路电流只有80A，当电缆发生单相短路时，熔丝能够熔断，但也无法满足“单相短路电流不应小于熔断片额定熔断电流的4倍”的要求，如果再减少供电半径，这需要增加变压器数量，所以供电半径太小也不合适。所以还是考虑回路出线使用选择型断路器。2.2.2各回路出线采用选择型断路器的配置2.2.2.1过载长延时保护照明用低压断路器的长延时过电流脱扣器的整定电流为：Ir1≥Kr1•Ic（1）式中：Kr1——长延时过电流脱扣器的可靠系数，取1.1；Ic——照明回路的计算电流。2.2.2.2短延时保护照明用低压断路器的短路过电流脱扣器的整定电流为：Ir2≥Kr2•Ic（2）式中，Ic——照明回路的计算电流；Kr2——短路过电流脱扣器的可靠系数。经过充分足够次数的实践检验，在路灯回路中，为了可靠避让灯具启动之影响，Kr2可由路灯（基本为HID灯）的启动倍数（指启动电流与工作电流之比），再乘以一个裕量系数1.3来得到。而根据相关资料，HID灯具的启动倍数一般介于1.3~1.9之间，因此取Kr2=1.9×1.3=2.47。另一方面，Ir2也经常以长延时整定电流Ir1与整定倍数（特指断路器短路过电流脱扣器的整定电流与长延时整定电流之比）K的乘积形式来表达，即Ir2=K•Ir1，于是有Ir2=K•Ir1≥2.47Ic，由此可得整定倍数K≥2.47（Ic/Ir1）。另一方面，为了保证短路灵敏性，由式（1）可得到：Id≥1.3Ir2=1.3(K•Ir1)，故K≤Id/(1.3Ir1)=0.77（Id/Ir1）。至此，即得到K取值范围的完整计算公式：2.47（Ic/Ir1）≤K≤0.77（Id/Ir1）（3）式（3）表明，降低回路运行电流或增大回路短路电流，对于拓宽K的取值范围都十分有利。此外，断路器短路过电流脱扣器的整定倍数K一定要合理取值，其大小应有所限制：K若整定太小，则无法避开灯具启动电流，可能导致开关误动；K若整定太大，又无法满足短路灵敏度要求，可能导致开关拒动。当路灯配电干线最末端发生接地故障（即图1中的f2）时，灯具引接线（BVV线）的相保阻抗不再计入回路中。当L=700m时，低压电缆R4=3.930×700=2751mΩ，X4=0.19１×700=133.7mΩ因此，回路总相保电阻R=0.05+10+0.372+2751≈2761(mΩ),总相保电抗X=0.53+30+0.451+133.7≈165(mΩ)。于是，Id=220/)(22XR=220/221652761＝0.08(KA)=80A，将接地故障电流Id=80A，计算电流Ic=20.43A,长延时过流整定值Ir1=23A代入到式（3）中就得到，2.194≤K≤2.678本例干线开关可选取K=2.2（短延时倍数）的CM1E。则Ir2=K•Ir1=2.2×23A=50.6A（短延时脱扣器整定电流值）根据《城市道路照明工程施工及验收规程》CJJ89-2001的行业标准6.2.2规定：“在保护接零系统中，用自动开关作保护装置时，单相短路电流不应小于自动开关瞬时或延时动作电流的1.5倍。”Id/Ir2=80/50.6=1.58＞1.5，满足规范要求。经计算，L=700m时，灯杆上的短路电流达68A，大于短延时脱扣器的电流整定值。为了从动作时间方面来满足上、下级间配合，此处利用了B类断路器的短延时脱扣器的短延时功能而非瞬时脱扣器的瞬动功能。当然，当L-N短路忽略不计时，也可采用RCD来作为路灯干线开关（据了解，厦门市政设计院现在新设计的路灯方案，回路出线均采用带漏保的开关，其运行的经验有待进一步了解。）2．2．3柜内一次回路的空气开关容量根据《工业与民用配电设计手册》（第三版）第十一章第六节，非选择型断路器与非选择型断路器都不能保证选择性断电,非选择型断路器与选择型断路器可以保证选择性断电。所以只有第一级可以用非选择型断路器，其他级都应选用选择型断路器。上级断路器整定值下级断路器整定值的1.2倍，即可保证其选择性。3综上所述：路灯杆内保护采用熔丝，配电柜内第一级保护可用非选择性空气开关，其他级应选用选择性空气开关，并做好级间配合。路灯安装时，各回路必须按图接线，不得随意接线，路灯维护时也必须更换同型号的电气设备，并做好整定值设定工作，防止保护误动或拒动。参考文献1、中国航空工业规划设计研究院等·工业与民用配电设计手册（第三版）·北京：水利电力出版社2、《路灯配电系统若干问题的探讨》李良胜章友俊（深圳市市政设计研究院有限公司）3、《城市道路照明工程施工及验收规程》CJJ89-2001