论低压供电线路设计应注意的几个问题

论低压供电线路设计应注意的几个问题摘要：低压供电设计中线路的敷设因距离而受到限制，同时应注意到线路的电压降，以及当线路过长时带来的一系列问题，尤其是从安全性与可靠性角度出发，重点考虑接地故障保护的问题。

关键词：低压供电，电缆选择及计算，接地故障，校验，选型，低压长距离线路敷设。

1、问题的引入在比较大的工业厂区，占地规模是非常大的。

总体规划中的电气设计主要考虑的是电源分布与供电线路敷设、走向等问题。

其中电源设置的位置当然非常重要，而正因为线路较长考虑到经济性以及安全性等因素，高压或中压的电压等级被视为合理的远距离送电方式。

当然中压（10kV）供电半径远大于低压（400V）所能达到的范围，但并非厂区内所有的地方都能做到由中压电源覆盖。

在大型厂矿中必然存在一些用电负荷并不很大，但远离最近处的变压器，其电源的供电半径超出了低压一般供电距离的情况。

这时候采用何种方式供电更为合理其实并不能够简单的通过一两个因素判断。

同样即便是在建筑物单体中、或者厂房内部，供电等级已经成为低压电压等级的时候，低压线路敷设的实际路径长度也不能够简单的认为是不存在问题的。

要做合理的设计必然需要全面透彻的比较与数据支持，这就是本文主要的目的，即讨论当采用低压供电的方式时线路设计应注意的几个关键性问题。

2、供电电压的选择虽然要讨论的是低压供电的线路问题，但必须对各电压供电形式有所了解。

当要为一个用电单元供电的时候，需要判断受电端与配电端的距离。

或者说需要关注一定电压等级线路的送电能力。

下表为中压、低压供电线路的送电能力。

表2-1注：考虑到外界自然条件复杂、荷载种类多（如风荷载，积雪等）及其电流肌肤效应。

架空线路采用钢芯铝绞线材质。

2.1、供电电压的确定不论是供配电还是输变电，受电端都有一个需求的受电端电压，随着线路长度的增加，形成的线路阻抗升高，任何电压等级在线路上所消耗的电压就会升高，以至于当到达末端无法满足需求，那么输电配电的意义全无。

那么在不同的电压等级下就存在着不同的供电半径的概念，所谓力所能及。

供电半径取决于以下两个因素的影响：1）电压等级（电压等级越高，供电半径相对较大）；2）用户终端密集度，即：电力负载越多，供电半径越小。

从表2-1供电半径的表格中显见，一般负荷不超过200kW的时候单体配电距离不宜超过350m。

2.2、线路电压损失计算（∆U%）保证各类受电电压质量合格，电网允许的最大电压损失据《供用电规则》电压允许偏差：表2-2注：一般中低电压配电系统是动力电与照明电混合而成，因此低压用户的允许电压偏差应为+5%、-7%。

一般从配电端来看，负荷种类可以视为三相平衡负荷线路。

三相平衡的线路电压降计算公式如下：∆U%=∑PiLi/CS(2-1)注：1、PiLi：各负荷的负荷矩（kW•m）；2、C：功率因数为1时的计算系数（其值随电压等级、配电系统、线路导体介质不同而不同）；3、S：线芯标称截面（mm2）。

根据公式（2-1），电压损失或者说被消耗在配电线路上的电压降∆U%与负荷的总容量，负荷距供电端距离的长度以及载流导体的截面积均有关系，其中还有一个常熟C，其值的确定又直接取决于配电系统所选用的电压等级，详见表2-3。

表2-3线路上的电压损失与线路长度及其配电线路的截面、材质有关。

不同的敷设条件选用的不同的载体决定了C值的同时亦决定了S截面积。

根据公式(2-1)所得到得电压降需满足表(2-2)的要求。

一般在设计手册中可以查表得到高压、中压、低压的各种敷设方式的电缆电线的电压损失情况。

方便设计人员在对应的电压等级和敷设方式校验电压损失∆U%是否在满足要求的范围内。

在低压供电系统中首先要考虑的因素∆U%。

电压降问题，一个线路不论它的长度是一般正常的低压供电距离，还是显而易见的超出了常规的供电距离。

设计人员必须做到对每条线路的电压降心中有数。

当然，∆U%概念可以算作配电设计中的一个最为基本的概念。

也会有很多设计人员会想，既然计算了线路上的电压降，如果电压降不满足要求放大电缆截面就可以降低线路上的电压损失，线路截面放大了只可能更为保险。

基本上别的事情都可以按照一般设计概念完成就可以了。

显然不是，随着线路敷设，选择了满足电压降的线缆之后，线路的电阻电抗值随之变化，与之匹配的线路保护所用断路器参数也需要配合以保证能够对其后的线缆起到保护作用，那么在校验了电压降之后紧随而来的一个问题就是短路校验的问题。

从而引出以下内容。

3、短路电流与线路敷设之间的关系短路电流是电气设计中不论是低压配电系统设计还是中压、高压设计中必须要考虑的一个因素。

当电气线路的短路故障发生时，为保证及时能够切断短路故障所在回路或者线路，设计人员必须校验该回路的断路器的动作灵敏度。

也就是说当短路故障发生产生了短路故障点流Id，所选择的断路器的瞬时动作电流Isd 必须要小于短路故障点流Id。

3.1三相短路接地故障三相短路故障，即三相全部短路。

低压供电中，此种短路最严重，因为会产生相当大的冲击电流。

在220/380V网络三相短路电流位最大短路电流，如果该电流持续在系统中存在而不切除，会影响到其他的设备，同时也会造成火灾的可能。

所以在断路器的校验过程中三相短路故障需要重点考虑。

三相短路电流的计算公式如下：(2-1)注：1、=380V，C:电压系数C=1.05(计算三相短路时) C=1 (计算单相短路时)，;2、短路点总阻抗，（短路点总电阻；短路点总电抗）3、此处与均已标幺值算法将高压侧系统阻抗折算到低压400V侧进行叠加。

这里需要注意，在一般的低压用电单元，往往远离发电机，可采用无限大电源容量的网络短路计算方法。

图（2-1）表示为系统，则等效电路可以简化为图（2-2）图（2-1）图（2-2）(2-2)(2-3)图（2-3）计算得到三相短路电流即可得到两相短路电流。

在低压网络中同样满足，此点特性与高压、中压相同。

在选择断路器的时候，对断路器的短路保护的校验必须满足该回路短路电流不小于断路器的瞬时或短路延时动作电流整定值（）的1.3（低压短路器的送做灵敏系数=1.3）倍，即：（2-4）正如前面所说的，系统中三相短路电流值相比较两相和单相短路电流来说是最大的也是对线路损坏最为严重的因素，那么是不是取值为三相短路故障就可以了呢，其实正好相反，要保证线路故障切除必须满足最小值动作断路器的原则，也就说顾名思义是指被保护线路短路最小值，必须以最小故障电流考虑，在低压系统中TN、TT系统为单相短路电流。

为寻找这时必须对单相短路故障进行计算。

注：=1.3参见GB50054中，4.2.3：低压电器为符合.>(JB1284-85)的低压断路器时,短路电流不应小于低压断路器瞬时或短延时过电流脱扣器整定电流的1.3倍。

3.1单相短路接地故障以下是单相短路的计算公式：（2-5）注：相保（相线对保护线间）阻抗，（与为相保电阻及相保电抗）。

单相短路电流是线路中可能发生的最小故障电流，断路器的灵敏度满足了最小故障电流既可以对整条线路起到保护作用，做到最大程度的保护。

找到了线路中最小的故障电流= ,套用公式（2-4）以确定断路器参数。

4、线路分析从理论上已经建立了基本的概念和找到基础的计算方法，其实也未尽然很容易对距离较远的低压供电线路能够找到合适的线路敷设和保护参数，有的时候往往是因为低压供电的尴尬电压等级，给设计带来顾此失彼的实际情况。

以下就以一种少有的远距离低压供电假设作为分析，掌握这种极端的情况，相信对概念以及今后的设计会有很大的帮助。

假设一个建筑物需要带载10kW用电负荷，应实际情况限制附近未能提供小型变压器，需以低压形式为其供电。

该建筑物10kV/400V变压器假定为800kV A（yn11链接）。

负荷离建筑物低压变电所低压出线端距离为1km。

简化如下图：图（4-1）按照一般供电线路距离AB点间线路的电缆截面选择以A点配电型断路器选择，根据10kW用电负荷的计算电流Ij=19 （A）选择A点的断路器可以为In=25A即可，此时与其所配比的电缆截面为6mm2。

但根据前面所说到的，供电距离远远超出了低压供电半径。

首先要做的事情就是计算A点供电至B点后线路的电压降是否满足要求。

根据本文2.2.1公式（2-1）以及表（2-2），若想把电压降∆U%控制在±5%的范围内，则电缆的截面积必须满足：= =28.13mm2注：其中C值可根据供电情况按表(2-3)查得。

按照电缆界面规格S可以选择35mm2即可，A点的断路器In=25A也可以接入最大截面为35mm2的电缆。

但是这时对该条线路的供电设计并未完全。

如此之长的线路，在最远端产生短路故障的时候A点的断路器是否能有足够灵敏的及时切断短路的线路。

尤其是在这条供电线路发生了单相短路故障的时候。

此时需要进一步校验断路器对单相短路电流的灵敏度。

那么按照35 mm2计算单相短路电流。

将图（4-1）转化为等效电路如图（4-2）：图（4-2）根据公式（2-5）计算，其中；；和是折算至低压400V侧变压器相保电阻和电抗。

同时线路上的电阻（）和电抗( )都可以从工业与民用设计手册中查到具体数值。

根据公式（2-5）计算一公里外的B点单相短路电流如下：根据公式（2-5）需要（其中一般微型空气断路器均为不可调），若以In=25A 的配电型断路器作为线路保护，侧，显然此时不满足断路器切断B点单相短路故障的要求。

也就是说仅仅从电压降配比出来的线路截面积不足以最终确定线路导体截面。

还和断路器的大小紧密相关，若根据，能够满足动作条件的断路器=7.9（A）。

显然7.9（A）根本无法满足一个10kW负荷的平时正常工作电流热稳定。

这就出现了顾此失彼的情形，也就是满足了电压降∆U%却无法配比断路器和导线截面。

似乎这是个无法调和的矛盾。

这就是在低压供电线路过长所导致的问题。

但并不是说这样的线路无法敷设，我们可以采用零序电流互感器作为短路电流的感应原件。

5、互感器的解决方案5.1零序电流互感器零序电流互感器的工作原理是基于基尔霍夫电流定律而制，即流入电路中任一节点的复电流的代数和等于零。

在线路与电气设备正常的情况下，各相电流的矢量和等于零，因此，零序电流互感器的二次侧绕组无信号输出，执行元件不动作。

当发生接地故障时的各相电流的矢量和不为零，故障电流使零序电流互感器的环形铁芯中产生磁通，零序电流互感器的二次侧感应电压使执行元件动作，带动脱扣装置，切换供电线路上的断路器动作机构，达到接地保护的目的。

5.2解决方案既然单凭断路器自身动作机构无法检测出由于电路过长带来的单相短路电流过小而无法动作，那么采用零序电流互感器能够检测出线路微小的短路电流，远距离低压供电的假回路中就可以采取这样的互感器接入，与断路器相配合。