自限温电伴热施工断路器的选择.doc

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自限温电伴热施工断路器的选择

1 引 言
随着民用建筑工程的发展，对电伴热产品的需求也日益增加，例如室外给水、消防管道等。自限温电伴热带的电气特性与一般电阻负载不同，工程施工时如未考虑此因素无疑给工程带来一定问题。
某工程需要对地下车库的给水管道进行保温伴热施工，大厦拟定对车库给水管道进行电伴热保温。本文结合这一工程实例，分析并给出了电伴热施工过程需要注意的一些问题。
2. 问题的提出
该电伴热工程是工程结束后新增加项目，总电流容量已经固定（125A）。自限温电伴热带总长度为4500米左右，厂家施工时设一台总的电源控制柜，柜内设DZ47-60/1P-40A微型断路器，为末端电源箱提供电源，每个末端电源箱内设DZ47-60/1P-25A带300米的自限温电伴热带负载。瞬时脱扣整定值5In（In断路器的额定电流）。
末端电源箱自限温电伴热带的计算电流：Ij=（300m*15W/m）÷220V=20.45A；根据断路器的额定电流In≥Ij，选择25A的断路器。试运行时断路器启动瞬间脱扣，测线路绝缘均符合要求。
3问题分析
断路器脱扣，可能的原因如下：
a.线路过负荷
b.绝缘破坏
c.短路
d.断路器故障
绝缘测试结果符合要求，断路器没有故障，无过负荷现象，排除以上4点原因。
自限温电伴热带的阻值随温度升高而升高，启动电流远大于运行电流，厂家提供的15W/m阻值是温度在10℃时的数据，本工程的工作环境温度仅在2℃左右，管道内介质的温度同环境温度。
经现场测量100米的自限温电伴热带启动电流85A，持续时间2秒，2秒后迅速下降，5秒后11A。
4断路器的选择方案
4.1末端电源箱的断路器选择
末端断路器为25A时带300米的自限温电伴热带，启动电流理论值为Iq=85A*3=255A。则n=I/In=255/25=10.2

图1 微型断路器DZ47-60电流特性曲线 图2 塑壳断路器NM1-225S特性曲线

参看图1，n=10.2断路器将在0.01S内脱扣断开电路。脱扣时间0.01s＜启动时间2s，25A断路器瞬间脱扣。需对现场电伴热带的配电重新划分区域。为保证伴热效果，需将自限温电伴热带长度重新进行分段供电。末端电源箱负荷300米的自限温电伴热带分为3条支路，每1支路100米自限温电伴热带。
100米的自限温电伴热带的启动电流85A，n=I/In=85/25=3.4，参见图1的特性曲线。n≤3.5时的脱扣时间大于2s，满足启动条件。因此在末端电源箱内设3个DZ47-60/1P-25A的微型断路器，每个断路器控制100米的自限温电伴热带的电源通断。现场对某末端电源箱按此方案实施，运行正常。
4.2延时启动方案
总电流容量已经固定125A的塑壳断路器出线，型号是NM1-225S/3P-125A，根据图2可知断路器的动作时间为0.02s~0.05s之间。极限分段能力是35KA，额定短路分段能力17.5KA。
末端电源箱共15个，每个末端电源箱的负荷是300米自限温电伴热带。总配电柜内的总电源断路器是NM1-225S/3P-125A，下级断路器DZ47-60/1P型微型断路器（提供末端电源箱电源）的数量15个。分三相负荷分配，每相负荷是5*300米=1500米。但是如果配电柜内15个回路同时启动，单相启动电流的理论值Iq=5*85A*3=1275A。n=1275A/125A≈10.2，参见图2（断路器是NM1-225S的特性曲线），断路器的脱扣时间小于启动电流持续时间2s。需考虑延时启动。
在每个末端电源箱内安装2个延时继电器，延时继电器的时间可调（0-10min）。每个末端电源箱分3次启动，这样同时启动的负荷仅为总负荷4500米的1/3，同时启动的负荷为1500米，单相同时启动负荷为500米。依此方案运行正常。
也可以采用在总配电柜内安装时间控制器进行分时启动。
4.3末端电源箱的前一级断路器的选择。
末端电源箱前级配电断路器，也就是总配电柜内的支路断路器的选择。同选择末端电源箱的断路器方法相同，选择 DZ47-60/1P-40A的断路器即可。
4.4总配电柜方案
设温度传感器以便实现手-自动操作。根据环境温度通断电路，总配电断路器为NM1-225S/3P-125A，支路断路器DZ47-60/1P-40A微型断路器15个。
5 单相短路电流的计算
单相断路器：S∞=I∝UN （公式5-1）
UN---为断路器的额定电压
电抗：X1=UC2/ S∞ （公式5-2）
UC---短路点的短路计算电压
X---电抗
S∞---出口断路器的断流容量
单相短路电流计算公式IK（1）=Uφ/︱Z︱（公式5-3）
Uφ—电源相电压
Z ---单相短路的回路阻抗。
自限温电伴热带与金属管道直接接触；需考虑自限温电伴热带最远端的单相短路保护，末端保护断路器要在0.01s内脱扣，避免事故发生。
见如下计算：
图3
（1）计算K-2点的单相短路电流：
DZ47-60断路器短路极限分断电流6KA，额定电压220V。
S∞= I∝UN =6000*220=1320000VA=1320KVA
40A断路器的电抗值： X1=0.04Ω 25A断路器的电抗值：X2=0.04Ω
BV-6查手册导线阻抗Rφ1=3.467Ω/km*52 m =0.18Ω/m 感抗XL1=0.112Ω/km*52 m =0.006Ω/m
BV-4查手册导线阻抗Rφ2=5.172Ω/km *5 m =0.026Ω/m 感抗XL2=0.119Ω/km*5 m =0.0006Ω/m
自限温电伴热带（按照BV-2.5计算）Rφ3=8.36Ω/ km *100 m =0.84Ω/m
感抗XL3=0.127Ω/km*100 m =0.013Ω/m
R∑=0.18+0.026+0.84=1.05Ω X∑=0.04+0.04+0.006+0.0006+0.013=0.1Ω
Z∑=√R∑2+ X∑2=1.05Ω
K-2点的单相短路电流IK=220V/1.05Ω=209.52A
D47-60/25A断路器瞬时动作电流5In=125A＜IK=209.52A，当K-2点发生短路时断路器可以在0.01s切断电源。
（2）计算K-1点的单相短路电流：
R∑= Rφ1+ Rφ2=0.21Ω X∑= X1+ X2+ XL1+ XL2=0.09Ω
Z∑=√R∑2+ X∑2=0.23Ω
K-1点的单相短路电流IK=220V/0.23Ω=956.52A
（3）计算K-3点的单相短路电流
R∑= Rφ1=0.18Ω X∑= X1+ X2+ XL1=0.086Ω Z∑=√Rφ2+ X∑2=0.2Ω
K-1点的单相短路电流IK=220V/0.2Ω=1100A
D47-60/40A断路器瞬时动作电流I=200A＜IK=1100A，当K-3点发生短路时断路器可以在0.01S切断电源。
6热稳定度校验
根据公式：t*（nIn）2＞tq*Iq2 （公式5-4）
Iq---电路的启动电流
tq---启动持续时间
In---额定电流
n---额定电流倍数
t---热稳定时间
末端电源箱单支路100米自限温电伴热带的启动电流是85A，DZ47-60/25A微型断路器依据公式5-5，n=85/25=3.4所以取3.5；根据公式5-5启动电流时间tq=1.9s。对照图1的特性曲线，当I/ In=3.5时，断路器的动作时间大于2s。
依据公式5-4再次校验前一级的40A断路器，启动电流Iq=110A是额定电流的2.75倍。那么取n=3则t＞2*1102/（3*40）2=1.7s，对照图1的特性曲线当I/ In=3断路器的动作时间大于1.7s。
7 结束语
根据自限温电伴热带特点，结合这一工程实践，在选择断路器时还应考虑如下因素：
（1）自限温电伴热带的启动电流特性；
（2）断路器的特性曲线；
（3）自限温电伴热带末端的单相短路保护

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