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断路器和电缆自动选型、电气计算和校验...，Ecodial也可以很强大~
施耐德的Ecodial软件是我最早接触到的电气仿真计算软件。
尤其某些项目，建设方是国外的业主，例如马士基、德国大陆在国内的工厂，在跟国外业主沟通时，有时需要电气设计出具计算书，以提供电气参数选型的依据和线路保护的校验。
国内的设计软件在这方面，功能相对弱一些，而手算过于复杂且不具权威，这时候，Ecodial就可以很好的帮助我们完成上述需求。
然而，鉴于界面和帮助文档是英文，在电气设计圈应用并不广泛。
但是结合我自己的使用体验和对实际项目案例的帮助，这款软件在低压配电领域的功能还是很强大的。
最关键的是，他可以指导我们的设计，辅助设备选型，有助于我们理解电气系统，完善电气保护方面的思维（保护特性曲线和选择性）。
所以结合项目案例，把这款软件分享出来，分享给有同样设计需求或者对电气保护感兴趣，喜欢深入思考和研究电气技术的小伙伴们。
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Ⓐ Ecodial主要功能概述
Ⓑ Ecodial与ETAP软件的对比
Ⓒ 某厂房项目低压配电案例 - 初始条件
以下均为针对该项目展开的分析计算
Ⓓ 自制Excel计算表计算短路电流
Ⓕ由软件报错引出的间接接触防护措施（本文重点）
F.1 规范出处
F.2 判据
F.3 故障电流转化成电缆长度
F.4 用任老的表格解决此实际问题
F.5 补救措施
F.6 Excel算表解决此实际问题
Ⓖ Ecodial软件报错的解决
Ⓗ Ecodial软件短路及压降计算结果
Ⓘ ETAP软件短路及压降计算结果
Ⓙ 压降和灵敏度
Ecodial主要功能概述
➊ 电气系统单线图建模
➋ 潮流计算，主要是负荷计算、短路电流、电压损失、载流量校验
➌ 设备自动选型，包括变压器、断路器、线缆
必要的参数输入正确后，点击计算，自动给出断路器和线缆型号
➍ 错误报警
读懂错误，解决错误，校验和修正电气参数的选择
➎ 保护的选择性 断路器的脱扣曲线，上下级配合
➏ 级联 可以在设置中打开或关闭
➐ 输出计算书，输出PDF、CAD格式的图纸
Ecodial与ETAP软件的对比
不同点：
➊ ETAP的功能更强大，应用领域也更广，比如谐波计算、电弧故障、动态和暂态分析、石油化工冶金行业、高压超高压领域、直流系统模拟、光伏建模、铁路牵引系统等
➋ Ecodial建模具有的局限性，不支持二次回路控制等的建模，而ETAP可以说没有做不到只有想不到，电力电子的模型大都可以通过ETAP建立，低压配电领域更是不在话下。
➌ ETAP目前不支持自动选型，无法自动选择电缆、断路器等，只能手动从数据库中选择和输入。
➍ ETAP对单相系统的支持不是很友好，比如之前文章有写过，单相220V输出的逆变器，默认只能A相，不能更改为B或C相，另外ETAP中单相回路需要加相适配器（phase adapter）。
而Ecodial由于本身就是针对低压供配电系统，对单相回路更友好一些。
➎ Ecodial中施耐德设备的数据库更新一些（今天还提醒我更新版本），而ETAP由于我使用的是破解版，断路器数据型号相对老旧。如果你的项目恰好要应用施耐德的断路器，那么Ecodial可能在某些情况下是更好的选择。
相同点：
➊ 都可以运行潮流计算、算短路、算压降，尤其对一些低压配电系统中常规的系统，或者某条回路的校验，两者都可以胜任
➋ 都支持输出计算书，但是，功能强大的ETAP计算书的形式和可定制性更为丰富可变
➌ 都是施耐德旗下，ETAP是近几年刚刚被施耐德收购
某厂房项目低压配电案例
某工业厂房项目，供配电采用35/0.4kV系统，变压器容量2500kVA，APE-E是某一防火分区的配电箱，干线电缆长度30米，系统图如下。
这里都是消防风机，但我们假设有一台3kW的风机是平时排风机，电缆长度145米。
通过用Ecodial和ETAP分别对此配电箱建模，看看两款软件能做些什么，软件的结果带给我们的启示是什么。
请忽略此系统图上的错误
Excel计算表计算短路电流
以下Excel表格是我自己做的，可以计算低压三级配电系统的短路电流，在软件模拟之前，不妨拿他试算一下，看看与软件计算的差别有多少。
这里要说一下，我的Excel表格低压短路采用的是配四的短路实用法，而ETAP和Ecodial的短路电流计算基于IEC标准的IEC法，即60909。
如下图所示，按➊➋➌➍分别输入，系统短路容量（假定200MVA）,变压器2500kVA，阻抗百分比6%，APE-E低压出线电缆4×150+1×95，长度30米，屋顶风机回路假定4×4电缆，长度145米，其他阻抗均忽略。
输入完毕，可自动计算K1、K2、K3处短路电缆，结果见方框，第一列是三相短路，第二列是单相短路结果。
为了方便数据录入，固定值我都做成了下拉列表的形式，如
系统容量下拉列表
变压器选择下拉列表
电缆截面选择下拉列表
PE线截面是否是一半相线，下拉列表
结果看图说话就可以了。
这个表，我个人用起来感觉很舒服，平时想校验分断能力够不够，判断末端灵敏度计算单相短路电流，只需要简单点几下就OK了，可以算到低压三级配电，日常校验完全够用。
Ecodial建模及断路器、电缆自动选型
建模过程略，有兴趣可搜索下载，直接看结果。
Ecodia运行计算后，自动选择断路器和电缆型号
这里只说一点，电缆的敷设方式和载流量。
GB50217中电缆载流量和常用数据国标图集中的载流量和所有的修正系数，来源是什么，依据是什么？
都是IEC的60364，Ecodial电缆敷设也是基于IEC60364标准。
使用Ecodial的过程中，可以感受到每中敷设方式的不同，以及修正系数的不同。见下图。
绿色箭头指向的即为APE-E箱低压出线电缆，截面150mm²，30米，敷设方式为无孔托盘。
黑色箭头指向的为修改电缆敷设方式按钮。
Ecodial电缆参数输入及敷设方式选择页面
点击修改电缆敷设方式后，看到的界面如下图，环境温度取最热月的日最高温度平均值，
然后下面填写桥架中的电缆数量，这个电缆根数会影响成组敷设系数，要注意这个数量为载流导体的根数，而不是桥架中电缆总根数。
就是说，如果电缆是给消防负荷供电，由于火灾时平时负荷切除，那么这个电缆根数就不要统计平时负荷，因为切非后，平时电缆不再载流，也就无需考虑此电缆热效应的影响。
Ecodial电缆敷设界面
计算书和Details界面可以看到电缆的每个修正系数，及修正后的载流量，一目了然。
从下图可以看到，温度修正系数0.96，成组敷设系数0.7，总系数0.672，载流量为371*0.672=249A
Details选项卡的修正系数及实际载流量
由软件报错引出的间接接触防护措施
运行计算以后，Ecodial给出了两个错误信息。
翻译成中文意思是，屋顶风机回路的断路器CB1断开79.4A的单相短路电流需要2.29s，大于规范规定的0.4s。
CB1回路报错信息
并且，Ecodial给出了解决办法（possible solutions）：
➊ CB1增加RCD保护
➋ 减少断路器分断的时间Tr，但这是断路器自身的脱扣特性决定，岂是想减少就减少，
所以括号里用了if available，意思为当有可用产品时。
➌ 增大PE线截面
.1 ——规范出处
首先，这个0.4s的出处是什么规范，作用又是什么。
先看GB50054，如下图，将切断故障回路的时间加以规定是间接接触防护措施之一——自动切断电源的要求。
GB50054-2011对TN系统切断故障回路时间的规定
再看GB/T 16895.21-2020，如下图。
由于16895是同步转化和同等采用（IDT）IEC60364-4-41标准，而IEC规范2017版这个表格有更新，所以就不要看50054了，注电考试时以最新的16895.21为准，实际分析问题时也要按此最新标准。
GB/T 16895.21-2020即IEC60364-4-41对TN系统切断故障回路时间的规定
规范出处有了，下面来看，实际工程怎么运用这个切断时间。
.2 ——判据
我们来看一看任元会任老的著作《低压配电设计解析》是怎么说的。
任老的这本书，我是问别人要的电子版（也就是盗版，汗颜），当看完老先生写的序以后，就负罪感满满，耄耋之年写书不易，任老要手写原稿，然后其他人编辑、整理成电子稿最终出版，读盗版不应该呀！
但是，好在我有认真拜读此书，并且把任老书中一些有用的表格和公式转化成了自己的Excel表格，TN系统间接接触防护电缆最大长度算表就是其中之一。
F.2~F.5节的文字和图片部分摘录自任老的《低压配电设计解析》。
实际工程这个0.4s如何使用，要从下面这条规范看起，
Ia为保证间接接触保护电器在规定时间内切断电源的动作电流，也就是断路器的Iset3。
GB50054-2011间接接触防护规定
5.2.8公式不便于日常设计应用，而TN系统接地故障电流 Id= U0/Zs，
Id在这里就是单相接地故障电流，所以上式可以写成，
Id ≥ Ia
结合短路灵敏系数1.3倍的要求，可以进一步写成，
Id ≥ 1.3Iset3
这里灵敏系数1.3倍是怎么来的，今生老师说过
1.3 = 1.2 × 1.1
① 考虑瞬时脱扣器动作误差，电磁脱扣器为1.2，电子脱扣器为1.1；
② 考虑多极断路器单极过电流对脱扣特性的影响，三极和四极断路器为1.2倍约定脱扣电流；二极断路器为1.1倍约定脱扣电流。
实际工程中要通过Id ≥ 1.3Iset3判断是否满足要求，困难在于Id的计算，任老的书中提供了查表法，可以不计算Id，而将Id的计算转化为电缆长度的查表。
思路如下。
.3 ——将故障电流转化为电缆长度查表
影响Id的主要因素为电缆的相保电阻和相保电抗，Zs=√（Rphp²+Xphp²），
尤其当故障点远离电源时，可以忽略电源阻抗和线缆电抗，可近似认为，
Zs ≈ Rphp ≈ Rph+Rpe
将Id取最小故障电流Id.min，即保证断路器动作的最小值，可得线路长度的最大值Lmax，
上式计入故障时温度系数1.5和校正系数K和Ks，
➊1.5为单相短路Rphp的修正系数，取导线20°C时电阻的1.5倍。
本质是温度的修正 ρ=ρ20[1+0.004×(T-20)]，
短路温度145℃时，此系数为1.5。
关于此1.5倍系数的第二个解释，感谢孟。
50217附录A表格中，短路暂态温度160度，括号内为＞300mm²电缆。
用160℃，算温度修正系数为1.56。
➋K为忽略线路电抗时产生误差的校正系数，
Sph≤95mm²取1，Sph为120mm²和150mm²取0.96，Sph≥185mm²取0.92；
➌Ks为忽略电源阻抗时产生误差的校正系数，取0.8~1.0， 故障点离配电变压器近时取低值；故障点离配电变压器远时取高值。
这样就把繁琐的故障电流计算转化成了可以查表的电缆长度。
对于多级配电，采用"等效折算系数法"，将上一级电缆长度，按截面积之比折算为下级线缆截面的长度，然后同下级线缆长度相加。
.4 —— 任老的表格解决实际问题
回到本文Ecodial软件报错的例子中，
初始条件：
L1为150mm²电缆，30米；L2为2.5mm²电缆，长度145米。L2始端断路器，Iset1=10A。
问题是，当L2末端发生单相接地故障时，查任老的表格，判断L2始端断路器是否满足故障切断要求。
解答过程：
➊ 以L2为基准折算L1长度，查下表，系数为0.03。
此折算系数也可以手动计算，本质就是截面积比，
(1/150+1/70)/(1/2.5+1/2.5)= 0.02619 ≈0.03
➋ 计算折算后的总长度，30×0.03+145=145.9m
➌ 查表并判断
发现，任老的表格是从20，25，32，40...开始计算的，他没有计算6A 10A 16A的情况，但是我们理解了原理之后，完全可以自己补全这三种情况的数据。
10A时，Iset3为10倍的Iset1，即100A，此时对应的最大长度可通过Lmax公式计算得到，
Lmax=220*2.5*1*0.9/1.5/0.01724/(1+2.5/2.5)/(1.3*10*10)=74m
145.9 ＞74，故不满足。
应采取补救措施，以满足间接接触防护的要求。
.5 ——补救措施
当故障电流Id很小不能满足时，不能满足Id≥1.3Iset3，应采取以下措施之一：
➊ 加大相导体或（和）PE导体截面积。（减小阻抗，增大短路电流）
➋ 采用RCD做故障防护（减小断路器脱扣的阈值）
➌ 设置SEB辅助等电位联结
设置SEB后，虽然故障接触电压降低到50V以下（干燥条件下），但是仍要求切断电源，只是不必符合故障防护的切断时间要求，但应满足热稳定的规定。
（公众号后面的文章会写辅助等电位联结SEB，其实就是我们说的LEB，哪些场所需要设置，哪些不需要设置，原理是什么？依据和判断标准是什么？有设计图纸所有的机房都做LEB联结，有必要吗？）
.6 —— 自制Excel算表解决此实际问题
Excel确实不仅仅是一款表格软件，他的功能强大到令人惊叹。
尤其是在你使用宏编辑以后。
还是上面的问题，我把任老的公式和数据做成了Excel表。
输入已知条件后，自动查询数据并判断。
此表格可计算，一级、二级、三级配电电缆的最大长度，并校验回路是否满足间接接触防护的规范要求。
Ecodial软件报错的解决及断路器脱扣曲线
回到Ecodial报错的信息，通过脱扣曲线图（如下图所示），解释一下这个报错的意思。
首先，黑色虚线箭头指向的为脱扣曲线的下包络线，即额定不脱扣曲线。
在此线以下必不脱扣。
其次，黑色实线箭头指向的为脱扣曲线的上包络线，即额定脱扣曲线。
在此线以上必脱扣。
最后，两条曲线之间的浅蓝色区域可以理解为不确定区域，在这个区间可能脱扣也可能不脱扣。
上图，绿色竖线为单相接地故障电流，施耐德给出的结果为79A。
绿色竖线与上包络线的交点M，图示绿色箭头指向的点，坐标为（79.6，2.26）。
这里说一下，报错信息中给出的点为（79.4，2.29），而（79.6，2.26）点是我鼠标手动移动后显示的坐标，有一点误差是因为没有恰好移动到计算结果的坐标点。
也就是说，当故障电流为79A时，断路器必脱扣的临界时间是2.26s。
但是2.26s大于规范规定的0.4s。
这说明，此断路器在故障时不能及时断开故障回路，不满足间接接触防护自动切断电源的要求。
将原2.5mm²电缆放大至4mm²，单相短路电流为127A，软件仍然报错，如下图所示。
脱扣时间1.05s，仍然大于0.4s。
继续将电缆放大至6mm²，运行后错误消失，见下图。
故145m长的排风机回路采用6mm²电缆。
从短路灵敏性角度来解释这个问题，额定电流为10A的断路器，Iset3为100A（假定为10倍），乘以1.3的灵敏度系数后，故障电流应大于130A。
当电缆为2.5mm²和4mm²时，末端单相接地故障电流均小于130A，肯定会报错。
增大至6mm²后，单相接地故障电流为189A＞130A，故报错消失。
Ecodial软件短路、压降计算结果
图片宽度有限，仅截取几个回路，蓝色箭头为压降，绿色框为短路电流。
Ecodial短路电流及电压损失计算结果
Ecodial电缆和断路器自动选型
下图中，红色箭头指向的断路器为上一级QA1，对应的脱扣曲线为红色。
蓝色箭头指向的断路器为下一级CB2，对应的脱扣曲线为蓝色。
点击下级断路器后，自动给出上下级断路器脱扣曲线图，方便判断选择性和调节整定值。如下图，
上下级满足选择性，即Total Selectivity。
Ecodial上下级断路器脱扣曲线界面
当然这个例子比较特殊，上级250A，下级10A，
主要在于Ecodial软件提供给我们认识和查询脱扣曲线的一种途径和方法。
ETAP软件短路、压降计算结果
同样的问题用ETAP建模，潮流计算结果，如下图，可以看到压降
ETAP基于60909的三相短路计算结果，如下图
ETAP 基于60909的单相短路计算结果，如下图
ETAP和Ecodial计算出的短路电流结果与本文D
节Excel的计算结果大同小异。
差别的原因：
➊ 电缆的阻抗取值与配四数值有差别
➋ 短路IEC法和短路实用法的不同
ETAP的star system，也可以看到脱扣曲线。
还是上面的例子，3kW排风机手动选一个16A额定电流的塑壳断路器，2.5mm²电缆，单相短路电流129A时，分断时间5.43s，也是不满足0.4s的要求，如下图。
压降和灵敏度
上一篇电压降的文章第E节中，我有说过，
在一般的回路中，满足电压降允许值的极限供电距离，往往大于灵敏度因素的极限距离。
就是说，满足灵敏度的前提下，自然满足电压降，都不需要再去校验压降。
借这篇文章中的例子，我再次表述一下这个观点。
还是屋顶3kW排风机的例子，末端线路用2.5mm²的电缆，此时电压降是满足规范要求的，见上面Ecodial和ETAP计算结果。
但问题是，用2.5mm²电缆时，不满足间接接触防护自动切断电源的要求，也可以说不满足切断时间0.4s的要求，或者可以说不满足灵敏度的要求。
在本质上，这三种表达方式就这个问题而言是相同的。
也就是说压降满足要求时，灵敏度不一定满足规范要求。
但是我们放大电缆截面以后，放大至6mm²以后，满足灵敏度的要求时，电压降要求自然满足。
所以，在一般的回路中，满足电压降允许值的极限供电距离，往往大于灵敏度因素的极限距离。
就是说，满足灵敏度的前提下，自然满足电压降，都不需要再去校验压降。
本文完。
以下截图为个人存档。
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