低压配电系统单相接地故障防护浅析

低压配电系统单相接地故障防护浅析

陈立荣

中船第九设计研究院工程有限公司

摘要：单相接地故障是低压配电系统中最为常见的接地故障，其防护措施主要有自动切断电源和保护等电位联结。断路器作为过电流保护电器兼做接地故障保护应用于末端电动机回路时，既要避开电动机的启动电流，又要满足接地故障保护灵敏度要求，后者往往被忽略。本文通过民用建筑某个工程设计实例对单相接地故障各种防护措施进行分析与探讨。

关键词：低压配电系统；接地形式；单相接地故障；瞬时脱扣器形式；自动切断电源；保护等电位联结；RCD电流脱扣限值。

0引言

接地故障，带电导体和大地之间意外出现导电通路。当低压配电系统发生接地故障时，配电线路和电气设备会出现过热现象并导致温度上升，当温度超过其承受范围时，配电线路和电气设备会损坏绝缘层、减少寿命甚至烧坏，更严重的会引发电气火灾；另外，接地故障会使电气装置的外壳带电，从而危及到碰触者的生命安全。因此，采取正确有效的接地故障防护措施，在其产生危害前切断电源显得尤为重要。

1低压配电系统的接地形式

低压配电系统的接地形式可分为TN、TT、IT三种系统，其中TN系统又可分为TN-S、TN-C-S、TN-C三种形式。目前，我国民用建筑低压配电系统的接地形式广泛采用TN系统，当变电所设于建筑物内时一般采用TN-S系统，反之则采用TN-C-S系统；TN-C系统因为不能装设剩余电流动作保护器而很少采用。

接地故障的防护措施主要有两种：1、自动切断电源2、保护等电位联结。在低压配电系统中，相对于其它接地故障，单相接地故障最为常见，本文将以民用建筑中TN-S系统的单相接地故障来对这两种防护措施进行分析与探讨。

2断路器作为接地故障保护自动切断电源

过负荷保护电器有熔断器和断路器，本文仅以断路器作为探讨对象，分析其在作为过电流保护电器兼做接地故障保护时的选用条件。

根据《低规》第5.2.8条，TN系统中配电线路的间接接触防护电器的动作特性，应符合下式要求：

Zs*Ia≤U0(1)

式中Zs----接地故障回路的阻抗(Ω)，包括电源(变压器或发电机)、相导体、PEN或PE导体的阻抗；

U0----为相导体对地标称电压(V)，取220V；

Ia----保证间接接触保护电器在规定时间内切断故障回路的动作电流(A)。对于配电线路，切断时间为不大于5s。

《低规》第6.2.4条：“当短路保护电器为断路器时，被保护线路末端的短路电源不应小于断路器瞬时或短延时过电源脱扣器整定电流的1.3倍。”即当TN-S系统内发生的接地故障电流满足断路器瞬时或短延时过电源脱扣器整定电流的1.3倍时，可利用断路器作为过电流保护电器兼做故障保护。即

Id≥1.3Iset3(2)

式中：Iset3----瞬时过电流脱扣器的整定电流，A；

Id----接地故障电流，A。

根据GB14048.2-2008/IEC60947-2:2006《低压开关设备和控制设备第2部分：断路器》第7.2.1.2.4条：

“用过电流脱扣器断开

a)短路情况下断开

对于短路电流脱扣器所有电流整定值，短路脱扣器应使断路器脱扣，且具有电流整定值的脱扣电流值的±20%准确度。

……”

由此可见，断路器短路电流脱扣器整定值允许有±20%的误差，在进行低压配电系统单相接地故障防护设计时，应考虑这部分的误差。

根据GB50055-2011《通用用电设备配电设计规范》第2.3.5条第3款：“瞬动过电流脱扣器或过电流继电器瞬动元件的整定电流应取电动机起动电流周期分量最大有效值的2倍~2.5倍。”瞬时过电流脱扣器的整定电流，需要躲过配电线路的尖峰电流，即

Iset3≥kset3[I'stM1+I'C(n-1)](3)

式中：Kset3----低压断路器瞬时过电流脱扣器的可靠系数，考虑电动机启动电流误差和断路器瞬动电流误差，可取1.2；

I'st----线路中最大一台电动机的全启动电流，A，它包括周期分量和非周期分量，对于笼型电机，可取其启动电流Ist的2~2.5倍，本文取2.2；

I'C(n-1)----除启动电流最大的一台电动机以外的线路计算电流，A。

因此，断路器瞬时过电流脱扣器的整定值应能同时满足式（2）和式（3），方能符合接地故障保护灵敏度并能避过电动机的启动电流。而在实际的工程设计时，部分距离较远、功率较小的风机、水泵等电动机回路，因为配电线缆截面小、阻抗大，其接地故障电流较小，整定值往往不能同时满足式（2）和式（3）。

3设计实例分析

某工程建筑高度99米，96.9米标高层设置卫生间排风机2台，功率分别为2.2kW、4kW，电源由地下一层变电所直供。变压所内设两台SCB11型10/0.4kV变压器、D,yn11连接，容量均为1250kVA、阻抗电压Uk=%6、负载损耗△PK=9.69kW，变压器高压侧短路容量S"S=300MVA。其低压网络单相接地故障电流计算电路简图如下：

k1，k2，k3，k4各点的单相接地故电流详见下表：

电动机的起动电流约为额定电流的6.5倍，对于单台电动机回路,根据式（3），有：

Iset3≥kset3[I'stM1+I'C(n-1)]=1.2x6.5x2.2IrM≈17IrM(4)

式中：IrM----电动机的额定电流，A。

线路的末端保护在短路分断能力满足要求时一般会选择微型断路器。微型断路器为非选择性断路器，仅有长延时和瞬时两段保护，断瞬时脱扣电流形式一般有B型、C型和D型。下面以施耐德电气的iC65N为例，其瞬时脱扣范围见下表：

电动机M1：额定电流IrM1=4.2A，根据式(2)，Iset3≤Id/1.3=230/1.3=177(A)，根据式(4)，Iset3≥17IrM1=71.4(A)。根据表2，Q3选用iC65N-C10/3P时，Iset3=(5~10)Iset1=(50~100)A，可以满足式(2)要求而未能满足式(4)；选用iC65N-D10/3P时，Iset3=(10~14)Iset1=(100~140)A，式(2)及式(4)均能满足；选用iC65N-C16/3P时，Iset3=(5~10)Iset1=(80~160)A，式(2)及式(4)均能满足；选用iC65N-D16/3P时，Iset3=(10~14)Iset1=(160~224)A，能满足式(4)而未能满足式(2)要求。因此，Q3可选择iC65N-D10/3P或是iC65N-C16/3P。

表1低压单相接地故障电流计算表

表2

电动机M2：额定电流IrM1=7.6A，根据式(2)，Iset3≤Id/1.3=240/1.3=185(A)，根据式(4)，Iset3≥17IrM1=129.2(A)。根据表2，Q4选用iC65N-C16/3P时，Iset3=(5~10)Iset1=(80~160)A，可以满足式(2)要求而未能满足式(4)；选用iC65N-D16/3P时，Iset3=(10~14)Iset1=(160~224)A，能满足式(4)要求而未能满足式(2)。

针对电动机M2的情况，可采用以下两种解决办法：

(1)、增大电缆截面，减少相保回路阻抗，使接地故障电流变大。如上例中线路L1电缆采用WDZA-YJY-1,4x16+E16时，k4点接地故障电流变为350A，Iset3≤Id/1.3=350/1.3=269(A)，选用iC65N-D16/3P时即可以同时满足式(2)和式(4)的要求。

(2)、使用剩余电流动作保护器(RCD)。对于固定式电气设备(如上述提到的排风机)，人体接触到它时可以立即摆脱而不至于触电死亡，因此剩余动作电流I△n可选择100mA~300mA。如上级断路器也采用了RCD，如需满足选择性要求，则至少比下级的RCD的I△n大3倍。使用RCD后，不需要再做接地故障保护校验，但要注意的是，整个配电线路及设备的泄漏电流需要满足表3中交流剩余动作电流脱扣电流限值的要求，以免造成RCD误跳闸。

表3交流剩余电流脱扣电流限值

注：对于给定的电流形式，下限值对应于不动作；上限值对应于动作电流。

4保护等电位联结

等电位联结根据其作用可分为保护等电位联结（为了安全目的进行的等电位联结）和功能等电位联结（为保证正常运行进行的等电位联结）；根据其作用范围可分为总等电位联结、辅助等电位联络和局部等电位联结。根据《低规》第5.2.5条：“当电气装置或电气装置某一部分发生接地故障后间接接触的保护电器不能满足自动切断电源的要求时，尚应在局部范围内将本规范第5.2.4条第1款所列可导体部分再做一次局部等电位联结；亦可将伸臂范围内能同时触及的两个可导电部分之间做辅助等电位联结。局部等电位联结或辅助等电位联结的有效性，应符合下式的要求：

R≤50/Ia(5)

式中：R----可同时触及的外露导体可导电部分和装置外可导电部分之间，故障电流产生的电压降引起接触电压的一段线路的电阻（Ω）；

Ia----保证间接接触保护电器在规定时间内切断故障回路的动作电流(A)。”

如图2如示，上例中，电动机M2发生故障电流不能在规定时间内切除，而此时如风机房内未做局部等电位联结，则接触电压Uc为ab、bc段PE线上产生的电压降，其值Uc=IdxR≈240x0.903≈217（V），远大于50V，存在电击风险。按图所示做局部等电位联结后接触电压Uc降为bc段PE线上产生的电压降，其值Uc=IdxR≈240x0.165≈40（V）。局部等电位联结或辅助等电位联结的作用就是要把接触电压降低至安全电压50V以下，其有效性可以通过式（5）来验证。

图2局部等电位联结降低接触电电压示意图

5结束语

设计人员应严格执行国家及地方标准、规范，并根据配电线路的电压降、工程投资经济性、现场施工条件等综合因素进行考虑，因地制宜选择单相接地故障防护措施。由于时间仓促、水平有限，本文如有不妥之处还请各位同仁批评指正。

参考文献

[1]中国航空规划设计研究总院有限公司.工业与民用供配电设计手册[M].第四版.北京：中国电力出版社，2016.

[2]上海电器科学研究所（集团）有限公司，等.GB14048.2-2008/IEC60947-2:2006低压开关设备和控制设备第2部分：断路器[S].北京:中国标准出版社，2008.

[3]中机中电设计研究院有限公司.GB50054-2011低压配电设计规范[S].北京：中国计划出版社，2012.

[4]中国新时代国际工程公司.GB50055-2011通用用电设备配电设计规范[S].北京：中国计划出版社，2012.

[5]施耐德电气（中国）有限公司.电气装置应用（设计）指南[R]，2011.