電氣低壓系統(tǒng)零序保護(hù)分析

【摘 要】低壓配電系統(tǒng)中的接地故障一直都是核電站電氣系統(tǒng)經(jīng)常發(fā)生的問題。接地故障可能會(huì)造成電氣火災(zāi)或是人身電擊事故。因此，必須加強(qiáng)重視電氣系統(tǒng)的保護(hù)。本文主要對(duì)電氣低壓配電系統(tǒng)中零序保護(hù)進(jìn)行簡要的分析概述。

【關(guān)鍵詞】低壓配電；系統(tǒng)；接地故障；零序保護(hù)

前言：

低壓配電系統(tǒng)是核電站配電系統(tǒng)中很重要的組成部分，同時(shí)其負(fù)荷的數(shù)量及類型眾多，而現(xiàn)階段電氣設(shè)計(jì)以及施工中往往存在著接地形式混亂、接地做法不夠合理、剩余電流保護(hù)器（RCD）接線錯(cuò)誤等問題，導(dǎo)致由接地故障引發(fā)的人身遭受電擊和電氣火災(zāi)事故不在少數(shù)，因此保護(hù)的正確選用將直接影響整個(gè)系統(tǒng)的安全性以及可靠性。

一、低壓配電系統(tǒng)接地故障概述

低壓配電系統(tǒng)的接地故障，即相線對(duì)地或與地相關(guān)聯(lián)的導(dǎo)電體之間由于短路所引發(fā)的電氣故障。當(dāng)?shù)蛪号潆娤到y(tǒng)及用電設(shè)備某處發(fā)生接地故障時(shí)，在故障存續(xù)的時(shí)間內(nèi)與發(fā)生故障相關(guān)聯(lián)的電氣設(shè)備外露可導(dǎo)電部分都會(huì)出現(xiàn)故障電壓。此電壓可能會(huì)使人遭受電擊，在施工現(xiàn)場(chǎng)，也容易因接地點(diǎn)所形成的電弧、電火花引燃附近的可燃物質(zhì)從而引發(fā)火災(zāi)事故，甚至可能會(huì)引爆可燃?xì)怏w引發(fā)爆炸事故。存在于低壓配電系統(tǒng)中的接地故障問題是從事電氣設(shè)計(jì)工作者需要解決的實(shí)際問題，即接地故障的保護(hù)問題。其實(shí)接地故障保護(hù)并不是新出現(xiàn)的問題，只是隨著社會(huì)生產(chǎn)的發(fā)展人們對(duì)技術(shù)及安全的要求提高了。

二、低壓配電系統(tǒng)的接地形式

（一）IT系統(tǒng)

電源端帶電部分不接地或經(jīng)高電阻、電抗或阻抗接地，而用電設(shè)備外露導(dǎo)電部分直接接地。IT系統(tǒng)供電的可靠性高、安全性好，適用對(duì)不間斷供電要求高的某些場(chǎng)所，如重要的連續(xù)生產(chǎn)裝置，尤其適合于礦井井下。近幾年逐步應(yīng)用于大醫(yī)院手術(shù)室等重要場(chǎng)所的動(dòng)力和照明系統(tǒng)。

（二）TT系統(tǒng)

電源中性點(diǎn)直接接地，電氣設(shè)備的外露導(dǎo)電部分接至與電源中性點(diǎn)接地?zé)o電氣聯(lián)系的接地點(diǎn)上。該系統(tǒng)中性線N和PE線沒有電的聯(lián)系，在正常運(yùn)行時(shí)，N線帶電情況下，PE線不會(huì)帶電。

（三）TN系統(tǒng)

電源有一點(diǎn)直接接地，受電設(shè)備的外露可導(dǎo)電部分通過保護(hù)線與電力系統(tǒng)接地點(diǎn)連接。按中性線與保護(hù)線組合情況，又可分為以下3種形式。

1、TN-C系統(tǒng)。整個(gè)系統(tǒng)的中性線與保護(hù)線是合一的。如果三相負(fù)載不平衡，N線上有不平衡電流，在線路上產(chǎn)生一定的電位差，與保護(hù)線所連接的電氣設(shè)備金屬外殼對(duì)大地有一定的電壓。TN-C系統(tǒng)只適用于三相負(fù)荷基本平衡、有專職電工負(fù)責(zé)維護(hù)的工業(yè)廠房。

2、TN-S系統(tǒng)。整個(gè)系統(tǒng)的中性線（N）與保護(hù)線（PE）是分開的。系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，專用保護(hù)線上沒有電流，只是中性線上有不平衡電流。PE線對(duì)地沒有電壓，所以電氣設(shè)備金屬外殼接地保護(hù)是接在專用的保護(hù)線PE上，安全可靠。通常設(shè)有獨(dú)立變配電所時(shí)采用該系統(tǒng)。

3、TN-C-S系統(tǒng)。系統(tǒng)中有一部分保護(hù)線與中性線是合一的，當(dāng)PE線與N線從某點(diǎn)（一般為進(jìn)戶處）分開后就不能再合并，且N線絕緣水平應(yīng)與相線L相同。該系統(tǒng)一般用在電源由區(qū)域變電所引來的場(chǎng)所。

三、低壓配電系統(tǒng)接地故障的分析

對(duì)低壓配電線路和電氣設(shè)備來說，某些設(shè)計(jì)不盡合理、電氣產(chǎn)品的質(zhì)量和性能比較差、施工安裝工藝質(zhì)量達(dá)不到要求，或者運(yùn)行中操作使用和維護(hù)不當(dāng)?shù)雀鞣矫娴脑?，致使低壓配電線路和電氣設(shè)備發(fā)生各種電氣故障，從而引發(fā)人體遭受電擊傷害、電氣設(shè)備損壞、電氣火災(zāi)以及停電停產(chǎn)等事故相繼發(fā)生，甚至同時(shí)還會(huì)造成人員傷亡和財(cái)產(chǎn)的巨大損失。其中又以接地故障為甚，國際通用的IEC標(biāo)準(zhǔn)對(duì)低壓配電系統(tǒng)接地故障保護(hù)主要采用兩點(diǎn)基礎(chǔ)理論：

1、等電位聯(lián)結(jié)理論。即將所保護(hù)范圍內(nèi)的所有設(shè)備、裝置及金屬管道、構(gòu)架等外露可導(dǎo)電部分通過電氣連接方式建立一個(gè)相對(duì)一致的電位即等電位，從而消除由于電位差造成電擊傷害的相對(duì)安全的場(chǎng)所或范圍。等電位聯(lián)結(jié)是以提高并均衡局部電位降低接觸電壓的電壓差，而構(gòu)成一個(gè)相對(duì)封閉安全的環(huán)境。

2、剩余電流理論。即在任何電氣網(wǎng)絡(luò)所構(gòu)成的任意節(jié)點(diǎn)中依據(jù)基爾霍夫電流定律，在任意時(shí)間內(nèi)流進(jìn)和流出節(jié)點(diǎn)的電流矢量和均為零這一原理，如果不為零，這個(gè)電流就被認(rèn)為是剩余電流，即正常電流以外的漏電電流?；谏鲜鰞牲c(diǎn)理論，對(duì)于等電位聯(lián)結(jié)來說，它解決了以往設(shè)備雖然接地但由于接地點(diǎn)與故障點(diǎn)并不在同一位置，各自接觸的阻抗并不相同而有可能出現(xiàn)危險(xiǎn)電壓電擊傷人的問題，同時(shí)還可以解決危險(xiǎn)電壓沿保護(hù)接地線串入的問題。對(duì)于剩余電流來說，它解決了不易檢測(cè)混雜在正常電流中的漏電電流的難題，所以它的保護(hù)靈敏度能得到本質(zhì)上的提高。

四、零序電流保護(hù)

1、零序電流保護(hù)。大電流接地系統(tǒng)發(fā)生接地短路，將產(chǎn)生很大的零序電流，利用零序電流分量構(gòu)成保護(hù)，可以作為一種主要的接地短路保護(hù)。零序過流保護(hù)不反應(yīng)三相和兩相短路，在正常運(yùn)行和系統(tǒng)發(fā)生振蕩時(shí)也沒有零序分量產(chǎn)生，所以具有良好的靈敏度。但零序過流保護(hù)受電力系統(tǒng)運(yùn)行方式變換影響較大，靈敏度因此降低，特別是短距離線路上以及復(fù)雜的環(huán)網(wǎng)中，由于速動(dòng)段的保護(hù)范圍太小，甚至沒有保護(hù)范圍，致使零序電流保護(hù)各段的性能嚴(yán)重惡化，使保護(hù)動(dòng)作時(shí)間很長，靈敏度很低。

2、零序電流保護(hù)的原理。

零序電流保護(hù)的基本原理是基于基爾霍夫電流定律：流入電路中任一節(jié)點(diǎn)的復(fù)電流的代數(shù)和等于零，即ΣI=0。在系統(tǒng)正常運(yùn)行的情況下，各相電流的矢量和等于零（對(duì)零序電流保護(hù)假定不考慮不平衡電流），因此，零序電流互感器的二次側(cè)繞組無信號(hào)輸出（零序電流保護(hù)時(shí)躲過不平衡電流），執(zhí)行元件不動(dòng)作。當(dāng)發(fā)生接地故障時(shí)的各相電流的矢量和不為零，故障電流使零序電流互感器的環(huán)形鐵芯中產(chǎn)生磁通，二次側(cè)感應(yīng)電壓使執(zhí)行元件動(dòng)作，帶動(dòng)脫扣裝置，瞬時(shí)跳開斷路器，達(dá)到接地故障保護(hù)的目的。采用三相重合閘或綜合重合閘的線路，為防止在三相合閘過程中，三相觸頭不同期或單相重合過程的非全相運(yùn)行狀態(tài)產(chǎn)生振蕩時(shí)，零序電流保護(hù)誤動(dòng)作，常采用兩個(gè)第一段組成的四段式保護(hù)。靈敏一段按躲過被保護(hù)線路末端單相或兩相接地短路時(shí)出現(xiàn)的最大零序電流整定。其動(dòng)作電流小，保護(hù)范圍大，但在單相故障切除后的非全相運(yùn)行狀態(tài)下被閉鎖。此時(shí)若其他相再發(fā)生故障，則必須等重合閘重合之后的后加速跳閘，導(dǎo)致跳閘時(shí)間變長，可能引起系統(tǒng)相鄰線路越級(jí)跳閘，故增設(shè)一套不靈敏一段保護(hù)。不靈敏一段按躲過非全相運(yùn)行又產(chǎn)生振蕩時(shí)出現(xiàn)的最大零序電流整定，其動(dòng)作電流大，能躲開上述非全相情況下的零序電流，兩者都是瞬時(shí)動(dòng)作的。

3、零序保護(hù)的優(yōu)點(diǎn)。

結(jié)構(gòu)及工作原理簡單，試驗(yàn)維護(hù)簡便，保護(hù)裝置處于良好的狀態(tài)，正確動(dòng)作率高，保護(hù)范圍比較穩(wěn)定，受故障過渡電阻的影響較小，不受負(fù)荷電流的影響，靈敏度較高。

4、零序電流保護(hù)在運(yùn)行中需注意以下問題：

（1）當(dāng)電流回路斷線時(shí)，可能造成保護(hù)誤動(dòng)作。這是一般較靈敏的保護(hù)的共同弱點(diǎn)，需要在運(yùn)行中注意防止。就斷線機(jī)率而言，它比距離保護(hù)電壓回路斷線的機(jī)率要小得多。

（2）如果確有必要，還可以利用相鄰電流互感器零序電流閉鎖的方法防止這種誤動(dòng)作。

（3）當(dāng)電力系統(tǒng)出現(xiàn)不對(duì)稱運(yùn)行時(shí)，也會(huì)出現(xiàn)零序電流，例如變壓器三相參數(shù)不同所引起的不對(duì)稱運(yùn)行，單相重合閘過程中的兩相運(yùn)行，三相重合閘和手動(dòng)合閘時(shí)的三相斷路器不同期，母線倒閘操作時(shí)斷路器與隔離開關(guān)并聯(lián)過程，或斷路器正常環(huán)網(wǎng)運(yùn)行情況下，由于隔離開關(guān)或斷路器接觸電阻三相不一致而出現(xiàn)零序環(huán)流，以及空投變壓器時(shí)產(chǎn)生的不平衡勵(lì)磁涌流。特別是在空投變壓器所在母線有中性點(diǎn)接地變壓器在運(yùn)行中的情況下，可能出現(xiàn)較長時(shí)間的不平衡勵(lì)磁涌流和直流分量等等，都可能使零序電流保護(hù)啟動(dòng)。

（4）地理位置靠近的平行線路，當(dāng)其中一條線路故障時(shí)，可能引起另一條線路出現(xiàn)感應(yīng)零序電流，造成反分向側(cè)零序方向繼電器誤動(dòng)作。如確有此可能時(shí)，可以改用負(fù)序方向繼電器，來防止零序方向繼電器誤判斷。

（5）由于零序方向繼電器交流回路平時(shí)沒有零序電流和零序電壓，回路斷線不易被發(fā)現(xiàn)；當(dāng)繼電器零序電壓取自電壓互感器開口三角側(cè)時(shí)，也不易用較直觀的模擬方法檢查其方向的正確性，有可能造成保護(hù)拒動(dòng)和誤動(dòng)。

結(jié)束語：

低壓配電系統(tǒng)是核電站中較為復(fù)雜，且事關(guān)安全的重要部分，設(shè)計(jì)時(shí)一定要按有關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范執(zhí)行，提高系統(tǒng)的安全性，安裝調(diào)試過程中要規(guī)范施工，認(rèn)真調(diào)試設(shè)備，提前發(fā)現(xiàn)問題，減少因接地故障引起電擊、火災(zāi)事故所帶來的人身和財(cái)產(chǎn)損失，提高安全用電水平。

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