低壓斷路器作為接地故障保護(hù)電器的應(yīng)用

王旭東 等

【摘 要】低壓配電系統(tǒng)中，接地故障常引起人身電擊或電氣火災(zāi)危害，事故發(fā)生概率遠(yuǎn)高于過(guò)載事故。鑒于此，本文分析了各種低壓配電系統(tǒng)接地型式，給出了配電線路的保護(hù)動(dòng)作特性要求，概括出了斷路器選型的通用要求，同時(shí)結(jié)合低壓配電系統(tǒng)的故障型式，研究了如何選用合適的斷路器類型。本文重點(diǎn)研究了低壓斷路器作為接地故障保護(hù)電器的選用方法，最后通過(guò)算例，驗(yàn)證了提高低壓斷路器動(dòng)作可靠性所提出的技術(shù)措施的合理性。

【關(guān)鍵詞】低壓配電 接地故障保護(hù) 斷路器 整定值

【Abstract】In the low voltage power distribution system， earth fault that has much higher accident probability than overload often causes personal electric shock or electrical fire hazard and the is. In view of this， all kinds of earthing type about low voltage distribution system are analyzed， characteristic requirements of distribution line protection action are given and general requirements of circuit breaker selection are summarized.At the same time， combining with the fault type of low voltage distribution system， how to choose the right type of circuit breaker is studied. This paper focuses on the research about selection method of low voltage circuit breaker as earth fault protective devices.Finally， an example shows that technical measures which are raised in this paper to improve motion reliabilities of low voltage circuit breaker are reasonable.

【Key words】low voltage power distribution； earth fault protection； circuit breaker； setting value

低壓配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，配電線路不僅要考慮短路和過(guò)載事故，還要考慮接地故障，因此正確選擇低壓保護(hù)電器和整定參數(shù)值對(duì)保障低壓配電系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行、防止電氣火災(zāi)和人身電擊具有十分重要的意義[1-5]由于低壓斷路器在配電系統(tǒng)中占有十分重要的地位，其不僅可以接通和分?jǐn)嗾５呢?fù)荷電流和過(guò)負(fù)載電流，還可以接通和分?jǐn)喽搪冯娏骷赐瑫r(shí)具有短路保護(hù)、過(guò)載保護(hù)、控制和隔離等功能，因此低壓斷路器在低壓配電系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。但如果低壓斷路器未能做到合理選型，則可能使受電設(shè)備因過(guò)載而損壞或者引起誤跳閘現(xiàn)象。隨著供電安全性和可靠性要求的提高，正確選擇、使用低壓斷路器成為低壓配電設(shè)計(jì)的一個(gè)重要問(wèn)題，而帶剩余電流動(dòng)作的斷路器和零序電流保護(hù)的斷路器在接地故障保護(hù)中具有特定的優(yōu)勢(shì)。綜上所述，本文就低壓配電設(shè)計(jì)中低壓斷路器的選型及其在接地故障保護(hù)中的應(yīng)用進(jìn)行探討。

1 低壓斷路器的通用技術(shù)要求及特性

1.1 低壓斷路器的通用技術(shù)要求

斷路器必須是符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品，并滿足正常工作條件、短路工作條件和使用環(huán)境要求。

（1）按正常工作條件選擇；正常選擇低壓斷路器應(yīng)滿足以下要求：額定電壓應(yīng)與所在配電回路的標(biāo)稱電壓相適應(yīng)；額定電流不小于該配電回路的計(jì)算電流；額定頻率應(yīng)與配電系統(tǒng)的頻率相適應(yīng)。（2）按短路工作條件選擇；低壓斷路器要切斷短路故障電流，應(yīng)滿足短路條件下的動(dòng)穩(wěn)定和熱穩(wěn)定要求，同時(shí)應(yīng)具備短路條件下的分?jǐn)嗄芰Α＃?）按環(huán)境條件選擇；考慮斷路器安裝場(chǎng)所的環(huán)境特征，以選擇相適應(yīng)防護(hù)等級(jí)（IP等級(jí)）的產(chǎn)品，在高海拔地區(qū)應(yīng)選用高海拔用的產(chǎn)品，化工腐蝕環(huán)境根據(jù)腐蝕性物質(zhì)的釋放嚴(yán)酷程度、通風(fēng)等條件確定其防腐等級(jí)[6]。

1.2 低壓斷路器的技術(shù)特性

1.2.1 低壓斷路器的分類

低壓斷路器按使用類別分為A類、B類。A類為非選擇性斷路器，具有瞬動(dòng)和長(zhǎng)延時(shí)兩種動(dòng)作特性；B類有三段式保護(hù)，除瞬動(dòng)和長(zhǎng)延時(shí)外還有短延時(shí)，在短路時(shí)具有選擇性保護(hù)[7]。

1.2.2 過(guò)電流脫扣器分類及動(dòng)作特性

低壓斷路器過(guò)電流脫扣器分為：瞬時(shí)過(guò)電流脫扣器；定時(shí)限過(guò)電流脫扣器即短延時(shí)過(guò)電流脫扣器；反時(shí)限過(guò)電流脫扣器，通常稱為長(zhǎng)延時(shí)過(guò)電流脫扣器。

過(guò)電流脫扣器的電流整定值用電流值的倍數(shù)或直接用安培數(shù)表示，脫扣時(shí)間整定值有兩種表示方法：一、定時(shí)限的延時(shí)時(shí)間整定值用秒表示；二、反時(shí)限一般給出時(shí)間-電流特性曲線。

（1）瞬時(shí)或定時(shí)限過(guò)電流脫扣器動(dòng)作特性；在達(dá)到電流整定值時(shí)應(yīng)瞬時(shí)（固有動(dòng)作時(shí)間）或在規(guī)定時(shí)間內(nèi)動(dòng)作。（2）反時(shí)限過(guò)電流脫扣器的動(dòng)作特性；在基準(zhǔn)溫度下，所有相極通電至1.05In（In為斷路器額定電流）即約定不脫扣電流時(shí)，在約定時(shí)間（對(duì)In>63A為2h，In≤63A為1h）內(nèi)不應(yīng)脫扣；在約定時(shí)間結(jié)束后，立即使電流上升到1.3In（即約定脫扣電流），在小于約定時(shí)間內(nèi)脫扣。（3）接地故障保護(hù)脫扣器的動(dòng)作特性；接地故障電流值在達(dá)到整定值時(shí)應(yīng)在規(guī)定時(shí)間內(nèi)動(dòng)作，并有一定的延時(shí)時(shí)間。

2 低壓配電線路接地故障保護(hù)的規(guī)定

2.1 接地故障保護(hù)的一般規(guī)定

自動(dòng)切斷電源的接地故障保護(hù)適用于I類電氣設(shè)備，所在場(chǎng)所為正常環(huán)境，人身電擊安全電壓限值不超過(guò)50V。采用接地故障保護(hù)時(shí)，建筑物內(nèi)各種導(dǎo)電體應(yīng)作等電位聯(lián)結(jié)，以降低預(yù)期接觸電壓。

2.2 TN系統(tǒng)的接地故障保護(hù)要求

TN系統(tǒng)接地故障保護(hù)的動(dòng)作特性：

Zs·Ia≤UO （1）

式中：ZS-接地故障回路的阻抗（Ω）；

Ia -保證保護(hù)電器在規(guī)定時(shí)間內(nèi)切斷故障回路的電流（A）；

UO-相線對(duì)地標(biāo)稱電壓（V）。

UO等于220V的配電線路，其切斷故障回路的時(shí)間規(guī)定如下：供電干線和供固定用電設(shè)備的末端回路，不大于5s；供手握式或移動(dòng)式用電設(shè)備的末端回路以及插座回路，不大于0.5s。

2.3 TT系統(tǒng)的接地故障保護(hù)要求

TT系統(tǒng)配電線路接地故障保護(hù)的動(dòng)作特性應(yīng)符合下列要求：

RA·Ia≤50V （2）

式中：RA-外露可導(dǎo)電部分的接地電阻與PE線電阻和（Ω）；Ia-保證保護(hù)電器切斷故障回路的動(dòng)作電流（A）。

當(dāng)采用反時(shí)限特性過(guò)流保護(hù)電器時(shí)，Ia為5s內(nèi)切斷的電流；采用瞬時(shí)動(dòng)作特性的過(guò)流保護(hù)時(shí)，Ia為瞬時(shí)整定電流；采用漏電保護(hù)器時(shí)，Ia為其額定動(dòng)作電流I△n。通常TT系統(tǒng)的接地故障電流很小，不能使用非選擇型斷路器保護(hù)。

2.4 IT系統(tǒng)的接地故障保護(hù)要求

當(dāng)IT系統(tǒng)配電線路發(fā)生第一次接地故障時(shí)，應(yīng)由絕緣監(jiān)視電器發(fā)出聲、光報(bào)警信號(hào)，并在盡量短的時(shí)間內(nèi)排除第一次接地故障以維持供電的不間斷[1]。其動(dòng)作電流應(yīng)符合下式要求：

RA·Id≤50V （3）

式中：RA -外露可導(dǎo)電部分的接地電阻（Ω）；

Id-第一次接地故障電流（A）。

如果第一次接地故障未排除又發(fā)生第二次接地故障，則需視情況按TN系統(tǒng)或TT系統(tǒng)的方式來(lái)切斷故障電路，并符合下列要求：當(dāng)IT系統(tǒng)不引出N線，應(yīng)在0.4s內(nèi)切斷故障回路，并符合下列要求：

Zs·Ia≤（ 3/2）0.5 ·UO （4）

式中：Zs-相線和PE線故障回路阻抗（Ω）；Ia-保護(hù)電器切斷故障回路的動(dòng)作電流（A）。

當(dāng)IT系統(tǒng)引出N線，應(yīng)在0.8s內(nèi)切斷故障回路，并符合下式要求：

Zs·Ia≤0.5UO （5）

式中：Zs-包括相線、N線和PE線在內(nèi)故障回路阻抗（Ω）。

3 低壓配電系統(tǒng)接地故障保護(hù)設(shè)計(jì)方案

3.1 方案分析

（1）利用過(guò)電流保護(hù)兼做接地故障保護(hù)；當(dāng)系統(tǒng)的接地故障電流較大，短路保護(hù)電器切斷電源時(shí)間滿足要求時(shí)，可利用原來(lái)做過(guò)載保護(hù)和短路保護(hù)的過(guò)電流保護(hù)電器兼做接地故障保護(hù)。當(dāng)采用非選擇型斷路器作為過(guò)電流保護(hù)電器時(shí)，可利用斷路器的瞬時(shí)過(guò)電流脫扣器兼做接地故障保護(hù)。由于瞬時(shí)脫扣器的全分?jǐn)鄷r(shí)間一般為10～20ms，可滿足切斷故障回路時(shí)間的要求。因此只需驗(yàn)證接地故障電流Id與瞬時(shí)脫扣器整定電流Ir3的比值是否滿足Id>1.3Ir3，若滿足則可采用非選擇型斷路器瞬時(shí)脫扣器做接地故障保護(hù)。但通常非選擇型斷路器的瞬時(shí)脫扣器整定值Ir3為長(zhǎng)延時(shí)脫扣器整定電流的8～14倍，使得Id>1.3Ir3很難滿足。選擇型斷路器短延時(shí)過(guò)電流脫扣器的動(dòng)作時(shí)間一般為0.1～0.8s，其整定電流Ir2通常為瞬時(shí)過(guò)電流脫扣器整定值Ir3的0.2～0.3倍，因此利用短延時(shí)過(guò)電流脫扣器比利用瞬時(shí)過(guò)電流脫扣器做接地故障保護(hù)更容易滿足要求[8]。因此對(duì)于配電干線可利用選擇型斷路器短延時(shí)過(guò)電流做接地故障保護(hù)，其動(dòng)作特性如圖1 所示。

圖1 三段式保護(hù)的時(shí)間電流動(dòng)作特性

圖1中，Ir1-過(guò)載長(zhǎng)延時(shí)整定電流值（A）；Ir2-短路短延時(shí)整定電流值（A）；Ir3-短路瞬時(shí)整定電流值（A）；t1-過(guò)載長(zhǎng)延時(shí)時(shí)間整定值（s）；t2-短路短延時(shí)時(shí)間整定值（s）；

（2）采用帶接地故障保護(hù)的斷路器；

圖2所示：

圖2 接地故障保護(hù)的時(shí)間電流動(dòng)作特性

圖2為斷路器接地故障保護(hù)的時(shí)間電流工作特性曲線。Ir4-接地故障保護(hù)整定電流值（A），t4-接地故障延時(shí)時(shí)間整定值（s）。

接地故障分為零序電流保護(hù)和剩余電流動(dòng)作保護(hù)，其原理如下：

（1）零序電流保護(hù)動(dòng)作原理：三相四線制配電線路正常運(yùn)行時(shí)，如果三相負(fù)載完全平衡，無(wú)諧波電流，忽略正常泄流電流，則流過(guò)中性線的電流IN=0；如果三相負(fù)載不平均，則產(chǎn)生不平衡電流即IN≠0；如果發(fā)生某一相接地故障時(shí)，IN將大大增加，達(dá)到IN（d）。因此通過(guò)檢測(cè)IN值發(fā)生的變化，可取得接地故障的信號(hào)。斷路器零序電流保護(hù)的整定值確定原則為：正常運(yùn)行出現(xiàn)最大不平衡電流時(shí)不會(huì)動(dòng)作，但在發(fā)生接地故障時(shí)必須動(dòng)作，因此建議零序電流保護(hù)整定值Ir4符合下列兩式的要求： Ir4≥（1.5～2.0）IN （6）

1.3 Ir4≤ IN（d） （7）

正常情況下，上式中IN一般為Ir1的20%～25%，Ir4的整定值取Ir1的50%～60%為宜。

（2）剩余電流保護(hù)動(dòng)作原理：檢測(cè)三相電流加中性線電流的矢量和即 ，正常時(shí) =0，發(fā)生接地故障時(shí)則等于接地故障電流I0（d）。斷路器接地故障保護(hù)的整定值Ir4應(yīng)符合下式要求：

I0（d）≥1.3Ir4 （8）

根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，一般要求剩余電流保護(hù)整定值Ir4大于正常運(yùn)行時(shí)泄漏電流的5～10倍，采用剩余電流保護(hù)比采用零序電流保護(hù)的動(dòng)作靈敏性要高。這種方式的整定電流更小，在發(fā)生接地故障時(shí)，和下級(jí)剩余電流動(dòng)作保護(hù)器之間難以保證選擇性，只能要求和上級(jí)漏電電流動(dòng)作保護(hù)器之間具有良好的選擇性，因此，多用于安全防護(hù)要求高的場(chǎng)所。所以，在防人身電擊的場(chǎng)合，應(yīng)以末端防護(hù)為基礎(chǔ)，避免非選擇性切斷電路。

防止電氣火災(zāi)的一個(gè)重點(diǎn)是在建筑物電源進(jìn)線處安裝防火型的剩余電流保護(hù)器，以檢測(cè)整幢建筑物的接地故障，并延時(shí)作用于報(bào)警或切斷電源[1，2]，整定電流一般不大于300mA，當(dāng)動(dòng)作于切斷電源時(shí)，應(yīng)斷開(kāi)回路的所有帶電導(dǎo)體。低壓配電系統(tǒng)中為了縮小發(fā)生人身電擊事故和接地故障切斷電源時(shí)引起的停電范圍，剩余電流保護(hù)裝置應(yīng)采用分級(jí)防護(hù)。

3.2 存在的問(wèn)題及解決措施

當(dāng)配電線路較長(zhǎng)，接地故障電流Id較小，不足以使保護(hù)電路動(dòng)作。為此，必須降低斷路器瞬時(shí)整定值Ir3；另一方面應(yīng)力求提高Id值，具體措施如下：

（1）改變配電變壓器的聯(lián)結(jié)組別；配電變壓器選用D，yn11接線組別比選用Y，yn0接線組別零序阻抗小得多，因此單相接地故障電流較大，這樣有利于故障的切除。（2）加大相導(dǎo)體及接地線導(dǎo)體截面；當(dāng)配電線路較長(zhǎng)，導(dǎo)線截面很小，接地故障電流較小，使得過(guò)電流保護(hù)電器常常不能滿足接地故障電流大于保護(hù)器動(dòng)作整定值，此時(shí)采用放大相線、PE線截面面積[3，8]。加大相導(dǎo)體截面對(duì)于截面較小的電纜和穿管絕緣線有較大影響，而對(duì)于較大截面的裸干線或架空線，由于其電抗較大，加大截面作用很小。（3）合理規(guī)劃供電方案；合理規(guī)范供電方案，縮短供電距離，減小短路阻抗，使短路電流滿足要求[3]。（4）采用局部或輔助等電位連接；建筑物的低壓電氣裝置應(yīng)采用等電位連接，以降低建筑內(nèi)間接接觸電壓和不同金屬物體間的電位差；避免經(jīng)建筑物外電氣線路和金屬管道引入的故障電壓的危害；減少保護(hù)電器動(dòng)作不可靠帶來(lái)的危險(xiǎn)。（5）降壓?jiǎn)?dòng)；對(duì)于電動(dòng)機(jī)保護(hù)回路，可用降壓?jiǎn)?dòng)或軟啟動(dòng)，可降低瞬時(shí)過(guò)電流整定值Ir3，使得更容易滿足Id﹥1.3Ir3要求。

4 算例分析

為驗(yàn)證低壓斷路器在低壓配電系統(tǒng)接地故障中的應(yīng)用，現(xiàn)舉例說(shuō)明。采用TN接地方式的低壓配電線路和末端線路保護(hù)電器如圖3所示，其中QF1為帶短延時(shí)的三段式保護(hù)和接地故障保護(hù)的斷路器，QF2為帶長(zhǎng)延時(shí)和瞬時(shí)過(guò)電流脫扣器的斷路器。由圖3確定斷路器QF1、QF2的整定值。

圖3 采用低壓斷路器保護(hù)的配電系統(tǒng)接線圖

（1）QF1的參數(shù)整定；QF1的長(zhǎng)延時(shí)過(guò)電流整定值Ir1應(yīng)不小于Ic，取140A。

按下級(jí)電動(dòng)機(jī)直接啟動(dòng)時(shí)，QF1不會(huì)動(dòng)作，QF1的瞬時(shí)動(dòng)作電流值Ir3滿足；Ir3≥（2.0～2.5）IstM=（820.4～1025.5）A；按接地故障保護(hù)的要求，QF1的瞬時(shí)動(dòng)作電流值Ir3滿足；Ir3≤Id1/1.3=1480/1.3=1138A；

QF1接地故障保護(hù)（采用零序電流保護(hù)）整定值Ir4≤Id1/1.3=1138A取0.2 Ir1，其值等于28A，并建議有0.4s的時(shí)間延時(shí)。QF1作為配電干線上的開(kāi)關(guān)，剩余電流保護(hù)整定值可取不大于300mA，以減少接地故障產(chǎn)生電弧而引起的電氣火災(zāi)。

（2）QF2的參數(shù)整定；QF2的長(zhǎng)延時(shí)過(guò)電流整定值Ir1應(yīng)不小于IM，取63A。

按電動(dòng)機(jī)直接啟動(dòng)，QF2的瞬時(shí)過(guò)電流整定值Ir3滿足；Ir3≥（2.0～2.5）IstM=（820.4～1025.5）A；按接地故障保護(hù)要求，QF2的瞬時(shí)過(guò)電流整定值Ir3滿足；Ir3≤Id2/1.3=1110/1.3=854A；

同時(shí)符合上述兩項(xiàng)要求的QF2的瞬時(shí)過(guò)電流整定值Ir3取850A比較恰當(dāng)。作為末端保護(hù)電器，如果QF2帶剩余電流保護(hù)，則剩余電流保護(hù)整定值I△n可取30mA，一般型，有效防止人身電擊傷害。

5 結(jié)語(yǔ)

在低壓配電系統(tǒng)中，TN、TT、IT系統(tǒng)有各自特點(diǎn)和適用范圍，發(fā)生接地故障時(shí)，既要保證可靠切斷電路，又要盡可能縮小斷電范圍。這就要求合理進(jìn)行配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)和準(zhǔn)確的計(jì)算故障電流值，在此基礎(chǔ)上，選擇斷路器并正確整定斷路器的動(dòng)作電流和動(dòng)作時(shí)間。本文通過(guò)分析和算例表明，選用帶接地脫扣的低壓斷路器，正確設(shè)計(jì)和整定動(dòng)作電流值、動(dòng)作時(shí)間在接地故障保護(hù)中具有很大優(yōu)勢(shì)，在設(shè)計(jì)中推薦選用。

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作者簡(jiǎn)介：王旭東（1981—），男，工程師，主要從事電網(wǎng)規(guī)劃及供配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作。