四極斷路器的選用

劉振忠/西蒙田/周　焱/錢觀榮

(1.施耐德電氣(中國)有限公司上海分公司，上海 201203；2.華東建筑設(shè)計研究總院，上海 200002)

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四極斷路器的選用

劉振忠1/西蒙田1/周焱1/錢觀榮2

(1.施耐德電氣(中國)有限公司上海分公司，上海 201203；2.華東建筑設(shè)計研究總院，上海 200002)

0　引言

在三相四線制的配電回路設(shè)計中，選用三極還是四極的斷路器一直是困擾很多電氣設(shè)計人員的難題。有的設(shè)計人員因為夸大了四極斷路器對“斷零”事故的作用，在應(yīng)該選用四極斷路器的場合不合理地選用了三極斷路器，給維修人員及電力系統(tǒng)的安全運行帶來了隱患。有數(shù)據(jù)表明，歐洲地區(qū)四極斷路器的使用非常普遍，占比超過了70%，而在我國，四極斷路器的使用還不到30%。本文通過對中性線及其保護和系統(tǒng)安全的分析，結(jié)合IEC相關(guān)標準以及相關(guān)文獻闡述了如何正確地選用四極斷路器。

1　中性線

首先，中性線是一種有特殊功能的帶電導(dǎo)體，IEC 60364-5-53第536.2.1.1條明確規(guī)定，在安全檢修時必須斷開所有帶電導(dǎo)體，以滿足電器隔離的安全要求。其次，中性線提供單相電源承載單相電流。在三相電力系統(tǒng)中，它承載三相不平衡電流和諧波電流。理論上，在理想的三相平衡電力系統(tǒng)中，中性線不承載電流，但在三相不平衡且各相負載的功率因數(shù)不一致時，中性線會存在一定的電流，該電流甚至會大于相線電流。實際應(yīng)用中，負載中三次諧波的存在更是大大增加了流過中性線的電流。因而，在許多場合中，中性線需要設(shè)過電流保護。再次，中性線具有減少負載側(cè)中性點電位偏移的功能，如果發(fā)生中性線斷線事故(俗稱“斷零”)，將會引起單相電壓的突變(即從220V變成0～380V)，造成大量用電器過壓燒壞及與電壓相關(guān)的RCD失效。所以，中性線必須接觸良好，連接必須可靠。

1.1中性線截面

首先，中性線應(yīng)滿足其機械強度的要求，以保證可靠連接。

導(dǎo)線的截面積與承載的電流成正比，當按載流量需要計算得到的相線導(dǎo)線截面積≤ 16 mm2(銅)或 25 mm2(鋁)時，不論中性線是否承載電流，其橫截面積必須≥相線的橫截面積，即在不承載或承載少量諧波電流時，其截面積應(yīng)等于相線的截面積；在承載較大的諧波電流時，其截面積應(yīng)>相線的截面積。當相線的截面積> 16 mm2(銅)或 25 mm2(鋁)時，而中性線又不承載諧波電流和較大的三相不平衡電流，其截面積須≤16 mm2(銅)或 25 mm2(鋁)，但可大于相線截面積的1/2且小于相線的截面積。

其次，中性線應(yīng)滿足其承載電流需要，以保證長期安全可靠地運行。當諧波電流成分>33%時，應(yīng)考慮增大中性線截面，具體按照IEC 60364-5-52中524.2.2的要求執(zhí)行。

1.2中性線的過電流保護

由于諧波的存在，中性線可能承載較大的電流，因而在某些情況下，與相線一樣，中性線也需要過電流保護。理論上，基于相線保護措施和IEC 60364-4-43 431.2的規(guī)定，只要中性線規(guī)格選擇正確(包括考慮諧波的影響)就不需要對中性線進行特殊的保護。例如，在舞臺燈光用電設(shè)計中，通常將中性線的截面積取為相線的2倍，這種情況下再設(shè)中性線的過電流保護是沒有必要的。然而，由于實際情況的復(fù)雜性，中性線的過電流保護仍具有其實際的意義。如有些場合用電器類型不夠明確，可能在設(shè)計時表達為非諧波電流類型的負載，但在實際投入使用后，由于用途變更或科學(xué)技術(shù)的發(fā)展等原因，其實際負載是高諧波的用電器。如果之前根據(jù)理論計算結(jié)果沒有設(shè)置中性線過電流保護，將造成實際使用時中性線因過電流損壞甚至引發(fā)火災(zāi)等安全問題。因此對各類情況而言，設(shè)置中性線過電流保護是有百益而無一害的，它是對系統(tǒng)過電流保護的必要手段(當對相線電流的保護不能間接對中性線進行保護時)，增強了系統(tǒng)的安全性。根據(jù)中性線計算電流以及其橫截面積選擇的不同，可以采用斷路器對中性線無保護、1/2保護、全保護和OSN(Over Size Neutral)保護4種方式。

2　四極斷路器的選用

相對于三極斷路器而言，四極斷路器是帶中性極開斷的斷路器。根據(jù)IEC 60364-4-43 431.3中的定義可知中性極須具有先合后分的特點。四極斷路器主要有兩種類型：第一類是中性線僅具有開斷功能，不具有中性線過電流保護功能，如圖1所示。另一類不僅是中性線有開斷功能，還提供中性線短路、過載保護功能，如圖2所示。

圖1　僅具有中性線開斷功能的四極斷路器

圖2　具有中性線過電流保護功能的四極斷路器

四極斷路器的這兩種類型滿足了電力系統(tǒng)對人員安全、運行安全的要求。首先根據(jù)IEC 60364-5-53，在做電氣維護時應(yīng)斷開包括中性線在內(nèi)的所有帶電導(dǎo)體，以保護操作人員的人身安全，即實現(xiàn)四極斷路器的隔離功能(如TT和IT系統(tǒng)中)。其次，在某些情況下，如當系統(tǒng)中的諧波較大或三相有較大不平衡或中性線截面較小時，中性極是需要過電流保護的。而且，在雙電源轉(zhuǎn)換裝置中，也需要使用四極斷路器保證某些電氣裝置(例如RCD)實現(xiàn)供電的連續(xù)性。

2.1根據(jù)不同類型的接地系統(tǒng)決定斷路器極數(shù)

2.1.1TT系統(tǒng)使用四極斷路器

因電氣維修安全的需要，TT系統(tǒng)內(nèi)須使用四極斷路器。由于系統(tǒng)內(nèi)中性線和等電位聯(lián)結(jié)之間沒有電氣連接，所以當系統(tǒng)發(fā)生接地故障時，中性線會帶有故障電壓，而等電位聯(lián)結(jié)地電位形成的電壓差會引起電氣事故。在GB 50054-2011《低壓配電設(shè)計規(guī)范》 3.1.15 中也明確強調(diào)，TT 系統(tǒng)中，應(yīng)選用具有斷開中性極的開關(guān)電器，如表1序號1所示。通常情況下，當中性線導(dǎo)體截面不小于相線時，可以不對中性線進行保護；當中性線導(dǎo)體截面小于相線時，應(yīng)對中性線進行保護。

2.1.2IT系統(tǒng)如有引出中性線，須使用四極斷路器

IT系統(tǒng)不推薦中性線配出。在有中性線配出時，若一相發(fā)生接地故障，中性線的對地電壓將為相電壓220V(如圖3所示)，存在電擊事故風險，必須采用四極斷路器。在IEC 60364-4-43第431.2.2條中也有明確的描述，IT系統(tǒng)中如果有中性線配出，包括中性線在內(nèi)的每個回路都須有過電流檢測裝置，該裝置能夠斷開包括中性極在內(nèi)的所有帶電導(dǎo)體。當中性線受到一個安裝在上游的裝置的短路保護或者受到一個RCD的保護，導(dǎo)致其靈敏度小于中性線允許電流的20%時，中性線不必有過電流保護(見表1序號2)。

圖3　IT系統(tǒng)相線觸地后中性線電位的升高

2.1.3TN-C不可使用四極斷路器

TN-C系統(tǒng)中，中性線與PE線是合二為一的，即PEN線。出于保護人身安全的需要，PE線是不允許被斷開的，進而PEN線也不可被斷開，所以不允許使用具有第四極(即PEN極)開斷功能的四極斷路器。在GB 50054-2011《低壓配電設(shè)計規(guī)范》3.1.4中也有如下描述，在 TN-C 系統(tǒng)中不應(yīng)將保護接地中性導(dǎo)體隔離，嚴禁將保護接地中性導(dǎo)體接入斷路器。因而，三極斷路器是TN-C系統(tǒng)理想的保護電器。但是，由于PEN線具有中性線功能，在系統(tǒng)存在高次諧波的情況下，有可能因承載較大的電流而被損壞。詳細參見章節(jié)(2中性線)。這時，中性線需要有過電流檢測裝置并配備其他的電氣附件，如分勵脫扣器對其進行保護(見表1序號3)。

TN-C因PEN承載中性線電流而產(chǎn)生壓降，從而使所接設(shè)備金屬外殼對地帶電位引發(fā)電信干擾和火災(zāi)等安全問題[1]。同時，TN-C因不能切斷保護中性線，在電氣維修時維修人員會因PEN可能出現(xiàn)的故障電壓傳導(dǎo)而遭受電擊，且該系統(tǒng)因不能安裝RCD而無法避免火災(zāi)和電擊[1]。所以，除了一些特殊的場合外，通常不建議采用TN-C系統(tǒng)。

2.1.4TN-C-S 或TN-S在某些情況下應(yīng)選用四極斷路器

TN-C-S或TN-S系統(tǒng)不可用在無總(局部)等電位聯(lián)結(jié)的場合，否則PE及中性線上可能帶有的來自于其他故障點的故障電壓會危及人們的安全。如圖4所示，若某處一相線掉在地上(RE=30Ω，RB=10Ω)產(chǎn)生一個幾安培(如Id=220/(10+30)=5.5A)的接地故障電流，此故障電流通過大地回流至電源中性線和PE線時，中性線和PE線的電位較大地有一個超過安全電壓的電位差(5.5×10=55V)。因此這種場合下可以采用TT系統(tǒng)。

圖4　相對地接地故障造成PE電位升高

但是，當建筑物內(nèi)實施了等電位聯(lián)結(jié)后，即使中性線導(dǎo)入了危險電壓，和等電位聯(lián)結(jié)處于同一電壓水平，觸及中性線時也不應(yīng)存在電位差，理論上也不會發(fā)生電擊事故。在IEC 60364-5-53第536.1.2(461.2)條中也有如此的描述，TN-S系統(tǒng)中，中性線不必開斷或隔離。然而，在某些情況下，中性線帶有較高電位的情況還是時有發(fā)生，如：當雷電(頻率在MHz左右)擊中中壓電網(wǎng)時，由于接地系統(tǒng)中的電感，它不能完全被引入大地，同時，這個危險電壓會被自動引入低壓系統(tǒng)的中性線。而且，實踐表明，在采用TN-S系統(tǒng)的超高層建筑中，斷開中性線是一種明智的做法。另外，由于施工(如，進線的PEN線應(yīng)先接總配電箱的PE線，然后再通過一連接板接中性線母排。這個細節(jié)在施工時如果被搞反，將造成等電位聯(lián)結(jié)的PE母排與進線的PEN可能的接觸不良。又如，等電位聯(lián)結(jié)的各聯(lián)結(jié)線的接觸不良等)或氣候、環(huán)境及老化等原因造成建筑物的等電位聯(lián)結(jié)不良時，此系統(tǒng)可能轉(zhuǎn)變成了一個TT系統(tǒng)。當某部分總等電位聯(lián)結(jié)不確定時，對不確定部分采用如圖5所示的局部TT系統(tǒng)能有效地提高系統(tǒng)的安全性能。所以，在某些特定情況下的TN-S、TN-C-S中使用四極斷路器，能確保電氣隔離，并能更加有效地保證人身安全。同樣，當系統(tǒng)中存在較多的高次諧波時，應(yīng)對中性線承載電流作出計算，按表1序號4選擇并設(shè)置中性線保護。

表1　選用三極、四極斷路器的多種情況

2.2多電源供電中斷路器應(yīng)采用四極斷路器

如圖6所示，雙電源中性點在配電盤內(nèi)一點接地，中性線電流既可以由本回路返回變壓器電源，也可以繞道備用電源線路中的中性線，通過PEN母排回到變壓器電源側(cè)形成雜散電流，但雜散電流可能導(dǎo)致某些電氣設(shè)備出現(xiàn)誤動作等問題，影響電氣設(shè)備的正常運行。如果電源轉(zhuǎn)換斷路器回路上裝有RCD，該雜散電流會引起RCD誤動作而影響供電的連續(xù)性。為此IEC 60364-4-44 444.4.7對在此種情況下應(yīng)選用四極開關(guān)作出了說明。多電源系統(tǒng)中，如果錯誤地選用了三極開關(guān)會引起接地系統(tǒng)的改變。如，若常用電源為TN或TT，引出中性線的IT系統(tǒng)自備發(fā)電機電源進行電源轉(zhuǎn)換時，其中性點會通過常用電源中性點的接地而接地，使電源變成TN或TT系統(tǒng)，從而失去IT系統(tǒng)供電連續(xù)性高的特點。

圖5　TN-C-S與TT系統(tǒng)

圖6　雙電源供電系統(tǒng)

3　結(jié)束語

四極斷路器的選用不僅與接地系統(tǒng)有關(guān)，還與系統(tǒng)的環(huán)境密切相關(guān)。通過表1給出了應(yīng)選用三極、四極斷路器的多種情況。

[1]王厚余.低壓電氣裝置的設(shè)計安裝和檢驗[M].北京:中國電力出版社,2003.

[2]IEC 60364,GB/T 16895系列-2010建筑物電氣裝置[S].北京:中國標準出版社,2011.

[3]GB 50054-2011低壓配電設(shè)計規(guī)范[S].北京:中國計劃出版社,2011.

Selection of Four Pole Breaker

Liu Zhenzhong/Simon TIAN/Zhou Yan/Qian Guanrong

四極斷路器的合理選用關(guān)乎電力系統(tǒng)的安全。一方面，四極斷路器作為帶電導(dǎo)體，若其中性線在某些情況下沒有斷開，可能引發(fā)電擊事故；另一方面，若在不需要采用四極斷路器的場合選用了四極斷路器，可能造成“斷零”及其他的安全問題。通過對中性線作用及其保護要求的閘述以及對各接地系統(tǒng)下電氣安全的分析，明確四極斷路器的選用原則，以供電氣設(shè)計工程師參考。

四極斷路器接地系統(tǒng)中性線保護電氣安全防護

Four-pole circuit breaker rational selection is relating to the security of the power system.On the one hand,as the live parts,neutral conductor without disconnection may cause electrical shock in some cases; on the other hand,four-pole circuit breaker may cause ‘neutral down’ issue,when it was used on wrong occasions.Based on the neutral conductor protection and power safety requirement,the four-pole circuit breaker selection principles are clarified and could be an electrical design engineer reference.

four pole breaker，grounding system，neutral protection，electric safety protection