美標(biāo)樓宇項(xiàng)目電氣設(shè)計(jì)及接地故障保護(hù)設(shè)備的應(yīng)用

房彩娟

(施耐德電氣(中國)有限公司，北京 100102)

0 引言

隨著 “一帶一路”合作倡議的提出，越來越多的中國企業(yè)走出國門，進(jìn)行國外的投資和建設(shè)，也隨之接觸到了越來越多遵循美國標(biāo)準(zhǔn)的項(xiàng)目。我國在樓宇電氣設(shè)計(jì)以及電器制造方面所遵循的國家規(guī)范大多數(shù)來源于IEC標(biāo)準(zhǔn)，所以有必要對美標(biāo)與IEC標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比較和分析。本文以幾個(gè)實(shí)際項(xiàng)目為例，從以下幾方面描述了這兩種標(biāo)準(zhǔn)的差異。

1 電源參數(shù)

(1)電源頻率：中國、歐洲：50Hz；美國、加拿大：60Hz。

(2)電源電壓：美標(biāo)ANSI與IEC&GB兩種標(biāo)準(zhǔn)下的電源電壓詳見表1。

2 配電網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

兩種標(biāo)準(zhǔn)對負(fù)荷分級的表述雖然稍有不同，但供電要求及配電網(wǎng)架構(gòu)是基本相同的。

2.1 負(fù)荷分級及供電要求

美標(biāo)ANSI與國標(biāo)GB兩種標(biāo)準(zhǔn)下的負(fù)荷分級及供電要求詳見表2。

2.2 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

(1)國內(nèi)項(xiàng)目的配電架構(gòu)：對于一、二級負(fù)荷，采用市電雙電源同時(shí)工作、互為備用，對于一級負(fù)荷中特別重要的負(fù)荷，尚需柴油發(fā)電機(jī)、UPS或供電網(wǎng)絡(luò)中獨(dú)立于正常電源的專用饋電線路作為第三電源。

(2)美標(biāo)樓宇項(xiàng)目的配電網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)：與我國的配電網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)大致相同，從下面兩個(gè)實(shí)際項(xiàng)目的配電架構(gòu)中可見一斑。

圖1為美國某小型醫(yī)院局部配電架構(gòu)圖，可以看出重要負(fù)荷和消防負(fù)荷在末端的雙電源切換，與IEC相同。其中備用電源的定義為一組或多組柴油發(fā)電機(jī)組或電池系統(tǒng)(UPS, EPS等)，旨在正常電源失電時(shí)為重要電力系統(tǒng)提供備用電源。

圖2為美國某大型酒店的總體架構(gòu)圖，可以看出，由于重要設(shè)備與消防設(shè)備的負(fù)荷較大，并且分散在多個(gè)分配電站中，所以采用了中壓柴油發(fā)電機(jī)作為備用電源，對于停電時(shí)間要求ms級的設(shè)備，在低壓側(cè)采用UPS進(jìn)行供電，與IEC/GB相同。

兩種標(biāo)準(zhǔn)下電源電壓 表1

兩種標(biāo)準(zhǔn)下的負(fù)荷分級及供電要求 表2

圖1 美國某小型醫(yī)院配電架構(gòu)圖局部

圖2 美國某大型酒店的總體架構(gòu)圖

3 接地故障保護(hù)的設(shè)備實(shí)現(xiàn)

短路是電力系統(tǒng)的嚴(yán)重故障，指代一切不正常的相與相之間或相與地(對于中性點(diǎn)接地系統(tǒng))發(fā)生通路的情況。而在各種類型的短路中，單相短路(即單相接地故障)占大多數(shù)。

對于接地故障的探測與保護(hù)原理，ANSI與IEC是相同的，但是設(shè)備實(shí)現(xiàn)卻有明顯的區(qū)別，最重要的原因是——美標(biāo)電氣設(shè)計(jì)規(guī)范中，極少用到四極斷路器；而IEC/GB的設(shè)計(jì)規(guī)范中，強(qiáng)調(diào)了整個(gè)配電系統(tǒng)的一點(diǎn)接地，并且為了確保斷路器在正常情況下不會(huì)誤動(dòng)和接地故障時(shí)不會(huì)拒動(dòng)，或者為了TT系統(tǒng)中的檢修安全，均需采用四極斷路器。下面以某公司框架開關(guān)MT及控制單元Mic6.0為例進(jìn)行說明。

3.1 剩余電流型的故障電流探測

計(jì)算IA,IB,IC,IN的矢量和。電力系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，IA,IB,IC,IN的矢量和為零(不考慮互感器精度、正常泄漏電流等因素)。

(1)三極斷路器：斷路器中已有三相內(nèi)置互感器可測量IA,IB,IC，為了計(jì)算IA,IB,IC,IN的矢量和，故必須在中性線上安裝外部互感器來測量IN，如圖3所示。

圖3 三極斷路器剩余電流型的接地故障探測—中性線須裝設(shè)外部互感器

(2)四極斷路器：斷路器中在三相和中性線上均內(nèi)置互感器，可測量IA,IB,IC,IN，故無需在中性線上安裝外部互感器，如圖4所示。

3.2 電源返還型的故障電流探測

當(dāng)發(fā)生接地故障時(shí)，故障電流Id將通過接地線返回到電源中性點(diǎn)，對此電流進(jìn)行測量，正常工作時(shí)，此電流為零(不考慮互感器精度、正常泄漏電流等因素)。這種類型的故障電流探測(參見圖5)，不論三極/四極斷路器均須在接地線上安裝外部電流互感器和一個(gè)MDGF模塊來實(shí)現(xiàn)故障時(shí)的跳閘。

3.3 雙電源加母聯(lián)系統(tǒng)架構(gòu)中發(fā)生接地故障

(1)依據(jù)IEC/GB規(guī)范，為了確保斷路器在正常情況下不會(huì)誤動(dòng)和接地故障時(shí)不會(huì)拒動(dòng)，母聯(lián)斷路器必須采用四極斷路器；或者為了TT系統(tǒng)中的檢修安全，進(jìn)線、母聯(lián)斷路器均需采用四極斷路器。

此時(shí)，不論是“剩余電流型”還是“電源返還型”的探測方式，系統(tǒng)中發(fā)生接地故障時(shí)，故障電流Id1和Id2均按正?；芈坊氐阶约旱淖儔浩髦行渣c(diǎn)，斷路器可以正常工作，如圖6所示。

(2)按照美標(biāo)設(shè)計(jì)時(shí)，進(jìn)線、母聯(lián)斷路器均為三極斷路器，變壓器2下方某處發(fā)生接地故障時(shí)，因?yàn)橹行跃€在母聯(lián)處沒有切斷，故障電流將如圖7虛線所示，可能導(dǎo)致變壓器1的進(jìn)線斷路器因探測到故障電流誤動(dòng)或變壓器2的進(jìn)線斷路器因故障電流小于動(dòng)作電流而拒動(dòng)。

圖7 母聯(lián)斷路器采用3極，故障電流將有兩條通路回到電源中性點(diǎn)

3.4 MDGF的應(yīng)用和接線

對故障電流返還電源型的探測，是在變壓器中性點(diǎn)之接地線上安裝外部電流互感器，其二次側(cè)電流信號接至MDGF模塊，正常時(shí)為零，接地故障時(shí)，模塊的1、3端子將有電流信號流過，并通過MDGF模塊引至斷路器的控制單元，與設(shè)定值比較、判斷后，跳開斷路器。單電源時(shí)斷路器的MDGF模塊與互感器之間的接線如圖8～9所示。

圖8 單電源時(shí)斷路器的MDGF模塊與接地線外置互感器連接示意圖

圖9 MDGF模塊與互感器連接端子圖

在雙電源加母聯(lián)系統(tǒng)架構(gòu)中，為了杜絕上述電源返還型故障電流的現(xiàn)象發(fā)生，在美標(biāo)項(xiàng)目中，對MDGF模塊的接線進(jìn)行修正，采用一種“修正的差動(dòng)接地故障探測系統(tǒng)-MDGF”，如圖10中進(jìn)線斷路器A&B和母聯(lián)斷路器T均安裝MDGF模塊，此時(shí)進(jìn)入模塊1、3端子的電流將變?yōu)镮A,IB,IC,IN的矢量和，其動(dòng)作原理及接線方式如圖10所示。

圖10 故障電流流向圖及與MDGF模塊連接圖

對于斷路器A，四個(gè)互感器的X1端電流和為X1A=IA+IB+IC+IN=IE1；X2端電流為X2A=-IE1。

對于斷路器B，四個(gè)互感器的X1端電流為X1B=IA+IB+IC+IN=IE-IE1；X2端電流為X2B=-IE+IE1。

對于斷路器T，四個(gè)互感器的X1端電流為X1T=IA+IB+IC+IN=IE1；X2端電流為X2T=-IE1。

此時(shí)，若發(fā)生了如圖11所示的變壓器2下的接地故障，則對于幾個(gè)MDGF模塊的1、3端子所接收到的電流分別為：

MDGF-A，流進(jìn)1端子的電流為0；流進(jìn)3、4端子的電流=X2A+X1T=0；1、3端子的電流和為0，斷路器A不動(dòng)作。

MDGF-B，流進(jìn)1端子的電流為0；流進(jìn)3、4端子的電流=X2B+X2T=IE；1、3端子的電流和為IE，斷路器B動(dòng)作。

圖11 變壓器2下的接地故障電流流向示意圖

MDGF-T，流進(jìn)1端子的電流為0；流進(jìn)3、4端子的電流=X1A+X1B=IE；1、3端子的電流和為IE，斷路器T應(yīng)動(dòng)作于分閘，但因?yàn)槟嘎?lián)斷路器正常運(yùn)行時(shí)是開閘的，故保持。

4 結(jié)束語