低壓配電線路的接地故障保護分析

賴 景 森

(廈門海晟房地產(chǎn)開發(fā)有限公司, 福建 廈門 361000)

0 引 言

接地故障是指低壓配電系統(tǒng)中的相線對地或與地有聯(lián)系的導電體之間的短路,包括相線與大地、PE線、PEN線、電氣裝置的外露可導電部分、裝置外可導電部分(如建筑物金屬構(gòu)件、金屬管道、結(jié)構(gòu)鋼筋等)之間的短路。接地故障會產(chǎn)生故障電流,且其大小又與低壓配電系統(tǒng)的接地形式和故障回路的阻抗有關(guān),比較復雜。不僅如此,故障設(shè)備的外露可導電部分對地和裝置外可導電部分之間存在故障電壓,此電壓可使人身遭受電擊,也可能因?qū)Φ氐碾娀』蚧鸹ㄒ鸹馂幕虮?影響人身、財產(chǎn)安全。因此,配電線路應(yīng)設(shè)置接地故障保護電器。本文根據(jù)配電系統(tǒng)的接地形式,對此問題進行探討。

1 TN系統(tǒng)的接地故障保護

1.1 對接地故障保護的要求

根據(jù)JGJ 16—2008《民用建筑電氣設(shè)計規(guī)范》[1]第9.2.3條、GB 50055—2011《通用用電設(shè)備設(shè)計規(guī)范》[2]第2.3.1條,交流電動機應(yīng)裝設(shè)短路保護和接地故障保護,且當電動機的短路保護器件滿足接地故障保護要求時,應(yīng)采用短路保護兼接地故障保護。

GB 50054—2011《低壓配電設(shè)計規(guī)范》[3]第5.2.8條及JGJ 16—2008第7.7.6條規(guī)定:TN系統(tǒng)中配電線路的接地故障保護(間接接觸保護)電器的動作特性,應(yīng)符合要求:

ZsIa≤U0

(1)

式中:Zs——接地故障回路的阻抗,Ω;

Ia——保護電器在規(guī)定時間內(nèi)自動切斷故障回路電源的動作電流,A;

U0——相導體對地標稱電壓,V。

由式(1)可知,Ia≤U0/Zs,即只要滿足單相接地短路電流Idmin≥Ia,即可保證發(fā)生接地故障時斷路器能在規(guī)定的時間內(nèi)自動切斷故障回路的電流,即采用短路保護兼做接地故障保護。

GB 50054—2011第6.2.4條及JGJ 16—2008第7.6.3條規(guī)定:低壓斷路器的靈敏度應(yīng)按下式校驗:

(2)

式中:KLz——低壓斷路器動作靈敏系數(shù);

Idmin——被保護線路預期短路電流中的最小電流,在TN、TT系統(tǒng)中為單相短路電流,A;

Izd——低壓斷路器瞬時過電流脫扣器整定電流,A。

由式(2)可知,Idmin≥1.3Izd時,才能保證斷路器可靠動作。

因此,只需計算單相短路電流Idmin≥1.3Izd,即可滿足當電動機的短路保護器件滿足接地故障保護要求時,采用短路保護兼做接地故障保護。

1.2 單相短路電流的計算

某高層工程總建筑面積約為60 044 m2,其中地上建筑共24層,面積約為35 997 m2,地下建筑共3層,面積約為24 047 m2,建筑高度為97.75 m。1F為商場及設(shè)備用房,2F～24F為商場、辦公、多功能廳、餐廳及廚房,-1F、-2F、3F為Ⅲ類汽車庫及設(shè)備用房,-3F戰(zhàn)時為六級人防。變電所設(shè)于-1F,變壓器采用SCB10-1000/10型,Dyn11聯(lián)結(jié),已知變壓器高壓側(cè)短路容量為150 MVA,屋頂有一臺15 kW的正壓送風機,其饋線斷路器長延時電流整定為50 A,瞬時動作電流為600 A[4-5]。

低壓銅芯電線電纜單位長度相?；芈冯娮柚怠㈦娍怪捣謩e如表1、表2所示。

表1 低壓銅芯電線電纜單位長度相?；芈冯娮柚?/p>

表2 低壓銅芯電線電纜單位長度相?；芈冯娍怪?mΩ/m

變電所至風機配電系統(tǒng)簡圖如圖1所示。

圖1 變電所至風機配電系統(tǒng)簡圖

(1) 計算有關(guān)電路元件的阻抗。

① 高壓系統(tǒng)電抗(歸算到400 V側(cè))。

每相阻抗:

相保阻抗:

② 變壓器的阻抗(ΔPk=7.09 kW,Uk%=6%)。

每相阻抗:

相保阻抗:

③ 饋線柜低壓母線段的相保阻抗(單位長度相?；芈纷杩怪狄姳?):

④ 母線段至配電箱電纜的相保阻抗:

⑤ 配電箱至加壓送風機控制箱電纜的相保阻抗:

⑥ 加壓送風機控制箱至風機末端電纜的相保阻抗:

(2) 計算單相短路電流。

線路總電抗:

線路總電抗:

單相短路電流:

當發(fā)生接地故障時,斷路器均能迅速切斷故障電流,可用短路保護兼做接地故障保護。

通過以上分析,可以得出以下結(jié)論:

(1) 不能忽視交流電動機的接地故障保護,特別是距離電源點較遠的電動機,應(yīng)進行計算校驗,以判定能否用斷路器的短路保護兼做接地故障保護。

(2) 電動機配電回路中,斷路器過載脫扣器的整定電流不宜過大,應(yīng)接近但不小于電動機的額定電流(瞬時過電流脫扣器整定電流不宜過大)。

(3) 當電動機距離電源點較遠,不能用斷路器短路保護兼做接地故障保護時,可適當加大導體截面(降低導體阻抗),也可適當調(diào)低斷路器瞬時過電流脫扣器的整定電流。

因此,在TN系統(tǒng)配電線路中,保護電器動作特性及動作時間符合規(guī)范要求時,宜先采用過電流保護器(如熔斷器、斷路器)兼做接地故障保護。

在三相四線制配電線路中,當過電流保護不能滿足要求時且零序電流保護能滿足時,宜采用零序電流保護,此時保護整定值應(yīng)大于配電線路最大不平衡電流。零序電流保護適用于TN-C系統(tǒng),可采用智能型斷路器或微機監(jiān)控裝置實現(xiàn)接地故障保護。

當過電流保護及零序電流保護都不能滿足要求時,應(yīng)采用剩余電流動作保護。剩余電流保護適用于TN-S系統(tǒng)。對配電線路末端通常采用專用的剩余電流保護模塊或附件與斷路器(或開關(guān))組合而成的剩余電流保護斷路器(或開關(guān))。

2 TT系統(tǒng)的接地故障保護

JGJ 16—2008第7.7.7條規(guī)定,TT系統(tǒng)接地故障保護的動作特性應(yīng)符合下式要求:

RAIa≤50 V

(3)

式中:RA——接地極和外露可導電部分的保護導體電阻之和,Ω;

Ia——保證保護電器切斷故障回路的動作電流,A。

與TN系統(tǒng)相比,TT系統(tǒng)配電線路的接地故障回路阻抗大,故障電流小,過電流保護電器很難滿足式(3)的要求。因此,在TT系統(tǒng)中一般采用剩余電流保護斷路器做接地故障保護。

3 IT系統(tǒng)的接地故障保護

JGJ 16—2008第7.7.8條規(guī)定:

(1) 第一次接地故障時對保護電器動作特性的要求。在IT系統(tǒng)配電線路中,當發(fā)生第一次接地故障時應(yīng)由絕緣監(jiān)視電器發(fā)出音響或燈光信號,其動作電流應(yīng)符合下式要求:

RAId≤50 V

(4)

式中:RA——外露可導電部分的接地電阻,Ω;

Id——相導體與外露可導電部分之間出現(xiàn)阻抗可忽略不計的第一次故障時的故障電流,應(yīng)計及電氣裝置的泄漏電流和總接地阻抗值的影響,A。

(2) 第二次異相接地故障時對保護電器動作特性的要求。當發(fā)生第二次異相接地故障時,可形成兩相接地短路,應(yīng)由過電流保護電器或剩余電流保護斷路器切斷故障電路。IT系統(tǒng)不引出N線,線路標稱電壓為220/380 V時,保護電器應(yīng)在0.4 s內(nèi)切斷故障回路,并符合下列要求:

(5)

式中:Zs——包括相導體和PE導體在內(nèi)的故障回路阻抗,Ω;

Ia——保護電器在規(guī)定時間內(nèi)切斷故障回路的動作電流,A;

U0——相導體與中性導體之間的標稱交流電壓,V。

4 結(jié) 語

接地故障保護電器的選擇,應(yīng)根據(jù)配電系統(tǒng)的接地形式、電氣設(shè)備的使用特點、導體截面和環(huán)境影響經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟比較后確定,同時上下級之間還應(yīng)正確協(xié)調(diào)和配合。