泉州城區(qū)配網(wǎng)剩余電流保護(hù)器運(yùn)行 現(xiàn)狀分析及可行性試驗(yàn)研究

謝宗彬, 黃超藝, 林文貴, 黃桂蘭, 楊贊峰, 吳榮福, 林杰鵬

(1.國(guó)網(wǎng)泉州供電公司, 福建 泉州 362000;2.國(guó)網(wǎng)寧德供電公司, 福建 寧德 352000)

0 引 言

長(zhǎng)期以來(lái),對(duì)剩余電流保護(hù)技術(shù)的應(yīng)用研究主要集中在礦井和農(nóng)電保護(hù)器方面,對(duì)城市配網(wǎng)的剩余電流保護(hù)技術(shù)關(guān)注點(diǎn)鮮少涉及。當(dāng)剩余電流整定值較小時(shí),保護(hù)頻繁誤動(dòng),迫使用戶或搶修人員解除剩余電流保護(hù)器;當(dāng)剩余電流整定值較大時(shí),可能引起拒動(dòng)。兩種情況下發(fā)生人身觸電時(shí),均存在安全隱患[1-2]。近年來(lái),人身觸電傷亡事故頻發(fā),自2004至2017年,國(guó)網(wǎng)經(jīng)營(yíng)區(qū)內(nèi)共發(fā)生人身觸電損害糾紛2 360起,其中與電網(wǎng)直接相關(guān)的可統(tǒng)計(jì)案件2 028起,而低壓占531起。由此可見(jiàn),低壓人身觸電事故不容忽略。當(dāng)前,電力企業(yè)發(fā)展目標(biāo)已逐步由保設(shè)備、保人身安全過(guò)渡到保人身為主、設(shè)備為輔的新高度跨越,如何做好電擊防護(hù)措施,提高配電網(wǎng)安全迫在眉睫[3-5]。

本文概述泉州地區(qū)現(xiàn)有低壓配電系統(tǒng)接地型式,分析了典型臺(tái)區(qū)(即變壓器的供電范圍)剩余電流保護(hù)器運(yùn)行現(xiàn)狀及漏電原因,從多年運(yùn)維角度,給出接地方式的選擇建議;搭建電纜電容、保護(hù)跳閘試驗(yàn)平臺(tái),提出減少越級(jí)誤動(dòng)的新型算法;針對(duì)下一階段,從技術(shù)層面提出有關(guān)建議。

1 低壓配電網(wǎng)接地型式概述

根據(jù)IEC規(guī)定,低壓配電系統(tǒng)按接地方式的不同分為TT系統(tǒng)、TN系統(tǒng)、IT系統(tǒng)。其中TN系統(tǒng)又分為TN-C、TN-S、TN-C-S系統(tǒng)。

(1) TT系統(tǒng)。TT接地方式是指將電氣設(shè)備的金屬外殼直接接地的保護(hù)系統(tǒng),稱為保護(hù)接地系統(tǒng)。在TT系統(tǒng)中,負(fù)載的所有接地均稱為保護(hù)接地。

(2) TN系統(tǒng)。TN方式供電系統(tǒng)將電氣設(shè)備的金屬外殼與工作中性線相接的保護(hù)系統(tǒng),稱為接零保護(hù)系統(tǒng),用TN表示。

① TN-C系統(tǒng)。TN-C方式供電系統(tǒng)用工作中性線兼作接零保護(hù)線,稱作保護(hù)中性線,可用PEN表示。

② TN-S系統(tǒng)。TN-S方式供電系統(tǒng)把工作零線 N 和專用保護(hù)線 PE 嚴(yán)格分開(kāi)的供電系統(tǒng),稱作 TN-S供電系統(tǒng)。

③ TN-C-S系統(tǒng)。在建筑施工臨時(shí)供電中,如果前部分是TN-C方式供電,而施工規(guī)范規(guī)定施工現(xiàn)場(chǎng)必須采用TN-S方式供電,則可以在系統(tǒng)后部分現(xiàn)場(chǎng)總配電箱分出PE線。

不同接地型式的對(duì)比如表1所示,保護(hù)解除(失效)的情況下存在單相失地、線路損壞引起的間接觸電和電氣火災(zāi)等安全隱患。

表1 不同接地型式的對(duì)比

2 泉州城區(qū)剩余電流保護(hù)器運(yùn)行現(xiàn)狀分析

2.1 安裝投運(yùn)概況

目前,泉州城區(qū)0.4 kV低壓配網(wǎng)中,低壓架空網(wǎng)及老舊小區(qū)均主要采用TT系統(tǒng)接地型式,新建住宅小區(qū)、老舊小區(qū)改造等低壓電纜網(wǎng)絡(luò)主要采用TN-C-S接地型式。

一級(jí)剩余電流保護(hù)(簡(jiǎn)稱“總保”)器主要裝設(shè)于柱上綜合配電箱中,采用TT接地系統(tǒng)。因越級(jí)誤動(dòng)事件頻繁,為避免投訴,目前基本為退出狀態(tài)。

二級(jí)剩余電流保護(hù)(簡(jiǎn)稱“二?！?器主要分為基本全覆蓋和未裝設(shè)兩種情況。對(duì)于二?；救采w的臺(tái)區(qū),又可分為如下方面:

(1) 在采用塑料表箱的城中老舊小區(qū)改造工程(TT系統(tǒng)),目前二保基本退出運(yùn)行。主要原因在于該類二保裝設(shè)于表前總開(kāi)關(guān),且開(kāi)關(guān)大多具備自動(dòng)重合閘功能,若未退出保護(hù),當(dāng)故障時(shí)自動(dòng)重合閘將造成二次傷害,且常出現(xiàn)用戶漏電引起頻發(fā)跳閘。

(2) 在一些采用鐵質(zhì)表箱的新建臺(tái)區(qū)或臺(tái)區(qū)改造工程(TN-C-S系統(tǒng)),除多次接到故障報(bào)修,查無(wú)原因被迫解除剩余電流保護(hù)的情況外,一般二保均處于投入狀態(tài)。

二保保護(hù)器未裝設(shè)臺(tái)區(qū)主要出現(xiàn)在農(nóng)村臺(tái)區(qū)或老舊小區(qū)未改造的地方。一般通過(guò)電纜分支箱直接連接至表箱的普通塑殼開(kāi)關(guān)(無(wú)剩余電流保護(hù)功能)。

三級(jí)剩余電流保護(hù)(簡(jiǎn)稱“戶?！?器除近年來(lái)新建住宅小區(qū)或老舊小區(qū)改造工程中有統(tǒng)一裝設(shè)外,其余基本未裝設(shè)[6-8]。

泉州城區(qū)典型臺(tái)區(qū)剩余電流保護(hù)安裝投運(yùn)概況如表2所示。柱上臺(tái)變均裝設(shè)總保,目前臺(tái)區(qū)改造呈現(xiàn)裝設(shè)總保和二保、不裝設(shè)戶保的趨勢(shì),如二藥廠2#配變;而在站房臺(tái)變中,均不裝設(shè)總保,目前臺(tái)區(qū)改造采用表前集裝表箱內(nèi)裝設(shè)二保和表后裝設(shè)戶保的配合方案,戶保整定值均為50 mA。

表2 泉州城區(qū)區(qū)典型臺(tái)區(qū)剩余電流保護(hù)安裝投運(yùn)概況

2.2 典型臺(tái)區(qū)漏電排查分析

2.2.1 TT系統(tǒng)臺(tái)區(qū)

(1) 二藥廠2#配變。二藥廠2#臺(tái)區(qū)拓?fù)鋱D如圖1所示,二藥廠配變采用TT接地系統(tǒng)。總保設(shè)于綜合配電箱內(nèi),目前處于退出狀態(tài)。由總保保護(hù)器通過(guò)電纜引出線路至分線箱,再由分線箱分路引出至各個(gè)樓梯口的計(jì)量表箱。計(jì)量表箱前配備二保保護(hù)器,除個(gè)別未退出外,其余均處于退出保護(hù)狀態(tài)。另外,戶保均未裝設(shè)。

圖1 二藥廠2#臺(tái)區(qū)拓?fù)鋱D

通過(guò)鉗形表測(cè)得該柱上變壓器臺(tái)區(qū)兩條出線電纜剩余電流分別為12 mA、387 mA。變壓器臺(tái)區(qū)出線電纜泄漏電流如圖2所示,說(shuō)明該臺(tái)區(qū)一回路存在較嚴(yán)重的漏電現(xiàn)象。

圖2 變壓器臺(tái)區(qū)出線電纜泄漏電流

經(jīng)逐一排查最終確認(rèn)一用戶存在漏電問(wèn)題。用戶漏電排查如圖3所示,斷開(kāi)該用戶電表箱內(nèi)保護(hù)器,漏電消失。經(jīng)排查,發(fā)現(xiàn)在用戶自行設(shè)立的接地處剩余電流達(dá)417 mA,原因在于用戶零地共混,導(dǎo)致一部分泄漏電流直接經(jīng)過(guò)接地線流入接地極,造成整個(gè)臺(tái)區(qū)漏電現(xiàn)象。此時(shí),若總?；蚨１Ｗo(hù)器投運(yùn),保護(hù)立即動(dòng)作[9-10]。

圖3 用戶剩余電流排查

(2) 仁鳳新村配電室1#配變。仁鳳新村配電室1#配變屬于老舊小區(qū)改造的配電臺(tái)區(qū)。配電室變壓器出線采用普通塑殼開(kāi)關(guān)(無(wú)剩余電流保護(hù)功能),通過(guò)地下電纜直接接入電纜分線箱,再由電纜分線箱引出線至各計(jì)量表箱,未裝設(shè)二級(jí)剩余電流保護(hù)。仁鳳新村配電室1#臺(tái)區(qū)拓?fù)鋱D如圖4所示。

圖4 仁鳳新村配電室1#臺(tái)區(qū)拓?fù)鋱D

通過(guò)鉗形表測(cè)得電纜分支箱各支路出線電纜剩余電流分別為2.38 A、1.20 A,1.17 A。經(jīng)排查,在樓梯口分線箱,舊表箱拆除后直接在該處跳接線,整個(gè)樓層中性線在此處匯集。中性線匯集箱(中性線公用)如圖5所示。雖然省去重新布置中性線的麻煩,但可能導(dǎo)致A表箱用戶相線電流可能通過(guò)B表箱中性線流出,因此每條支路存在較大的泄漏電流。該情形下,若安裝二保保護(hù)器,容易造成二保頻繁動(dòng)作,發(fā)生一戶故障多戶停電現(xiàn)象。

圖5 中性線匯集箱(中性線公用)

2.2.2 TN-C-S系統(tǒng)臺(tái)區(qū)

水利水電宿舍樓箱式變壓器臺(tái)區(qū)拓?fù)鋱D如圖6所示,該臺(tái)區(qū)在計(jì)量表計(jì)前加裝集裝表箱,且配備二級(jí)剩余電流保護(hù)器。四線電纜引入母排,再經(jīng)過(guò)二級(jí)剩余電流保護(hù)器,此時(shí)多引出一條保護(hù)PE線,并在表箱內(nèi)通過(guò)PE接地排引出接地。因此,集裝表箱出線變?yōu)槲寰€制,便于用戶設(shè)備接地。實(shí)際在集裝表箱中中性線與PE線重復(fù)接地,此處中性線與PE線無(wú)相連,因此并非正常TN-C-S系統(tǒng),實(shí)際為TT系統(tǒng)。

圖6 水利水電宿舍樓箱式變壓器臺(tái)區(qū)拓?fù)鋱D

現(xiàn)場(chǎng)集裝表箱內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖7所示。

戶保采用50 mA整定值。該臺(tái)區(qū)戶保覆蓋率100%,采用鉗形電流表測(cè)得用戶側(cè)剩余電流值較正常,尚不至于導(dǎo)致戶保跳閘。

從變壓器出線開(kāi)始到集裝表箱處,僅變壓器中性點(diǎn)直接接地,無(wú)重復(fù)接地點(diǎn);從集裝表箱開(kāi)始,通過(guò)鋼絞線構(gòu)成接地網(wǎng)設(shè)置重復(fù)接地,采用五線制引入用戶端。此處PE線與N線分開(kāi),沒(méi)有搭接一起,PE線僅給用戶當(dāng)作設(shè)備外殼接地的引線。相較于傳統(tǒng)TT系統(tǒng),用戶不必自行接地,較為方便;電力企業(yè)建立的接地極電阻良好,不存在虛接、虛焊現(xiàn)象,當(dāng)設(shè)備確實(shí)存在剩余電流時(shí),可通過(guò)接地極直接作用于地面,安全可靠,不構(gòu)成威脅。

2.3 剩余電流保護(hù)配置建議

通過(guò)上述典型臺(tái)區(qū)實(shí)地分析,考慮泉州城區(qū)配電站房低壓纜化趨勢(shì),近期改造均采用水利水電箱式變壓器臺(tái)區(qū)模式,建議推行圖6的安裝配置。主要推薦理由如下:

(1) 傳統(tǒng)TT系統(tǒng),用戶用電設(shè)備需自行安裝接地極,保護(hù)家用電器及人身安全;而在集裝表箱處由電力公司統(tǒng)一裝設(shè)接地極,并且將表箱地網(wǎng)連接一起,接地極電阻相比用戶自身安裝接地極可靠。

(2) 在集裝表箱引出PE線,相比于傳統(tǒng)的TN-S節(jié)約供電成本。

(3) 集裝表箱形成地網(wǎng)接地,避免如TN-C接線導(dǎo)致表箱外殼帶電的危險(xiǎn)。

(4) 選用五線制,并且PE線與N線之間無(wú)連接,可自由選擇剩余電流保護(hù)安裝,無(wú)重復(fù)接地,導(dǎo)致剩余電流保護(hù)投運(yùn)不上。

(5) 建議二保整定值為300～500 mA,戶保整定值選擇30 mA。

3 可行性技術(shù)試驗(yàn)

從表箱到用戶內(nèi)部空氣開(kāi)關(guān)的低壓架空電纜長(zhǎng)度一般較短,且電壓等級(jí)低,其對(duì)地電容電流相對(duì)較小。為定量分析該電容電流對(duì)剩余電流保護(hù)整定值的影響,進(jìn)行相關(guān)的試驗(yàn)驗(yàn)證。針對(duì)剩余電流保護(hù)器頻繁誤動(dòng)現(xiàn)象,搭建剩余電流保護(hù)跳閘模擬平臺(tái),為剩余電流保護(hù)器產(chǎn)品整定值的測(cè)試及分析跳閘機(jī)理提供良好的試驗(yàn)平臺(tái)。

3.1 低壓電纜電容電流試驗(yàn)

對(duì)一條截面35 mm2、長(zhǎng)度20 m低壓四線電纜進(jìn)行電容電流試驗(yàn),負(fù)載分別為空載、單相負(fù)載(40 W燈泡)、兩相分別接負(fù)載(40 W燈泡、60 W熱熔膠機(jī)),試驗(yàn)結(jié)果如圖8所示,三種負(fù)載下試驗(yàn)電容電流均為0。

通過(guò)以上試驗(yàn)初步判別,相比于高壓電纜線路,電容電流幾乎忽略不計(jì)。因此,剩余電流保護(hù)器整定值的設(shè)定可不考慮該電容電流。

3.2 保護(hù)跳閘機(jī)理試驗(yàn)

為驗(yàn)證各級(jí)剩余電流保護(hù)器可靠性及分析跳閘機(jī)理,建立簡(jiǎn)易剩余電流保護(hù)試驗(yàn)平臺(tái)。試驗(yàn)平臺(tái)如圖9所示。

不同廠家保護(hù)器的動(dòng)作臨界值試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。由表3可知,平常對(duì)于剩余電流保護(hù)器的動(dòng)作值存在一種誤解,即認(rèn)為出廠的額定值即為其實(shí)際動(dòng)作臨界值。然而,事實(shí)并非如此。不同產(chǎn)品質(zhì)量參差不齊,但大多穩(wěn)定在70%～80%之間的額定值。據(jù)悉,臨界動(dòng)作電流為額定值的75%,這是低壓電器領(lǐng)域中行業(yè)相關(guān)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。

圖9 試驗(yàn)平臺(tái)

序號(hào)類型廠家額定值/mA動(dòng)作臨界值/ mA占比/%1二保杭州申發(fā)10072.372.32二保常熟開(kāi)關(guān)300223.074.03戶保精達(dá)電器3024.381.04戶保人民電器5035.170.0

生產(chǎn)實(shí)際工作中,越級(jí)誤動(dòng)頻發(fā)。由于用戶側(cè)剩余電流存在瞬時(shí)性特點(diǎn),加之各級(jí)保護(hù)整定配合、開(kāi)關(guān)質(zhì)量等問(wèn)題,長(zhǎng)期困擾低壓供電服務(wù)質(zhì)量,直接解除總保、二保成為一種常態(tài)化的工作。因此,有必要模擬越級(jí)誤動(dòng),進(jìn)一步深究尋求應(yīng)對(duì)策略。

如試驗(yàn)二保(額定值100 mA,0.2 s),在二保下端加入剩余電流70 mA(模擬所有用戶疊加的正常泄漏電流),當(dāng)戶保(額定值50 mA,0.1 s)加入30 mA剩余電流(模擬一戶突然存在剩余電流,但未超過(guò)戶保動(dòng)作值)時(shí),造成二保動(dòng)作,存在越級(jí)誤動(dòng)事件。

因此,可以判別以上試驗(yàn)符合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際,由于用電設(shè)備數(shù)量變化等因素導(dǎo)致多分支剩余電流之和大于上一級(jí)剩余電流保護(hù)整定值是造成越級(jí)誤動(dòng)事件的原因之一。

4 下一階段研究建議

(1) 選取不同種類接地方式的典型臺(tái)區(qū),統(tǒng)計(jì)自保護(hù)投運(yùn)以來(lái)的保護(hù)跳閘次數(shù),綜合權(quán)衡確認(rèn)最優(yōu)接地方式。

(2) 建立剩余電流保護(hù)在線監(jiān)測(cè),可先考慮從總保和二保兩級(jí)入手,建立監(jiān)測(cè),實(shí)現(xiàn)頻繁跳閘的全過(guò)程監(jiān)控,追溯跳閘根源。

(3) 針對(duì)跳閘機(jī)理分析平臺(tái),得出保護(hù)易存在越級(jí)誤動(dòng)影響。因此,擬建議研制一種新型保護(hù)跳閘算法,可克服這一越級(jí)跳閘問(wèn)題。具體分析如下:傳統(tǒng)保護(hù)跳閘采用閾值啟動(dòng)判據(jù),如300 mA整定值,當(dāng)大于300 mA即動(dòng)作,如所有用戶疊加起來(lái)的剩余電流達(dá)到280 mA,此時(shí)若有一用戶存在剩余電流大于20 mA且小于30 mA,則戶保不會(huì)動(dòng)作,上一級(jí)保護(hù)達(dá)到300 mA先行動(dòng)作?；诖嗽?擬建議采用與門的原理作為總保/二保的保護(hù)跳閘判據(jù)。算法原理圖比較如圖10所示。

圖10 算法原理圖比較

(4) 針對(duì)越級(jí)誤動(dòng)事故,又缺乏監(jiān)測(cè)手段。擬建議開(kāi)發(fā)一套在線監(jiān)測(cè)故障排查裝置,包括二保便攜式監(jiān)測(cè)模塊、戶保便攜式模塊、智能APP手機(jī)等。當(dāng)接到故障工單報(bào)修,搶修人員查勘發(fā)現(xiàn)剩余電流保護(hù)跳閘重新試送成功后,將該裝置接入到跳閘的二保對(duì)應(yīng)位置,及與其相連接的對(duì)應(yīng)電表箱的用戶開(kāi)關(guān)各出線,通過(guò)APP實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè),掌握剩余電流實(shí)時(shí)情況,便于分析跳閘根源,排查故障。

一般一個(gè)二保保護(hù)器出線用戶僅4～12戶,故監(jiān)測(cè)裝置僅需安裝二保監(jiān)測(cè)、4～12戶戶保監(jiān)測(cè),數(shù)據(jù)量小,現(xiàn)場(chǎng)工作量不大,具備可行性研究。

5 結(jié) 語(yǔ)

剩余電流保護(hù)技術(shù)是低壓配電系統(tǒng)的重要組成部分,是防止人身觸電傷亡事故和火災(zāi)事故的重要技術(shù)措施,必須引起運(yùn)維管理人員的高度重視。剩余電流保護(hù)越級(jí)誤動(dòng)不僅擴(kuò)大停電范圍,提高排故難度,而且給居民正常用電帶來(lái)麻煩。因此,必須采取有效的管理措施和技術(shù)措施,減少越級(jí)跳閘率,提高運(yùn)行管理水平,提升居民用電的供電可靠性;避免應(yīng)解除保護(hù)或保護(hù)動(dòng)作不可靠造成的觸電事故發(fā)生。本文結(jié)合泉州城區(qū)剩余電流保護(hù)器運(yùn)行現(xiàn)狀,從技術(shù)措施入手,探討有關(guān)剩余電流保護(hù)方面的諸多問(wèn)題,希望對(duì)低壓配電網(wǎng)人身觸電方面加以重視。