等電位聯(lián)結(jié)對TN系統(tǒng)短路保護靈敏度的影響分析

黃 旭

(國藥集團重慶醫(yī)藥設(shè)計院有限公司, 重慶 400039)

0 引 言

在電氣設(shè)計中,TN系統(tǒng)配電線路末端短路靈敏度校驗是極為重要的,合理設(shè)計線纜規(guī)格、合理配置各級線纜長度及回路保護,才能保證人員安全并消除因接地故障引起的火災(zāi)隱患。本文基于常規(guī)的等電位聯(lián)結(jié)配置,將其納入接地故障靈敏度計算,并進行分析。

1 等電位聯(lián)結(jié)

1.1 定 義

根據(jù)規(guī)范術(shù)語描述,等電位聯(lián)結(jié)是指多個可導(dǎo)電部分間為達到等電位進行的聯(lián)結(jié)。

等電位聯(lián)結(jié)可分為總等電位聯(lián)結(jié)、輔助等電位聯(lián)結(jié)等。

1.2 規(guī)范要求

1.2.1 總等電位的設(shè)置

根據(jù)GB/T 16895.21—2020《低壓電氣裝置 第4-41部分:安全防護 電擊防護》[3]411.3.1.2條,總等電位是必須設(shè)置的,連接的金屬部分包括并不限于:

(1) 為建筑物提供服務(wù)的管道,例如氣、水、區(qū)域供熱系統(tǒng)等;

(2) 外界可導(dǎo)電結(jié)構(gòu)件;

(3) 鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)上可觸及的鋼筋。

1.2.2 輔助等電位的設(shè)置

根據(jù)GB/T 16895.21—2020第411.3.2.5條,如果自動切斷電源的時間不能滿足相關(guān)規(guī)范條款要求時,應(yīng)采取輔助保護等電位聯(lián)結(jié)措施。

輔助保護等電位聯(lián)結(jié)應(yīng)包括可同時觸及的固定式電氣設(shè)備的外露可導(dǎo)電部分和外界可導(dǎo)電部分,如果切實可行也包括鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)的主筋。輔助等電位聯(lián)結(jié)系統(tǒng)應(yīng)與所有電氣設(shè)備及插座的保護導(dǎo)體相連接。

同時觸及的外露可導(dǎo)電部分和外界可導(dǎo)電部分之間的電阻R,在交流系統(tǒng)內(nèi)應(yīng)滿足:

R≤50U/Ia

(1)

各規(guī)范其余要求此處不再一一列出。

當(dāng)切斷時間不能達到要求時,采用輔助保護等電位聯(lián)結(jié)作為附加防護,且實施輔助保護等電位聯(lián)結(jié)后,為了其他原因諸如對火災(zāi)以及電氣設(shè)備內(nèi)熱效應(yīng)等的防護,發(fā)生故障時仍需切斷電源;基于此進行反向思考,若保護及線路配置合理,切斷時間能夠滿足要求,是否就不必要設(shè)置輔助保護等電位聯(lián)結(jié)呢?從規(guī)范理解來看,是可以不設(shè)置的,但為避免接地故障時,斷路器拒動,形成危險的接觸電壓,從保護人員安全的角度考慮,依然建議設(shè)置輔助保護等電位聯(lián)結(jié)。

1.3 等電位的作用

(1) 降低接觸電壓。從規(guī)范對等電位聯(lián)結(jié)要求和作用中可以看出,等電位聯(lián)結(jié)的出發(fā)點是通過減少兩導(dǎo)電物間的電位差,防止間接觸電危險和由建筑物外部引入的危險電壓。

(2) 減小接地故障回路電阻。發(fā)生金屬性單相接地故障時,故障電流回路阻抗主要有系統(tǒng)阻抗、變壓器零序阻抗、回路相線阻抗、PE線阻抗等,當(dāng)采取等電位聯(lián)結(jié)措施后,等電位聯(lián)結(jié)導(dǎo)體會與PE形成局部或整體并聯(lián)關(guān)系,可等效為PE線阻抗減小,尤其當(dāng)末端電纜截面較小時,PE線阻抗的減小會較明顯。

正因為等電位聯(lián)結(jié)可以減小接地故障回路電阻,發(fā)生接地故障時,故障電流增大,提高了接地故障保護的靈敏度。

常規(guī)的總等電位聯(lián)結(jié)和必要的輔助等電位聯(lián)結(jié),因路徑不確定,與其并聯(lián)的PE線長度不確定,而且通常等電位聯(lián)結(jié)板還與結(jié)構(gòu)體鋼筋連為一體,難以進行準(zhǔn)確的阻抗計算;而在常規(guī)的等電位聯(lián)結(jié)外,還要求沿橋架敷設(shè)一根-40×4熱鍍鋅扁鋼,其首端與總等電位連接,末端與預(yù)留接地端子板連接,所有金屬管均與該接地干線進行可靠的電氣連接,電纜的金屬線管與設(shè)備外殼連接,聯(lián)結(jié)導(dǎo)體總長度通常小于線路PE,對于沿橋架敷設(shè)的線路,計算時可近似認為該接地干線與PE等長。

2 短路靈敏度校驗的相關(guān)概念

2.1 定 義

在發(fā)生短路時保護電器必須可靠動作,在有可能的最不利點進行可靠性驗證計算即是短路靈敏度校驗。

通常情況下,對于低壓配電系統(tǒng),單相短路的短路電流最小,最不利點在線路末端,因而需要在配電線路末端進行單相接地靈敏度校驗。單相接地短路保護也被稱為接地故障保護。

2.2 關(guān)于校驗的相關(guān)要求

GB 50054—2011《低壓配電設(shè)計規(guī)范》[4]和GB 51348—2019《民用建筑電氣設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》[5]均有以下要求:

TN系統(tǒng)中配電線路的間接接觸防護電器的動作特性,應(yīng)符合下式的要求:

ZsIa≤U0

(2)

式中:Zs——接地故障回路的阻抗;

Ia——保證間接接觸保護電器在規(guī)定時間內(nèi)切斷故障回路的動作電流;

U0——相導(dǎo)體對地標(biāo)稱電壓。

根據(jù)式(1)推導(dǎo)可得

Ia≤U0/Zs

(3)

保護動作電流不大于故障電流時,就可認為滿足接地故障保護要求。

2.3 對于故障回路電流的分析

根據(jù)規(guī)范定義,Ia為保證間接接觸保護電器在規(guī)定時間內(nèi)切斷故障回路的動作電流,保護電器既可以是斷路器也可以熔斷器,當(dāng)保護電器為斷路器時,瞬時保護、短延時保護和滿足保護時限的長延時保護,均可以用作間接接觸防護。

需著重提出的是,按GB/T 16895.21—2020 411.3.2.2條,故障防護最長切斷電源時間要求與老版本規(guī)范、GB 51348—2019和GB 50054—2011不同,固定式設(shè)備電流大于32 A時,切斷時間才可以按5 s要求,小于等于32 A時,切斷時間需要按表格進行嚴(yán)格要求,遠遠小于5 s。

3 計算公式整理

在低壓配電系統(tǒng)中,通常采取多級放射式配電,至配電末端往往有多級斷路器保護,進行配電線路末端單相接地靈敏度校驗時,應(yīng)逐級計算,每段保護均應(yīng)能通過校驗,具體步驟如下:

3.1 每段電纜阻抗計算

(4)

式中: 1.5——短路發(fā)熱引起的電纜電阻的增大系數(shù);

ρ——導(dǎo)體電阻率,常用電纜導(dǎo)體主要為銅和鋁合金,銅為0.017 2 Ω·mm2/m,鋁合金為0.027 9 Ω·mm2/m;

m——相導(dǎo)體與PE導(dǎo)體截面之比,采用TN-C系統(tǒng)時,應(yīng)為PEN,具有剩余電流保護回路,應(yīng)為N導(dǎo)體;

L——電纜長度,考慮電纜在敷設(shè)中的彎曲和旋轉(zhuǎn),應(yīng)為測量長度乘以1.05;

k1——電纜電抗補償系數(shù),和導(dǎo)體截面有關(guān),S<120 mm2時,k1=1;S=120 mm2或150 mm2時,k1=0.95;S≥185 mm2時,k1=0.92;

k2——多根電纜并聯(lián)系數(shù),n(電纜并聯(lián)數(shù))=1時,k2=1,n≥2時,k2=4(n-1)/n;

S——單根相導(dǎo)體截面。

式(4)中按括號展開,括號中1的部分表示相線阻抗,m則表示PE阻抗:

(5)

(6)

考慮接地干線后的PE阻抗:

(6)

式中:ρ′——等電位聯(lián)結(jié)導(dǎo)體電阻率,本文采用沿橋架敷設(shè)的接地干線,材料為熱鍍鋅扁鋼,其電阻率約為0.098 Ω·mm2/m;

S′——等電位聯(lián)結(jié)導(dǎo)體截面。

3.2 預(yù)期單相短路電流

(7)

式中:Ik——預(yù)期單相短路電流;

0.95——考慮短路點遠離電源側(cè),電源側(cè)和變壓器阻抗所占比例較小,故電源側(cè)阻抗系數(shù)取0.95;

U0——相對地標(biāo)稱電壓U0,取變壓器出口電壓230 V;

∑R——進行每級配電末端單相短路電流靈敏度校驗時,∑R均為前端自變壓器起所有的線纜電阻之和。

3.3 校驗合格的判定

Ik>krelkopIset3

(5)

式中:krel——斷路器瞬動誤差系數(shù),電磁脫扣器取1.2,電子脫扣器取1.1,小型斷路器取1;

kop——斷路器動作系數(shù),三、四極斷路器取1.2,兩極斷路器取1.1,單極斷路器取1;

Iset3——斷路器脫扣電流,等于短路脫扣倍數(shù)和斷路器額定電流的乘積。

3.4 短路脫扣倍數(shù)的分析

斷路器用于保護時,根據(jù)設(shè)計選型,通常設(shè)置長延時、短延時及瞬動保護等保護。

消防負荷等重要回路,過載長延時用于報警而不直接脫扣,故對于過載不脫扣的配電回路,不能采用長延時進行靈敏度校驗。

大于32 A的固定電氣設(shè)備的回路,可以采用5 s時確保動作的長延時脫扣倍數(shù)或倍數(shù)更低的短延時脫扣倍數(shù)進行靈敏度校驗。

供給手持式電氣設(shè)備、移動式電氣設(shè)備以及小于等于32 A的固定設(shè)備用電的配電回路,為保證切斷時間要求,不能采用長延時進行靈敏度校驗,對于插座回路,斷路器具有剩余電流保護,單相接地時會剩余電流瞬時脫扣,故靈敏度校驗應(yīng)取相線對N線短路計算,使用N線進行校驗靈敏度時,不能計入等電位聯(lián)結(jié)導(dǎo)體的影響。

對于塑殼斷路器或萬能式斷路器,短路脫扣倍數(shù)選取中間值,通過系數(shù)計入制作誤差,而對于小型斷路器,短路脫扣倍數(shù)采用上限計算。

4 計算案例

某廠房設(shè)計,選取其中一個固定工藝設(shè)備配電回路,路徑從單體變配電室接至樓層總箱,再經(jīng)就地工藝配電箱分配后,為固定工藝設(shè)備供電,該工藝設(shè)備的額定電壓380 V,額定功率5 kW,計算電流9.5 A;某配電回路元件配制如表1所示。

表1 某配電回路元件配置

根據(jù)公式編輯了便于計算的校驗表格,原始數(shù)據(jù)輸入表格如表2所示。

表2 原始數(shù)據(jù)輸入表格

第一級配電斷路器型號為NDM3-630,線路末端為下級配電箱,屬于固定電氣設(shè)備。NDM3-630時間/電流特性曲線如圖1所示。

圖1 NDM3-630時間/電流特性曲線

由圖1可見,在動作時間5 s處,脫扣倍數(shù)幾乎仍保持在10倍。

第二級配電斷路器型號為NDM3-125,線路末端為下級配電箱,屬于固定電氣設(shè)備。NDM3-125時間/電流特性曲線如圖2所示。

由圖2可見,在動作時間5 s處,已有明顯下降,中心位置在8倍以下,計算取8倍。

第三級配電斷路器型號為NDB2-63C,線路末端為固定工藝設(shè)備,但其電流小于32 A,不能考慮使用長延時進行保護,脫扣倍數(shù)取C型脫扣器上限,10倍。

圖2 NDM3-125時間/電流特性曲線

不考慮等電位接地干線時校驗中間數(shù)據(jù)及結(jié)果如表3所示。

表3 不考慮等電位接地干線時校驗中間數(shù)據(jù)及結(jié)果

從計算結(jié)果看,第二級和第三級配電發(fā)生單相接地故障時,保護電器特性均不能滿足靈敏度要求。按照常規(guī)設(shè)計,此時為滿足接地故障保護靈敏度要求,需要采取以下措施中的一種或幾種:調(diào)整線纜截面規(guī)格、調(diào)整開關(guān)保護配置、調(diào)整配電箱安裝位置以改變各段線纜長度。

但當(dāng)將起等電位作用的接地干線納入計算之后,調(diào)整后的輸入表格1如表4所示,調(diào)整后的計算結(jié)果1如表5所示。

表4 調(diào)整后的輸入表格1

表5 調(diào)整后的計算結(jié)果1

可以看出,將沿橋架敷設(shè)的接地干線納入計算之后,接地故障靈敏度校驗均可以滿足要求,不需要另外采取增大電纜截面或調(diào)整保護配置等措施。而在計算中忽略了沿建筑鋼筋網(wǎng)的故障電流路徑、忽略了金屬橋架影響、也忽略了就地輔助等電位聯(lián)結(jié)等部分,實際中發(fā)生金屬性接地故障時,故障回路電阻會比本文中調(diào)整后計算表格中的數(shù)據(jù)小,故障電流則更大,接地故障靈敏度校驗更容易通過。

同時,在假設(shè)的算例中,相線對N線短路,因不能考慮接地干線的并聯(lián),反而更為危險,無法通過靈敏度校驗,向相線對N線短路時,不考慮間接接觸防護,保護時間可以按5 s考慮。

經(jīng)試算,需要將第二級配電斷路器改為小型斷路器,第三級電纜加大到4 mm2才能通過校驗,調(diào)整后的輸入表格2如表6所示,調(diào)整后的計算結(jié)果2如表7所示。

表6 調(diào)整后的輸入表格2

表7 調(diào)整后的計算結(jié)果2

4 結(jié) 語

經(jīng)過分析配電線路末端短路靈敏度校驗的計算過程,了解到因為等電位聯(lián)結(jié)導(dǎo)體與配電線路PE線形成局部或整體并聯(lián)關(guān)系,可以減小故障回路PE導(dǎo)體部分的電阻,故而進行末端短路靈敏度校驗時,若根據(jù)實際設(shè)計情況,能夠?qū)Σ糠值入娢粚?dǎo)體進行準(zhǔn)確的等效計算,可以將等電位導(dǎo)體納入校驗計算。