剩余電流動作斷路器在鋼鐵廠改造中的應(yīng)用

何建文, 馬鐵峰

[1.天水二一三電器集團有限公司, 甘肅 天水 741300;2.二一三電器(上海)有限公司, 上海 201802]

0 引 言

某鋼鐵廠的電網(wǎng)供電系統(tǒng)始建于20世紀60年代,經(jīng)歷了不同年代的建設(shè)改造。由于鋼鐵廠存在各種不同用電場合的供電需求,目前有不同年代建設(shè)的電網(wǎng)供電系統(tǒng)在運行。受當(dāng)時不同年代經(jīng)濟條件和電器設(shè)備技術(shù)發(fā)展的制約,在電網(wǎng)供電系統(tǒng)中部分沒有設(shè)計安裝剩余電流動作斷路器(CBR),即使后續(xù)在部分電網(wǎng)供電系統(tǒng)中改造安裝了剩余電流動作斷路器,但由于CBR類型和電網(wǎng)供電系統(tǒng)不匹配,CBR的設(shè)計安裝接線不合理,導(dǎo)致CBR拒動和誤動作情況時有發(fā)生。電網(wǎng)供電系統(tǒng)沒有安裝CBR時,若設(shè)備電線絕緣老化,會引起電氣火災(zāi)事故,人為誤接線操作也經(jīng)常會導(dǎo)致漏/觸電傷人,嚴重影響生命安全。因此,該鋼鐵廠提出了全面對老舊電網(wǎng)供電系統(tǒng)進行改造、安裝漏電保護裝置的需求,線路重新布局,線路中增加剩余電流動作斷路器。根據(jù)鋼鐵廠的改進技術(shù)要求,本文針對鋼鐵廠的不同供電系統(tǒng),提出了設(shè)計改造安裝CBR的解決方案,并對存在錯誤設(shè)計的接線圖進行分析說明。歷經(jīng)6個月的設(shè)計改造,徹底解決了該鋼鐵廠老舊電網(wǎng)系統(tǒng)中線路和設(shè)備的漏電保護安全問題。改造加裝的CBR經(jīng)過1年多的運行,現(xiàn)場漏電事故事件明顯減少,有效地防止了漏/觸電事故的發(fā)生,預(yù)防了漏電引起的電氣火災(zāi),保障了線路和設(shè)備的用電安全,確保了人身安全。

1 CBR在電網(wǎng)供電線路中的作用

剩余電流動作斷路器俗稱漏電斷路器,其不但對用電設(shè)備和線路進行過電流故障保護,同時可對用電設(shè)備和線路中出現(xiàn)的漏電流故障進行保護[1],在低壓電網(wǎng)供電系統(tǒng)中起到非常重要的保護作用。線路中安裝CBR后,可確保人身安全,避免漏/觸電造成的致命事故。當(dāng)線路中存在漏電電流時,可能會引起線路電氣火災(zāi),CBR也可預(yù)防因漏電引起的火災(zāi)事故?？梢奀BR可以消除電網(wǎng)供電系統(tǒng)線路中的各種不安全因素,成為提高電網(wǎng)供電系統(tǒng)線路中安全用電的有效預(yù)防措施及必不可少的保護元器件。

在低壓電網(wǎng)供電系統(tǒng)中,按照漏/觸電保護線路級別可分為三級漏電保護[2]。配電負載側(cè)作為配電系統(tǒng)中的一級總保護,安裝在低壓配電總電源側(cè),一般漏電保護值為500 mA以上,并設(shè)置一定的延時動作時間,以防三級或二級線路發(fā)生漏/觸電故障時,造成一級線路停電。主干分支線路側(cè)為二級保護,實現(xiàn)分支線路到終端側(cè)之間線路的漏/觸電保護,同時作為終端漏/觸電保護的后備保護,一般漏電保護值為100～500 mA,總漏電電流小于一級漏電保護值,大于三級終端側(cè)漏電保護值,既可保護漏/觸電故障,又可防止漏電火災(zāi)的發(fā)生[3]。用戶終端側(cè)為三級保護,終端三級漏/觸電保護系統(tǒng)中,人觸電事故絕大部分都發(fā)生在該終端的用電設(shè)備和線路上,對一些存在危險的設(shè)備需加CBR,如移動式用電設(shè)備、焊接設(shè)備等,作為用電系統(tǒng)線路的末端保護,必須靈敏度高,響應(yīng)快速,漏電動作值不能大于30 mA,且無動作延時時間,如在水池、浴池等潮濕易漏電的場合,則漏電電流保護值為15 mA以下[4]。三級保護最大的好處是縮小停電范圍,防止發(fā)生大面積停電。以上三級保護線路中任何一級發(fā)生漏/觸電故障時,都會給人們的生命財產(chǎn)造成嚴重的損失,所以電網(wǎng)供電系統(tǒng)線路中安裝CBR的重要性是不言而喻的。

2 CBR的保護工作原理

觸電方式有直接觸電和間接觸電兩種。直接觸電為人體直接接觸帶電的裸露導(dǎo)電部位,漏電電流從接觸處經(jīng)過人體心臟、再經(jīng)腳底流入大地,當(dāng)漏電電流超過人體所能承受的一定值時,對人體造成傷害,嚴重時會造成人觸電死亡。間接觸電為人體接觸到因設(shè)備內(nèi)部的絕緣損壞而產(chǎn)生漏電的設(shè)備金屬外殼造成的觸電。例如電機設(shè)備的金屬外殼與接地線連接,當(dāng)電機內(nèi)部繞組的絕緣損壞產(chǎn)生漏電時,漏電流會經(jīng)過設(shè)備金屬外殼接地線流入大地,流回電源中性點。當(dāng)人體觸摸到電機金屬外殼時,漏電流會經(jīng)人體流回電源中性點,對人體造成傷害。

CBR的基本保護工作原理如圖1所示。圖1線路中在設(shè)備和人員無漏/觸電的情況下,A、B、C、N相電流的矢量和為零,即IA+IB+IC+IN=IΔ=0,這時在零序電流互感器TA的鐵芯中所感應(yīng)的磁通的矢量和Φ為零[5],即Φ=ΦA(chǔ)+ΦB+ΦC+ΦN=0,磁通的矢量和在零序電流互感器TA的二次繞組感應(yīng)的電動勢E2為零。當(dāng)有漏/觸電發(fā)生時,A、B、C、N相電流的矢量和不為零,即IA+IB+IC+IN=IΔ≠0,這時在零序電流互感器TA的鐵芯中所感應(yīng)的磁通的矢量和Φ不為零,即Φ=ΦA(chǔ)+ΦB+ΦC+ΦN≠0,磁通的矢量和在零序電流互感器TA二次繞組感應(yīng)的電動勢E2不為零,電動勢E2經(jīng)過控制單元A的運算控制,當(dāng)漏電流IΔ達到一定的值后,控制單元A驅(qū)動脫扣器TR動作,脫扣器TR驅(qū)動斷路器QF跳閘快速切斷電源,實現(xiàn)漏/觸電保護的功能。

圖1 CBR基本保護工作原理

3 改造前的電網(wǎng)供電系統(tǒng)設(shè)備運行狀態(tài)分析

為了解決該鋼鐵廠供電系統(tǒng)中存在的各種漏/觸電不安全因素,供電系統(tǒng)設(shè)計安裝CBR已成為最有效的保護措施。當(dāng)發(fā)生漏/觸電接地故障時,CBR能夠快速切斷電源,保護設(shè)備和人身安全。該鋼鐵廠生產(chǎn)設(shè)備較多,站用電源變壓器多,電源變壓器建設(shè)年代不同,有不同的低壓電網(wǎng)供電系統(tǒng),既有IT電網(wǎng)供電系統(tǒng),又有TT電網(wǎng)供電系統(tǒng)和TN電網(wǎng)供電系統(tǒng)。

IT電網(wǎng)供電系統(tǒng)主要應(yīng)用在該鋼鐵廠的礦井等場合,該供電系統(tǒng)為電源變壓器二次側(cè)中性點不接地或經(jīng)高阻抗接地,電氣設(shè)備的金屬外殼接地。該系統(tǒng)中電源變壓器中性點不接地或經(jīng)高阻抗接地是其保護性能的核心,其保護機制為盡量加大漏/觸電回路的阻抗,避免漏/觸電電流達到危害值。IT供電系統(tǒng)一般采用設(shè)備外殼接地保護法,用特殊的檢漏繼電器進行漏電保護。因為IT供電系統(tǒng)電源變壓器中性點不接地,所以當(dāng)設(shè)備發(fā)生漏/觸電故障事故時,漏電流和電源變壓器二次側(cè)無法構(gòu)成回路電流,其漏電流僅為非故障相對地構(gòu)成的電容電流的相量和,流經(jīng)人體的漏電流很小,相對是安全的。人體單相觸電時,所處環(huán)境容抗大,流向大地的泄漏電流很小,電源變壓器二次側(cè)電壓平衡基本不會破壞,泄漏電流不會影響電氣設(shè)備的正常運行。由于漏阻抗較大,人體單相觸電時流經(jīng)人體的電流很小,漏電流小于1 mA,因此不會造成人體傷害。因此,IT供電系統(tǒng)相對來說是一種比較安全的供電方式,其可靠性高,安全性好。但其缺點是該供電系統(tǒng)線路不宜過長,只能應(yīng)用在一些特殊用電的小范圍的場合,使用范圍受到一定的限制。常規(guī)型的CBR為電流動作式,需要故障點與電源變壓器二次側(cè)接地中性點構(gòu)成漏電流回路,工作原理如圖1所示。在IT電網(wǎng)供電系統(tǒng)中電源變壓器二次側(cè)沒有中性點接地,因此該系統(tǒng)不能適應(yīng)電流型的剩余電流動作斷路器。

對于該鋼鐵廠早些年代建造的TT供電系統(tǒng)和TN供電系統(tǒng),由于受當(dāng)時經(jīng)濟條件和電器設(shè)備技術(shù)發(fā)展的制約,低壓電網(wǎng)供電系統(tǒng)中部分設(shè)備仍然采用單一的接地接零保護方式,這種單一的接地接零保護方式已不能滿足安全保護要求。在電網(wǎng)系統(tǒng)中大部分沒有設(shè)計安裝CBR,即使后續(xù)在一些電網(wǎng)系統(tǒng)改造中增加了CBR,但由于CBR類型和電網(wǎng)系統(tǒng)不匹配、CBR的接線不合理、上級和下級漏電的保護參數(shù)設(shè)置不合理,導(dǎo)致剩余電流動作斷路器拒動和誤動作情況時有發(fā)生,沒有達到漏電保護的功能,反而造成了線路跳閘停電停工現(xiàn)象,給用電安全帶來一定的隱患。因此以下針對TT和TN供電系統(tǒng)中CBR的正確設(shè)計、接線方案進行分析說明。

4 應(yīng)用方案分析

4.1 TT系統(tǒng)保護方案

該鋼鐵廠部分用電設(shè)備供電距離較遠,負荷布局相對分散,因此部分電網(wǎng)供電系統(tǒng)線路采用了TT供電系統(tǒng)。TT供電系統(tǒng)中電源變壓器二次側(cè)中性點直接接地,設(shè)備外殼直接接地,采用三相三線制接線方式。三相三線制系統(tǒng)電源只引出三根相線,該電網(wǎng)供電系統(tǒng)中,沒有單獨引出中性線N,系統(tǒng)的負載側(cè)中性線N也全部直接接入大地,大地相當(dāng)于N線,PE線也是直接接入大地。TT供電系統(tǒng)原理如圖2所示。

圖2 TT供電系統(tǒng)原理圖

在TT供電系統(tǒng)中,電力系統(tǒng)的中性點直接接地,電器設(shè)備的金屬部分直接接線漏/觸電保護,這個接地與電力系統(tǒng)中的中性點的接地沒有關(guān)系。當(dāng)該供電系統(tǒng)線路中既有AC 380 V三相負載,又有AC 220 V單相負載時,混合負載導(dǎo)致CBR負載端中性線N需要重復(fù)接地,當(dāng)負載不平衡時,中性線N上的電流通過接地線流入大地,引起CBR誤動作。該系統(tǒng)使用CBR時,如果設(shè)計不當(dāng)或安裝不合理,很容易造成CBR誤動作跳閘故障。

TT供電系統(tǒng)中,三極CBR和四極CBR要根據(jù)實際線路負載情況進行設(shè)計接線,如存在單相AC 220 V負載,則必須選用二極漏電斷路器,如存在AC 380 V和單相AC 220 V混合負載,則必須選用四極CBR。單相AC 220 V負載中性線N不能直接接入大地,否則CBR頻繁跳閘無法合閘,中性線N接地必須從斷路器的進線端N極接入大地,不能從出線端接入大地。

三極CBR正確的接線設(shè)計方案如圖3所示。電網(wǎng)為三線制TT系統(tǒng),設(shè)備為AC 380 V的單一負載,CBR設(shè)計為三極CBR,設(shè)備外殼接大地,當(dāng)出現(xiàn)漏/觸電時,線路中出現(xiàn)電流矢量和IΔ不為零,即IΔ=IA+IB+IC≠0,電源變壓器側(cè)中性點和安全接地線PE形成漏電回路,剩余電流(漏電流)為IΔ,三極CBR可以起到漏/觸電保護的作用。

圖3 三極CBR正確的接線設(shè)計方案

混合負載中三極CBR錯誤的接線設(shè)計方案如圖4所示。電網(wǎng)為三線制TT系統(tǒng),設(shè)備為AC 380 V和AC 220 V的混合負載,選用三極CBR,中性線N接大地。線路中的問題就是中性線N錯誤地接入大地,錯誤地選用了三極CBR,在無漏/觸電情況下,線路中出現(xiàn)了沒有經(jīng)過三極CBR的旁路電流,線路中出現(xiàn)的剩余電流矢量和IΔ不為零,即IA+IB+IC+IN=IΔ≠0,負載端接地、安全線PE和電源變壓器中性點接地構(gòu)成了剩余電流IΔ的回路電路,因此三極CBR跳閘無法正常運行。混合負載改正設(shè)計后正確的接線設(shè)計方案如圖5所示。該線路中三極CBR跳閘設(shè)計更改為四極CBR,在無漏/觸電情況下,系統(tǒng)線路中電流矢量和IΔ始終為零,即IA+IB+IC+IN=IΔ=0,當(dāng)有漏/觸電故障發(fā)生時,線路中出現(xiàn)的電流矢量和IΔ不為零,即IA+IB+IC+IN=IΔ≠0,負載端接地、安全線PE和電源變壓器中性點接地構(gòu)成了剩余電流IΔ的回路電路,四極CBR快速跳閘斷開線路電源,起到漏/觸電保護作用。

圖4 混合負載中三極CBR錯誤的接線設(shè)計方案

圖5 混合負載改正設(shè)計后正確的接線設(shè)計方案

四極CBR進出端錯誤接地的設(shè)計接線方案如圖6所示,電網(wǎng)為三線制TT系統(tǒng),設(shè)計為四極CBR,負載為AC 380 V和AC 220 V的混合負載。線路中出現(xiàn)了單相AC 220 V負載的中性線N多點接地的錯誤設(shè)計,在無漏/觸電情況下,線路中的中性線N電流IN從旁路流入大地,負載端接地和電源變壓器中性點接地構(gòu)成了剩余電流IΔ的回路電路,導(dǎo)致線路中出現(xiàn)電流矢量和IΔ不為零,即IA+IB+IC+IN=IΔ≠0,因此四極CBR會出現(xiàn)跳閘誤動作情況。更改正確的設(shè)計方案是將四極CBR的出線端N線不接地,只保留四極CBR的進線端N線接地,正確接地的設(shè)計接線方案如圖5所示。

圖6 四極CBR進出端錯誤接地的設(shè)計接線方案

中性線N錯誤接地的接線設(shè)計方案如圖7所示。電網(wǎng)為三線制TT系統(tǒng),通過CBR對線路進行分級保護,一級漏電保護采用三極CBR、二級漏電保護采用三極CBR和二極CBR,設(shè)備為AC 380 V和AC 220 V的混合負載,線路中的單相AC 220 V負載的中性線N接入大地。在無漏電情況下,當(dāng)單相AC 220 V負載工作時,單相AC 220 V負載中性線N相電流IN2從一級漏電保護端的三極CBR旁路流入大地,IN2流回到電源變壓器的中性點,形成了漏電電流,導(dǎo)致線路中出現(xiàn)電流矢量和IΔ不為零,即IA+IB+IC=IΔ≠0,因此一級線路保護端的三極CBR會出現(xiàn)頻繁跳閘故障,造成線路無法正常工作供電。

圖7 中性線N錯誤接地的接線設(shè)計方案

混合負載中多點接地的錯誤設(shè)計方案如圖8所示。設(shè)備為AC 380 V和AC 220 V的混合負載,CBR對線路進行分級保護,一級采用三極CBR、末端采用三極CBR和二極CBR,線路中的中性線N錯誤地進行多點接地,在無漏/觸電情況下,當(dāng)AC 220 V負載工作時,四極CBR和二極CBR會出現(xiàn)對地的旁路電流IΔ1和IΔ2,負載端大地和電源變壓器中性點大地之間形成了漏電電流,在負載無漏/觸電情況下,線路中形成的電流矢量和IΔ不為零,即IA+IB+IC+IN≠0、IC2+IN2≠0,因此四極CBR和二極CBR會出現(xiàn)頻繁跳閘,出現(xiàn)線路無法正常供電故障。

圖8 混合負載中多點接地的錯誤設(shè)計方案

混合負載正確的接線計方案如圖9所示。圖7和圖8可按圖9改進設(shè)計方案。圖9中將四極CBR的進線端中性線N接大地,其出線端中性線N不允許接入大地,并要求一級線路中的CBR的漏電動作值要大于二級線路中CBR的漏電動作值,否則將造成越級跳閘故障。在無漏/觸電正常情況下,線路中電流IN始終從四極CBR和三極CBR的中性線N中流入和流出,CBR無旁路電流產(chǎn)生,四極CBR線路中的電流矢量和IΔ為零,即IA+IB+IC+IN=IΔ=0;三極CBR線路中的電流矢量和IΔ為零,即IA1+IB1+IC1=IΔ=0;二極CBR線路中的電流矢量和IΔ為零,即IC2+IN2=IΔ=0。當(dāng)三極CBR保護的支路發(fā)生漏/觸電時,線路中出現(xiàn)電流矢量和IΔ不為零,即IA1+IB1+IC1=IΔ≠0,三極CBR跳閘保護;當(dāng)二極CBR保護的支路發(fā)生漏/觸電時,線路中出現(xiàn)電流矢量和IΔ不為零,即IC2+IN2=IΔ≠0,二極CBR迅速跳閘斷開線路,起到漏電保護的作用。當(dāng)一級保護和二級末端支路之間發(fā)生漏/觸電時,線路中出現(xiàn)電流矢量和IΔ不為零,即IA+IB+IC+IN=IΔ≠0,四極CBR跳閘動作。

4.2 TN系統(tǒng)防護方案

該電網(wǎng)供電系統(tǒng)的中性線接地,電氣裝備的金屬外殼通過PE保護線與該接地中性點連接。該系統(tǒng)有工作零線N和保護零線PE,工作零線N和保護零線PE可以合并使用,可分離使用,TN-C系統(tǒng),保護零線PE和工作零線N合并為一起;TN-S系統(tǒng)中工作零線N和保護零線PE嚴格分離;TN-C-S系統(tǒng)中部分線路工作零線N和保護零線PE合并為一,部分線路的工作零線N和保護零線PE分離。

TN-C系統(tǒng)中不正確接線設(shè)計方案如圖10所示。電網(wǎng)為三相四線制TN-C系統(tǒng),設(shè)備為AC 380 V和AC 220 V混合負載,系統(tǒng)線路中將保護線NPE接到四極CBR的出線端,當(dāng)線路設(shè)備發(fā)生漏電時,漏電流IΔ經(jīng)過保護線NPE和四極CBR的N極流入電源變壓器的中性線端,四極CBR中線路中的電流矢量和IΔ始終為零,即IA+IB+IC+IN=IΔ=0,造成四極CBR 拒動跳閘,失去漏電保護作用,會造成安全事故。

圖10 TN-C系統(tǒng)中不正確接線設(shè)計方案

對圖10的方案進行更改后,TN-C系統(tǒng)中正確接線設(shè)計方案如圖11所示。當(dāng)線路中設(shè)備發(fā)生漏電時,漏電流IΔ經(jīng)過安全線NPE經(jīng)四極CBR旁路流回到電源變壓器的中性端,四極CBR線路中電流矢量和IΔ不為零,即IA+IB+IC+IN=IΔ≠0,當(dāng)漏電電流達到動作值時,四極CBR跳閘斷開線路電源,起到漏電保護作用。

圖11 TN-C系統(tǒng)中正確接線設(shè)計方案

TN-S系統(tǒng)中正確的接線設(shè)計方案如圖12所示。電網(wǎng)為三相五線制TN-S系統(tǒng),設(shè)備為AC 380 V和AC 220 V混合負載,設(shè)備金屬外殼通過保護線PE連接到電源變壓器中性端線路,當(dāng)線路設(shè)備發(fā)生漏電時,四極CBR線路中的電流矢量和IΔ不為零,即IA+IB+IC+IN=IΔ≠0,四極CBR跳閘斷開電源,起到漏電保護作用。

圖12 TN-S系統(tǒng)中正確的接線設(shè)計方案

5 結(jié) 語

一個國家或地區(qū)的漏/觸電發(fā)生率是衡量其安全用電的重要標志。我國的漏/觸電事故基本發(fā)生在AC 380 V以下的低壓電網(wǎng)側(cè)線路,由于我國的低壓電網(wǎng)絕大部分采用變壓器二次側(cè)中性點直接接地方式,一旦發(fā)生漏/觸電事故其后果十分嚴重。因此在電網(wǎng)供電系統(tǒng)中設(shè)計安裝CBR是預(yù)防發(fā)生漏/觸電事故的重要技術(shù)措施,同時剩余電流動作斷路器也可預(yù)防因漏電引起的火災(zāi)事故,可見剩余電流動作斷路器可以消除電網(wǎng)系統(tǒng)線路中的各種不安全因素。在TN和TT供電系統(tǒng)中,如果設(shè)計安裝剩余電流動作斷路器與其電網(wǎng)供電系統(tǒng)不相匹配,剩余電流動作斷路器將起不到漏電保護功能,也會影響正常的供電?？茖W(xué)合理地設(shè)計應(yīng)用剩余電流動作斷路器是提高電網(wǎng)供電系統(tǒng)中安全用電必不可少的有效預(yù)防措施,該設(shè)計方案可以作為鋼鐵廠等工礦企業(yè)對電網(wǎng)線路改造和設(shè)計的理論實踐參考依據(jù)。