TN系统配电线路单相短路保护的可靠性校验

方雅君

(福建省建筑设计研究院 福建福州 35001)

TN系统配电线路单相短路保护的可靠性校验

方雅君

(福建省建筑设计研究院 福建福州 35001)

文章论述配电线路的保护，当短路保护电器为断路器时，TN系统用断路器自动切断电源作电击防护的间接接触保护。结合具体工程项目，针对不同规格的断路器及铜芯线缆，计算出满足低压断路器单相短路时保护灵敏度要求的导线长度，列出TN系统回路0.4kV线路最大供电距离表，以方便设计时估算使用。

TN系统; 单相短路(单相接地故障)整定电流; 供电距离

E-mail:171961204@qq.com

1 TN系统用自动切断电源作间接接触保护的校验的重要性

根据GB50054-2011《低压配电设计规范》5.2.2条：在使用I类设备、预期接触电压限值为50V的场所，当回路或设备中发生带电导体与外露可导电部分或保护导体之间的故障时，间接接触防护电器应能在预期接触电压超过50V且持续时间足以引起对人体有害的病理生理效应前自动切断该回路或设备的电源。

对于TN系统线路间接接触保护，规范做了以下规定：

GB50054-2011《低压配电设计规范》5.2.9条：TN系统中配电线路的间接接触防护电器切断故障回路的时间，应符合下列规定：

(1)配电线路或仅供给固定式电气设备用电的末端线路，不宜大于5S；

(2)供给手持式电气设备和移动式电气设备用电的末端线路或插座回路，TN系统的最长切断时间不应大于表1的规定。

表1 TN系统的最长切断时间

GB50054-2011《低压配电设计规范》6.2.4条：当短路保护电器为断路器时，被保护线路末端的短路电流不应小于断路器瞬时或短延时过电流脱扣器整定电流的1.3倍。

TN系统内发生接地故障(单相接地短路)时，其故障电流通过回路的PE线金属通路返回电源，故障电流幅值较大。要求防护电器自动且迅速的切断电源。规范的这三点对防护电器(断路器)的灵敏度和切断时间提出了明确的要求，因如果切断不及时，而PE线上大电流产生的大电压降形成的接触电压Uf如(图1)超过接触安全电压限值(50V)，这时人体如触及带电的设备外露导电部分，就有可能导致间接接触电击事故。如果保护电器(断路器)不动作，故障持续时间过长，回路导体产生的异常高温还将烤燃附近可燃物而引起电气火灾。故TN系统内，用自动切断电源作间接接触保护非常重要。

注：现有的工程应用中，大部分采用断路器作为短路保护的保护电器，故此文仅以使用断路器作为保护电器的情况进行讨论。

图1 单相接地故障时，断路器不能自动切断电源的电击危险

2 民用建筑电气设计0.4kV低压供电半径的一般判定

在民用建筑电气设计中，对于10/0.4kV变电所的0.4kV低压供电范围的确定，我们一般考虑的是业主业态功能的区域，还有就是用电电压的质量(即电压损失能满足规范要求)。《20kV及以下变电所设计规范》GB50053-2013第2.0.1条规定“变电所的所址宜靠近负荷中心”；福建省地方标准《10kV及以下电力用户业扩工程技术标准》DB35/T1036-2013第6.3.2条明确“0.4kV低压供电半径不宜超过250m。经核算能确保满足居民用电电压质量时，可根据实际情况适当延长低压供电半径。只有经计算负荷满载时最末端用户的电压降、以及负荷轻载时最近端用户的电压偏差均符合国家标准时，低压供电半径才可适当延长”。

因此，在现有民用建筑电气设计工程案例中，0.4kV低压供电半径控制在250m内，用电设备的电压损失一般都能满足规范要求，但是在用电设备的电压损失满足要求的情况下，低压供电半径在250m内，线路发生接地故障时，低压断路器是否能自动且迅速切断电源而满足规范要求？笔者以工程案例做探讨，首先回顾下接地故障电流的计算。

3 线路末端接地故障电流的计算

TN系统，若设备A发生某相接地故障，A为I类设备，U0为相电压(图2)。接地故障回路的阻抗为Zphp(忽略断路器内阻、接触电阻)，相线和PE线的相保电阻为Rphp，相线和PE线的相保电抗为Xphp，则接地故障电流：

其中，系统及变压器(含母线)阻抗查阅《工业与民用配电设计手册》第三版P164～171页表4-28～4-31，线路的相保阻抗《工业与民用配电设计手册》第三版P158页表4-25。

图2 单相接地故障电气示意图

4 低压断路器灵敏度的校验

根据《民用建筑电气设计规范》JGJ16-2008第7.6.3条第3款规定，低压断路器灵敏度应按下式校验:

(1)

式中，Klz—低压断路器动作灵敏系数；

Idmin—被保护线路预期短路电流中的最小电流(A)，在TN、TT系统中为单相短路电流；

Izd—低压断路器瞬时或短延时过电流脱扣器整定电流(A)。

5 工程案例

某工程为集高级购物中心、甲级写字楼、酒店式公寓、写字楼、时尚休闲娱乐中心等为一体的城市综合体项目，总建筑面积为64.47万平方米，其中地上49.01万平方米，地下15.65万平方米。地面最高28层，地下室三层(其中地下一层设有一个面积1.5万平方米的超市，其余地下室部分平时均为停车和设备用房)，最高建筑物高度为99.9m。本项目共分三个区，A区为高级购物中心、甲级写字楼、时尚休闲娱乐中心等，面积约为27.17万平方米；B区为酒店式公寓(住宅)区，面积约为22.8万；C区为写字楼区，面积约为14.7万；根据业态功能分区，将变配电房尽量设置在负荷中心，共设置22个变电所。 每个变电所0.4kV低压供电半径控制在250m内，经检验，每个用电设备电压损失均满足规范要求。本工程采用TN-S接地系统，设PE专用保护接地线。如上所提，校验线路发生接地故障时，低压断路器是否能自动且迅速切断电源而满足规范要求呢？

5.1 校验K1、K2、K3

选取最末端的两种用电设备作为最不利点(K1、K2、K3)进行校验，其配电干线图如图3所示：

图3 低压配电干线短路电流计算电路简图

(1)用电设备为地下三层车库照明灯具：其防护电器选择微型断路器(C型)，根据GB10963.1-2005/IEC60898-1∶2002《电气附件 家用及类似场所用过电流保护断路器 第一部分：用于交流的断路器》第5.3.5条规定，瞬时脱扣的标准范围如表1：

表1 瞬时脱扣标准范围

C型微型断路器的瞬时脱扣电流取5In，适用保护配电线路以及具有较高接通电流的照明线路；

(2)用电设备为地下三层车库排风机：其防护电器选择微型断路器(D型)和电动机保护开关(一体式)；D型微型断路器的瞬时脱扣电流取10In，适用保护电动机线路设备。

5.2 校验K1点

(1)根据《工业与民用配电设计手册》第三版P168页表4-30查得系统(高压侧系统短路容量200MVA)及变压器[SC(B) 9系列10(6)/0.4kV变压器 (D,yn11)]、母线阻抗(因《工业与民用配电设计手册》第三版无SC(B)10系列变压器的技术参数，故参照SC(B)9系列变压器)，根据《工业与民用配电设计手册》第三版P158页表4-25查得线路的相保阻抗，做如下单相接地故障电流计算详表2：

表2 K1短路点单相接地故障电流计算表

(2)由上表可知K1点的接地故障电流Id-k1=78A

c)K1点断路器QF3的瞬时脱扣电流Izd=5In=5×16=80(A)

f)结论：变电所至末端照明灯具供电距离约210m，虽然电压损失满足规范要求，但是线路发生单相接地故障时，低压断路器不能自动且迅速切断故障电源，不满足规范要求。

5.3 校验K2及K3点

(1)根据《工业与民用配电设计手册》第三版P168页表4-30查得系统(高压侧系统短路容量200MVA)及变压器[SC(B) 9系列10(6)/0.4kV变压器低压侧短路电流值(D,yn11)]、母线阻抗，(因《工业与民用配电设计手册》第三版无SC(B)10系列变压器的技术参数，故参照SC(B)9系列变压器)，根据《工业与民用配电设计手册》第三版P158页表4-25查得线路的相保阻抗，做如下单相接地故障电流计算详表3：

表3 K2短路点单相接地故障电流计算表

(2)由上表可知K2点的接地故障电流Id-k2=184A;K3点的接地故障电流Id-k3=173A。

(3)K2点断路器QF6的瞬时脱扣电流Izd2=10In=10×20=200(A);K3点电动机保护开关QF7的瞬时脱扣电流Izd3=12In=12×6=72(A)

(5)结论：变电所至末端排风机供电距离约180m，电能质量满足规范要求，但是线路发生单相接地故障时，电动机保护开关(一体式)QF7能满足规范要求，低压断路器QF6不能自动且迅速切断故障电源，不满足规范要求。

6 总结

由以上工程案例可见，在供电半径、用电电能质量满足规范的前提下，发生接地故障时，低压断路器极有可能无法自动且迅速切断电源，故进行低压断路器的灵敏度校验很有必要。

(2)

根据式(1)和式(2)得TN系统回路供电距离：

在不考虑导线动稳定和热稳定的情况下，推算出不同规格的断路器及铜芯线缆，变电所电源点至末端用电设备的允许最大供电距离，一般前级的线路电阻比最后一级的线路电阻小很多，故在方案阶段，最后一级配电间至末端用电设备的供电距离可参照表4。

在施工图设计中，结合以上的公式，笔者设计一个EXCEL表格，输入系统及变压器(含母线)阻抗(查阅《工业与民用配电设计手册》第三版P164～171页表4-28～4-31)、线路的相保阻抗(《工业与民用配电设计手册》第三版P158页表4-25)、供电距离、回路开关的整定电流，选择瞬时脱扣与整定电流的倍数(表中灰色格子部分)，可自动检验每一级低压断路器的灵敏度，详见表3和表4。

表4 断路器切除单相接地故障导线最大距离(Sp=S)

表4(续)：断路器切除单相接地故障导线最大距离(Sp=S/2)

注：Sp为PE线的截面积，S为相导体的截面积

表5 单相接地故障电流计算表

表6 断路器灵敏度校验

[1]GB50054-2011,低压配电设计规范[S].

[2]GB50053-2013, 20kV及以下变电所设计规范[S].

[3]JGJ16-2008,民用建筑电气设计规范[S].

[4]中国航空工业规划设计研究院等.工业和民用配电设计手册(第三版).中国电力出版社，2005(10).

[5]GB10963.1-2005/IEC60898-1：2002,电气附件 家用及类似场所用过电流保护断路器 第1部分：用于交流的断路器[S].

方雅君(1982.4- ),女，本科，高级工程师，注册电气工程师(供配电)，主要从事建筑电气与智能化、夜景照明等方面的工作。

Reliability verification of single phase short circuit protection in TN system

FANGYajun

(Fujian Institute of architectural design，Fuzhou 350001)

This paper discusses the protection of power distribution lines. When the short circuit protection equipment is a circuit breaker, the TN system is used for the protection of the electric shock protection. Combined with the specific engineering project, the wire length is calculated according to the different specifications of the circuit breaker and the copper core cable, and the maximum power supply distance of the TN line 0.4kV line is listed.

TN system;Single phase short circuit (Single phase grounding fault) the whole set current;Supply distance

方雅君(1982.4- ),女，高级工程师。

2015-11-04

TU855

A

1004-6135(2015)12-0097-06