低压配电线路的接地故障保护分析

赖 景 森

(厦门海晟房地产开发有限公司, 福建 厦门 361000)

0 引 言

接地故障是指低压配电系统中的相线对地或与地有联系的导电体之间的短路,包括相线与大地、PE线、PEN线、电气装置的外露可导电部分、装置外可导电部分(如建筑物金属构件、金属管道、结构钢筋等)之间的短路。接地故障会产生故障电流,且其大小又与低压配电系统的接地形式和故障回路的阻抗有关,比较复杂。不仅如此,故障设备的外露可导电部分对地和装置外可导电部分之间存在故障电压,此电压可使人身遭受电击,也可能因对地的电弧或火花引起火灾或爆炸,影响人身、财产安全。因此,配电线路应设置接地故障保护电器。本文根据配电系统的接地形式,对此问题进行探讨。

1 TN系统的接地故障保护

1.1 对接地故障保护的要求

根据JGJ 16—2008《民用建筑电气设计规范》[1]第9.2.3条、GB 50055—2011《通用用电设备设计规范》[2]第2.3.1条,交流电动机应装设短路保护和接地故障保护,且当电动机的短路保护器件满足接地故障保护要求时,应采用短路保护兼接地故障保护。

GB 50054—2011《低压配电设计规范》[3]第5.2.8条及JGJ 16—2008第7.7.6条规定:TN系统中配电线路的接地故障保护(间接接触保护)电器的动作特性,应符合要求:

ZsIa≤U0

(1)

式中:Zs——接地故障回路的阻抗,Ω;

Ia——保护电器在规定时间内自动切断故障回路电源的动作电流,A;

U0——相导体对地标称电压,V。

由式(1)可知,Ia≤U0/Zs,即只要满足单相接地短路电流Idmin≥Ia,即可保证发生接地故障时断路器能在规定的时间内自动切断故障回路的电流,即采用短路保护兼做接地故障保护。

GB 50054—2011第6.2.4条及JGJ 16—2008第7.6.3条规定:低压断路器的灵敏度应按下式校验:

(2)

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,在TN、TT系统中为单相短路电流,A;

Izd——低压断路器瞬时过电流脱扣器整定电流,A。

由式(2)可知,Idmin≥1.3Izd时,才能保证断路器可靠动作。

因此,只需计算单相短路电流Idmin≥1.3Izd,即可满足当电动机的短路保护器件满足接地故障保护要求时,采用短路保护兼做接地故障保护。

1.2 单相短路电流的计算

某高层工程总建筑面积约为60 044 m2,其中地上建筑共24层,面积约为35 997 m2,地下建筑共3层,面积约为24 047 m2,建筑高度为97.75 m。1F为商场及设备用房,2F～24F为商场、办公、多功能厅、餐厅及厨房,-1F、-2F、3F为Ⅲ类汽车库及设备用房,-3F战时为六级人防。变电所设于-1F,变压器采用SCB10-1000/10型,Dyn11联结,已知变压器高压侧短路容量为150 MVA,屋顶有一台15 kW的正压送风机,其馈线断路器长延时电流整定为50 A,瞬时动作电流为600 A[4-5]。

低压铜芯电线电缆单位长度相保回路电阻值、电抗值分别如表1、表2所示。

表1 低压铜芯电线电缆单位长度相保回路电阻值

表2 低压铜芯电线电缆单位长度相保回路电抗值 mΩ/m

变电所至风机配电系统简图如图1所示。

图1 变电所至风机配电系统简图

(1) 计算有关电路元件的阻抗。

① 高压系统电抗(归算到400 V侧)。

每相阻抗:

相保阻抗:

② 变压器的阻抗(ΔPk=7.09 kW,Uk%=6%)。

每相阻抗:

相保阻抗:

③ 馈线柜低压母线段的相保阻抗(单位长度相保回路阻抗值见表1):

④ 母线段至配电箱电缆的相保阻抗:

⑤ 配电箱至加压送风机控制箱电缆的相保阻抗:

⑥ 加压送风机控制箱至风机末端电缆的相保阻抗:

(2) 计算单相短路电流。

线路总电抗:

线路总电抗:

单相短路电流:

当发生接地故障时,断路器均能迅速切断故障电流,可用短路保护兼做接地故障保护。

通过以上分析,可以得出以下结论:

(1) 不能忽视交流电动机的接地故障保护,特别是距离电源点较远的电动机,应进行计算校验,以判定能否用断路器的短路保护兼做接地故障保护。

(2) 电动机配电回路中,断路器过载脱扣器的整定电流不宜过大,应接近但不小于电动机的额定电流(瞬时过电流脱扣器整定电流不宜过大)。

(3) 当电动机距离电源点较远,不能用断路器短路保护兼做接地故障保护时,可适当加大导体截面(降低导体阻抗),也可适当调低断路器瞬时过电流脱扣器的整定电流。

因此,在TN系统配电线路中,保护电器动作特性及动作时间符合规范要求时,宜先采用过电流保护器(如熔断器、断路器)兼做接地故障保护。

在三相四线制配电线路中,当过电流保护不能满足要求时且零序电流保护能满足时,宜采用零序电流保护,此时保护整定值应大于配电线路最大不平衡电流。零序电流保护适用于TN-C系统,可采用智能型断路器或微机监控装置实现接地故障保护。

当过电流保护及零序电流保护都不能满足要求时,应采用剩余电流动作保护。剩余电流保护适用于TN-S系统。对配电线路末端通常采用专用的剩余电流保护模块或附件与断路器(或开关)组合而成的剩余电流保护断路器(或开关)。

2 TT系统的接地故障保护

JGJ 16—2008第7.7.7条规定,TT系统接地故障保护的动作特性应符合下式要求:

RAIa≤50 V

(3)

式中:RA——接地极和外露可导电部分的保护导体电阻之和,Ω;

Ia——保证保护电器切断故障回路的动作电流,A。

与TN系统相比,TT系统配电线路的接地故障回路阻抗大,故障电流小,过电流保护电器很难满足式(3)的要求。因此,在TT系统中一般采用剩余电流保护断路器做接地故障保护。

3 IT系统的接地故障保护

JGJ 16—2008第7.7.8条规定:

(1) 第一次接地故障时对保护电器动作特性的要求。在IT系统配电线路中,当发生第一次接地故障时应由绝缘监视电器发出音响或灯光信号,其动作电流应符合下式要求:

RAId≤50 V

(4)

式中:RA——外露可导电部分的接地电阻,Ω;

Id——相导体与外露可导电部分之间出现阻抗可忽略不计的第一次故障时的故障电流,应计及电气装置的泄漏电流和总接地阻抗值的影响,A。

(2) 第二次异相接地故障时对保护电器动作特性的要求。当发生第二次异相接地故障时,可形成两相接地短路,应由过电流保护电器或剩余电流保护断路器切断故障电路。IT系统不引出N线,线路标称电压为220/380 V时,保护电器应在0.4 s内切断故障回路,并符合下列要求:

(5)

式中:Zs——包括相导体和PE导体在内的故障回路阻抗,Ω;

Ia——保护电器在规定时间内切断故障回路的动作电流,A;

U0——相导体与中性导体之间的标称交流电压,V。

4 结 语

接地故障保护电器的选择,应根据配电系统的接地形式、电气设备的使用特点、导体截面和环境影响经技术经济比较后确定,同时上下级之间还应正确协调和配合。