泉州城区配网剩余电流保护器运行 现状分析及可行性试验研究

谢宗彬, 黄超艺, 林文贵, 黄桂兰, 杨赞峰, 吴荣福, 林杰鹏

(1.国网泉州供电公司, 福建 泉州 362000;2.国网宁德供电公司, 福建 宁德 352000)

0 引 言

长期以来,对剩余电流保护技术的应用研究主要集中在矿井和农电保护器方面,对城市配网的剩余电流保护技术关注点鲜少涉及。当剩余电流整定值较小时,保护频繁误动,迫使用户或抢修人员解除剩余电流保护器;当剩余电流整定值较大时,可能引起拒动。两种情况下发生人身触电时,均存在安全隐患[1-2]。近年来,人身触电伤亡事故频发,自2004至2017年,国网经营区内共发生人身触电损害纠纷2 360起,其中与电网直接相关的可统计案件2 028起,而低压占531起。由此可见,低压人身触电事故不容忽略。当前,电力企业发展目标已逐步由保设备、保人身安全过渡到保人身为主、设备为辅的新高度跨越,如何做好电击防护措施,提高配电网安全迫在眉睫[3-5]。

本文概述泉州地区现有低压配电系统接地型式,分析了典型台区(即变压器的供电范围)剩余电流保护器运行现状及漏电原因,从多年运维角度,给出接地方式的选择建议;搭建电缆电容、保护跳闸试验平台,提出减少越级误动的新型算法;针对下一阶段,从技术层面提出有关建议。

1 低压配电网接地型式概述

根据IEC规定,低压配电系统按接地方式的不同分为TT系统、TN系统、IT系统。其中TN系统又分为TN-C、TN-S、TN-C-S系统。

(1) TT系统。TT接地方式是指将电气设备的金属外壳直接接地的保护系统,称为保护接地系统。在TT系统中,负载的所有接地均称为保护接地。

(2) TN系统。TN方式供电系统将电气设备的金属外壳与工作中性线相接的保护系统,称为接零保护系统,用TN表示。

① TN-C系统。TN-C方式供电系统用工作中性线兼作接零保护线,称作保护中性线,可用PEN表示。

② TN-S系统。TN-S方式供电系统把工作零线 N 和专用保护线 PE 严格分开的供电系统,称作 TN-S供电系统。

③ TN-C-S系统。在建筑施工临时供电中,如果前部分是TN-C方式供电,而施工规范规定施工现场必须采用TN-S方式供电,则可以在系统后部分现场总配电箱分出PE线。

不同接地型式的对比如表1所示,保护解除(失效)的情况下存在单相失地、线路损坏引起的间接触电和电气火灾等安全隐患。

表1 不同接地型式的对比

2 泉州城区剩余电流保护器运行现状分析

2.1 安装投运概况

目前,泉州城区0.4 kV低压配网中,低压架空网及老旧小区均主要采用TT系统接地型式,新建住宅小区、老旧小区改造等低压电缆网络主要采用TN-C-S接地型式。

一级剩余电流保护(简称“总保”)器主要装设于柱上综合配电箱中,采用TT接地系统。因越级误动事件频繁,为避免投诉,目前基本为退出状态。

二级剩余电流保护(简称“二保”)器主要分为基本全覆盖和未装设两种情况。对于二保基本全覆盖的台区,又可分为如下方面:

(1) 在采用塑料表箱的城中老旧小区改造工程(TT系统),目前二保基本退出运行。主要原因在于该类二保装设于表前总开关,且开关大多具备自动重合闸功能,若未退出保护,当故障时自动重合闸将造成二次伤害,且常出现用户漏电引起频发跳闸。

(2) 在一些采用铁质表箱的新建台区或台区改造工程(TN-C-S系统),除多次接到故障报修,查无原因被迫解除剩余电流保护的情况外,一般二保均处于投入状态。

二保保护器未装设台区主要出现在农村台区或老旧小区未改造的地方。一般通过电缆分支箱直接连接至表箱的普通塑壳开关(无剩余电流保护功能)。

三级剩余电流保护(简称“户保”)器除近年来新建住宅小区或老旧小区改造工程中有统一装设外,其余基本未装设[6-8]。

泉州城区典型台区剩余电流保护安装投运概况如表2所示。柱上台变均装设总保,目前台区改造呈现装设总保和二保、不装设户保的趋势,如二药厂2#配变;而在站房台变中,均不装设总保,目前台区改造采用表前集装表箱内装设二保和表后装设户保的配合方案,户保整定值均为50 mA。

表2 泉州城区区典型台区剩余电流保护安装投运概况

2.2 典型台区漏电排查分析

2.2.1 TT系统台区

(1) 二药厂2#配变。二药厂2#台区拓扑图如图1所示,二药厂配变采用TT接地系统。总保设于综合配电箱内,目前处于退出状态。由总保保护器通过电缆引出线路至分线箱,再由分线箱分路引出至各个楼梯口的计量表箱。计量表箱前配备二保保护器,除个别未退出外,其余均处于退出保护状态。另外,户保均未装设。

图1 二药厂2#台区拓扑图

通过钳形表测得该柱上变压器台区两条出线电缆剩余电流分别为12 mA、387 mA。变压器台区出线电缆泄漏电流如图2所示,说明该台区一回路存在较严重的漏电现象。

图2 变压器台区出线电缆泄漏电流

经逐一排查最终确认一用户存在漏电问题。用户漏电排查如图3所示,断开该用户电表箱内保护器,漏电消失。经排查,发现在用户自行设立的接地处剩余电流达417 mA,原因在于用户零地共混,导致一部分泄漏电流直接经过接地线流入接地极,造成整个台区漏电现象。此时,若总保或二保保护器投运,保护立即动作[9-10]。

图3 用户剩余电流排查

(2) 仁凤新村配电室1#配变。仁凤新村配电室1#配变属于老旧小区改造的配电台区。配电室变压器出线采用普通塑壳开关(无剩余电流保护功能),通过地下电缆直接接入电缆分线箱,再由电缆分线箱引出线至各计量表箱,未装设二级剩余电流保护。仁凤新村配电室1#台区拓扑图如图4所示。

图4 仁凤新村配电室1#台区拓扑图

通过钳形表测得电缆分支箱各支路出线电缆剩余电流分别为2.38 A、1.20 A,1.17 A。经排查,在楼梯口分线箱,旧表箱拆除后直接在该处跳接线,整个楼层中性线在此处汇集。中性线汇集箱(中性线公用)如图5所示。虽然省去重新布置中性线的麻烦,但可能导致A表箱用户相线电流可能通过B表箱中性线流出,因此每条支路存在较大的泄漏电流。该情形下,若安装二保保护器,容易造成二保频繁动作,发生一户故障多户停电现象。

图5 中性线汇集箱(中性线公用)

2.2.2 TN-C-S系统台区

水利水电宿舍楼箱式变压器台区拓扑图如图6所示,该台区在计量表计前加装集装表箱,且配备二级剩余电流保护器。四线电缆引入母排,再经过二级剩余电流保护器,此时多引出一条保护PE线,并在表箱内通过PE接地排引出接地。因此,集装表箱出线变为五线制,便于用户设备接地。实际在集装表箱中中性线与PE线重复接地,此处中性线与PE线无相连,因此并非正常TN-C-S系统,实际为TT系统。

图6 水利水电宿舍楼箱式变压器台区拓扑图

现场集装表箱内部结构如图7所示。

户保采用50 mA整定值。该台区户保覆盖率100%,采用钳形电流表测得用户侧剩余电流值较正常,尚不至于导致户保跳闸。

从变压器出线开始到集装表箱处,仅变压器中性点直接接地,无重复接地点;从集装表箱开始,通过钢绞线构成接地网设置重复接地,采用五线制引入用户端。此处PE线与N线分开,没有搭接一起,PE线仅给用户当作设备外壳接地的引线。相较于传统TT系统,用户不必自行接地,较为方便;电力企业建立的接地极电阻良好,不存在虚接、虚焊现象,当设备确实存在剩余电流时,可通过接地极直接作用于地面,安全可靠,不构成威胁。

2.3 剩余电流保护配置建议

通过上述典型台区实地分析,考虑泉州城区配电站房低压缆化趋势,近期改造均采用水利水电箱式变压器台区模式,建议推行图6的安装配置。主要推荐理由如下:

(1) 传统TT系统,用户用电设备需自行安装接地极,保护家用电器及人身安全;而在集装表箱处由电力公司统一装设接地极,并且将表箱地网连接一起,接地极电阻相比用户自身安装接地极可靠。

(2) 在集装表箱引出PE线,相比于传统的TN-S节约供电成本。

(3) 集装表箱形成地网接地,避免如TN-C接线导致表箱外壳带电的危险。

(4) 选用五线制,并且PE线与N线之间无连接,可自由选择剩余电流保护安装,无重复接地,导致剩余电流保护投运不上。

(5) 建议二保整定值为300～500 mA,户保整定值选择30 mA。

3 可行性技术试验

从表箱到用户内部空气开关的低压架空电缆长度一般较短,且电压等级低,其对地电容电流相对较小。为定量分析该电容电流对剩余电流保护整定值的影响,进行相关的试验验证。针对剩余电流保护器频繁误动现象,搭建剩余电流保护跳闸模拟平台,为剩余电流保护器产品整定值的测试及分析跳闸机理提供良好的试验平台。

3.1 低压电缆电容电流试验

对一条截面35 mm2、长度20 m低压四线电缆进行电容电流试验,负载分别为空载、单相负载(40 W灯泡)、两相分别接负载(40 W灯泡、60 W热熔胶机),试验结果如图8所示,三种负载下试验电容电流均为0。

通过以上试验初步判别,相比于高压电缆线路,电容电流几乎忽略不计。因此,剩余电流保护器整定值的设定可不考虑该电容电流。

3.2 保护跳闸机理试验

为验证各级剩余电流保护器可靠性及分析跳闸机理,建立简易剩余电流保护试验平台。试验平台如图9所示。

不同厂家保护器的动作临界值试验结果如表3所示。由表3可知,平常对于剩余电流保护器的动作值存在一种误解,即认为出厂的额定值即为其实际动作临界值。然而,事实并非如此。不同产品质量参差不齐,但大多稳定在70%～80%之间的额定值。据悉,临界动作电流为额定值的75%,这是低压电器领域中行业相关统计数据。

图9 试验平台

序号类型厂家额定值/mA动作临界值/ mA占比/%1二保杭州申发10072.372.32二保常熟开关300223.074.03户保精达电器3024.381.04户保人民电器5035.170.0

生产实际工作中,越级误动频发。由于用户侧剩余电流存在瞬时性特点,加之各级保护整定配合、开关质量等问题,长期困扰低压供电服务质量,直接解除总保、二保成为一种常态化的工作。因此,有必要模拟越级误动,进一步深究寻求应对策略。

如试验二保(额定值100 mA,0.2 s),在二保下端加入剩余电流70 mA(模拟所有用户叠加的正常泄漏电流),当户保(额定值50 mA,0.1 s)加入30 mA剩余电流(模拟一户突然存在剩余电流,但未超过户保动作值)时,造成二保动作,存在越级误动事件。

因此,可以判别以上试验符合现场实际,由于用电设备数量变化等因素导致多分支剩余电流之和大于上一级剩余电流保护整定值是造成越级误动事件的原因之一。

4 下一阶段研究建议

(1) 选取不同种类接地方式的典型台区,统计自保护投运以来的保护跳闸次数,综合权衡确认最优接地方式。

(2) 建立剩余电流保护在线监测,可先考虑从总保和二保两级入手,建立监测,实现频繁跳闸的全过程监控,追溯跳闸根源。

(3) 针对跳闸机理分析平台,得出保护易存在越级误动影响。因此,拟建议研制一种新型保护跳闸算法,可克服这一越级跳闸问题。具体分析如下:传统保护跳闸采用阈值启动判据,如300 mA整定值,当大于300 mA即动作,如所有用户叠加起来的剩余电流达到280 mA,此时若有一用户存在剩余电流大于20 mA且小于30 mA,则户保不会动作,上一级保护达到300 mA先行动作。基于此原理,拟建议采用与门的原理作为总保/二保的保护跳闸判据。算法原理图比较如图10所示。

图10 算法原理图比较

(4) 针对越级误动事故,又缺乏监测手段。拟建议开发一套在线监测故障排查装置,包括二保便携式监测模块、户保便携式模块、智能APP手机等。当接到故障工单报修,抢修人员查勘发现剩余电流保护跳闸重新试送成功后,将该装置接入到跳闸的二保对应位置,及与其相连接的对应电表箱的用户开关各出线,通过APP实时在线监测,掌握剩余电流实时情况,便于分析跳闸根源,排查故障。

一般一个二保保护器出线用户仅4～12户,故监测装置仅需安装二保监测、4～12户户保监测,数据量小,现场工作量不大,具备可行性研究。

5 结 语

剩余电流保护技术是低压配电系统的重要组成部分,是防止人身触电伤亡事故和火灾事故的重要技术措施,必须引起运维管理人员的高度重视。剩余电流保护越级误动不仅扩大停电范围,提高排故难度,而且给居民正常用电带来麻烦。因此,必须采取有效的管理措施和技术措施,减少越级跳闸率,提高运行管理水平,提升居民用电的供电可靠性;避免应解除保护或保护动作不可靠造成的触电事故发生。本文结合泉州城区剩余电流保护器运行现状,从技术措施入手,探讨有关剩余电流保护方面的诸多问题,希望对低压配电网人身触电方面加以重视。