剩余电流动作断路器在钢铁厂改造中的应用

何建文, 马铁峰

[1.天水二一三电器集团有限公司, 甘肃 天水 741300;2.二一三电器(上海)有限公司, 上海 201802]

0 引 言

某钢铁厂的电网供电系统始建于20世纪60年代,经历了不同年代的建设改造。由于钢铁厂存在各种不同用电场合的供电需求,目前有不同年代建设的电网供电系统在运行。受当时不同年代经济条件和电器设备技术发展的制约,在电网供电系统中部分没有设计安装剩余电流动作断路器(CBR),即使后续在部分电网供电系统中改造安装了剩余电流动作断路器,但由于CBR类型和电网供电系统不匹配,CBR的设计安装接线不合理,导致CBR拒动和误动作情况时有发生。电网供电系统没有安装CBR时,若设备电线绝缘老化,会引起电气火灾事故,人为误接线操作也经常会导致漏/触电伤人,严重影响生命安全。因此,该钢铁厂提出了全面对老旧电网供电系统进行改造、安装漏电保护装置的需求,线路重新布局,线路中增加剩余电流动作断路器。根据钢铁厂的改进技术要求,本文针对钢铁厂的不同供电系统,提出了设计改造安装CBR的解决方案,并对存在错误设计的接线图进行分析说明。历经6个月的设计改造,彻底解决了该钢铁厂老旧电网系统中线路和设备的漏电保护安全问题。改造加装的CBR经过1年多的运行,现场漏电事故事件明显减少,有效地防止了漏/触电事故的发生,预防了漏电引起的电气火灾,保障了线路和设备的用电安全,确保了人身安全。

1 CBR在电网供电线路中的作用

剩余电流动作断路器俗称漏电断路器,其不但对用电设备和线路进行过电流故障保护,同时可对用电设备和线路中出现的漏电流故障进行保护[1],在低压电网供电系统中起到非常重要的保护作用。线路中安装CBR后,可确保人身安全,避免漏/触电造成的致命事故。当线路中存在漏电电流时,可能会引起线路电气火灾,CBR也可预防因漏电引起的火灾事故。可见CBR可以消除电网供电系统线路中的各种不安全因素,成为提高电网供电系统线路中安全用电的有效预防措施及必不可少的保护元器件。

在低压电网供电系统中,按照漏/触电保护线路级别可分为三级漏电保护[2]。配电负载侧作为配电系统中的一级总保护,安装在低压配电总电源侧,一般漏电保护值为500 mA以上,并设置一定的延时动作时间,以防三级或二级线路发生漏/触电故障时,造成一级线路停电。主干分支线路侧为二级保护,实现分支线路到终端侧之间线路的漏/触电保护,同时作为终端漏/触电保护的后备保护,一般漏电保护值为100～500 mA,总漏电电流小于一级漏电保护值,大于三级终端侧漏电保护值,既可保护漏/触电故障,又可防止漏电火灾的发生[3]。用户终端侧为三级保护,终端三级漏/触电保护系统中,人触电事故绝大部分都发生在该终端的用电设备和线路上,对一些存在危险的设备需加CBR,如移动式用电设备、焊接设备等,作为用电系统线路的末端保护,必须灵敏度高,响应快速,漏电动作值不能大于30 mA,且无动作延时时间,如在水池、浴池等潮湿易漏电的场合,则漏电电流保护值为15 mA以下[4]。三级保护最大的好处是缩小停电范围,防止发生大面积停电。以上三级保护线路中任何一级发生漏/触电故障时,都会给人们的生命财产造成严重的损失,所以电网供电系统线路中安装CBR的重要性是不言而喻的。

2 CBR的保护工作原理

触电方式有直接触电和间接触电两种。直接触电为人体直接接触带电的裸露导电部位,漏电电流从接触处经过人体心脏、再经脚底流入大地,当漏电电流超过人体所能承受的一定值时,对人体造成伤害,严重时会造成人触电死亡。间接触电为人体接触到因设备内部的绝缘损坏而产生漏电的设备金属外壳造成的触电。例如电机设备的金属外壳与接地线连接,当电机内部绕组的绝缘损坏产生漏电时,漏电流会经过设备金属外壳接地线流入大地,流回电源中性点。当人体触摸到电机金属外壳时,漏电流会经人体流回电源中性点,对人体造成伤害。

CBR的基本保护工作原理如图1所示。图1线路中在设备和人员无漏/触电的情况下,A、B、C、N相电流的矢量和为零,即IA+IB+IC+IN=IΔ=0,这时在零序电流互感器TA的铁芯中所感应的磁通的矢量和Φ为零[5],即Φ=ΦA+ΦB+ΦC+ΦN=0,磁通的矢量和在零序电流互感器TA的二次绕组感应的电动势E2为零。当有漏/触电发生时,A、B、C、N相电流的矢量和不为零,即IA+IB+IC+IN=IΔ≠0,这时在零序电流互感器TA的铁芯中所感应的磁通的矢量和Φ不为零,即Φ=ΦA+ΦB+ΦC+ΦN≠0,磁通的矢量和在零序电流互感器TA二次绕组感应的电动势E2不为零,电动势E2经过控制单元A的运算控制,当漏电流IΔ达到一定的值后,控制单元A驱动脱扣器TR动作,脱扣器TR驱动断路器QF跳闸快速切断电源,实现漏/触电保护的功能。

图1 CBR基本保护工作原理

3 改造前的电网供电系统设备运行状态分析

为了解决该钢铁厂供电系统中存在的各种漏/触电不安全因素,供电系统设计安装CBR已成为最有效的保护措施。当发生漏/触电接地故障时,CBR能够快速切断电源,保护设备和人身安全。该钢铁厂生产设备较多,站用电源变压器多,电源变压器建设年代不同,有不同的低压电网供电系统,既有IT电网供电系统,又有TT电网供电系统和TN电网供电系统。

IT电网供电系统主要应用在该钢铁厂的矿井等场合,该供电系统为电源变压器二次侧中性点不接地或经高阻抗接地,电气设备的金属外壳接地。该系统中电源变压器中性点不接地或经高阻抗接地是其保护性能的核心,其保护机制为尽量加大漏/触电回路的阻抗,避免漏/触电电流达到危害值。IT供电系统一般采用设备外壳接地保护法,用特殊的检漏继电器进行漏电保护。因为IT供电系统电源变压器中性点不接地,所以当设备发生漏/触电故障事故时,漏电流和电源变压器二次侧无法构成回路电流,其漏电流仅为非故障相对地构成的电容电流的相量和,流经人体的漏电流很小,相对是安全的。人体单相触电时,所处环境容抗大,流向大地的泄漏电流很小,电源变压器二次侧电压平衡基本不会破坏,泄漏电流不会影响电气设备的正常运行。由于漏阻抗较大,人体单相触电时流经人体的电流很小,漏电流小于1 mA,因此不会造成人体伤害。因此,IT供电系统相对来说是一种比较安全的供电方式,其可靠性高,安全性好。但其缺点是该供电系统线路不宜过长,只能应用在一些特殊用电的小范围的场合,使用范围受到一定的限制。常规型的CBR为电流动作式,需要故障点与电源变压器二次侧接地中性点构成漏电流回路,工作原理如图1所示。在IT电网供电系统中电源变压器二次侧没有中性点接地,因此该系统不能适应电流型的剩余电流动作断路器。

对于该钢铁厂早些年代建造的TT供电系统和TN供电系统,由于受当时经济条件和电器设备技术发展的制约,低压电网供电系统中部分设备仍然采用单一的接地接零保护方式,这种单一的接地接零保护方式已不能满足安全保护要求。在电网系统中大部分没有设计安装CBR,即使后续在一些电网系统改造中增加了CBR,但由于CBR类型和电网系统不匹配、CBR的接线不合理、上级和下级漏电的保护参数设置不合理,导致剩余电流动作断路器拒动和误动作情况时有发生,没有达到漏电保护的功能,反而造成了线路跳闸停电停工现象,给用电安全带来一定的隐患。因此以下针对TT和TN供电系统中CBR的正确设计、接线方案进行分析说明。

4 应用方案分析

4.1 TT系统保护方案

该钢铁厂部分用电设备供电距离较远,负荷布局相对分散,因此部分电网供电系统线路采用了TT供电系统。TT供电系统中电源变压器二次侧中性点直接接地,设备外壳直接接地,采用三相三线制接线方式。三相三线制系统电源只引出三根相线,该电网供电系统中,没有单独引出中性线N,系统的负载侧中性线N也全部直接接入大地,大地相当于N线,PE线也是直接接入大地。TT供电系统原理如图2所示。

图2 TT供电系统原理图

在TT供电系统中,电力系统的中性点直接接地,电器设备的金属部分直接接线漏/触电保护,这个接地与电力系统中的中性点的接地没有关系。当该供电系统线路中既有AC 380 V三相负载,又有AC 220 V单相负载时,混合负载导致CBR负载端中性线N需要重复接地,当负载不平衡时,中性线N上的电流通过接地线流入大地,引起CBR误动作。该系统使用CBR时,如果设计不当或安装不合理,很容易造成CBR误动作跳闸故障。

TT供电系统中,三极CBR和四极CBR要根据实际线路负载情况进行设计接线,如存在单相AC 220 V负载,则必须选用二极漏电断路器,如存在AC 380 V和单相AC 220 V混合负载,则必须选用四极CBR。单相AC 220 V负载中性线N不能直接接入大地,否则CBR频繁跳闸无法合闸,中性线N接地必须从断路器的进线端N极接入大地,不能从出线端接入大地。

三极CBR正确的接线设计方案如图3所示。电网为三线制TT系统,设备为AC 380 V的单一负载,CBR设计为三极CBR,设备外壳接大地,当出现漏/触电时,线路中出现电流矢量和IΔ不为零,即IΔ=IA+IB+IC≠0,电源变压器侧中性点和安全接地线PE形成漏电回路,剩余电流(漏电流)为IΔ,三极CBR可以起到漏/触电保护的作用。

图3 三极CBR正确的接线设计方案

混合负载中三极CBR错误的接线设计方案如图4所示。电网为三线制TT系统,设备为AC 380 V和AC 220 V的混合负载,选用三极CBR,中性线N接大地。线路中的问题就是中性线N错误地接入大地,错误地选用了三极CBR,在无漏/触电情况下,线路中出现了没有经过三极CBR的旁路电流,线路中出现的剩余电流矢量和IΔ不为零,即IA+IB+IC+IN=IΔ≠0,负载端接地、安全线PE和电源变压器中性点接地构成了剩余电流IΔ的回路电路,因此三极CBR跳闸无法正常运行。混合负载改正设计后正确的接线设计方案如图5所示。该线路中三极CBR跳闸设计更改为四极CBR,在无漏/触电情况下,系统线路中电流矢量和IΔ始终为零,即IA+IB+IC+IN=IΔ=0,当有漏/触电故障发生时,线路中出现的电流矢量和IΔ不为零,即IA+IB+IC+IN=IΔ≠0,负载端接地、安全线PE和电源变压器中性点接地构成了剩余电流IΔ的回路电路,四极CBR快速跳闸断开线路电源,起到漏/触电保护作用。

图4 混合负载中三极CBR错误的接线设计方案

图5 混合负载改正设计后正确的接线设计方案

四极CBR进出端错误接地的设计接线方案如图6所示,电网为三线制TT系统,设计为四极CBR,负载为AC 380 V和AC 220 V的混合负载。线路中出现了单相AC 220 V负载的中性线N多点接地的错误设计,在无漏/触电情况下,线路中的中性线N电流IN从旁路流入大地,负载端接地和电源变压器中性点接地构成了剩余电流IΔ的回路电路,导致线路中出现电流矢量和IΔ不为零,即IA+IB+IC+IN=IΔ≠0,因此四极CBR会出现跳闸误动作情况。更改正确的设计方案是将四极CBR的出线端N线不接地,只保留四极CBR的进线端N线接地,正确接地的设计接线方案如图5所示。

图6 四极CBR进出端错误接地的设计接线方案

中性线N错误接地的接线设计方案如图7所示。电网为三线制TT系统,通过CBR对线路进行分级保护,一级漏电保护采用三极CBR、二级漏电保护采用三极CBR和二极CBR,设备为AC 380 V和AC 220 V的混合负载,线路中的单相AC 220 V负载的中性线N接入大地。在无漏电情况下,当单相AC 220 V负载工作时,单相AC 220 V负载中性线N相电流IN2从一级漏电保护端的三极CBR旁路流入大地,IN2流回到电源变压器的中性点,形成了漏电电流,导致线路中出现电流矢量和IΔ不为零,即IA+IB+IC=IΔ≠0,因此一级线路保护端的三极CBR会出现频繁跳闸故障,造成线路无法正常工作供电。

图7 中性线N错误接地的接线设计方案

混合负载中多点接地的错误设计方案如图8所示。设备为AC 380 V和AC 220 V的混合负载,CBR对线路进行分级保护,一级采用三极CBR、末端采用三极CBR和二极CBR,线路中的中性线N错误地进行多点接地,在无漏/触电情况下,当AC 220 V负载工作时,四极CBR和二极CBR会出现对地的旁路电流IΔ1和IΔ2,负载端大地和电源变压器中性点大地之间形成了漏电电流,在负载无漏/触电情况下,线路中形成的电流矢量和IΔ不为零,即IA+IB+IC+IN≠0、IC2+IN2≠0,因此四极CBR和二极CBR会出现频繁跳闸,出现线路无法正常供电故障。

图8 混合负载中多点接地的错误设计方案

混合负载正确的接线计方案如图9所示。图7和图8可按图9改进设计方案。图9中将四极CBR的进线端中性线N接大地,其出线端中性线N不允许接入大地,并要求一级线路中的CBR的漏电动作值要大于二级线路中CBR的漏电动作值,否则将造成越级跳闸故障。在无漏/触电正常情况下,线路中电流IN始终从四极CBR和三极CBR的中性线N中流入和流出,CBR无旁路电流产生,四极CBR线路中的电流矢量和IΔ为零,即IA+IB+IC+IN=IΔ=0;三极CBR线路中的电流矢量和IΔ为零,即IA1+IB1+IC1=IΔ=0;二极CBR线路中的电流矢量和IΔ为零,即IC2+IN2=IΔ=0。当三极CBR保护的支路发生漏/触电时,线路中出现电流矢量和IΔ不为零,即IA1+IB1+IC1=IΔ≠0,三极CBR跳闸保护;当二极CBR保护的支路发生漏/触电时,线路中出现电流矢量和IΔ不为零,即IC2+IN2=IΔ≠0,二极CBR迅速跳闸断开线路,起到漏电保护的作用。当一级保护和二级末端支路之间发生漏/触电时,线路中出现电流矢量和IΔ不为零,即IA+IB+IC+IN=IΔ≠0,四极CBR跳闸动作。

4.2 TN系统防护方案

该电网供电系统的中性线接地,电气装备的金属外壳通过PE保护线与该接地中性点连接。该系统有工作零线N和保护零线PE,工作零线N和保护零线PE可以合并使用,可分离使用,TN-C系统,保护零线PE和工作零线N合并为一起;TN-S系统中工作零线N和保护零线PE严格分离;TN-C-S系统中部分线路工作零线N和保护零线PE合并为一,部分线路的工作零线N和保护零线PE分离。

TN-C系统中不正确接线设计方案如图10所示。电网为三相四线制TN-C系统,设备为AC 380 V和AC 220 V混合负载,系统线路中将保护线NPE接到四极CBR的出线端,当线路设备发生漏电时,漏电流IΔ经过保护线NPE和四极CBR的N极流入电源变压器的中性线端,四极CBR中线路中的电流矢量和IΔ始终为零,即IA+IB+IC+IN=IΔ=0,造成四极CBR 拒动跳闸,失去漏电保护作用,会造成安全事故。

图10 TN-C系统中不正确接线设计方案

对图10的方案进行更改后,TN-C系统中正确接线设计方案如图11所示。当线路中设备发生漏电时,漏电流IΔ经过安全线NPE经四极CBR旁路流回到电源变压器的中性端,四极CBR线路中电流矢量和IΔ不为零,即IA+IB+IC+IN=IΔ≠0,当漏电电流达到动作值时,四极CBR跳闸断开线路电源,起到漏电保护作用。

图11 TN-C系统中正确接线设计方案

TN-S系统中正确的接线设计方案如图12所示。电网为三相五线制TN-S系统,设备为AC 380 V和AC 220 V混合负载,设备金属外壳通过保护线PE连接到电源变压器中性端线路,当线路设备发生漏电时,四极CBR线路中的电流矢量和IΔ不为零,即IA+IB+IC+IN=IΔ≠0,四极CBR跳闸断开电源,起到漏电保护作用。

图12 TN-S系统中正确的接线设计方案

5 结 语

一个国家或地区的漏/触电发生率是衡量其安全用电的重要标志。我国的漏/触电事故基本发生在AC 380 V以下的低压电网侧线路,由于我国的低压电网绝大部分采用变压器二次侧中性点直接接地方式,一旦发生漏/触电事故其后果十分严重。因此在电网供电系统中设计安装CBR是预防发生漏/触电事故的重要技术措施,同时剩余电流动作断路器也可预防因漏电引起的火灾事故,可见剩余电流动作断路器可以消除电网系统线路中的各种不安全因素。在TN和TT供电系统中,如果设计安装剩余电流动作断路器与其电网供电系统不相匹配,剩余电流动作断路器将起不到漏电保护功能,也会影响正常的供电。科学合理地设计应用剩余电流动作断路器是提高电网供电系统中安全用电必不可少的有效预防措施,该设计方案可以作为钢铁厂等工矿企业对电网线路改造和设计的理论实践参考依据。