浅析TN-S系统电机宜用3芯电缆

杨 鹏

（京鼎工程建设有限公司）

0 引言

随着科技的发展，工业企业规模增大，特别是化工厂规模也不断扩大。以目前化工厂的规模，从控制中心（MCC）至电动机终端的电缆距离300m极其普遍［1］。随着配电距离的变长，使得电缆规格变大、电缆根数变多，直接使得铜材增加，成本直接上升。对于低压电缆来说，电缆的截面及芯数是直接影响电缆成本的因素［2-3］。本文依据规范并结合具体项目，对电缆的这两方面着手进行分析。

1 选型依据及原则

1.1 电缆选型的六大要素

GB 50054-2011《低压配电设计规范》第3.2条有明确说明，导体的截面选择应考虑载流量、线路保护、短路效应、压降、机械强度要求以及经济电流密度六大要素［4］。

1.2 电机的保护

依据GB 50055-2011《通用用电设备配电设计规范》2.3.1条以及最新的GB 55024-2022《建筑电气与智能化通用规范》第4.3.8条，可知交流电动机应装设短路保护和接地故障保护。短路保护和接地故障保护的实现正是对应了六大因素中线路保护、短路效应两个因素［5］。

本文先是基于短路保护和接地故障保护的原理说明对电缆的选型条件，然后说明3芯电缆完全满足要求，最后再结合最新规范对应用3芯电缆的可行性进行说明。

2 短路保护

2.1 规范

GB 50054-2011《低压配电设计规范》中6.1.1、6.1.2和6.2.3条及GB 55024-2022《建筑电气与智能化通用规范》中4.3.6条为关于短路保护的说明，里面有关于时间和电缆截面的规定。

2.2 分析

对于持续时间不超过5s的短路，短路电流持续时间t可近似用式（1）表示：

导体截面积S应符合式（2）条件。

其中，t为短路持续时间；S为导体截面积；I为预期短路电流；τ为交流均方根值；K为和导体材料电阻率、温度系数、热容量以及相应初始温度和最终温度有关的系数。

当短路电流持续时间t＜0.1s时，校验电线、电缆截面积应计入对短路电流非周期分量的影响。t＜0.1s的情况应用十分广泛，当前应用最多的断路器，主要是瞬时过电流脱扣器作短路保护，其动作时间多在10～30ms。持续时间t＜0.1s时，电线、电缆的截面积应符合式（3）：

式中，I2t为保护电气的允许通过的能量值，简称“允通能量”，单位为A2·s。

一般认为式（2）是按配电线路最大的短路电流选择电缆截面积的，但通常还是不满足要求。除了校核电缆短路耐受力之外，还必须保证配电线路任意一点发生短路故障时，电缆不会被烧坏，也就是说必须计算短路工况条件下的电缆热应力参数［6］，即通过计算把电缆产生的焦耳热转换成等效的能量I2t。电缆的热损坏曲线如图1所示，其中I2t值由制造厂提供。

图1 断路器曲线和电缆曲线对比

2.3 断路器短路保护

选择型断路器主要用于配电系统主干线或重要负荷的线路。当短路电流大于其瞬时过电流脱扣器整定值Iset3时，由瞬时脱扣器切断；当短路电流小于Iset3但大于短延时过电流脱扣器整定电流Iset2时，则由短延时脱扣器切断，其动作时间为短延时脱扣器设定时间，通常为0.1～0.4s。

电机保护广泛应用非选择型断路器，短路保护是依靠其瞬时脱扣器实现的；当短路电流大时，也是由瞬时脱扣器切断。以上两种断路器瞬时脱扣器的切断时间大多在10～30ms，都小于0.1s。

2.4 小结

通过结合规范对上述原理进行阐述，发现无论采用4芯电缆还是3芯电缆，只要按照规范选型，都可以满足短路保护要求。

3 接地故障保护

3.1 概念及规范

电击防护的保护措施应包含基本防护措施和故障防护措施，在特定情况下还需设置附加防护措施。电气设备的故障电击防护措施可采用上述中的一种，也可采用多种电击防护措施［7］。其中，自动切断电源是交流低压系统常用的电击防护措施，也是应用最广泛、最有效的防护措施。

接地故障情况下，对于自动切断电源的时间有明确规定，如TN系统，对地标称电压为220V时，不超过5s或0.4s（GB 16895.21-2020《低压电气装置第4-41部分：安全防护电击防护》中411.3.2条），GB 50054-2011《低压配电设计规范》以及GB 55024-2022《建筑电气与智能化通用规范》中对切断时间有同样规定。

3.2 说明

接地故障和短路情况是两种概念。接地故障的切断时间最大允许值是防电击所要求的；而短路情况下，对于电缆和绝缘体，则要求短路电流导致的绝缘温度在上升到不超过其允许限值（见GB／T 16895.5-2012《低压电气装置第4-43部分：安全防护过电流保护》）或GB 50054-2011《低压配电设计规范》规定的时间内切断该短路电流，GB／T 16895.5-2012明确规定，对于持续时间不超过5s的短路，短路时间可按前文式（1）计算。对于远距离配电线路，末端（受电处进线端）短路电流很小，即便是导体截面积足够大，其切断时间t也很长，可为几秒、几十秒乃至几十分钟。

《工业与民用配电设计指南》［8］及国标图集19DX101-1《建筑电气常用数据》内，均有断路器瞬动脱扣器兼接地故障保护能自动切断的电源相应的公式和计算表格，不再赘述。

3.3 小结

通过结合规范对上述原理进行阐述，可知无论采用4芯电缆还是3芯电缆，只要按照规范选型，都可以满足短路保护要求。而且在配电距离一定时，4芯电缆中的PE线形同虚设，在满足一定保护配置条件下，3芯电缆足以够用。

4 关于保护接地导体（PE）的使用

假设配电距离很短，采用3芯电缆同样可以使用断路器兼做接地故障保护，从而自动切断接地故障电流，此时使用3芯导体＋1根PE导体，这根PE导体的截面可以比4芯同相导体电缆中的PE导体截面小很多。

4.1 原则

PE导体的截面积选型条件是：①当切断故障时间不超过5s时，PE导体截面积应符合式（2）；当切断故障时间t＜0.1s时，截面积应符合式（3）。②PE导体截面积SPE可按相导体截面积S的一定比例换算得到，详见表1。

表1 按相导体截面积S的一定比例确定PE导体的最小截面积S PE

表2 保护装置不同频率下差动电流、制动电流测量值

上述内容我们都比较熟悉。下面要借用相关著作观点来支持使用3芯电缆。

4.2 PE导体截面积选择的创新

2020年任元会老师在《低压配电设计解析》［1］中提到关于PE线选型的创新思路，其认为公式法计算量大且费时费力，而查表法选择简单但不够严谨且明显不太合理，造成大量导体材料和电线、电缆的浪费。

任教授依据式（2）和式（3）编制出表格2，供使用。

4.3 小结

在配电距离较短，比如100m以内，可以使用3芯电缆＋1独立PE导体的配置方式，同时使用断路器的瞬动功能兼做接地故障保护。这根独立PE线截面比同样相线4芯电缆中的PE线截面小很多，可以节约材料，从而降低成本。

5 电力电缆新规范

5.1 规范解读是否使用PE线

GB 50217-2018《电力工程电缆设计标准》表述如下：3.5.1条1kV及以下电源中性点直接接地时，三相回路的电缆芯数选择应符合下列规定：第3款TN系统，受电设备外露可导电部位可靠连接至分布在全厂、站内公用接地网时，固定安装且不需要中性导体的电动机等电气设备宜选用3芯电缆。

有相关条文说明描述如下：该第3款系新增条款。根据国内工程实践，全厂、站内电气接地设计一般都具有分布在全厂、站内同时满足保护接地、工作接地、防雷防静电接地要求的完善的公用接地网，电源系统中性点及全厂、站电气设备外露可导电部位与该公用接地网可靠连接。对于固定安装且不需要中性导体的电动机等电气设备，单独连接的保护导体经选择计算满足安全防护要求和电动机单相接地短路故障灵敏度要求时，可以选用3芯电缆代替4芯电缆，以节省电缆内的保护导体。如为满足电动机单相接地短路保护灵敏度要求而使保护导体界面增加较多，从而导致工程造价升高或不具备公用接地网情况时，需要选用4芯电缆。

目前本人参与的化工厂工程线路的工作接地、保护接地、防雷击接地（第一类防雷建筑物除外）、防雷电感应接地及防静电接地合用同一接地装置，其总接地电阻不大于4Ω，接地网遍布厂区，所有电动机均就近与接地主网可靠相连，满足上述规范要求，因此均可选用3芯电缆。

条文说明中明确了3芯代替4芯的前提条件是单独连接用电设备的保护导体PE线选型需满足电击防护要求和接地故障电源自动切断时的灵敏度，也就是独立于3芯电缆外的这个PE线在接地故障时相保阻抗足够小，故障电流足够大。但是大多数情况下通过增大PE线都无法满足这个要求，因为现在化工厂配电电缆都太长了，至少本人接触的这近20年的化纤制造业的工厂，平均配电距离均不小于300m。非选择型的断路器的短路保护装置其瞬动脱扣器根本无法满足接地故障保护要求。

SHT 3038-2017《石油化工装置电力设计规范》中9.2.2条规定了当配电距离过长而无法使用断路器兼做接地故障保护时，接地故障的保护要求如下：（1）选用具有单相接地保护功能的低压断路器；（2）选用零序过滤器式单相接地保护；（3）选用漏电保护动作断路器（即RCD）；（4）选用电击综合保护器；（5）采用专用的零序电流互感器和电流继电器组成接地保护。因此，只要电气开关配置有漏电保护措施，那么即可满足本条规范要求，故可选用3芯电缆。

相应地，有RCD的安装规范GB 13955-2017《剩余电流动作保护装置安装和运行》中，描述TN系统中必须将TN-C系统改造为TN-C-S、TN-S系统或局部TT系统后，才可安装使用剩余电流保护装置。在TN-C-S系统中，剩余电流保护装置只允许使用在N与PE线分开部分，TN-S系统RCD接线方式如图2所示。

图2 TN-S系统RCD接线方式

5.2 规范解读使用PE线时的敷设方式

3.5.1 条第1款2）TN-S系统，保护导体与中性导体各自独立时，宜选用5芯电缆；当满足标准5.1.16条的规定时，也可采用4芯电缆与另外紧靠相导体敷设的保护导体相连。

第5.1.16条规定如下：1kV及以下电源中性点直接接地且配置独立分开的中性导体和保护导体构成的TN-S系统，采用独立于相导体和中性导体以外的电缆为保护导体时，同一回路的该两部分电缆敷设方式应符合下列规定：（1）在爆炸气体环境中，应敷设在同一路径的同一结构管、沟或盒中；（2）除本条第1款规定的情况外，宜敷设在同一路径的同一构筑物中。

第5.1.16条条文说明如下：1kV及以下电源中性点直接接地时，PE导体除可由多芯电缆中的导体构成，还可由下列的一种或多种导体组成：（1）与带电导体共用外护物的导体；（2）固定安装的裸露或绝缘的导体；（3）符合《低压电气装置第5.54部分：电气设备的选择和安装接地配置和保护导体》规定条件的金属电缆护套、电缆屏蔽层、电缆铠装、金属编织物、铜心导体及电缆金属导管；（4）当过电流保护器用作电击防护时，保护接地导体应与带电导体处于同一的布线系统中，或放置在靠它们最近的地方。

第5.1.16条对PE导体的材料要求进行了说明，可以是交联聚乙烯绝缘线，也可以是热镀锌扁钢等，必须固定安装，同时要求PE导体与相导体最大限度地紧邻敷设。由于电动机配电不需要中性导体，因此本条可理解为当满足5.1.16条的规定时，电机配线可由3芯电缆与另外紧靠相导体敷设的保护导体组成。工厂主要生产区域多为爆炸危险气体环境，动力配电在MCC出来后经上管廊通过热镀锌梯级式电缆桥架敷设至电动机附近。独立的PE导体与3芯相导体均从MCC起一并敷设在电缆桥架中，一直到电缆桥架末端，满足规范要求。

6 结束语

经本文分析，无论从电机短路保护还是接地故障保护来看，使用3芯电缆均可行。很现实的情况是，鉴于目前工厂的配电电缆长度，基本无可能利用断路器来兼做接地故障的保护，自动切断接地故障，所以再使用共用或者独立PE线完全无意义。即使特定情况下配电距离很短，但如果独立PE线放置位置不紧邻相线，那么不稳定或者数值更大的相保阻抗使得这根独立的PE线仍失去了它在自动切断电源这个流程中的意义。

此外，近期很多电动机都要求被选型一级能效，一级能效电机的起动电流是额定电流的9倍以上，Iset3一般要2.2×9≈19倍去整定，Iset3值需要更大。单相接地短路电流大于1.3倍的Iset3会更难，断路器用瞬动来自动切断接地故障将越发困难。

综上所述，TN-S系统低压电机配电宜采用3芯电缆。