王旭東 等

【摘 要】低壓配電系統(tǒng)中，接地故障常引起人身電擊或電氣火災危害，事故發(fā)生概率遠高于過載事故。鑒于此，本文分析了各種低壓配電系統(tǒng)接地型式，給出了配電線路的保護動作特性要求，概括出了斷路器選型的通用要求，同時結(jié)合低壓配電系統(tǒng)的故障型式，研究了如何選用合適的斷路器類型。本文重點研究了低壓斷路器作為接地故障保護電器的選用方法，最后通過算例，驗證了提高低壓斷路器動作可靠性所提出的技術(shù)措施的合理性。

【關(guān)鍵詞】低壓配電 接地故障保護 斷路器 整定值

【Abstract】In the low voltage power distribution system， earth fault that has much higher accident probability than overload often causes personal electric shock or electrical fire hazard and the is. In view of this， all kinds of earthing type about low voltage distribution system are analyzed， characteristic requirements of distribution line protection action are given and general requirements of circuit breaker selection are summarized.At the same time， combining with the fault type of low voltage distribution system， how to choose the right type of circuit breaker is studied. This paper focuses on the research about selection method of low voltage circuit breaker as earth fault protective devices.Finally， an example shows that technical measures which are raised in this paper to improve motion reliabilities of low voltage circuit breaker are reasonable.

【Key words】low voltage power distribution； earth fault protection； circuit breaker； setting value

低壓配電系統(tǒng)設計中，配電線路不僅要考慮短路和過載事故，還要考慮接地故障，因此正確選擇低壓保護電器和整定參數(shù)值對保障低壓配電系統(tǒng)安全可靠運行、防止電氣火災和人身電擊具有十分重要的意義[1-5]由于低壓斷路器在配電系統(tǒng)中占有十分重要的地位，其不僅可以接通和分斷正常的負荷電流和過負載電流，還可以接通和分斷短路電流即同時具有短路保護、過載保護、控制和隔離等功能，因此低壓斷路器在低壓配電系統(tǒng)中得到了廣泛的應用。但如果低壓斷路器未能做到合理選型，則可能使受電設備因過載而損壞或者引起誤跳閘現(xiàn)象。隨著供電安全性和可靠性要求的提高，正確選擇、使用低壓斷路器成為低壓配電設計的一個重要問題，而帶剩余電流動作的斷路器和零序電流保護的斷路器在接地故障保護中具有特定的優(yōu)勢。綜上所述，本文就低壓配電設計中低壓斷路器的選型及其在接地故障保護中的應用進行探討。

1 低壓斷路器的通用技術(shù)要求及特性

1.1 低壓斷路器的通用技術(shù)要求

斷路器必須是符合國家標準的產(chǎn)品，并滿足正常工作條件、短路工作條件和使用環(huán)境要求。

（1）按正常工作條件選擇；正常選擇低壓斷路器應滿足以下要求：額定電壓應與所在配電回路的標稱電壓相適應；額定電流不小于該配電回路的計算電流；額定頻率應與配電系統(tǒng)的頻率相適應。（2）按短路工作條件選擇；低壓斷路器要切斷短路故障電流，應滿足短路條件下的動穩(wěn)定和熱穩(wěn)定要求，同時應具備短路條件下的分斷能力。（3）按環(huán)境條件選擇；考慮斷路器安裝場所的環(huán)境特征，以選擇相適應防護等級（IP等級）的產(chǎn)品，在高海拔地區(qū)應選用高海拔用的產(chǎn)品，化工腐蝕環(huán)境根據(jù)腐蝕性物質(zhì)的釋放嚴酷程度、通風等條件確定其防腐等級[6]。

1.2 低壓斷路器的技術(shù)特性

1.2.1 低壓斷路器的分類

低壓斷路器按使用類別分為A類、B類。A類為非選擇性斷路器，具有瞬動和長延時兩種動作特性；B類有三段式保護，除瞬動和長延時外還有短延時，在短路時具有選擇性保護[7]。

1.2.2 過電流脫扣器分類及動作特性

低壓斷路器過電流脫扣器分為：瞬時過電流脫扣器；定時限過電流脫扣器即短延時過電流脫扣器；反時限過電流脫扣器，通常稱為長延時過電流脫扣器。

過電流脫扣器的電流整定值用電流值的倍數(shù)或直接用安培數(shù)表示，脫扣時間整定值有兩種表示方法：一、定時限的延時時間整定值用秒表示；二、反時限一般給出時間-電流特性曲線。

（1）瞬時或定時限過電流脫扣器動作特性；在達到電流整定值時應瞬時（固有動作時間）或在規(guī)定時間內(nèi)動作。（2）反時限過電流脫扣器的動作特性；在基準溫度下，所有相極通電至1.05In（In為斷路器額定電流）即約定不脫扣電流時，在約定時間（對In>63A為2h，In≤63A為1h）內(nèi)不應脫扣；在約定時間結(jié)束后，立即使電流上升到1.3In（即約定脫扣電流），在小于約定時間內(nèi)脫扣。（3）接地故障保護脫扣器的動作特性；接地故障電流值在達到整定值時應在規(guī)定時間內(nèi)動作，并有一定的延時時間。

2 低壓配電線路接地故障保護的規(guī)定

2.1 接地故障保護的一般規(guī)定

自動切斷電源的接地故障保護適用于I類電氣設備，所在場所為正常環(huán)境，人身電擊安全電壓限值不超過50V。采用接地故障保護時，建筑物內(nèi)各種導電體應作等電位聯(lián)結(jié)，以降低預期接觸電壓。

2.2 TN系統(tǒng)的接地故障保護要求

TN系統(tǒng)接地故障保護的動作特性：

Zs·Ia≤UO （1）

式中：ZS-接地故障回路的阻抗（Ω）；

Ia -保證保護電器在規(guī)定時間內(nèi)切斷故障回路的電流（A）；

UO-相線對地標稱電壓（V）。

UO等于220V的配電線路，其切斷故障回路的時間規(guī)定如下：供電干線和供固定用電設備的末端回路，不大于5s；供手握式或移動式用電設備的末端回路以及插座回路，不大于0.5s。

2.3 TT系統(tǒng)的接地故障保護要求

TT系統(tǒng)配電線路接地故障保護的動作特性應符合下列要求：

RA·Ia≤50V （2）

式中：RA-外露可導電部分的接地電阻與PE線電阻和（Ω）；Ia-保證保護電器切斷故障回路的動作電流（A）。

當采用反時限特性過流保護電器時，Ia為5s內(nèi)切斷的電流；采用瞬時動作特性的過流保護時，Ia為瞬時整定電流；采用漏電保護器時，Ia為其額定動作電流I△n。通常TT系統(tǒng)的接地故障電流很小，不能使用非選擇型斷路器保護。

2.4 IT系統(tǒng)的接地故障保護要求

當IT系統(tǒng)配電線路發(fā)生第一次接地故障時，應由絕緣監(jiān)視電器發(fā)出聲、光報警信號，并在盡量短的時間內(nèi)排除第一次接地故障以維持供電的不間斷[1]。其動作電流應符合下式要求：

RA·Id≤50V （3）

式中：RA -外露可導電部分的接地電阻（Ω）；

Id-第一次接地故障電流（A）。

如果第一次接地故障未排除又發(fā)生第二次接地故障，則需視情況按TN系統(tǒng)或TT系統(tǒng)的方式來切斷故障電路，并符合下列要求：當IT系統(tǒng)不引出N線，應在0.4s內(nèi)切斷故障回路，并符合下列要求：

Zs·Ia≤（ 3/2）0.5 ·UO （4）

式中：Zs-相線和PE線故障回路阻抗（Ω）；Ia-保護電器切斷故障回路的動作電流（A）。

當IT系統(tǒng)引出N線，應在0.8s內(nèi)切斷故障回路，并符合下式要求：

Zs·Ia≤0.5UO （5）

式中：Zs-包括相線、N線和PE線在內(nèi)故障回路阻抗（Ω）。

3 低壓配電系統(tǒng)接地故障保護設計方案

3.1 方案分析

（1）利用過電流保護兼做接地故障保護；當系統(tǒng)的接地故障電流較大，短路保護電器切斷電源時間滿足要求時，可利用原來做過載保護和短路保護的過電流保護電器兼做接地故障保護。當采用非選擇型斷路器作為過電流保護電器時，可利用斷路器的瞬時過電流脫扣器兼做接地故障保護。由于瞬時脫扣器的全分斷時間一般為10～20ms，可滿足切斷故障回路時間的要求。因此只需驗證接地故障電流Id與瞬時脫扣器整定電流Ir3的比值是否滿足Id>1.3Ir3，若滿足則可采用非選擇型斷路器瞬時脫扣器做接地故障保護。但通常非選擇型斷路器的瞬時脫扣器整定值Ir3為長延時脫扣器整定電流的8～14倍，使得Id>1.3Ir3很難滿足。選擇型斷路器短延時過電流脫扣器的動作時間一般為0.1～0.8s，其整定電流Ir2通常為瞬時過電流脫扣器整定值Ir3的0.2～0.3倍，因此利用短延時過電流脫扣器比利用瞬時過電流脫扣器做接地故障保護更容易滿足要求[8]。因此對于配電干線可利用選擇型斷路器短延時過電流做接地故障保護，其動作特性如圖1 所示。

圖1 三段式保護的時間電流動作特性

圖1中，Ir1-過載長延時整定電流值（A）；Ir2-短路短延時整定電流值（A）；Ir3-短路瞬時整定電流值（A）；t1-過載長延時時間整定值（s）；t2-短路短延時時間整定值（s）；

（2）采用帶接地故障保護的斷路器；

圖2所示：

圖2 接地故障保護的時間電流動作特性

圖2為斷路器接地故障保護的時間電流工作特性曲線。Ir4-接地故障保護整定電流值（A），t4-接地故障延時時間整定值（s）。

接地故障分為零序電流保護和剩余電流動作保護，其原理如下：

（1）零序電流保護動作原理：三相四線制配電線路正常運行時，如果三相負載完全平衡，無諧波電流，忽略正常泄流電流，則流過中性線的電流IN=0；如果三相負載不平均，則產(chǎn)生不平衡電流即IN≠0；如果發(fā)生某一相接地故障時，IN將大大增加，達到IN（d）。因此通過檢測IN值發(fā)生的變化，可取得接地故障的信號。斷路器零序電流保護的整定值確定原則為：正常運行出現(xiàn)最大不平衡電流時不會動作，但在發(fā)生接地故障時必須動作，因此建議零序電流保護整定值Ir4符合下列兩式的要求： Ir4≥（1.5～2.0）IN （6）

1.3 Ir4≤ IN（d） （7）

正常情況下，上式中IN一般為Ir1的20%～25%，Ir4的整定值取Ir1的50%～60%為宜。

（2）剩余電流保護動作原理：檢測三相電流加中性線電流的矢量和即 ，正常時 =0，發(fā)生接地故障時則等于接地故障電流I0（d）。斷路器接地故障保護的整定值Ir4應符合下式要求：

I0（d）≥1.3Ir4 （8）

根據(jù)實踐經(jīng)驗，一般要求剩余電流保護整定值Ir4大于正常運行時泄漏電流的5～10倍，采用剩余電流保護比采用零序電流保護的動作靈敏性要高。這種方式的整定電流更小，在發(fā)生接地故障時，和下級剩余電流動作保護器之間難以保證選擇性，只能要求和上級漏電電流動作保護器之間具有良好的選擇性，因此，多用于安全防護要求高的場所。所以，在防人身電擊的場合，應以末端防護為基礎，避免非選擇性切斷電路。

防止電氣火災的一個重點是在建筑物電源進線處安裝防火型的剩余電流保護器，以檢測整幢建筑物的接地故障，并延時作用于報警或切斷電源[1，2]，整定電流一般不大于300mA，當動作于切斷電源時，應斷開回路的所有帶電導體。低壓配電系統(tǒng)中為了縮小發(fā)生人身電擊事故和接地故障切斷電源時引起的停電范圍，剩余電流保護裝置應采用分級防護。

3.2 存在的問題及解決措施

當配電線路較長，接地故障電流Id較小，不足以使保護電路動作。為此，必須降低斷路器瞬時整定值Ir3；另一方面應力求提高Id值，具體措施如下：

（1）改變配電變壓器的聯(lián)結(jié)組別；配電變壓器選用D，yn11接線組別比選用Y，yn0接線組別零序阻抗小得多，因此單相接地故障電流較大，這樣有利于故障的切除。（2）加大相導體及接地線導體截面；當配電線路較長，導線截面很小，接地故障電流較小，使得過電流保護電器常常不能滿足接地故障電流大于保護器動作整定值，此時采用放大相線、PE線截面面積[3，8]。加大相導體截面對于截面較小的電纜和穿管絕緣線有較大影響，而對于較大截面的裸干線或架空線，由于其電抗較大，加大截面作用很小。（3）合理規(guī)劃供電方案；合理規(guī)范供電方案，縮短供電距離，減小短路阻抗，使短路電流滿足要求[3]。（4）采用局部或輔助等電位連接；建筑物的低壓電氣裝置應采用等電位連接，以降低建筑內(nèi)間接接觸電壓和不同金屬物體間的電位差；避免經(jīng)建筑物外電氣線路和金屬管道引入的故障電壓的危害；減少保護電器動作不可靠帶來的危險。（5）降壓啟動；對于電動機保護回路，可用降壓啟動或軟啟動，可降低瞬時過電流整定值Ir3，使得更容易滿足Id﹥1.3Ir3要求。

4 算例分析

為驗證低壓斷路器在低壓配電系統(tǒng)接地故障中的應用，現(xiàn)舉例說明。采用TN接地方式的低壓配電線路和末端線路保護電器如圖3所示，其中QF1為帶短延時的三段式保護和接地故障保護的斷路器，QF2為帶長延時和瞬時過電流脫扣器的斷路器。由圖3確定斷路器QF1、QF2的整定值。

圖3 采用低壓斷路器保護的配電系統(tǒng)接線圖

（1）QF1的參數(shù)整定；QF1的長延時過電流整定值Ir1應不小于Ic，取140A。

按下級電動機直接啟動時，QF1不會動作，QF1的瞬時動作電流值Ir3滿足；Ir3≥（2.0～2.5）IstM=（820.4～1025.5）A；按接地故障保護的要求，QF1的瞬時動作電流值Ir3滿足；Ir3≤Id1/1.3=1480/1.3=1138A；

QF1接地故障保護（采用零序電流保護）整定值Ir4≤Id1/1.3=1138A取0.2 Ir1，其值等于28A，并建議有0.4s的時間延時。QF1作為配電干線上的開關(guān)，剩余電流保護整定值可取不大于300mA，以減少接地故障產(chǎn)生電弧而引起的電氣火災。

（2）QF2的參數(shù)整定；QF2的長延時過電流整定值Ir1應不小于IM，取63A。

按電動機直接啟動，QF2的瞬時過電流整定值Ir3滿足；Ir3≥（2.0～2.5）IstM=（820.4～1025.5）A；按接地故障保護要求，QF2的瞬時過電流整定值Ir3滿足；Ir3≤Id2/1.3=1110/1.3=854A；

同時符合上述兩項要求的QF2的瞬時過電流整定值Ir3取850A比較恰當。作為末端保護電器，如果QF2帶剩余電流保護，則剩余電流保護整定值I△n可取30mA，一般型，有效防止人身電擊傷害。

5 結(jié)語

在低壓配電系統(tǒng)中，TN、TT、IT系統(tǒng)有各自特點和適用范圍，發(fā)生接地故障時，既要保證可靠切斷電路，又要盡可能縮小斷電范圍。這就要求合理進行配電系統(tǒng)設計和準確的計算故障電流值，在此基礎上，選擇斷路器并正確整定斷路器的動作電流和動作時間。本文通過分析和算例表明，選用帶接地脫扣的低壓斷路器，正確設計和整定動作電流值、動作時間在接地故障保護中具有很大優(yōu)勢，在設計中推薦選用。

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作者簡介：王旭東（1981—），男，工程師，主要從事電網(wǎng)規(guī)劃及供配電系統(tǒng)設計工作。