謝宗彬, 黃超藝, 林文貴, 黃桂蘭, 楊贊峰, 吳榮福, 林杰鵬

(1.國網(wǎng)泉州供電公司, 福建 泉州 362000;2.國網(wǎng)寧德供電公司, 福建 寧德 352000)

0 引 言

長期以來,對剩余電流保護技術的應用研究主要集中在礦井和農(nóng)電保護器方面,對城市配網(wǎng)的剩余電流保護技術關注點鮮少涉及。當剩余電流整定值較小時,保護頻繁誤動,迫使用戶或搶修人員解除剩余電流保護器;當剩余電流整定值較大時,可能引起拒動。兩種情況下發(fā)生人身觸電時,均存在安全隱患[1-2]。近年來,人身觸電傷亡事故頻發(fā),自2004至2017年,國網(wǎng)經(jīng)營區(qū)內(nèi)共發(fā)生人身觸電損害糾紛2 360起,其中與電網(wǎng)直接相關的可統(tǒng)計案件2 028起,而低壓占531起。由此可見,低壓人身觸電事故不容忽略。當前,電力企業(yè)發(fā)展目標已逐步由保設備、保人身安全過渡到保人身為主、設備為輔的新高度跨越,如何做好電擊防護措施,提高配電網(wǎng)安全迫在眉睫[3-5]。

本文概述泉州地區(qū)現(xiàn)有低壓配電系統(tǒng)接地型式,分析了典型臺區(qū)(即變壓器的供電范圍)剩余電流保護器運行現(xiàn)狀及漏電原因,從多年運維角度,給出接地方式的選擇建議;搭建電纜電容、保護跳閘試驗平臺,提出減少越級誤動的新型算法;針對下一階段,從技術層面提出有關建議。

1 低壓配電網(wǎng)接地型式概述

根據(jù)IEC規(guī)定,低壓配電系統(tǒng)按接地方式的不同分為TT系統(tǒng)、TN系統(tǒng)、IT系統(tǒng)。其中TN系統(tǒng)又分為TN-C、TN-S、TN-C-S系統(tǒng)。

(1) TT系統(tǒng)。TT接地方式是指將電氣設備的金屬外殼直接接地的保護系統(tǒng),稱為保護接地系統(tǒng)。在TT系統(tǒng)中,負載的所有接地均稱為保護接地。

(2) TN系統(tǒng)。TN方式供電系統(tǒng)將電氣設備的金屬外殼與工作中性線相接的保護系統(tǒng),稱為接零保護系統(tǒng),用TN表示。

① TN-C系統(tǒng)。TN-C方式供電系統(tǒng)用工作中性線兼作接零保護線,稱作保護中性線,可用PEN表示。

② TN-S系統(tǒng)。TN-S方式供電系統(tǒng)把工作零線 N 和專用保護線 PE 嚴格分開的供電系統(tǒng),稱作 TN-S供電系統(tǒng)。

③ TN-C-S系統(tǒng)。在建筑施工臨時供電中,如果前部分是TN-C方式供電,而施工規(guī)范規(guī)定施工現(xiàn)場必須采用TN-S方式供電,則可以在系統(tǒng)后部分現(xiàn)場總配電箱分出PE線。

不同接地型式的對比如表1所示,保護解除(失效)的情況下存在單相失地、線路損壞引起的間接觸電和電氣火災等安全隱患。

表1 不同接地型式的對比

2 泉州城區(qū)剩余電流保護器運行現(xiàn)狀分析

2.1 安裝投運概況

目前,泉州城區(qū)0.4 kV低壓配網(wǎng)中,低壓架空網(wǎng)及老舊小區(qū)均主要采用TT系統(tǒng)接地型式,新建住宅小區(qū)、老舊小區(qū)改造等低壓電纜網(wǎng)絡主要采用TN-C-S接地型式。

一級剩余電流保護(簡稱“總?！?器主要裝設于柱上綜合配電箱中,采用TT接地系統(tǒng)。因越級誤動事件頻繁,為避免投訴,目前基本為退出狀態(tài)。

二級剩余電流保護(簡稱“二保”)器主要分為基本全覆蓋和未裝設兩種情況。對于二保基本全覆蓋的臺區(qū),又可分為如下方面:

(1) 在采用塑料表箱的城中老舊小區(qū)改造工程(TT系統(tǒng)),目前二?；就顺鲞\行。主要原因在于該類二保裝設于表前總開關,且開關大多具備自動重合閘功能,若未退出保護,當故障時自動重合閘將造成二次傷害,且常出現(xiàn)用戶漏電引起頻發(fā)跳閘。

(2) 在一些采用鐵質表箱的新建臺區(qū)或臺區(qū)改造工程(TN-C-S系統(tǒng)),除多次接到故障報修,查無原因被迫解除剩余電流保護的情況外,一般二保均處于投入狀態(tài)。

二保保護器未裝設臺區(qū)主要出現(xiàn)在農(nóng)村臺區(qū)或老舊小區(qū)未改造的地方。一般通過電纜分支箱直接連接至表箱的普通塑殼開關(無剩余電流保護功能)。

三級剩余電流保護(簡稱“戶?！?器除近年來新建住宅小區(qū)或老舊小區(qū)改造工程中有統(tǒng)一裝設外,其余基本未裝設[6-8]。

泉州城區(qū)典型臺區(qū)剩余電流保護安裝投運概況如表2所示。柱上臺變均裝設總保,目前臺區(qū)改造呈現(xiàn)裝設總保和二保、不裝設戶保的趨勢,如二藥廠2#配變;而在站房臺變中,均不裝設總保,目前臺區(qū)改造采用表前集裝表箱內(nèi)裝設二保和表后裝設戶保的配合方案,戶保整定值均為50 mA。

表2 泉州城區(qū)區(qū)典型臺區(qū)剩余電流保護安裝投運概況

2.2 典型臺區(qū)漏電排查分析

2.2.1 TT系統(tǒng)臺區(qū)

(1) 二藥廠2#配變。二藥廠2#臺區(qū)拓撲圖如圖1所示,二藥廠配變采用TT接地系統(tǒng)?？偙ＴO于綜合配電箱內(nèi),目前處于退出狀態(tài)。由總保保護器通過電纜引出線路至分線箱,再由分線箱分路引出至各個樓梯口的計量表箱。計量表箱前配備二保保護器,除個別未退出外,其余均處于退出保護狀態(tài)。另外,戶保均未裝設。

圖1 二藥廠2#臺區(qū)拓撲圖

通過鉗形表測得該柱上變壓器臺區(qū)兩條出線電纜剩余電流分別為12 mA、387 mA。變壓器臺區(qū)出線電纜泄漏電流如圖2所示,說明該臺區(qū)一回路存在較嚴重的漏電現(xiàn)象。

圖2 變壓器臺區(qū)出線電纜泄漏電流

經(jīng)逐一排查最終確認一用戶存在漏電問題。用戶漏電排查如圖3所示,斷開該用戶電表箱內(nèi)保護器,漏電消失。經(jīng)排查,發(fā)現(xiàn)在用戶自行設立的接地處剩余電流達417 mA,原因在于用戶零地共混,導致一部分泄漏電流直接經(jīng)過接地線流入接地極,造成整個臺區(qū)漏電現(xiàn)象。此時,若總?；蚨１Ｗo器投運,保護立即動作[9-10]。

圖3 用戶剩余電流排查

(2) 仁鳳新村配電室1#配變。仁鳳新村配電室1#配變屬于老舊小區(qū)改造的配電臺區(qū)。配電室變壓器出線采用普通塑殼開關(無剩余電流保護功能),通過地下電纜直接接入電纜分線箱,再由電纜分線箱引出線至各計量表箱,未裝設二級剩余電流保護。仁鳳新村配電室1#臺區(qū)拓撲圖如圖4所示。

圖4 仁鳳新村配電室1#臺區(qū)拓撲圖

通過鉗形表測得電纜分支箱各支路出線電纜剩余電流分別為2.38 A、1.20 A,1.17 A。經(jīng)排查,在樓梯口分線箱,舊表箱拆除后直接在該處跳接線,整個樓層中性線在此處匯集。中性線匯集箱(中性線公用)如圖5所示。雖然省去重新布置中性線的麻煩,但可能導致A表箱用戶相線電流可能通過B表箱中性線流出,因此每條支路存在較大的泄漏電流。該情形下,若安裝二保保護器,容易造成二保頻繁動作,發(fā)生一戶故障多戶停電現(xiàn)象。

圖5 中性線匯集箱(中性線公用)

2.2.2 TN-C-S系統(tǒng)臺區(qū)

水利水電宿舍樓箱式變壓器臺區(qū)拓撲圖如圖6所示,該臺區(qū)在計量表計前加裝集裝表箱,且配備二級剩余電流保護器。四線電纜引入母排,再經(jīng)過二級剩余電流保護器,此時多引出一條保護PE線,并在表箱內(nèi)通過PE接地排引出接地。因此,集裝表箱出線變?yōu)槲寰€制,便于用戶設備接地。實際在集裝表箱中中性線與PE線重復接地,此處中性線與PE線無相連,因此并非正常TN-C-S系統(tǒng),實際為TT系統(tǒng)。

圖6 水利水電宿舍樓箱式變壓器臺區(qū)拓撲圖

現(xiàn)場集裝表箱內(nèi)部結構如圖7所示。

戶保采用50 mA整定值。該臺區(qū)戶保覆蓋率100%,采用鉗形電流表測得用戶側剩余電流值較正常,尚不至于導致戶保跳閘。

從變壓器出線開始到集裝表箱處,僅變壓器中性點直接接地,無重復接地點;從集裝表箱開始,通過鋼絞線構成接地網(wǎng)設置重復接地,采用五線制引入用戶端。此處PE線與N線分開,沒有搭接一起,PE線僅給用戶當作設備外殼接地的引線。相較于傳統(tǒng)TT系統(tǒng),用戶不必自行接地,較為方便;電力企業(yè)建立的接地極電阻良好,不存在虛接、虛焊現(xiàn)象,當設備確實存在剩余電流時,可通過接地極直接作用于地面,安全可靠,不構成威脅。

2.3 剩余電流保護配置建議

通過上述典型臺區(qū)實地分析,考慮泉州城區(qū)配電站房低壓纜化趨勢,近期改造均采用水利水電箱式變壓器臺區(qū)模式,建議推行圖6的安裝配置。主要推薦理由如下:

(1) 傳統(tǒng)TT系統(tǒng),用戶用電設備需自行安裝接地極,保護家用電器及人身安全;而在集裝表箱處由電力公司統(tǒng)一裝設接地極,并且將表箱地網(wǎng)連接一起,接地極電阻相比用戶自身安裝接地極可靠。

(2) 在集裝表箱引出PE線,相比于傳統(tǒng)的TN-S節(jié)約供電成本。

(3) 集裝表箱形成地網(wǎng)接地,避免如TN-C接線導致表箱外殼帶電的危險。

(4) 選用五線制,并且PE線與N線之間無連接,可自由選擇剩余電流保護安裝,無重復接地,導致剩余電流保護投運不上。

(5) 建議二保整定值為300～500 mA,戶保整定值選擇30 mA。

3 可行性技術試驗

從表箱到用戶內(nèi)部空氣開關的低壓架空電纜長度一般較短,且電壓等級低,其對地電容電流相對較小。為定量分析該電容電流對剩余電流保護整定值的影響,進行相關的試驗驗證。針對剩余電流保護器頻繁誤動現(xiàn)象,搭建剩余電流保護跳閘模擬平臺,為剩余電流保護器產(chǎn)品整定值的測試及分析跳閘機理提供良好的試驗平臺。

3.1 低壓電纜電容電流試驗

對一條截面35 mm2、長度20 m低壓四線電纜進行電容電流試驗,負載分別為空載、單相負載(40 W燈泡)、兩相分別接負載(40 W燈泡、60 W熱熔膠機),試驗結果如圖8所示,三種負載下試驗電容電流均為0。

通過以上試驗初步判別,相比于高壓電纜線路,電容電流幾乎忽略不計。因此,剩余電流保護器整定值的設定可不考慮該電容電流。

3.2 保護跳閘機理試驗

為驗證各級剩余電流保護器可靠性及分析跳閘機理,建立簡易剩余電流保護試驗平臺。試驗平臺如圖9所示。

不同廠家保護器的動作臨界值試驗結果如表3所示。由表3可知,平常對于剩余電流保護器的動作值存在一種誤解,即認為出廠的額定值即為其實際動作臨界值。然而,事實并非如此。不同產(chǎn)品質量參差不齊,但大多穩(wěn)定在70%～80%之間的額定值。據(jù)悉,臨界動作電流為額定值的75%,這是低壓電器領域中行業(yè)相關統(tǒng)計數(shù)據(jù)。

圖9 試驗平臺

序號類型廠家額定值/mA動作臨界值/ mA占比/%1二保杭州申發(fā)10072.372.32二保常熟開關300223.074.03戶保精達電器3024.381.04戶保人民電器5035.170.0

生產(chǎn)實際工作中,越級誤動頻發(fā)。由于用戶側剩余電流存在瞬時性特點,加之各級保護整定配合、開關質量等問題,長期困擾低壓供電服務質量,直接解除總保、二保成為一種常態(tài)化的工作。因此,有必要模擬越級誤動,進一步深究尋求應對策略。

如試驗二保(額定值100 mA,0.2 s),在二保下端加入剩余電流70 mA(模擬所有用戶疊加的正常泄漏電流),當戶保(額定值50 mA,0.1 s)加入30 mA剩余電流(模擬一戶突然存在剩余電流,但未超過戶保動作值)時,造成二保動作,存在越級誤動事件。

因此,可以判別以上試驗符合現(xiàn)場實際,由于用電設備數(shù)量變化等因素導致多分支剩余電流之和大于上一級剩余電流保護整定值是造成越級誤動事件的原因之一。

4 下一階段研究建議

(1) 選取不同種類接地方式的典型臺區(qū),統(tǒng)計自保護投運以來的保護跳閘次數(shù),綜合權衡確認最優(yōu)接地方式。

(2) 建立剩余電流保護在線監(jiān)測,可先考慮從總保和二保兩級入手,建立監(jiān)測,實現(xiàn)頻繁跳閘的全過程監(jiān)控,追溯跳閘根源。

(3) 針對跳閘機理分析平臺,得出保護易存在越級誤動影響。因此,擬建議研制一種新型保護跳閘算法,可克服這一越級跳閘問題。具體分析如下:傳統(tǒng)保護跳閘采用閾值啟動判據(jù),如300 mA整定值,當大于300 mA即動作,如所有用戶疊加起來的剩余電流達到280 mA,此時若有一用戶存在剩余電流大于20 mA且小于30 mA,則戶保不會動作,上一級保護達到300 mA先行動作。基于此原理,擬建議采用與門的原理作為總保/二保的保護跳閘判據(jù)。算法原理圖比較如圖10所示。

圖10 算法原理圖比較

(4) 針對越級誤動事故,又缺乏監(jiān)測手段。擬建議開發(fā)一套在線監(jiān)測故障排查裝置,包括二保便攜式監(jiān)測模塊、戶保便攜式模塊、智能APP手機等。當接到故障工單報修,搶修人員查勘發(fā)現(xiàn)剩余電流保護跳閘重新試送成功后,將該裝置接入到跳閘的二保對應位置,及與其相連接的對應電表箱的用戶開關各出線,通過APP實時在線監(jiān)測,掌握剩余電流實時情況,便于分析跳閘根源,排查故障。

一般一個二保保護器出線用戶僅4～12戶,故監(jiān)測裝置僅需安裝二保監(jiān)測、4～12戶戶保監(jiān)測,數(shù)據(jù)量小,現(xiàn)場工作量不大,具備可行性研究。

5 結 語

剩余電流保護技術是低壓配電系統(tǒng)的重要組成部分,是防止人身觸電傷亡事故和火災事故的重要技術措施,必須引起運維管理人員的高度重視。剩余電流保護越級誤動不僅擴大停電范圍,提高排故難度,而且給居民正常用電帶來麻煩。因此,必須采取有效的管理措施和技術措施,減少越級跳閘率,提高運行管理水平,提升居民用電的供電可靠性;避免應解除保護或保護動作不可靠造成的觸電事故發(fā)生。本文結合泉州城區(qū)剩余電流保護器運行現(xiàn)狀,從技術措施入手,探討有關剩余電流保護方面的諸多問題,希望對低壓配電網(wǎng)人身觸電方面加以重視。