低壓配電系統(tǒng)故障防護(hù)和保護(hù)電器選擇【蒼松書苑】

1、低壓配電系統(tǒng)故障防護(hù)和保護(hù)電器選擇 中國(guó)航空規(guī)劃設(shè)計(jì)研究總院 任元會(huì) 二0一六年五月十二日,1,深層分析,1、接地故障防護(hù)的意義 配電系統(tǒng)的核心問(wèn)題是保證用電安全、可靠和節(jié)能三原則；而故障防護(hù)是關(guān)系到用電安全、供電可靠的重要因素。 低壓配電系統(tǒng)故障有三種：短路、過(guò)負(fù)荷、接地故障。 前兩種統(tǒng)稱為過(guò)電流，其后果是導(dǎo)致配電線路和電氣設(shè)備的過(guò)熱，使其溫度急劇上升（或緩慢上升），如沒(méi)有正確的防護(hù)措施，將導(dǎo)致導(dǎo)體的過(guò)熱，超過(guò)其最終溫度（極限溫度），以致?lián)p壞（主要是絕緣損壞），更嚴(yán)重的后果是導(dǎo)致電氣火災(zāi)。 而接地故障，除了能產(chǎn)生上述后果外，還將使電氣裝置的外露可導(dǎo)電部分帶電，可能使操作人員接觸危險(xiǎn)電壓而觸電

2、。此乃我們面臨的最值得關(guān)注的問(wèn)題，也是需要研究的重點(diǎn),2,深層分析,歷史的回顧名稱的演繹 1983年低壓配電設(shè)計(jì)規(guī)范(GBJ84-83)稱為“單相短路保護(hù)”，顯然是不恰當(dāng)?shù)模?1995年低壓配電設(shè)計(jì)規(guī)范(GB50054-95)改稱為“接地故障保護(hù)”，是重大進(jìn)步； 2011年低壓配電設(shè)計(jì)規(guī)范(GB50054-2011) )改稱為“間接接觸防護(hù)”，按IEC的理念； 2011年后GB16895.21-2011稱為“故障防護(hù)”，按IEC名詞,3,深層分析,2、故障防護(hù)的要求 絕緣損壞或失效，使外露導(dǎo)電部分帶電，歸納起來(lái)，應(yīng)采用兩大措施。 （1）在規(guī)定時(shí)間內(nèi)自動(dòng)切斷電源 1）依靠保護(hù)電器（斷路器或熔斷器

3、）的合理設(shè)置及正確整定。 2）切斷時(shí)間不應(yīng)大于表1的規(guī)定(交流,4,深層分析,2）降低故障時(shí)外露導(dǎo)電部分的接觸電壓 1）防電擊類別為類的電氣設(shè)備（實(shí)際上絕大多數(shù)為類），其外露導(dǎo)電部分應(yīng)連接PE線而接地。當(dāng)發(fā)生接地故障時(shí)，如果不能按表1規(guī)定的時(shí)間內(nèi)切斷電源時(shí)，則故障電流在PE線上產(chǎn)生的電壓降，就是外露導(dǎo)電部分對(duì)地的接觸電壓（見(jiàn)圖1和圖2）通常可達(dá) 的1/2 （當(dāng) = 時(shí)）或1/3 （當(dāng) =1/2 時(shí)）； =220V的系統(tǒng)，此電壓接近110V或147V，遠(yuǎn)大于安全特低壓電路（SELV）。 2）措施是做等電位聯(lián)接，是降低接觸電壓的有效辦法。 注： 是PE線的截面， 是相線的截面。 除此之外，對(duì)于下列

4、情況，還需要增設(shè)附加防護(hù)措施： 1）電流小于和等于20A的普通插座； 2）電流小于等于32A的戶外移動(dòng)設(shè)備。 附加防護(hù)采用剩余電流保護(hù)器（RCD），其額定剩余動(dòng)作電流 30mA,而不能代替其他基本防護(hù)和故障防護(hù)措施,5,深層分析,6,深層分析,7,深層分析,3、低壓配電系統(tǒng)的接地型式及應(yīng)用 （1）三種接地型式 1）TN接地型式：按PE和N導(dǎo)體的分合，又可分為TN-C、 TN-S 和TN-C-S三種。 2）TT接地型式：外露導(dǎo)電部分的保護(hù)接地和電源的功能接地完全分開(kāi)。 3）IT接地型式,8,深層分析,2）特點(diǎn)和故障防護(hù)要求 1）TN系統(tǒng)故障電流（ ）大，通?？梢酝ㄟ^(guò)電流保護(hù)電器（斷路器、熔斷器）

5、保護(hù)。但遠(yuǎn)離變電所，線路截面不大（如道路照明）， 可能較小，過(guò)電流保護(hù)電器難以滿足動(dòng)作要求，需要采用RCD保護(hù)，見(jiàn)圖2。 2）TT系統(tǒng)故障電流小，通常不能用過(guò)電流保護(hù)器，應(yīng)采用RCD作保護(hù)，見(jiàn)圖3。 3）IT系統(tǒng)故障電流更小，僅為毫安級(jí)，其接觸電壓也小，可以帶故障繼續(xù)運(yùn)行，而不切斷電源，但應(yīng)發(fā)出報(bào)警；萬(wàn)一發(fā)生第二次接地故障（異相），則應(yīng)按TN系統(tǒng)（外露導(dǎo)電部分共同接地時(shí)）或TT系統(tǒng)（各用電設(shè)備分別接地時(shí)）切斷電源,9,深層分析,10,深層分析,3）應(yīng)用場(chǎng)所 1）建筑物（工業(yè)及民用）內(nèi)一般用TN，并作等電位聯(lián)結(jié)，有變壓器的建筑物用TN-S，由建筑物外供電的，用TN-C-S，在等電位作用下，防電擊

6、條件等同于TN-S，抗共模電壓干擾比TN-S更好。 2）TT系統(tǒng)不像TN系統(tǒng)那樣通長(zhǎng)的PE導(dǎo)體傳導(dǎo)故障電壓，TN依靠等電位降低接觸電壓，所以在難以作等電位聯(lián)結(jié)的戶外場(chǎng)所（如道路照明、庭院燈、施工場(chǎng)地）應(yīng)采用TT系統(tǒng)。 3）要求供電可靠，不能斷電的場(chǎng)所，適宜采用IT系統(tǒng)，如醫(yī)院手術(shù)室，消防用電，應(yīng)急系統(tǒng)，還有礦井、鋼鐵等重要生產(chǎn)場(chǎng)所。 4）變電所低壓側(cè)PE的連接 變電所低壓側(cè)中性點(diǎn)不能直接接地；應(yīng)引出一條導(dǎo)體，實(shí)為PEN導(dǎo)體，連接到低壓配電屏，該P(yáng)EN導(dǎo)體必須對(duì)地絕緣；對(duì)于兩臺(tái)或多臺(tái)變壓器的變電所，各變壓器中性點(diǎn)引出的PEN導(dǎo)體應(yīng)在低壓屏上連接后，從PEN導(dǎo)體的一點(diǎn)接地，引出PE導(dǎo)體，該P(yáng)E導(dǎo)體

7、可以多點(diǎn)接地，見(jiàn)圖,11,深層分析,12,深層分析,4）同一低壓配電系統(tǒng)不同接地型式的應(yīng)用 1）同一變電所的低壓配電系統(tǒng)可以采用多種接地型式。 2）變電所引出饋線可以分別用TN-C、TN-S 、TN-C-S、TT等方式，見(jiàn)圖1，但不能直接引出IT系統(tǒng)。 3）低壓饋線為TN-C，下面可以接出TN- S，也可接出局部TT，但反之則不允許。TN-S的后面不能出現(xiàn)TN-C，TT后面不可能出現(xiàn)TN-C或TN-S。 4）低壓饋電線為TN時(shí)，后面可設(shè)置隔離變壓器，以形成局部IT系統(tǒng)，此隔離變壓器的二次側(cè)的任何帶電導(dǎo)體不允許接地，類似電源不接地的IT系統(tǒng)。 5）變壓器低壓側(cè)中性點(diǎn)引出的導(dǎo)體屬于PEN，一旦N導(dǎo)

8、體分離后，必須對(duì)地絕緣，不允許和地（包括大地、PE導(dǎo)體、設(shè)備的外露導(dǎo)電部分）有任何連接，N線重復(fù)接地的做法是完全錯(cuò)誤的,13,深層分析,4、TN系統(tǒng)的故障防護(hù) （1）TN系統(tǒng)中配電線路的故障防護(hù)電器的動(dòng)作特性應(yīng)符合（1）的要求,14,深層分析,2）設(shè)計(jì)實(shí)施 1)采用斷路器的瞬時(shí)過(guò)電流脫扣器時(shí)，應(yīng)滿足式（2）的要求： 2）采用熔斷器保護(hù)時(shí)，應(yīng)滿足式(3)的要求,15,深層分析,5、TT系統(tǒng)的故障防護(hù) 1）TT系統(tǒng)采用RCD作故障防護(hù)應(yīng)滿足式（4）的要求 TT系統(tǒng)通常采用RCD作故障防護(hù)；除非故障回路阻抗特別小，也可用斷路器或熔斷器作故障防護(hù)，這樣是不經(jīng)濟(jì)的，也沒(méi)有必要,16,深層分析,2）設(shè)計(jì)實(shí)

9、施 1）設(shè)計(jì)中確定 值，應(yīng)保證正常運(yùn)行中不會(huì)發(fā)生因正常泄漏電流導(dǎo)致的誤動(dòng)作，而發(fā)生故障時(shí)，一定要在表1規(guī)定的時(shí)間內(nèi)可靠動(dòng)作。 為達(dá)到上述兩項(xiàng)要求，應(yīng)符合下列兩式的規(guī)定,17,深層分析,外露導(dǎo)電部分接地電阻值得確定,按系統(tǒng)的接線圖和等效電路圖（見(jiàn)圖）。若忽略相導(dǎo)線電阻可得的計(jì)算式： （） A 式中：變壓器低壓側(cè)中性點(diǎn)系統(tǒng)接地電阻（）。 將式（）代入式（），經(jīng)整理后可得 A（） 當(dāng)確定后，按式（）計(jì)算出A的最大允許值,18,深層分析,請(qǐng)?jiān)诖溯斎肽臉?biāo)題,設(shè)定為（分四檔），計(jì)算得A最大允許值于表所列,19,深層分析,3）外露導(dǎo)電部分接地電阻 阻值確定 按TT系統(tǒng)的接線圖和等效電路圖（見(jiàn)圖3） 若忽略

10、相導(dǎo)體電阻 ，可得 的計(jì)算式,20,深層分析,21,深層分析,設(shè)定 為100mA(分4檔)，計(jì)算的 的最大允許值列與表2，僅供計(jì)算參考,22,深層分析,6、等電位聯(lián)結(jié) equipotential bonding （1）作用和類別 1）等電位聯(lián)結(jié)可分為兩類，其作用如下： a）保護(hù)等電位聯(lián)結(jié)：為防電擊，保護(hù)人身安全的目的進(jìn)行的等電位聯(lián)結(jié)。 b) 功能等電位聯(lián)結(jié)：為保證系統(tǒng)正常運(yùn)行而進(jìn)行的等電位聯(lián)結(jié)。 2）保護(hù)等電位聯(lián)結(jié)究其作用范圍可分為3種： a）總等電位聯(lián)結(jié)：將總保護(hù)導(dǎo)體、總接地導(dǎo)體和總接地端子，以及建筑物內(nèi)金屬構(gòu)件（鋼樑、鋼柱、鋼筋等）和金屬管道等可導(dǎo)電部分連接在一起，見(jiàn)圖5。 b）輔助等電位

11、聯(lián)結(jié)：將可導(dǎo)電部分之間直接連通，使這些導(dǎo)電部分電位相等或接近。 c）局部等電位聯(lián)結(jié)：在局部范圍內(nèi)將各可導(dǎo)電部分連通，以進(jìn)一步降低接觸電壓,23,深層分析,24,深層分析,2）等電位聯(lián)結(jié)和接地的關(guān)系 就防電擊而言等電位聯(lián)結(jié)和接地是兩種保證電氣安全的措施，而等電位聯(lián)結(jié)更為有效；但就泄放電流和凈電荷，則必須接地。 等電位聯(lián)結(jié)是使可觸及的各可導(dǎo)電部分之間的電位相同或接近，并不一定要接地，比如飛機(jī)上是有很好的等電位聯(lián)結(jié)，但沒(méi)有接地，防電擊十分有效。 事實(shí)上，在建筑物內(nèi)的等電位聯(lián)結(jié)，由于和建筑物金屬結(jié)構(gòu)體、基礎(chǔ)鋼筋連接，必然是接地的，不一定專設(shè)人工接地極。 至于還有一種故障防護(hù)措施，是采用在非導(dǎo)電場(chǎng)所內(nèi)，

12、要求設(shè)置“不接地的等電位聯(lián)結(jié)”，這種情況下，就不允許接地了，當(dāng)然，就不能和建筑物金屬構(gòu)連接了,25,深層分析,3）等電位聯(lián)結(jié)的措施 1）可導(dǎo)電部分劃分為兩類： a）外露導(dǎo)電部分應(yīng)為“電氣裝置的外露導(dǎo)電部分”； b）外部導(dǎo)電部分，或“裝置外可導(dǎo)電部分”，指金屬結(jié)構(gòu)構(gòu)件、水暖管道等。 2）外露導(dǎo)電部分的連接：通過(guò)PE導(dǎo)體將所有類的電氣設(shè)備（配電箱、控制箱等）和用電設(shè)備連接在一起，不需要任何其他措施。見(jiàn)圖5。 3）外部導(dǎo)電部分的連接：所有外部等電位部分均連接到“總等電位連接”母排上，此母排應(yīng)和總配電箱內(nèi)的PE母排相連接，見(jiàn)圖5。 4）所有建筑物（工業(yè)、公共和居住建筑）均應(yīng)在引入處就近的地點(diǎn)做總等電位

13、連接,26,深層分析,5）屬于下列情況之一的，應(yīng)再做局部等電位聯(lián)結(jié)或輔助等電位聯(lián)結(jié)： a）發(fā)生故障時(shí)，保護(hù)電器不能滿足自動(dòng)切斷電源要求的； b）配電箱或配電回路同時(shí)給固定式或手持式、移動(dòng)式用電設(shè)備供電時(shí)，當(dāng)不能滿足式9要求的。 c）特殊危險(xiǎn)場(chǎng)所，對(duì)防電擊有更高要求的，如浴室、家庭及賓館的洗浴室，醫(yī)院的1、2類場(chǎng)所，和有火災(zāi)危險(xiǎn)和爆炸危險(xiǎn)環(huán)境等,27,深層分析,4）PE導(dǎo)線的要求 1）可以作為PE導(dǎo)線的有 a)和相導(dǎo)體穿在同一套管內(nèi)的導(dǎo)線； b)多芯電纜中的一根芯線； c）單獨(dú)固定敷設(shè)的裸導(dǎo)體或絕緣導(dǎo)體（應(yīng)與相導(dǎo)體靠近）（注） d）連接可靠滿足截面要求的穿線鋼管、電纜金屬護(hù)套、電纜鎧裝、電纜屏蔽

14、層，以及金屬槽盒。(注) 2）以下金屬部分不允許作為PE導(dǎo)體或保護(hù)聯(lián)結(jié)導(dǎo)體。 a)金屬水管； b)正常承受機(jī)械應(yīng)力的結(jié)構(gòu)件； c)柔性或可彎曲的金屬導(dǎo)管； d)含可燃材料的金屬管 e)柔性的金屬部件 f)電纜托盤、電纜梯架,28,深層分析,5）PE導(dǎo)體的截面 1）簡(jiǎn)易法,29,深層分析,2）截面較大時(shí)，按簡(jiǎn)易法確定 往往偏大，應(yīng)按式（10）計(jì)算,30,深層分析,3）不與相導(dǎo)體共處于同一外護(hù)物內(nèi)的PE導(dǎo)體的截面積不應(yīng)小于： a) 有機(jī)械損傷防護(hù)時(shí)：銅2.5 mm2，鋁16 mm2 ； b）無(wú)機(jī)械損傷防護(hù)時(shí)：銅4 mm2 ，鋁16 mm2 ； 4）TT系統(tǒng)的PE導(dǎo)體截面不超過(guò)銅25 mm2 ，鋁3

15、5 mm2 。 5）兩個(gè)或多個(gè)回路敷設(shè)在一起時(shí)，可共用一個(gè)PE導(dǎo)體，其截面應(yīng)按最大一回路的要求確定,31,深層分析,6）永久連接的用電設(shè)備的PE導(dǎo)體預(yù)期電流超過(guò)10mA時(shí)，PE導(dǎo)體截面應(yīng)符合下列條件之一: a) 銅導(dǎo)體不應(yīng)小于10mm2 ，鋁不應(yīng)小于16mm2 ； b)不滿足a)項(xiàng)要求時(shí)，應(yīng)為該用電設(shè)備敷設(shè)第二根PE導(dǎo)體，和第一根PE同截面，并連接到單獨(dú)的接線端子； c）采用銅芯PE導(dǎo)體和銅芯相導(dǎo)體在一根多芯電纜中時(shí)，電纜中銅導(dǎo)體截面積總和不應(yīng)小于10mm2 ； d）PE導(dǎo)體穿金屬管，并與金屬導(dǎo)管并接時(shí)，其截面不應(yīng)小于2.5mm2 。 7）PEN導(dǎo)體要求： a）PEN導(dǎo)體截面不應(yīng)小于：銅10

16、mm2 ，鋁16 mm2。 b) 外部可導(dǎo)電部分不允許并作PEN導(dǎo)體,32,深層分析,6）PE導(dǎo)體施工及其他要求 1）應(yīng)采用連接器或螺栓連接。 2）PE導(dǎo)體及PEN導(dǎo)體中，不應(yīng)插入任何開(kāi)關(guān)器件、隔離器,33,深層分析,7、保護(hù)電氣的選擇與整定 前面論述了故障保護(hù)的要求，還有過(guò)電流保護(hù)要求，都應(yīng)落實(shí)到配電系統(tǒng)的保護(hù)電器（斷路器、熔斷器）的選擇和參數(shù)的整定，以及線路導(dǎo)體截面的確定。 保護(hù)電器的選擇，除符合電壓、頻率和環(huán)境條件等基本要求外，應(yīng)符合下列六項(xiàng)要求。 （1）故障防護(hù) 1）采用斷路器的瞬時(shí)過(guò)電流脫扣器時(shí)，按式（2）確定； 2）采用熔斷器時(shí)，按式（3）確定； 3）采用RCD時(shí)，按式（4）及式（

17、5）或（6）確定,34,深層分析,2）設(shè)計(jì)實(shí)施 1) 采用斷路器的瞬時(shí)過(guò)電流脫扣器時(shí)，應(yīng)滿足式（2）的要求： 2）采用熔斷器保護(hù)時(shí)，應(yīng)滿足式(3)的要求,35,深層分析,5、TT系統(tǒng)的故障防護(hù) 1）TT系統(tǒng)采用RCD作故障防護(hù)應(yīng)滿足式（4）的要求 （4） TT系統(tǒng)通常采用RCD作故障防護(hù)；除非故障回路阻抗特別小，也可用斷路器或熔斷器作故障防護(hù)，這樣是不經(jīng)濟(jì)的，也沒(méi)有必要,36,深層分析,2）設(shè)計(jì)實(shí)施 1）設(shè)計(jì)中確定 值，應(yīng)保證正常運(yùn)行中不會(huì)發(fā)生因正常泄漏電流導(dǎo)致的誤動(dòng)作，而發(fā)生故障時(shí)，一定要在表1規(guī)定的時(shí)間內(nèi)可靠動(dòng)作。 為達(dá)到上述兩項(xiàng)要求，應(yīng)符合下列兩式的規(guī)定,37,深層分析,2）短路保護(hù) 1

18、）應(yīng)符合式（11）的要求： 注：式（11）與式（10）相同，式（10）用于PE導(dǎo)體熱穩(wěn)定計(jì)算，式（11）用于相導(dǎo)體熱穩(wěn)定計(jì)算，其區(qū)別在于K值不同，因兩種導(dǎo)體的初始溫度不一樣,38,深層分析,2)當(dāng)t0.1s時(shí)，應(yīng)計(jì)入非周期分量的影響，為此，應(yīng)該式(12)計(jì)算,39,深層分析,2)過(guò)負(fù)荷保護(hù) 1）過(guò)負(fù)荷保護(hù)電器的動(dòng)作特性，應(yīng)符合式（13）或式（14）的要求,40,深層分析,2）實(shí)施：鑒于 I2值是產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的參數(shù)，工程應(yīng)用不方便，作如下變換。 a 采用斷路器時(shí)，按國(guó)標(biāo)GB14048.2-2008 按國(guó)標(biāo)GB10963 經(jīng)代入式（14）后，結(jié)果式（14）已包含在式（13）中，即滿足式（13）即已

19、滿足式（14）。 b 采用熔斷器時(shí)，按國(guó)標(biāo)GB13539.1-2008（10），當(dāng) 16A時(shí)， =1.6 。按標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)分析，結(jié)果是 16A時(shí)，符合式（13）即滿足式（14）規(guī)定，僅適用gG型熔斷器。 注： 熔斷器熔體額定電流（A,41,深層分析,4）用電設(shè)備啟動(dòng)要求 以籠型電動(dòng)機(jī)直接啟動(dòng)為代表，選擇要求如下： 1）采用斷路器時(shí)，應(yīng)符合式（15）要求,42,深層分析,2）采用熔斷器時(shí) a）宜選用“部分范圍分段電動(dòng)機(jī)專用”的aM型熔斷器，應(yīng)符合式（16）要求： b）當(dāng)選用“全范圍分段一般用途”的gG型熔斷器時(shí)，宜按式（17）選擇： 注：aM型熔斷器不能作過(guò)負(fù)荷保護(hù)；而電動(dòng)機(jī)終端回路的過(guò)負(fù)荷保護(hù)時(shí)依

20、靠熱繼電器實(shí)施,43,深層分析,4）選擇性動(dòng)作 為提高供電可靠性，便于維修，故障時(shí)應(yīng)縮小停電范圍，要求配電線路的上下級(jí)保護(hù)電器的動(dòng)作特性應(yīng)具有選擇性。 1）采用熔斷器： gG和gM型熔斷器；當(dāng)弧前時(shí)間大于0.01s時(shí)，額定電流之比為1.6:1可保證選擇性。 例如 16-25-40-63-100-160-250-400A之間; 20-32-50-80-125-200-315-500A之間。 2）采用斷路器： 非選擇型斷路器（具有反時(shí)限和瞬時(shí)動(dòng)作脫扣器）：僅具有局部選擇性； b) 選擇型斷路器（具有反時(shí)限、定時(shí)限和瞬時(shí)動(dòng)作脫扣器）：依靠定時(shí)限（短延時(shí)）脫扣器的正確整定，可保證選擇性，但應(yīng)符合式(18)要求,44,深層分析,上級(jí)斷路器除符合式（18）要求外，其瞬時(shí)過(guò)電流脫扣器的整定電流還應(yīng)大于下級(jí)斷路器出線端的最大短路電流，以避免破壞選擇性。 如有裝有兩級(jí)選擇型斷路器時(shí)，上級(jí)定時(shí)限脫扣器之 比下級(jí)大1.3倍外，其延時(shí)時(shí)間也應(yīng)比下級(jí)的延時(shí)大至少0.15s,45,深層分析,3)采用RCD 上級(jí)RCD的額定剩余動(dòng)作電流 至少應(yīng)比下級(jí)RCD的 大3倍，末端回路的RCD應(yīng)為瞬時(shí)動(dòng)作（當(dāng)故障電流大于5 時(shí)，其動(dòng)作時(shí)間不超過(guò)0.04s），而上級(jí)RCD應(yīng)選用延時(shí)型，延時(shí)時(shí)間宜為0