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1、低压配电系统故障防护和保护电器选择中国航空规划设计研究总院任元会二0一六年五月十二日,1,1、接地故障防护的意义 配电系统的核心问题是保证用电安全、可靠和节能三原则；而故障防护是关系到用电安全、供电可靠的重要因素。低压配电系统故障有三种：短路、过负荷、接地故障。前两种统称为过电流，其后果是导致配电线路和电气设备的过热，使其温度急剧上升（或缓慢上升），如没有正确的防护措施，将导致导体的过热，超过其最终温度（极限温度），以致损坏（主要是绝缘损坏），更严重的后果是导致电气火灾。而接地故障，除了能产生上述后果外，还将使电气装置的外露可导电部分带电，可能使操作人员接触危险电压而触电。此乃我们面临的最值得
2、关注的问题，也是需要研究的重点。,2,历史的回顾名称的演绎 1983年低压配电设计规范(GBJ84-83)称为“单相短路保护”，显然是不恰当的；1995年低压配电设计规范(GB50054-95)改称为“接地故障保护”，是重大进步；2011年低压配电设计规范(GB50054-2011)改称为“间接接触防护”，按IEC的理念；2011年后GB16895.21-2011称为“故障防护”，按IEC名词。,3,2、故障防护的要求绝缘损坏或失效，使外露导电部分带电，归纳起来，应采用两大措施。（1）在规定时间内自动切断电源1）依靠保护电器（断路器或熔断器）的合理设置及正确整定。2）切断时间不应大于表1的规定
3、(交流),4,（2）降低故障时外露导电部分的接触电压1）防电击类别为类的电气设备（实际上绝大多数为类），其外露导电部分应连接PE线而接地。当发生接地故障时，如果不能按表1规定的时间内切断电源时，则故障电流在PE线上产生的电压降，就是外露导电部分对地的接触电压（见图1和图2）通常可达 的1/2（当=时）或1/3（当=1/2 时）；=220V的系统，此电压接近110V或147V，远大于安全特低压电路（SELV）。2）措施是做等电位联接，是降低接触电压的有效办法。注：是PE线的截面，是相线的截面。除此之外，对于下列情况，还需要增设附加防护措施：1）电流小于和等于20A的普通插座；2）电流小于等于32
4、A的户外移动设备。附加防护采用剩余电流保护器（RCD），其额定剩余动作电流 30mA,而不能代替其他基本防护和故障防护措施。,5,6,7,3、低压配电系统的接地型式及应用（1）三种接地型式1）TN接地型式：按PE和N导体的分合，又可分为TN-C、TN-S 和TN-C-S三种。2）TT接地型式：外露导电部分的保护接地和电源的功能接地完全分开。3）IT接地型式。,8,（2）特点和故障防护要求1）TN系统故障电流（）大，通常可以通过电流保护电器（断路器、熔断器）保护。但远离变电所，线路截面不大（如道路照明），可能较小，过电流保护电器难以满足动作要求，需要采用RCD保护，见图2。2）TT系统故障电流小
5、，通常不能用过电流保护器，应采用RCD作保护，见图3。3）IT系统故障电流更小，仅为毫安级，其接触电压也小，可以带故障继续运行，而不切断电源，但应发出报警；万一发生第二次接地故障（异相），则应按TN系统（外露导电部分共同接地时）或TT系统（各用电设备分别接地时）切断电源。,9,10,（3）应用场所1）建筑物（工业及民用）内一般用TN，并作等电位联结，有变压器的建筑物用TN-S，由建筑物外供电的，用TN-C-S，在等电位作用下，防电击条件等同于TN-S，抗共模电压干扰比TN-S更好。2）TT系统不像TN系统那样通长的PE导体传导故障电压，TN依靠等电位降低接触电压，所以在难以作等电位联结的户外场
6、所（如道路照明、庭院灯、施工场地）应采用TT系统。3）要求供电可靠，不能断电的场所，适宜采用IT系统，如医院手术室，消防用电，应急系统，还有矿井、钢铁等重要生产场所。4）变电所低压侧PE的连接 变电所低压侧中性点不能直接接地；应引出一条导体，实为PEN导体，连接到低压配电屏，该PEN导体必须对地绝缘；对于两台或多台变压器的变电所，各变压器中性点引出的PEN导体应在低压屏上连接后，从PEN导体的一点接地，引出PE导体，该PE导体可以多点接地，见图。,11,12,（4）同一低压配电系统不同接地型式的应用1）同一变电所的低压配电系统可以采用多种接地型式。2）变电所引出馈线可以分别用TN-C、TN-S
7、、TN-C-S、TT等方式，见图1，但不能直接引出IT系统。3）低压馈线为TN-C，下面可以接出TN-S，也可接出局部TT，但反之则不允许。TN-S的后面不能出现TN-C，TT后面不可能出现TN-C或TN-S。4）低压馈电线为TN时，后面可设置隔离变压器，以形成局部IT系统，此隔离变压器的二次侧的任何带电导体不允许接地，类似电源不接地的IT系统。5）变压器低压侧中性点引出的导体属于PEN，一旦N导体分离后，必须对地绝缘，不允许和地（包括大地、PE导体、设备的外露导电部分）有任何连接，N线重复接地的做法是完全错误的。,13,4、TN系统的故障防护（1）TN系统中配电线路的故障防护电器的动作特性应
8、符合（1）的要求：,14,（2）设计实施1)采用断路器的瞬时过电流脱扣器时，应满足式（2）的要求：2）采用熔断器保护时，应满足式(3)的要求：,15,5、TT系统的故障防护1）TT系统采用RCD作故障防护应满足式（4）的要求TT系统通常采用RCD作故障防护；除非故障回路阻抗特别小，也可用断路器或熔断器作故障防护，这样是不经济的，也没有必要。,16,（2）设计实施1）设计中确定 值，应保证正常运行中不会发生因正常泄漏电流导致的误动作，而发生故障时，一定要在表1规定的时间内可靠动作。为达到上述两项要求，应符合下列两式的规定：,17,）外露导电部分接地电阻值得确定,按系统的接线图和等效电路图（见图）
9、。若忽略相导线电阻可得的计算式：（）A式中：变压器低压侧中性点系统接地电阻（）。将式（）代入式（），经整理后可得A（）当确定后，按式（）计算出A的最大允许值。,请在此输入您的标题,设定为（分四档），计算得A最大允许值于表所列：,3）外露导电部分接地电阻 阻值确定按TT系统的接线图和等效电路图（见图3）若忽略相导体电阻，可得 的计算式：,20,21,设定 为100mA(分4档)，计算的 的最大允许值列与表2，仅供计算参考。,22,6、等电位联结 equipotential bonding（1）作用和类别1）等电位联结可分为两类，其作用如下：a）保护等电位联结：为防电击，保护人身安全的目的进行的等
10、电位联结。b)功能等电位联结：为保证系统正常运行而进行的等电位联结。2）保护等电位联结究其作用范围可分为3种：a）总等电位联结：将总保护导体、总接地导体和总接地端子，以及建筑物内金属构件（钢樑、钢柱、钢筋等）和金属管道等可导电部分连接在一起，见图5。b）辅助等电位联结：将可导电部分之间直接连通，使这些导电部分电位相等或接近。c）局部等电位联结：在局部范围内将各可导电部分连通，以进一步降低接触电压。,23,24,（2）等电位联结和接地的关系 就防电击而言等电位联结和接地是两种保证电气安全的措施，而等电位联结更为有效；但就泄放电流和净电荷，则必须接地。等电位联结是使可触及的各可导电部分之间的电位相
11、同或接近，并不一定要接地，比如飞机上是有很好的等电位联结，但没有接地，防电击十分有效。事实上，在建筑物内的等电位联结，由于和建筑物金属结构体、基础钢筋连接，必然是接地的，不一定专设人工接地极。至于还有一种故障防护措施，是采用在非导电场所内，要求设置“不接地的等电位联结”，这种情况下，就不允许接地了，当然，就不能和建筑物金属构连接了。,25,（3）等电位联结的措施1）可导电部分划分为两类：a）外露导电部分应为“电气装置的外露导电部分”；b）外部导电部分，或“装置外可导电部分”，指金属结构构件、水暖管道等。2）外露导电部分的连接：通过PE导体将所有类的电气设备（配电箱、控制箱等）和用电设备连接在一
12、起，不需要任何其他措施。见图5。3）外部导电部分的连接：所有外部等电位部分均连接到“总等电位连接”母排上，此母排应和总配电箱内的PE母排相连接，见图5。4）所有建筑物（工业、公共和居住建筑）均应在引入处就近的地点做总等电位连接。,26,5）属于下列情况之一的，应再做局部等电位联结或辅助等电位联结：a）发生故障时，保护电器不能满足自动切断电源要求的；b）配电箱或配电回路同时给固定式或手持式、移动式用电设备供电时，当不能满足式9要求的。c）特殊危险场所，对防电击有更高要求的，如浴室、家庭及宾馆的洗浴室，医院的1、2类场所，和有火灾危险和爆炸危险环境等。,27,（4）PE导线的要求1）可以作为PE导
13、线的有a)和相导体穿在同一套管内的导线；b)多芯电缆中的一根芯线；c）单独固定敷设的裸导体或绝缘导体（应与相导体靠近）（注）d）连接可靠满足截面要求的穿线钢管、电缆金属护套、电缆铠装、电缆屏蔽层，以及金属槽盒。(注)2）以下金属部分不允许作为PE导体或保护联结导体。a)金属水管；b)正常承受机械应力的结构件；c)柔性或可弯曲的金属导管；d)含可燃材料的金属管e)柔性的金属部件f)电缆托盘、电缆梯架。,28,（5）PE导体的截面1）简易法：,29,（2）截面较大时，按简易法确定 往往偏大，应按式（10）计算。,30,3）不与相导体共处于同一外护物内的PE导体的截面积不应小于：a)有机械损伤防护时
14、：铜2.5 mm2，铝16 mm2；b）无机械损伤防护时：铜4 mm2，铝16 mm2；4）TT系统的PE导体截面不超过铜25 mm2，铝35 mm2。5）两个或多个回路敷设在一起时，可共用一个PE导体，其截面应按最大一回路的要求确定。,31,6）永久连接的用电设备的PE导体预期电流超过10mA时，PE导体截面应符合下列条件之一:a)铜导体不应小于10mm2，铝不应小于16mm2；b)不满足a)项要求时，应为该用电设备敷设第二根PE导体，和第一根PE同截面，并连接到单独的接线端子；c）采用铜芯PE导体和铜芯相导体在一根多芯电缆中时，电缆中铜导体截面积总和不应小于10mm2；d）PE导体穿金属管
15、，并与金属导管并接时，其截面不应小于2.5mm2。7）PEN导体要求：a）PEN导体截面不应小于：铜10 mm2，铝16 mm2。b)外部可导电部分不允许并作PEN导体。,32,（6）PE导体施工及其他要求1）应采用连接器或螺栓连接。2）PE导体及PEN导体中，不应插入任何开关器件、隔离器。,33,7、保护电气的选择与整定 前面论述了故障保护的要求，还有过电流保护要求，都应落实到配电系统的保护电器（断路器、熔断器）的选择和参数的整定，以及线路导体截面的确定。保护电器的选择，除符合电压、频率和环境条件等基本要求外，应符合下列六项要求。（1）故障防护1）采用断路器的瞬时过电流脱扣器时，按式（2）确
16、定；2）采用熔断器时，按式（3）确定；3）采用RCD时，按式（4）及式（5）或（6）确定。,34,（2）设计实施1)采用断路器的瞬时过电流脱扣器时，应满足式（2）的要求：2）采用熔断器保护时，应满足式(3)的要求：,35,5、TT系统的故障防护1）TT系统采用RCD作故障防护应满足式（4）的要求（4）TT系统通常采用RCD作故障防护；除非故障回路阻抗特别小，也可用断路器或熔断器作故障防护，这样是不经济的，也没有必要。,36,（2）设计实施 1）设计中确定 值，应保证正常运行中不会发生因正常泄漏电流导致的误动作，而发生故障时，一定要在表1规定的时间内可靠动作。为达到上述两项要求，应符合下列两式的
17、规定：,37,（2）短路保护1）应符合式（11）的要求：注：式（11）与式（10）相同，式（10）用于PE导体热稳定计算，式（11）用于相导体热稳定计算，其区别在于K值不同，因两种导体的初始温度不一样。,38,2)当t0.1s时，应计入非周期分量的影响，为此，应该式(12)计算：,39,(2)过负荷保护1）过负荷保护电器的动作特性，应符合式（13）或式（14）的要求：,40,2）实施：鉴于 I2值是产品标准规定的参数，工程应用不方便，作如下变换。a 采用断路器时，按国标GB14048.2-2008 按国标GB10963 经代入式（14）后，结果式（14）已包含在式（13）中，即满足式（13）即
18、已满足式（14）。b 采用熔断器时，按国标GB13539.1-2008（10），当 16A时，=1.6。按标准实验分析，结果是 16A时，符合式（13）即满足式（14）规定，仅适用gG型熔断器。注：熔断器熔体额定电流（A）。,2015-05-12,41,（4）用电设备启动要求以笼型电动机直接启动为代表，选择要求如下：1）采用断路器时，应符合式（15）要求：,42,2）采用熔断器时a）宜选用“部分范围分段电动机专用”的aM型熔断器，应符合式（16）要求：b）当选用“全范围分段一般用途”的gG型熔断器时，宜按式（17）选择：注：aM型熔断器不能作过负荷保护；而电动机终端回路的过负荷保护时依靠热继电
19、器实施。,43,（4）选择性动作 为提高供电可靠性，便于维修，故障时应缩小停电范围，要求配电线路的上下级保护电器的动作特性应具有选择性。1）采用熔断器：gG和gM型熔断器；当弧前时间大于0.01s时，额定电流之比为1.6:1可保证选择性。例如 16-25-40-63-100-160-250-400A之间;20-32-50-80-125-200-315-500A之间。2）采用断路器：非选择型断路器（具有反时限和瞬时动作脱扣器）：仅具有局部选择性；b)选择型断路器（具有反时限、定时限和瞬时动作脱扣器）：依靠定时限（短延时）脱扣器的正确整定，可保证选择性，但应符合式(18)要求。,44,上级断路器除
20、符合式（18）要求外，其瞬时过电流脱扣器的整定电流还应大于下级断路器出线端的最大短路电流，以避免破坏选择性。如有装有两级选择型断路器时，上级定时限脱扣器之 比下级大1.3倍外，其延时时间也应比下级的延时大至少0.15s。,45,3)采用RCD 上级RCD的额定剩余动作电流 至少应比下级RCD的 大3倍，末端回路的RCD应为瞬时动作（当故障电流大于5 时，其动作时间不超过0.04s），而上级RCD应选用延时型，延时时间宜为0.10.15s。,46,(5)分断能力 保护电器的分断能力（周期分量有效值）不应小于出线端的最大短路电流。当短路点附加所连接电动机额定电流之和超过短路电流的1%时，还应计入电
21、动机反馈电流的影响。1)采用熔断器：用专业人员使用的熔断器（如RT15、RT16等全封闭有填料熔断器）380V的分断能力达到120KA，可满足任何条件的要求，可以免于校验。2)采用断路器：a)微型断路器（MCB）:分断能力低，多为4-10KA，适用于终端回路，不能装设在变电所内。b)塑壳断路器（MCCB）：其极限分断能力()和运行分断能力(),分为多个等级（3至8个不等）根据不同装设部位和变压器容量大小，经计算短路电流后选择。保护电器选择示例见图6,47,48,8、结束语安全保证 用电安全、供电可靠，应该从配电系统的设计、施工安装、电器产品质量和运行维护管理四个方面结合，共同努力。(1)设计是关键，至少要求：1)严格执行国家标准规范；2)善于听取用户意见，从使用者吸取营养；3)与工程施工安装结合，设计应便于实施。(2)施工安装是重要因素。好的设计方案在图纸上，实施是真功夫：1)较好了解设计要求；2)应用现代先进施工工具和技术；3)严格管理、监控、精心施工。,49,(3)优质电器设备材料是优质工程的基础 1)合理、正确选择电器、线缆；2)严防假冒伪劣产品。(4）良好的设计、优秀工程，还需要科学的运行维护管理：1）科学、有序的运行、维护管理；2）定期检查检测、维护。END!2016年5月12日,50,
