配电系统的接地与漏电保护器的配置技术

北极星电力网技术频道作者:佚名 2007/12/18 1:44:06

关键词: 漏电保护器漏电漏电保护

作者：陈振生

电能是一种即发即用、便于传输、使用的清洁能源。我国电力工业发展速度２０００年全国发电量为１３６８．５ＴＷＨ发电装机容量达到３１９ＧＷ，居世界第二位。电气化水平也得到了极大提高。电能已经成为我国各方面建设及人们生活中不可缺少的能源。电能的使用已遍及各行各业。如：电能用于金属熔炼、焊接、切割及金属热处理，用于电解、电镀及电化加工，电能还用于运输工业、医疗及农业浇灌等。现在，电能正愈来愈多地用来改善居住环境等。

　１接地方式

长期以来，电力安全运行及正确使用电能一直是人们关心的问题，而配电系统的正确接地及有效保护技术又是安全利用电能的重要方面。
电力系统中，有两种接地方式，即中性点直接接地（亦称大电流接地系统），另一种是中性点不接地（或经消弧线圈接地，亦称小电流接地系统）。在１１０ｋＶ及以上的高压或超高压电力系统中，一般采用中性点直接接地，这是为了降低高压电器设备的绝缘水平，也可以防止在发生接地故障后产生的过电压，可免除单相接地后的不对称性。这种接地方式下，接地故障所产生的零序电流足够使继电保护灵敏动作，所以保护可靠。
中压配电系统一般中性点不接地，所以，一旦发生单相接地故障，系统还能在不对称方式下运行二个小时。但是地下电力电缆大量使用及城市用电负荷急增，不少地方已开始采用中性点接地方式。
对３８０／２２０Ｖ的低压配电系统，除某些非凡情况外，绝大部分是中性点接地系统，其目的是为了防止绝缘损坏后运行人员遭受触电的危险。
这里举一例说明（见图１），低压三相四线制变压器二次侧中性点经接地，电气设备外壳不接地。当外壳带电时，有人触及外壳，此时流过人体的电流为：
Ｉｒｅｎ＝
式中：ｕｘ——相电压（Ｖ）
ｒｒｅｎ——人体电阻（Ω）
ｒ０——接地装置电阻（Ω）
由于ｒ０＜＜ｒｒｅｎ≈１５００Ω，则Ｉｒｅｎ≈≌０．１４７Ａ，结果远大于安全答应值。

２漏电保护器

国家标准ＧＢ１６９１７．１—９７《家用或类似用途带过电流保护的剩余电流动作断路器的一般要求》等标准规定，漏电保护器可分：
（１）漏电动作开关（仅有漏电保护的保护器）；
（２）漏电动作断路器（带过载、短路和漏电三种功能保护器）；
（３）漏电继电器（仅有漏电报警功能的保护器）。
２．１保护器的工作原理
漏电保护是一种电流动作型漏电保护，它适用于电源变压器中性点接地系统（ＴＴ和ＴＮ系统），也适用于对地电容较大的某些中性点不接地的ＩＴ系统（对相－相触电不适用）。
漏电保护器工作原理见图２。三相线Ａ，Ｂ，Ｃ和中性线Ｎ穿过零序电流互感器，零序电流互感器的副边线圈接中间环节及脱扣器。
在正常情况下（无触电或漏电故障发生），由克氏电流定律知道：三相线和中性线的电流向量和等于零，即：
＋＋＋＝Ｏ
因此，各相线电流在零序电流互感器铁芯中所产生磁通向量之和也为零，即：
＋＋＋＝０
当有人触电或出现漏电故障时，即出现漏电电流，这时通过零序电流互感器的一次电流向量和不再为零，即：
Δ＋＋＋≠０　
零序电流互感器中磁通发生变化，在其副边产生感应电动势，此信号进入中间环节，假如达到整定值，使励磁线圈通电，驱动主开关，立即切断供电电源，达到触电保护。
２．２漏电保护器性能参数说明
2.2.1额定漏电动作电流（I△n）
它是指在规定条件下，漏电保护器必须可靠动作的漏电动作电流值。国家标准（ＧＢ６８２９—８６）规定为０．００６、０．０１、０．０１５、０．０３、０．０５、０．０７５、０．１、０．２、０．３、０．５、１、３、５、１０、２０Ａ计１５个等级，在０．０３Ａ（３０ｍＡ）以下为高灵敏度，０．０３～１Ａ为中灵敏度，１Ａ以上为低灵敏度。
2.2.2额定漏电不动作电流（I△n0）
这是为防止漏电保护器误动作的必需技术参数，即在电网正常运行时答应的三相不平衡漏电流。国家标准规定I△n0不得低于I△n的1/2。
2.2.3漏电动作分断时间
动作时间是从忽然施加漏电动作电流开始到被保护主电路完全被切断为止。为达到人身触电时的安全保护作用和适应分级保护的需要，漏电保护器分快速型、延时型及反时限型三种。
2.2.4灵敏度α
一般漏电信号电流不可能很大，又要保证人身安全，我国规定的３０ｍＡ信号电流可直接接触保护，国外可小到６ｍＡ。
漏电互感器的灵敏度由下式表示：
α＝
式中：
Ｅ——副边绕组中感应电动势模；
Ｉ——一次漏电流的模。
α反应了漏电互感器对漏电流的反应能力。根据电磁感应原理计算得到：
＝１／
采取加大铁芯截面积，增加匝数Ｎ１，可以增加励磁阻抗Ｚｍ，及增加负载阻抗ＺＬ，则可以得到高的灵敏度。

　　３低压配电系统的接地

３．１三种接地系统
在我国的《民用电气设计规范》（ＪＧＪ／Ｔ１６—９２）标准中将低压配电系统分为三种，即ＴＮ、ＴＴ、ＩＴ三种形式。其中，第一个大写字母Ｔ表示电源变压器中性点直接接地；Ｉ则表示电源变压器中性点不接地（或通过高阻抗接地。第二个大写字母Ｔ表示电气设备的外壳直接接地，但和电网的接地系统没有联系；Ｎ表示电气设备的外壳与系统的接地中性线相连。
ＴＮ系统：电源变压器中性点接地，设备外露部分与中性线相连。
ＴＴ系统：电源变压器中性点接地，电气设备外壳没有专用保护接地线（ＰＥ）。
ＩＴ系统：电源变压器中性点不接地（或通过高阻抗接地），而电气设备外壳没有专用保护接地线（ＰＥ）。
３．２ＴＮ系统
电力系统的电源变压器的中性点接地，根据电气设备外露导电部分与系统连接的不同方式又可分三类：即ＴＮ—Ｃ系统、ＴＮ—Ｓ系统、ＴＮ—Ｃ—Ｓ系统。下面分别进行介绍。
3.2.1TN—C系统（见图3）
其特点是：电源变压器中性点接地，保护零线（ＰＥ）与工作零线（Ｎ）共用。
（１）它是利用中性点接地系统的中性线（零线）作为故障电流的回流导线，当电气设备相线碰壳，故障电流经零线回到中点，由于短路电流大，因此可采用过电流保护器切断电源。ＴＮ—Ｃ系统一般采用零序电流保护；
（２）ＴＮ—Ｃ系统适用于三相负荷基本平衡场合，假如三相负荷不平衡，则ＰＥＮ线中有不平衡电流，再加一些负荷设备引起的谐波电流也会注入ＰＥＮ，从而中性线Ｎ带电，且极有可能高于５０Ｖ，它不但使设备机壳带电，对人身造成不安全，而且还无法取得稳定的基准电位；
（３）ＴＮ—Ｃ系统应将ＰＥＮ线重复接地，其作用是当接零的设备发生相与外壳接触时，可以有效地降低零线对地电压。
3.2.2TN—S系统（见图4）
整个系统的中性线（Ｎ）与保护线（ＰＥ）是分开的。
（１）当电气设备相线碰壳，直接短路，可采用过电流保护器切断电源，假如线路较长，可在线路首端装设ＲＣＤ，靠它切断故障电流；
（２）当Ｎ线断开，如三相负荷不平衡，中性点电位升高，但外壳无电位，ＰＥ线也无电位；
（３）ＴＮ—Ｓ系统不必重复接地，因为重复接地后对Ｎ线断后保护设备作用不明显；
（４）ＴＮ—Ｓ系统适用于工业企业、大型民用建筑。
3.2.3TN—C—S系统（见图5）
它由两个接地系统组成，第一部分是ＴＮ—Ｃ系统，第二部分是ＴＮ—Ｓ系统，其分界面在Ｎ线与ＰＥ线的连接点。
（１）当电气设备发生单相碰壳，同ＴＮ—Ｓ系统；
（２）当Ｎ线断开，故障同ＴＮ—Ｓ系统；
（３）ＴＮ—Ｃ—Ｓ系统中ＰＥＮ应重复接地，而Ｎ线不宜重复接地。
ＰＥ线连接的设备外壳在正常运行时始终不会带电，所以ＴＮ—Ｃ—Ｓ系统提高了操作人员及设备的安全性。
３．３ＴＴ供电系统（见图６）
如图６，电源中性点直接接地，电气设备的外露导电部分用ＰＥ线接到接地极（此接地极与中性点接地没有电气联系）。
（１）当电气设备发生相碰壳接地，环路阻抗Ｚ＝ＺＬ＋ＺＰＥ＋Ｚｆ＋ＲＡ＋ＲＢ
式中：
ＺＬ——相线阻抗；
ＺＰＥ——ＰＥ线阻抗；
Ｚｆ——相线与外壳间接触电阻；
ＺＡ——用电设备接地电阻；
ＺＢ——电源中性点接地电阻。
由于ＺＬ、ＺＰＥ、Ｚｆ很小，可忽略，接地电流：
Ｉｄ＝＝
按ＪＧＪ／Ｔ１６—９２标准规定ＲＡ·Ｉ＇ｄ≤５０Ｖ，及Ｉ＇ｄ＝
Ｕ——相电压；
Ｉ＇ｄ——为低压断路器瞬时或延时过电流脱扣整定值（Ａ）；
Ｉｄ——单相短路电流（Ａ）。
∴ＲＡ≤（１５／２９）·ＲＢ
假如ＲＢ≤４Ω，则：ＲＡ≤·ＲＢ＝２．０７Ω；接地电阻的要求极其苛刻，较难实现，因此一般要求ＲＡ取值范围为４Ω～１０Ω。
假如ＲＡ≤４Ω，则Ｉａ≈１２．５Ａ。
由ＲＬ１型熔断器特性曲线与自动开关保护特性曲线得到的保护装置答应最大整定值列于下表。
由表可知ＲＡ≤４Ω时，熔断器熔体的额定电流Ｉｅ≤４Ａ或Ｉｅ≤２Ａ，而低压断路器瞬时动作整定值Ｉｅ≤１１Ａ才能保证在规定时间内切断故障回路。在工程上，这么小的整定值是没有实际意义的，另外，容量较大的分支负荷或支路负荷也无法采用熔断器或自动开关作这种ＴＴ接地系统的保护电器，因此要采用ＲＣＤ保护电器。
（２）ＴＴ系统在国外被广泛应用，在国内仅限于局部对接地要求高的电子设备场合，假如在负荷端和首端装设ＲＣＤ而干线末端装有断零保护，则可适用于农村居住区、工业企业及分散的民用建筑等场所。
３．４ＩＴ系统
电力系统的带电部分与大地间无直接连接（或经电阻接地），而受电设备的外露导电部分则通过保护线直接接地（如图７）。
图７（ａ）配电中性点与地绝缘；图７（ｂ）配电中性点经电阻（阻抗）接地；图７（ｃ）配电中性点经阻抗接地而设备外露导电部分接到电源的接地体上。
下面分析发生单相短路故障时的情况这里只论述图７（ｂ）。在发生第一次接地故障时。
Ｉｄ≤Ｕ／（Ｚ＋ＲＡ＋ＲＢ＋ＺＬ＋Ｚｆ）
式中：
Ｚ——配电系统中性点的阻抗
ＲＡ——用电设备的接地电阻，一般ＲＡ≤４Ω
ＲＢ——配电设备中性点的接地电阻，一般ＲＢ≤４Ω
Ｕ——电源相电压，２２０Ｖ
ＺＬ——相线电阻
Ｚｆ——相线与外壳之间接触电阻
ＺＬ、Ｚｆ数值很小，略去不计。按ＩＥＣ标准，Ｚ的阻抗推荐５倍于相线电压数值，
Ｚ＝５×２２０１０００Ω
Ｉｄ≤２２０／（１０００＋４＋４）＝０．２１８（Ａ）
设备外露部分的电压：Ｕｆ≤Ｉｄ·ＲＡ＝０．２１８×４＝０．８７２Ｖ，这个电压不会造成触电伤害，因此第一次出现这种情况，不用切断电源，而是发一个声光告警。
在发生第二次接地故障时（图８），Ｍ１设备的Ｌ３相接地，Ｍ２设备的Ｌ２相接地时，必须满足ＲＡ·Ｉａ≤５０Ｖ及ＲＣ·ＩＣ≤５０Ｖ，式中Ｉａ、ＩＣ分别为Ｍ１，Ｍ２保护器的动作电流。
在一般情况下，ＲＡ＝ＲＣ＝４Ω，则Ｉａ＝Ｉｃ≈５０Ｖ／４Ω＝１２．５Ａ；假如采用熔断器或空气断路器作保护时，ＩＴ系统只能提供小容量负荷。假如采用ＲＣＤ，则ＩＴ系统可以提供较大负荷量。　

　４漏电保护器的配置

４．１漏电保护器的配置技术
一般仅有一级保护，额定动作电流Ｉ△ｎ≤Ｖｒ／Ｒｓ。式中：Ｖｒ——安全触电电压，非凡潮湿场所为２．５Ｖ，潮湿场所取２５Ｖ，而干燥场所取５６Ｖ；Ｒｓ为设备外露导电部分接地电阻。
假如有二级保护，图９表示了两级保护的动作时间和动作电流的配合关系。其第一级的目的是为了防止人身间接接触触电，被保护电网面积大负载电流大，通常１５０ｋＶＡ变压器总出线电流２１６Ａ，动作电流取１００～３００ｍＡ，而动作时间为０．２ｓ以上；其第二级的目的是防止直接接触触电事故，被保护电网覆盖小，动作电流选３０ｍＡ，动作时间≥０．０４ｓ。
假如多级漏电保护时，多级漏电保护Ｉ△ｎ１≥３Ｉ△ｎ２ｔ１≥ｔｆｄ，式中，Ｉ△ｎ１是上一级，Ｉ△ｎ２为下一级ＲＣＤ额定动作电流，ｔｆｄ为上一级ＲＣＤ可返回的时间；ｔｆｄ为下一级ＲＣＤ分、合断时间。
假如要采取三级保护，则（１）末线路端用电设备Ｉ△ｎ＝３０ｍＡｔ≤０．１ｓ；（２）分支路选择ＲＣＤ，取Ｉ△ｎ＝１００ｍＡｔ≤０．３ｓ；（３）干线选择Ｉ△ｎ＝３００ｍＡｔ≤１ｓ。
４．２安装漏电保护器的注重事项
（１）漏电保护器能否正常工作，它与接地方式及安装方式有很大关系。这里仅举一例说明Ｉ△ｎ＝１００ｍＡｔ≤１ｓ。
由于两个漏电保护器出线后的线路混用（见图１０），而造成两个漏电保护器不能同时供电。
图中，由于临时将照明灯泡跨接在两个漏电保护器出线后的相线与中性线之间，它是跨接在２ＬＤＢ中的相线与的１ＬＤＢ中性线之间，当灯泡亮后，其相线电流流经２ＬＤＢ和１ＬＤＢ回到中线，很明显２ＬＤＢ使出现不平衡电流，１ＬＤＢ中也出现差流，从而２ＬＤＢ和１ＬＤＢ一起动作，切断了电源，因此造成两个回路都无法正常工作。
（２）安装漏电保护器时，一定要注重线路中中性线的正确接法，即工作中性线一定要穿过漏电电流互感器，而保护中性线决不能穿过漏电电流互感器，如图４—（ａ）（即ＴＮ－Ｓ系统）。　　５结论
（１）不同的接地方式应选用不同的接地保护器。ＴＴ系统中，ＲＣＤ是接地故障的适合保护器；而在ＴＮ－Ｃ系统，就不宜采用ＲＣＤ；在ＴＮ－Ｓ，ＴＮ－Ｃ－Ｓ系统，均可采用ＲＣＤ作保护器。
（２）为了达到保护人身安全，又不要扩大停电范围，要正确选择ＲＣＤ的分级保护。
（３）安装ＲＣＤ保护，要防止接地方式混乱，及接地、接零混用。还要正确使用，使用不当也会造成停电或事故。

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