1、低壓配電系統故障防護和保護電器選擇中國航空規劃設計研究總院任元會二0一六年五月十二日11 1、接地故障防護的意義接地故障防護的意義 配電系統的核心問題是保證用電安全、可靠和節能三原則；而故障防護是關系到用電安全、供電可靠的重要因素。 低壓配電系統故障有三種：短路、過負荷、接地故障。 前兩種統稱為過電流，其后果是導致配電線路和電氣設備的過熱，使其溫度急劇上升（或緩慢上升），如沒有正確的防護措施，將導致導體的過熱，超過其最終溫度（極限溫度），以致損壞（主要是絕緣損壞），更嚴重的后果是導致電氣火災。 而接地故障，除了能產生上述后果外，還將使電氣裝置的外露可導電部分帶電，可能使操作人員接觸危險電壓而觸

2、電。此乃我們面臨的最值得關注的問題，也是需要研究的重點。2歷史的回顧名稱的演繹 1983年低壓配電設計規范(GBJ84-83)稱為“單相短路保護”，顯然是不恰當的； 1995年低壓配電設計規范(GB50054-95)改稱為“接地故障保護”，是重大進步； 2011年低壓配電設計規范(GB50054-2011) )改稱為“間接接觸防護”，按IEC的理念； 2011年后GB16895.21-2011稱為“故障防護”，按IEC名詞。32、故障防護的要求故障防護的要求絕緣損壞或失效，使外露導電部分帶電，歸納起來，應采用兩大措施。（1）在規定時間內自動切斷電源1）依靠保護電器（斷路器或熔斷器）的合理設置及

3、正確整定。2）切斷時間不應大于表1的規定(交流) 4（2）降低故障時外露導電部分的接觸電壓1）防電擊類別為類的電氣設備（實際上絕大多數為類），其外露導電部分應連接PE線而接地。當發生接地故障時，如果不能按表1規定的時間內切斷電源時，則故障電流在PE線上產生的電壓降，就是外露導電部分對地的接觸電壓（見圖1和圖2）通常可達 的1/2（當 = 時）或1/3 （當 =1/2 時）； =220V的系統，此電壓接近110V或147V，遠大于安全特低壓電路（SELV）。2）措施是做等電位聯接，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，對于下列情況，還需要增設附加防護措施：1）

4、電流小于和等于20A的普通插座；2）電流小于等于32A的戶外移動設備。附加防護采用剩余電流保護器（RCD），其額定剩余動作電流 30mA,而不能代替其他基本防護和故障防護措施。peSphSpeSphS0UpeSphS0U0U5673、低壓配電系統的接地型式及應用低壓配電系統的接地型式及應用（1）三種接地型式1）TN接地型式：按PE和N導體的分合，又可分為TN-C、 TN-S 和TN-C-S三種。2）TT接地型式：外露導電部分的保護接地和電源的功能接地完全分開。3）IT接地型式。8（2）特點和故障防護要求1）TN系統故障電流（ ）大，通常可以通過電流保護電器（斷路器、熔斷器）保護。但遠離變電所，

5、線路截面不大（如道路照明）， 可能較小，過電流保護電器難以滿足動作要求，需要采用RCD保護，見圖2。2）TT系統故障電流小，通常不能用過電流保護器，應采用RCD作保護，見圖3。3）IT系統故障電流更小，僅為毫安級，其接觸電壓也小，可以帶故障繼續運行，而不切斷電源，但應發出報警；萬一發生第二次接地故障（異相），則應按TN系統（外露導電部分共同接地時）或TT系統（各用電設備分別接地時）切斷電源。910（3）應用場所1）建筑物（工業及民用）內一般用TN，并作等電位聯結，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，防電擊條件等同于TN-S，抗共模電壓干擾比TN-S更好

6、。2）TT系統不像TN系統那樣通長的PE導體傳導故障電壓，TN依靠等電位降低接觸電壓，所以在難以作等電位聯結的戶外場所（如道路照明、庭院燈、施工場地）應采用TT系統。3）要求供電可靠，不能斷電的場所，適宜采用IT系統，如醫院手術室，消防用電，應急系統，還有礦井、鋼鐵等重要生產場所。4）變電所低壓側PE的連接 變電所低壓側中性點不能直接接地；應引出一條導體，實為PEN導體，連接到低壓配電屏，該PEN導體必須對地絕緣；對于兩臺或多臺變壓器的變電所，各變壓器中性點引出的PEN導體應在低壓屏上連接后，從PEN導體的一點接地，引出PE導體，該PE導體可以多點接地，見圖。1112（4）同一低壓配電系統不同

7、接地型式的應用1）同一變電所的低壓配電系統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，見圖1，但不能直接引出IT系統。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TN-C，TT后面不可能出現TN-C或TN-S。4）低壓饋電線為TN時，后面可設置隔離變壓器，以形成局部IT系統，此隔離變壓器的二次側的任何帶電導體不允許接地，類似電源不接地的IT系統。5）變壓器低壓側中性點引出的導體屬于PEN，一旦N導體分離后，必須對地絕緣，不允許和地（包括大地、PE導體、設備的外露導電部分）有任何連接

8、，N線重復接地的做法是完全錯誤的。134、TN系統的故障防護系統的故障防護（1）TN系統中配電線路的故障防護電器的動作特性應符合（1）的要求：14（2）設計實施1)采用斷路器的瞬時過電流脫扣器時，應滿足式（2）的要求：2）采用熔斷器保護時，應滿足式(3)的要求：155、TT系統的故障防護系統的故障防護1）TT系統采用RCD作故障防護應滿足式（4）的要求TT系統通常采用RCD作故障防護；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，這樣是不經濟的，也沒有必要。16（2）設計實施1）設計中確定 值，應保證正常運行中不會發生因正常泄漏電流導致的誤動作，而發生故障時，一定要在表1規定的時間內

9、可靠動作。為達到上述兩項要求，應符合下列兩式的規定：17）外露導電部分接地電阻值得確定 按系統的接線圖和等效電路圖（見圖）。若忽略相導線電阻可得的計算式： （） A式中：變壓器低壓側中性點系統接地電阻（）。將式（）代入式（），經整理后可得 A（） 當確定后，按式（）計算出A的最大允許值。請在此輸入您的標題設定為（分四檔），計算得A最大允許值于表所列：3）外露導電部分接地電阻 阻值確定按TT系統的接線圖和等效電路圖（見圖3）若忽略相導體電阻 ，可得 的計算式： phSdI2021設定 為100mA(分4檔)，計算的 的最大允許值列與表2，僅供計算參考。226 6、等電位聯結等電位聯結 equip

10、otential bonding equipotential bonding（1）作用和類別1）等電位聯結可分為兩類，其作用如下：a）保護等電位聯結：為防電擊，保護人身安全的目的進行的等電位聯結。b) 功能等電位聯結：為保證系統正常運行而進行的等電位聯結。2）保護等電位聯結究其作用范圍可分為3種：a）總等電位聯結：將總保護導體、總接地導體和總接地端子，以及建筑物內金屬構件（鋼樑、鋼柱、鋼筋等）和金屬管道等可導電部分連接在一起，見圖5。b）輔助等電位聯結：將可導電部分之間直接連通，使這些導電部分電位相等或接近。c）局部等電位聯結：在局部范圍內將各可導電部分連通，以進一步降低接觸電壓。2324（2

11、）等電位聯結和接地的關系 就防電擊而言等電位聯結和接地是兩種保證電氣安全的措施，而等電位聯結更為有效；但就泄放電流和凈電荷，則必須接地。 等電位聯結是使可觸及的各可導電部分之間的電位相同或接近，并不一定要接地，比如飛機上是有很好的等電位聯結，但沒有接地，防電擊十分有效。 事實上，在建筑物內的等電位聯結，由于和建筑物金屬結構體、基礎鋼筋連接，必然是接地的，不一定專設人工接地極。 至于還有一種故障防護措施，是采用在非導電場所內，要求設置“不接地的等電位聯結”，這種情況下，就不允許接地了，當然，就不能和建筑物金屬構連接了。25（3）等電位聯結的措施1）可導電部分劃分為兩類：a）外露導電部分應為“電氣

12、裝置的外露導電部分”；b）外部導電部分，或“裝置外可導電部分”，指金屬結構構件、水暖管道等。2）外露導電部分的連接：通過PE導體將所有類的電氣設備（配電箱、控制箱等）和用電設備連接在一起，不需要任何其他措施。見圖5。3）外部導電部分的連接：所有外部等電位部分均連接到“總等電位連接”母排上，此母排應和總配電箱內的PE母排相連接，見圖5。4）所有建筑物（工業、公共和居住建筑）均應在引入處就近的地點做總等電位連接。265）屬于下列情況之一的，應再做局部等電位聯結或輔助等電位聯結：a）發生故障時，保護電器不能滿足自動切斷電源要求的；b）配電箱或配電回路同時給固定式或手持式、移動式用電設備供電時，當不能

13、滿足式9要求的。c）特殊危險場所，對防電擊有更高要求的，如浴室、家庭及賓館的洗浴室，醫院的1、2類場所，和有火災危險和爆炸危險環境等。27（4）PE導線的要求1）可以作為PE導線的有a)和相導體穿在同一套管內的導線；b)多芯電纜中的一根芯線；c）單獨固定敷設的裸導體或絕緣導體（應與相導體靠近）（注）（注）d）連接可靠滿足截面要求的穿線鋼管、電纜金屬護套、電纜鎧裝、電纜屏蔽層，以及金屬槽盒。( (注注) )2）以下金屬部分不允許作為PE導體或保護聯結導體。a)金屬水管；b)正常承受機械應力的結構件；c)柔性或可彎曲的金屬導管；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（

14、5）PE導體的截面1）簡易法：29（2）截面較大時，按簡易法確定 往往偏大，應按式（10）計算。303）不與相導體共處于同一外護物內的PE導體的截面積不應小于：a) 有機械損傷防護時：銅2.5 mm2，鋁16 mm2 ；b）無機械損傷防護時：銅4 mm2 ，鋁16 mm2 ；4）TT系統的PE導體截面不超過銅25 mm2 ，鋁35 mm2 。5）兩個或多個回路敷設在一起時，可共用一個PE導體，其截面應按最大一回路的要求確定。 316）永久連接的用電設備的PE導體預期電流超過10mA時，PE導體截面應符合下列條件之一: a) 銅導體不應小于10mm2 ，鋁不應小于16mm2 ； b)不滿足a)項

15、要求時，應為該用電設備敷設第二根PE導體，和第一根PE同截面，并連接到單獨的接線端子； c）采用銅芯PE導體和銅芯相導體在一根多芯電纜中時，電纜中銅導體截面積總和不應小于10mm2 ； d）PE導體穿金屬管，并與金屬導管并接時，其截面不應小于2.5mm2 。7）PEN導體要求： a）PEN導體截面不應小于：銅10 mm2 ，鋁16 mm2。 b) 外部可導電部分不允許并作PEN導體。32（6）PE導體施工及其他要求1）應采用連接器或螺栓連接。2）PE導體及PEN導體中，不應插入任何開關器件、隔離器。337、保護、保護電氣電氣的選擇與整定的選擇與整定 前面論述了故障保護的要求，還有過電流保護要求

16、，都應落實到配電系統的保護電器（斷路器、熔斷器）的選擇和參數的整定，以及線路導體截面的確定。 保護電器的選擇，除符合電壓、頻率和環境條件等基本要求外，應符合下列六項要求。（1）故障防護1）采用斷路器的瞬時過電流脫扣器時，按式（2）確定；2）采用熔斷器時，按式（3）確定；3）采用RCD時，按式（4）及式（5）或（6）確定。34（2）設計實施1) 采用斷路器的瞬時過電流脫扣器時，應滿足式（2）的要求：2）采用熔斷器保護時，應滿足式(3)的要求：355、TT系統的故障防護系統的故障防護1）TT系統采用RCD作故障防護應滿足式（4）的要求 （4） TT系統通常采用RCD作故障防護；除非故障回路阻抗特別

17、小，也可用斷路器或熔斷器作故障防護，這樣是不經濟的，也沒有必要。36（2）設計實施 1）設計中確定 值，應保證正常運行中不會發生因正常泄漏電流導致的誤動作，而發生故障時，一定要在表1規定的時間內可靠動作。為達到上述兩項要求，應符合下列兩式的規定：37（2）短路保護1）應符合式（11）的要求：注：式（11）與式（10）相同，式（10）用于PE導體熱穩定計算，式（11）用于相導體熱穩定計算，其區別在于K值不同，因兩種導體的初始溫度不一樣。382)當t0.1s時，應計入非周期分量的影響，為此，應該式(12)計算：39(2)過負荷保護1）過負荷保護電器的動作特性，應符合式（13）或式（14）的要求：4

18、02）實施：鑒于 I2值是產品標準規定的參數，工程應用不方便，作如下變換。a 采用斷路器時，按國標GB14048.2-2008 按國標GB10963 經代入式（14）后，結果式（14）已包含在式（13）中，即滿足式（13）即已滿足式（14）。b 采用熔斷器時，按國標GB13539.1-2008（10），當 16A時， =1.6 。按標準實驗分析，結果是 16A時，符合式（13）即滿足式（14）規定，僅適用gG型熔斷器。注： 熔斷器熔體額定電流（A）。2015-05-1241（4）用電設備啟動要求以籠型電動機直接啟動為代表，選擇要求如下：1）采用斷路器時，應符合式（15）要求：422）采用熔斷器

19、時a）宜選用“部分范圍分段電動機專用”的aM型熔斷器，應符合式（16）要求：b）當選用“全范圍分段一般用途”的gG型熔斷器時，宜按式（17）選擇：注：aM型熔斷器不能作過負荷保護；而電動機終端回路的過負荷保護時依靠熱繼電器實施。43（4）選擇性動作 為提高供電可靠性，便于維修，故障時應縮小停電范圍，要求配電線路的上下級保護電器的動作特性應具有選擇性。1）采用熔斷器： gG和gM型熔斷器；當弧前時間大于0.01s時，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

20、路器：非選擇型斷路器（具有反時限和瞬時動作脫扣器）：僅具有局部選擇性；b) 選擇型斷路器（具有反時限、定時限和瞬時動作脫扣器）：依靠定時限（短延時）脫扣器的正確整定，可保證選擇性，但應符合式(18)要求。44 上級斷路器除符合式（18）要求外，其瞬時過電流脫扣器的整定電流還應大于下級斷路器出線端的最大短路電流，以避免破壞選擇性。如有裝有兩級選擇型斷路器時，上級定時限脫扣器之 比下級大1.3倍外，其延時時間也應比下級的延時大至少0.15s。453)采用RCD 上級RCD的額定剩余動作電流 至少應比下級RCD的 大3倍，末端回路的RCD應為瞬時動作（當故障電流大于5 時，其動作時間不超過0.04s），而上級RCD應選用延時型