配电系统的接地与漏电保护器的配置技术

1、文章编号 :1004 289X(2003 05-0017-05配电系统的接地与漏电保护器的配置技术 陈振生(常州太平洋自动化技术有限公司 , 常州 213022摘要 :论述了配电系统的接地方式及适用范围 , 文章在 简述了 RCD 原理后 , 指出了正确使用 RCD 方法。 关键词 :TN 系统 ; T T 系统 ; IT 系统 ; RCD 保护 ; 接地 ; 接零中图分类号 :TM 72文献标识码 :AT he Configuration T echno logy of G ro unding and Residual CurrentProtect ing Device of the Dis

2、tribution Sy stemCH EN Zhen -sheng(Changzhou Pacific Automation T echnique Co. , Lt d, Chang zhou 213022, China Abstract:T he paper ex pounds the g rouding m ethod and the sco pe of the distrubition system . After presenting RCD principle, it adv ances to use RCD method cor rectly.Key w ords:TN sy s

3、tem ; T Tsytem ; IT sy stem ; RCD protection ; gr ouding ; co nnect neutral1概述电能是一种即发既用、 便于传输、 使用方便的清洁 能量。 随着我国工农业迅速发展 , 我国电力工业发展速 度飞快 , 2000年我国发电量 1368. 5TWH , 发电装机 容量达到 319GW , 均居世界第二位 ; 随之电气化水平 也得到了极大提高 , 电能已经成为工农业生产及人们 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

4、工业、 医疗及 农业灌溉 , 现在电能正愈来愈多地用来改善居住环境 等。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 , 也可免除单 相接地后的不对称性。 这种接地方式下 , 接地故障所产 , 靠。中

5、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 , 除某些特 殊情况 外 , 绝大部分是中性点接地系统 , 其目的是为了防止绝 缘损坏后使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 r 0接地 , 电气设备外壳不接地。 当外壳带电 u x 时 , 有人 触及外壳 , 此时流过人体的电流为I ren =u xr r en +r 0式中 :u x 相电压 (V ;r ren

6、 人体电阻 ( ;r 0接地装置电阻 ( 。由于 r 0 r r en , 而 r r en 1500 , 则I ren 15000. 147A, 这值远大于安全允许值。 2漏电保护器国家标准 GB16917. 1-97 家用或类似 用途带 17 电气开关 (2003. N o . 5 图 1 380/220V 中 性点接地系统准规定 , 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

7、点接地系统 (T T 和 T N 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。图 2漏电保护器的 工作原理图在正常情况下 (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I A +I B +I C +I N =0因此各相线电流在零序电流互感器铁心中所产生 磁通向量之和也为零 , 即A + B + C + N =0当有人触电或出现漏电故障时 , 即出现漏电电流

8、, 这时通过零序电流互感器的一次电流向量和 不再为 零 , I =I A +I B +I C +I N =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 , 如果达到整定值 ,使励磁线圈 T L 通电 , 驱动主开关 CB , 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 (GB 6829-86 规定为 0. 006, 0. 01, 0. 015, 0. 03, 0. 05, 0. 075, 0. 1, 0. 2, 0

9、. 3, 0. 5, 1, 3, 5, 10, 20A 计十五个等级 , 在 0. 03A (30mA 以下为高灵敏度 , 0. 031A 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允许的三相不平衡漏电流。国家 标准规定 I n 0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突然施加漏电动作电流起到被保护 主电路完全被切断为止这段时间 , 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类型。 2. 2.

10、 4灵敏度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 :=2I (E 2副边绕组中感应电动势模 ; I 是一次漏 电流的模 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 :2I 1=1/(1Z m N 2+2Z L N 1sin ! 2+(2Z Lcos ! 2采取加大铁心截面积 , 增加 N 1匝数 , 可以增加励 磁阻抗 Z m , 及增加负载阻抗 Z L , 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

11、计规范“ (JGJ /T 16-92 标 准中将低压配电系统分为三种 , 即 T N 、 T T 、 IT 三种形 18 电气开关 (2003. N o .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

12、用保护接地线 (PE 。3. 2 T N 系统电力系统的电源变压器的中性点接地 , 根据电气 设备非露导电部分与系统的连接不同方式又 可分三 类 :即 TN -C 系统 ; T N -S 系统 ; T N -C -S 系 统。下面进行分别叙述。3. 2. 1 TN -C 系统 (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。图 3 T N 0系统 (三极四线 图 4 T N S 系 统 (三极四线 图 5 T N C S 系统 (三极四线 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 ,

13、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。 T N -C 系统一般采用零序电流保 护。 TN-C 系统适用于三相负荷基本平衡场合 , 如果三相负荷不平衡 , 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。 T N -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. 2 TN -S 系统 (图 4整个系统的中

14、性线 (N 与保护线 (PE 是分开的。 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 , 如果线路较长 , 可在线路首 端装设 RCD, 靠它切断故障电流。 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。 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。 T N -S 系统适用于工业企业、 大型民用建筑。 3. 它由两个接地系统组成 , 第一部分是 T N -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。 当电气设备发生单相碰壳 , 同 T

15、 N -S 系统。 当 N 线断开 , 故障同 T N -S 系统。 T N -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 T N-C-S 系统提高了操作人员及设备的安 全性。3. 3 T T 供电系统 (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 L B 相碰壳接地 , 环路阻抗 Z =Z L +Z PE +Z f +R A +R B 式中 :Z L 相线阻抗 ; Z PE 线阻抗 ;Z f 相线与外壳间

16、接触电阻 ; R A 用电设备接地电阻 ; R B 电源中性点接地电阻。由于 Z L , Z PE , Z f 很小 , 可忽略 , 所以接地电流I d =0Z =R A+R B19 电气开关 (2003. N o . 5 图 6 TT 系统I d =I d1. 5U 0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 ;I d 单相短路电流 (A 。 所以 R A (15/29 R B如果 R B <4 , 则 R A <29 R B =2. 07 ; 接地电阻R A <2. 07 的要求极其苛刻 , 较难实现 , 因此一般要 求取值范围为 4 10 。如

17、果 R A 4 , 则 I 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允许最大整定值列于表 1。由表 1可以知道 R A =4 时 , 熔断器熔体的额定 电流 I e 4A 或 I e 2A , 而低压断路器瞬时动作整定 值 I e 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 T T 接地系统的保护电器。因此要采用 RCD 保护电器。表 1 TT 系统保护装置允许最大整定值R A ( 规 定 时 间 内 切 断 故 障 断 路 器

18、动作电流 (A 熔 断 器 熔 体 额 定电流 I e(A 断 路 器 动 作 额 定电流 (A切 断 故 障 电 流 时间 ( S 5 0. 4瞬时或短延时4 12. 5421110 54. 952 T T 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。如果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. 4 IT 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

19、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。图 7 T T 系 统下面分析发生单相短路故障时 (这里只论述 图 7(b 的情况。 在发生第一次接地故障时 , I d U /(Z +R A +R B +Z 1+Z 2式中 Z 配电系统中性点的阻抗 ; R A 用电设备的接地电阻 , 一般 R A 4 ; R B 配电设 备中性点的接地 电阻 , 一 般 R B 4 ; U 电源相电压 , 220V ; Z L 相线电阻 ; Z 相线与外壳之间接触电阻。 Z L , Z f 数值很小 , 略去不计。 Z 的阻抗 IEC 标准推 荐

20、 5倍于相线电压数值 ,所以 Z =5×220 1000所以 I d 220/(1000+4+4 =0. 218(A 所以设备外露部分的电压 :U f I d R A =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 , M 1设备的 L 3相接地 , M 2设备的 L 2相接地时 , 必须满足 R A I a 50V 及 R C *I C 50V, 式中 I a , I c 分别为 M 1, M 2保护 器的动作电流。在一般情况下 , 取 R A

21、 -R C -4 , 则 I a -I c 50V /4 =12. 5A ; 如果采用熔断器或空气断 路器作保护时 , IT 系统只能供出小容量负荷。 如果采用 RCD, 则 IT 系统 可以供出较大负荷量。20 电气开关 (2003. N o . 5 图 8电气设备外露导电部分各自单独 接地的 IT 系统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 V r /R s , 式中 :V r 安全触电电压 , 特别潮湿场所为 2. 5V , 潮湿 场所取 25V , 而干燥场所取 56V ; R s 为设备外露导电 部分接地电阻。如果有二级保护 , 图

22、9示出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 150A, 动作电流 取 100300mA , 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 30m A, 动作时间 0. 4s 。图 9两级保护动作时间与动作电流的配合如果多级漏电保护时 , 多级漏电保护 I n1 3I n 2t 1 t fd , 式中 , I n 1是上一级 , I n 2为下一级 RCD 额定动 作电流 , t 1为上一级 RCD 可返回的时间 ; t fd 为下一级 RCD 分、 合断时间。如 果要采取三级保护 , 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 =30 4. 2安装漏电保护器的注意事项 漏电保