TN低压配电系统单相接地故障的保护

1、TN低压配电系统单相接地故障的保护0引言在TN接线的低压配电系统中，单相接地为此系统短路电流最小的故障方式。当TN系统 发生单相接地故障时，确保保护电器能可靠动作是低压配电系统电气设计中的重要内容。但 由于TN系统单相接地故障电流计算复杂，计算结果通用性不强，导致实际电气设计中设计 人员未对单相接地故障发生时保护电器动作的可靠性进行校核。针对此种情况，本文对保护 计算的目标值进行了调整，并推导出配套的算式算法，使计算结果更具有通用性，同时针对 采用短路保护兼作接地故障保护时保护电器不能可靠动作的情况进行了应对策略分析。1单相接地故障保护在电气设计规范中单相接地故障保护属于间接接触防护，其防护电

2、器的动作特性 应符合下式要求：式中：-接地故障回路的阻抗（）；-相导体对地标称电压（）；-保证间接基础保护电器在规定时间内切断故障回路的动作电流（）；在满足式要求时，当发生单相接地故障时保护电器能可靠动作。2采用断路器过电流保护兼作接地故障保护的灵敏度校验对于TN系统单相接地故障保护，最经济的做法是采用保护电器的短路保护兼作接地故 障保护。由于单相接地故障的故障电流较小，当用电设备供电电缆超出一定长度时，会导致 线路末端单相接地故障电流 小于保护电气的可靠动作电流。此时保护电器可能拒动，不 能有效起到保护作用。当采用断路器作为防护电器时，规范要求被保护线路末端的短路电流不应小于断路器瞬 时或短

3、延时过流脱扣器整定电流的1.3倍。在配电手册区中给出的校验方法亦是如此。对此配电手册中给出了 TN系统单相接地故障电流 计算式：上式中:-短路电路的相线一保护线回路(以下简称相保，保护线上式中:宝库PE线和PEN线)电阻、相保电抗、相保阻抗，。同时配电手册中给出了 S9、SC(B)9系列10(6)/0.4kV变压器D,yn11与Y,yn0接线方式 下低压侧母线出口处单相接地短路电流计算值，但由于未考虑电缆部分阻抗，对电缆线路末 端单相接地短路时断路器动作灵敏度校验不具备完全的指导意义。3采用断路器过电流保护兼作接地故障保护时最大有效长度计算实际工程设计中，在TN系统中采用断路器过电流保护兼作接

4、地故障保护时，核算其满 足断路器动作灵敏度要求的情况下，最大允许的电缆有效长度比单独校核每个回路电缆末端 单相接地短路时的短路电流是否满足断路器瞬动灵敏度要求更有可操作性与实际意义。由于阻抗是一个复数，其含有实部与虚部，在数值上阻抗可以用下式表达：在以往有些文章4中，在计算最大允许的电缆有效长度时直接将各元件阻值作为一个标 量考虑是不合理的。在计算电缆的有效长度时，可以对(2)、(3)式作如下变换：设满足断路器动作灵敏度要求时最大允许的电缆长度为米，则电缆的相保电阻可以表示为，相保电抗可以表示为，其中 与 分别表示电缆单位长度的相保电阻与相保电抗，令、，则式可以表示为：将(5)式带入(2)式可

5、得：将上式进行化简及配方可得:令：代入(6)式并化简可以求得:式中 为TN接地系统中能使保护电器可靠动作的单相接地短路电流。按式计算的供电线路最大允许长度虽然涉及到的参数较多，但算式本身计算关系较 为简洁明晰，借助于execle等工具能很容易对适用于特定工程的各个等级的断路器出线回 路最大允许长度进行批量计算。表1中给出了高压侧短路容量为100MVA，变压器低压侧相电压为220V，母线规格按图 集03D201-4, P229页取值，母线长度取为20m，各规格变压器(变压器参数按S11系列全密 封电力变压器技术参数取值)采用Dyn11接线，配不同大小出线回路时各出线断路器所接电 缆的最大允许长度

6、。对于多级配电供电电缆的最大允许长度计算，可以将已确定的前几级配电电缆阻抗值计 入 与中，再按式核算当前电缆出线中所允许的最大电缆长度。或按各级配电的电缆 回路按比例进行折算。以500kVA变压器下二级配电线路，一级配电为额定电流100A出线， 二级配电为额定电流为25A出线，上级系统短路容量与变压器接法、母线规格、断路器瞬动 值、配线电缆规格取值均与表1相同为例，若一级额定电流100A的配电线路长40米，查表 1占其最大电缆允许长度的40%，则二级配电线路额定电流25A的出线，其电缆允许长度为 表1所列最大允许长度78米的60%，即二级配电电缆允许长度为46.8米，多级配电情况依 次类推。表

7、1，Dyn11接线时供电电缆最大长度允许值断路器变压器容量,KVA315400500630800100012501600In(A)Im(In)电缆规格电缆最大允许长度,m10105X2.5818181828282828216105X2.5515151515151515120105X4656565656565656525105X6777878787878787832105X1098999999999910010040105X10787979797979808050105X169810010010010110110110163103X25+2X16949596969797979880103X35+

8、2X168283848585868686100103X50+2X259699100101102102103104125103X50+2X257578798081818282140103X70+2X35899496979899100101160103X70+2X357680828385868788180103X95+2X50909699100102104105107200103X120+2X70100108113115118120122124225103X120+2X7084939799103105107109250103X150+2X70768691939799101103315102(3X7

9、0+2X35)2833363739404142350102(3X95+2X50)3138424346485051400102(3X120+2X70)2838434549525456450102(3X120+2X70)1929353741444648500102(3X150+2X70)12233032374042454采用断路器过电流保护兼作接地故障保护不能满足要求时的应对策略提高TN系统接地故障保护动作的灵敏性，配电手册中对此亦进行了分析，可以从以下 2个方向考虑：（1）提高接地故障电流值：尽可能选用Dyn11接线组别变压器取代Yyn0接线组别的 变压器（因Dyn11接线比Yyn0接线零序阻抗

10、要小得多）；加大相导体或保护导体的截面； 改变线路结构，如采用封闭型母线、架空线路改电缆以降低供电线路的电抗值。（2）降低保护电器的动作电流值：采用熔断器或带有短延时的断路器；采用带零序 电流保护的断路器（不适用与谐波电流较大的配电线路）；采用带剩余电流保护的断路器 （不适用于TN-C系统）；对于马达回路可利用其单相接地保护功能或漏电保护功能通过断 路器分励脱扣联跳断路器。5结语TN低压配电系统中单相接地故障是短路电流最小的一种故障方式。在发生此种故障时， 保护电器动作的可靠性，对安全用电与预防电气火灾具有重要意义。但在以往的工程设计中， 由于校验保护电器单相接地故障动作灵敏度是采用特定线路末端单相接地短路电流值与保 护电气可靠动作电流比较进行校验，而线路末端单相接地短路电流计算过程较复杂，计算结 果只能针对特定线路，不具备通用性，导致在实际工程设计中，很多设计师没有对此进行校 验，留下了安全隐患。通过本文所述的计算方法，借助execle等电算工具，可以很方便的 一次性计算出针对特定项目、采用断路器过电流保护兼作接地故障保护的所有TN系统低压 出线电缆最大允许长度，同时给出了电缆长度超过最大允许长度时的应对策略，对工程设计具有很强的指导意义。参考文献GB50054-2011,低压配电设计规范S.北