低压配电系统接地型式与保护配置

摘　要：　概述了各种接地制式的低压配电系统，通过对其在各种故障状态下的分析，指出了它们的应用范围，提出了各自的保护方式，以及如何设计和选择剩余电流保护器(RCD)。
　　在《民用建筑电气设计规范》(JGJ/T16－92)、《低压配电设计规范》(GB50054－95)以及IEC/TC64标准中，按接地制式将低压配电系统划分为IT、TN、TT。在现实的生活中，特别是在偏远的县乡级等基层供电单位的供电施工中，仍然存在接地型式错乱，接地、接零混用、剩余电流保护器(以下简称：RCD)选择错误的现象，且时有发生。如我设计的一住宅小区，50栋住宅楼内电源系统均采用TN－C－S电源，而当地电业部门在小区设计建造的低压配电室，仍按TT系统供电，在配电柜的调试中，RCD无法工作，系统不能正常送电，最后只得拆除改造配电柜，造成了不应有的经济损失和工期延误。由此可知，基层的供电系统的个别技术人员，对低压配电接地制式缺乏应有的认识及了解。另一方面，据近几年的有关统计数据看，农村触电死亡人数逐年上升，电气火灾占火灾总数的比例也逐年递增。在纺织、煤炭、面粉、奶粉、制糖等行业的多尘车间里因电气引起的粉尘爆炸，造成的损失也较为严重。基于以上情况，为防止发生伤亡、火灾事故，杜绝因选择接地制式错误而造成的损失，笔者认为很有必要对低压配电系统接地型式以及发生各种故障状况进行系统地分析。
　　1　IT系统
　　电源端带电部分对地绝缘或经电阻接地，而用电设备外露导电部分直接接地，见图1所示。图1a为配电系统中性点与地绝缘；图1b为配电系统中性点经阻抗接地；图1c为配电系统中性点经阻抗接地，设备外露导电部分接到电源的接地体上。
　　1.1　当发生单相短路故障时
　　因IT有三种接线方式，故单独分析。当发生第一次接地故障时：
　　1.1.1　在图1a中，当电气设备发生第一次单相接地故障时(如图中L1相)，故障电流Id为另外两个非故障相对地电容电流的向量和。如供电线路不长，电容电流很小，不会引起保护装置的动作，碰壳处的故障电压Uf=IdRA(式中RA为设备接地电阻Ω)，远小于人体接触电压限值UL(在干燥场所为50V)，不会发生人体被电击或其它事故。IEC364－4－41(1992)中第413·1·5·1条规定，如果满足Id·RA≤UL，则可不需切断电源，但须设置绝缘监视装置，当发生第一次接地故障时，绝缘监视装置检测出故障，使报警设备动作，发出声光报警信号，维修人员应立即采取措施，消除故障，防止再次发生第二次短路故障使供电中断。如供电线路较长，应考虑故障电压的安全性。
　　1.1.2　在图1b中，第一次接地故障电流Id=　 ，
　　式中Z为配电系统中性点的阻抗；RB为配电系统中性点的接地电阻，一般RB≤4Ω；RA为用电设备的接地电阻，在JGJ/T16－92中，不具体要求数值，为量化计算，在此可取RA≤4Ω；U为电源相电压，220V；ZL为相线阻抗；Zf为相线与外壳之间接触电阻。其中ZL、Zf数值很小，可忽略不计，对Z的阻值，IEC标准推荐采用5倍于相电压的数值，可取Z=1000Ω，则　　　　　　　　　　　　，则电气设备外露导电部分呈现的接触电压Uf=Id·RA≤0.218×4=0.872V。如此小的接触电压是不会造成电击伤害。因此发生第一次接地故障也无须切断电源，只须发出声光报警。该系统可用于供电线路较长的场合，如矿井中，配电变压器设于地面，用电设备设于地下。
　　1.1.3　在图1c中，L1相发生第一次接地故障，因相线和保护线阻抗相对较小，可忽略不计。则接地电流，接触电压Uf数值很小，
可忽略不计，故障电压主要分配在阻抗Z上。
　　1.1.4　配出中性线的IT系统。根据JGJ/T16－92第8·6·6·6“IT系统不宜配出N线，如有N线配出时，需要在N线装设过电流保护器，并用来使包括N线在内的所有导线断电”，如图2所示。同时，IEC标准【IEC364－4－473(1997)第473·3·2·2条】也强烈建议不引出中性线。因为如N线对地短路，线路绝缘监视装置不能发出信号，无法发现其故障，IT系统已按TT系统运行，如再发生相线接地，线路保护装置将切断电源(此保护原用以切断两相接地短路故障)，造成所供重要负荷中断供电的后果。因此如确需配出N线，必须在三相电源中采用四极断路器，在单相电源中采用两极断路器，确保连N线在内的所有导线断电。
　　1.1.5　发生第一次接地故障时的安全措施。据JGJ/T16－92第“8·6·14条IT系统配电线路的接地故障保护应满足下式要求：RA·Ia≤50V，式中RA为外露可导电部分的接地电阻(Ω)；Ia为相线和外露可导电部分间第一次接地故障电流(A)，它计及泄漏电流和电气装置全部接地阻抗值的影响”。由于Ia为电容电流，属mA级，数值很小，极易满足RA·Ia≤50V的规定。只须在IT电源系统中，设置绝缘监视装置、声光报警设备，线路保护装置采用能切断N线和相线的四极断路器或两极断路器。当发生第一次接地短路故障时，只发出声、光报警，不须切断供电电源。
　　1.2　当发生第二次接地故障时
　　第二次接地故障如发生在与第一次故障同相的线路，则仍属第一次接地故障；如发生在异相线路中，则形成短路故障，表现为相间短路或相、零(当配出N线时)短路。其短路电流与用电设备的外露导电部分单独接地或共同接地有关，现分别分析如下：
　　1.2.1　电气设备的外露导电部分各自单独接地，如图3所示。当电气设备M1的L3相接地，M2的L2相接地时，据JGJ/T16－92第8·6·4·14条规定：必须满足：RA·Ia≤50V、RA·Ic≤50V，式中Ia、Ic分别为M1、M2保护电器自动切断电源的动作电流(A)。采用熔断器时，对于固定设备和配电干线为5s内熔断的熔体电流；对于手握式及手移式设备为在熔体未熔断前相应接触电压所允许时间内熔断的熔体电流。当采用空气断路器时为瞬时动作整定电流。当采用RCD时为额定剩余动作电流IΔn。
　　一般情况下，取RA=RC≤4Ω，则Ia=Ic≤=12.5A，由此可计算出电气设备最大允许容量，同时可以看出，当采用空气断路器或熔断器作为保护电器时，此种接线方式的IT系统只能供给小容量的负荷，当负荷量较大时，则必须采用RCD。
　　1.2.2　电气设备的外露导电部分与电力系统共同接地，见图4所示。当M1中L1相与M2中的L3相接地时，与TN系统相间短路相同，短路电流很大，但为了防止间接电击的目的，JGJ/T16－92第8·6·4·17条“当IT系统配电线路发生第二次接地故障时，应由过电流保护电器或漏电电流动作保护电器切断故障回路，并应符合下式要求：当不配出N线时，Zs·Ia≤Uo；当配出N线时，Z′s·Ia≤，式中Z′s为包括相线、N线和PE线在内的故障回路阻抗(Ω)；
Ia为保护电器切断故障回路的动作电流(A)。当线路标称电压为220/380V时，如不配出N线，为在0.4s内切断故障回路的动作电流；如配出N线则为在0.8s内切断故障回路的动作电流”。当采用空气断路器作为保护电器时，Ia为瞬时动作整定电流；当采用RCD时，Ia为额定剩余动作电流IΔn；当采用熔断器时，对于220/380V配电干线和固定电气设备，为5s内熔断的电流，对于手握式或移动式电气设备，如不配出N线，为0.4s内熔断的电流，如配出N线，为0.8s内熔断的电流。
　　为了降低接触电压，上式虽然按相线与N线或PE线间短路考虑，如能满足，对于相间短路则更能满足。因此根据上式，只要确定了电气设备的容量，就可计算出保护电器自动切断电源的瞬时过电流脱扣器整定值，从而确定出环路阻抗，根据供电回路导线的规格、型号，便确定出电气设备供电回路的允许长度。此种接地方式，供电回路长度受到限制。设备容量与供电回路长度的数值计算在此省略。
　　IT系统适用于环境不良，易发生一相接地或火灾爆炸的场所，如煤矿、化工厂、纺织厂，也可用于农村地区。近几年逐步应用于重要建筑物内的应急电源系统，以及医院手术室等重要场所的动力和照明系统。
　　2　TT系统
　　电源中性点直接接地，电气设备的外露导电部分用保护线接至与电源中性点接地无电气联系的接地板上，简称保护接地或接地制，如图5所示。