低壓配電單相接地故障保護的設計與應用

袁 濤

（湖北省化工研究設計院，武漢 430000）

0 引言

在低壓配電系統中單相接地故障是一種因電氣絕緣老化損傷、多發生在潮濕、多雨天氣的臨時性故障。在TN系統中接地故障相當于單相短路，故障電流很大，故障相對地電壓降低，非故障相的對地相電壓變為線電壓升高 3倍，可能引起絕緣的薄弱環節被擊穿，發展成為相間短路，使事故擴大，必須迅速切除，否則將產生嚴重后果，引起火災甚至爆炸[1]。在TT系統和IT系統中，接地故障電流雖然較小，但故障設備的外露可導電部分可能呈現危險的對地電壓，如不及時予以信號報警或切除故障，就有發生人身觸電事故的可能。因此在單相接地故障情況下，為防止因間接接觸帶電體而導致人身電擊，因線路故障導致過熱造成損壞，甚至導致電氣火災，在國家標準規范中對于在哪些地方設置單相接地故障保護，如何設置做了具體的要求。

1 需要設置單相接地故障保護的情況

1.1 配電線路距離過長

在《低壓配電設計規范》GB50054-2011第6.2.4條中要求，當短路保護電器為斷路器時，被保護線路末端的短路電流不應小于斷路器瞬時或短延時過電流脫扣整定電流的1.3倍[2]。對于低壓配電中TN系統，單相接地故障可以看成單相短路，斷路器為保護開關的配電回路中，一般的微型斷路器、塑殼斷路器僅含有過電流的熱磁脫扣保護功能，即具有反時限過負荷的長延時保護以及過電流瞬時脫扣的短路保護。在這種情況下由于配電線路較長，末端短路電流較小，故障電流小于斷路器瞬時脫過電流的1.3倍，此時因為故障電流達不到短路器過流脫扣的整定值，斷路器不會動作，也就無法快速切除故障，對線路及設備起到保護作用。為了解決上述配電線路距離過長導致短路保護失效的問題，在低壓配電設計中，該情況的線路保護可以通過增設單相接地故障保護的辦法，來彌補長距離線路保護的缺陷，當然也可以通過其他辦法，如增加電纜截面、采用帶有短延時電流整定的辦法等等，此處僅對設置單相接地故障保護這種辦法進行分析，此情況不太適用于TT和IT系統。

1.2 配電線路電氣火災防護要求

《低壓配電設計規范》GB50054-2011第6.4.1條中指出要防止：（1）配電線路絕緣損壞時，可能出現接地故障；（2）接地故障產生的接地電弧，可能引起火災危險。采用設置剩余電流檢測或保護電器，此處要求設置的剩余電流檢測或保護電器為常用單相接地故障保護的設置辦法。同時在《火災自動報警系統設計規范》GB50116-2013中也提出火災危險性場所，應按要求設置電氣火災監控系統[3]。低壓配電設計的工程應用中，常用帶剩余電流保護來實現單相接地故障保護，除剩余電流保護外，零序電流保護也可以起到單相接地故障保護的作用。

1.3 低壓電動機保護要求

《通用用電設備配電設計規范》GB 50055-2011第2.3.1項條文規定交流電動機應裝設短路保護和接地故障的保護[4]。同時第2.3.6條要求交流電動機的間接接觸防護應符合《低壓配電設計規范》中對接地故障保護設置的要求，并提出優先利用電動機的短路保護器件，在滿足接地故障保護要求時，應采用短路保護器件兼作接地故障保護。

1.4 爆炸危險性環境電氣設備保護要求

GB 50058-2014《爆炸危險環境電力裝置設計規范》第5.3.3條要求，除本質安全電路外，爆炸性環境的電氣線路和設備應裝設過載、短路和接地保護[5]。該條文明確指出爆炸危險環境中應設置接地保護，根據前文中單相接地故障的危害性可知爆炸危險區域中單相接地故障保護設置的重要性。在石油化工等工業設計中，有許多裝置或者甲乙類廠房屬于爆炸危險環境，單相接地故障導致的過熱或火花等，很有可能引燃該環境中的可燃介質從而發生爆炸，產生重大人員傷亡及經濟損失。所以爆炸危險性環境中，單相接地故障保護的設置也是很必要的。

2 設置單相接地故障的形式

根據上述幾種需要設置單相接地故障情況，以及國家標準規范對單相接地故障保護的規定及要求，單相接地故障保護的形式大概可以分為3種[6-7]。

2.1 保護開關的短路保護

現階段的低壓供配電設計中，線路的保護開關多采用斷路器，少部分采用熔斷器，斷路器的熱、磁脫扣是通過檢測線路的電流與整定過流限值及動作時間來做保護判據；熔斷器是利用熔絲的物理電流發熱特性來起到保護線路的作用，類似于斷路器的熱脫扣。這里用斷路器作分析舉例，當斷路器所保護線路距離較長時，其末端短路故障電流較小，達不到斷路器的脫扣電流值，導致斷路器不動作，故障線路無法切除。

例如以常熟的CM3斷路器為例，斷路器額定電流100 A，對于簡單饋線回路，斷路器本身的熱磁脫扣特性參數為：熱脫扣也就是長延時脫扣電流為（1.05～1.3）Ir，磁脫扣也就是瞬時脫扣電流為10Ir。根據《工業與民用配電設計手冊》（第四版）第966頁中表11.2-4用斷路器作間接防護時銅芯電纜最大允許長度可知，對應斷路器額定電流100 A瞬時脫扣電流1 000 A與其匹配的銅芯電纜YJV-0.6/1kV-3×50+2×25，斷路器可以保護電纜的距離為88 m，也就是說這種情況下的配電線路長度在88 m以內時，可以利用斷路器的瞬時脫扣來兼作線路的單相接地故障保護；同時可以知道，一旦配電線路長度比該表格中的距離值要長時，該形式的保護就不適應了，這里就得用其他方法來增設單相接地故障保護。

當采用熔斷器的過流保護時，其過流分斷特性加入時間，作間接防護時銅芯電纜最大允許長度可根據《工業與民用配電設計手冊》（第四版）第966頁中表11.2-5、表11.2-6，其切斷時間分別為小于等于5 s和小于等于0.4 s，這也是《低壓配電設計規范》第5.2.9條對故障切斷時間的要求。同樣該情況配電線路長度比該表格中的距離值要長時，超出最大距離部分的線路保護就失效，這里就得用其他方法來增設單相接地故障保護。

在工程應用中，上述辦法適用于帶斷路器或熔斷器的配電距離較近的配回路。

2.2 剩余電流保護

當配電線路距離較長、不能利用保護開關的短路保護兼作單相接地故障保護時，可采用加裝剩余電流保護作單相接地故障保護，這樣同時可以滿足電氣火災防護的要求。

剩余電流保護（RCD）的設置辦法是在配電回路上加裝零序CT，可以將A相、B相、C相、N相分別穿過4個零序電流互感器（零序CT），測量電流Ia、Ib、Ic、In，線路正常運行時電流向量和Ia+Ib+Ic+In≈0（忽略線路、設備正常運行時的泄露電流），當發生單相接地故障時，故障電流會流過保護性PE線及接地的相關金屬構件，使Ia+Ib+Ic+In≠0，此時數值為接地故障電流Id加正常泄露電流。剩余電流保護另一種穿線方式是A相、B相、C相、N相一起穿過一個零序CT，其檢測效果一樣，當檢測到故障泄露電流超過限制時，保護器件動作將故障切除或者發出報警信號。剩余電流保護測量到的故障電流比較小，通常為幾十毫安到幾十安，其整定電流值一般為30 mA、100 mA、300 mA動作時間整定為0.1 s、0.3 s、0.5 s，工程應用中根據不同的地方與用途選擇合適的剩余電流整定值與時間。剩余電流保護適用于TN-S系統、TN-C-S系統、TT系統、IT系統，不適用于TN-C系統。

在工程應用中，配電線路加裝剩余電流保護來滿足單相接地故障保護的要求，該辦法適用于配電距離長、爆炸危險環境的線路配電、具有火災危險的場所以及有防觸電、間接防護等要求的配電線路保護。

2.3 零序電流保護

零序電流保護與剩余電流保護有許多相似的地方，同時也有一些不同點[8]。例如零序電流保護測量用到的同樣是零序CT，與剩余電流保護不同的是零序CT僅將A相、B相、C相穿入一個零序CT，正常情況下，3根線的向量和Ia+Ib+Ic≈0，零序電流互感器無零序電流流過。當發生單相接地故障時Ia+Ib+Ic≠0，與剩余電流保護所不同的是、故障狀態下零序CT測量的故障電流較大，從幾十安到幾千安。零序電流保護另一種穿線方式是僅在N相上穿一個零序CT，其檢測效果一樣，當檢測到單相接地故障電流超過限制時，保護器件動作將故障切除或者發出報警信號。零序電流保護的整定電流一般為（0.4～0.8）In，動作時間0.1～0.5 s，實際應用根據不同的情況整定。零序電流保護適用于TN-S系統、TN-C-S系統、IT系統，不適用于TT系統。

在工程應用中，零序保護比較適用于配電距離較長，三相負荷平衡的系統，其適用范圍比剩余電流保護要小些。

3 結束語

綜上所述，結合工程應用中的低壓供配電設計的形式，利用上述3種保護方式來實現單相接地故障保護的應用情況有如下幾種：（1）饋線回路，即僅有斷路器或熔斷器保護的配電線路，配電線路距離長度滿足《工業與民用配電設計手冊》最大允許值時，利用其過流保護兼作單相接地故障保護；（2）饋線回路配電線路距離長度超出第一種情況加裝RCD剩余電流保護，選擇帶剩余電流保護功能的斷路，例如

常熟的CM3L型斷路器；（3）在線路上加裝RCD剩余電流動作繼電器，零序互感器，斷路器選帶分勵脫扣附件，這樣就可以實現剩余電流的保護；（4）饋線回路加裝零序電流保護，可以選用帶零序保護的智能型斷路器，也可以選配零序互感器及相關保護器件來實現；（5）電動機配電回路，若該回路采用馬達保護器來作保護，可以利用馬保自帶的接地故障保護來實現功能，目前市場上的馬保都是標配該功能；（6）電動機回路，馬保不帶接地故障保護功能可通過前四種方法實現；（7）電動機回路不帶馬保，采用熱繼電器保護的回路同樣按前四種方式來進行單相接地故障保護的實現。以上是低壓供配電設計中，比較常見幾種配電形式，根據上述方法給配電線路設置單相接地故障保護的這7種方法，也是現如今工程應用中比較常見的幾種應用實例。