相線中性線短路故障及其保護的探討

張建明

(河南省水利勘察設計研究有限公司，河南 鄭州 450000)

引言

目前市政景觀或照明工程配電系統主要有TT系統和TN-S系統兩種接地系統形式。根據相關規范要求，室外環境中推薦采用TT系統，TN-S系統也有較廣泛的應用[1]。在這兩種系統中相線中性線間的短路相對于接地故障、相間短路雖屬于稍小概率事件，且一般設計中過電流保護措施均可以實現對相線中性線間的短路故障的保護[2]。但是在長距離供電系統中，特別是景觀、道路照明等市政工程中，較長供電距離導致短路阻抗較大，相線中性線間短路電流遠小于相間短路電流，導致過流保護器靈敏度無法滿足要求，而由此會引起設備損壞甚至電擊事故。

1 相線中性線短路分析

為便于定性定量分析，在短路計算時，電氣設備(路燈、景觀燈等)距離低壓變壓器距離較遠，以線路電阻為主，低壓總配電柜母線及變壓器、高壓側電源系統等效電路阻抗相對于配電線路阻抗較小，可忽略不計。同時由于線路電抗較小，短路時考慮溫度影響，將導體阻抗按照1.5倍20 ℃阻抗考慮[3]。由于TT系統接地故障必須采用RCD保護[4]，這里不再分析TT系統的接地故障電流，在性能分析時不考慮TT系統的接地故障電流。

1.1 相線中性線故障電流

圖1和圖2分別為TT系統短路故障示意圖、TN-S系統短路故障示意圖。在TT或TN系統中，若短路發生在故障點K1處時，該短路點故障阻抗僅為線路的相線中性線間阻抗。假設CK1段的阻抗為ZL(分支線路極短，忽略不計，余同),NK1段阻抗為ZN,則故障阻抗Zphn=ZL+ZN，故其短路電流(U0為標稱相電壓)[3]：

(1)

若中性線導體與相導體等截面，即ZN=ZL，由式(1)可得:

(2)

若中性線導體是相導體截面的1/2，即ZN=2ZL，由式(1)可得：

(3)

圖1 TT系統短路故障示意圖Fig.1 Short-circuit faults diagram for TT system

圖2 TN-S系統短路故障示意圖Fig.2 Short-circuit faults diagram for TN-S system

同理，對于TN-S系統在K2點發生單相接地故障時，故障電流計算方法同上(但是兩者危害和防護措施不同，此處不再贅述)，則單相接地故障電流：

若PE導體與相導體等截面，即ZN=ZP，由式(1)可得:

(4)

若PE導體是相導體截面的1/2，即ZP=2ZL，由式(1)可得：

(5)

(6)

式中：U0為相電壓～220 V;

則兩相短路電流[3]:

(7)

由以上分析可知，在不計接地故障電流時，無論是TT系統還是TN系統，最小故障電流均為相線中性線短路電流[4]。在采用RCD等單獨的接地故障保護器時，由于RCD的局限性，仍應以相線中性線短路故障電流作為過流保護裝置的靈敏度校驗依據，而不可采用兩相短路故障電流作為校驗依據。

1.2 相線中性線故障電壓

假設故障前三相負載平衡，以圖1所示，C相與中性線發生短路故障后(K1點)，導致中線點偏移，兩非故障相電壓幅值相等，而線電壓矢量不變，相線中性線短路后電壓矢量圖如圖3所示。

圖3 相線中性線短路故障電壓矢量圖Fig.3 The voltage vector of phase-to-neutral short-circuit faults

由圖3可知：

(8)

(9)

若中性線導體與相導體等截面，即ZN=ZL，則由式(9)可得：

(10)

在圖3三角形CAN和三角形CBN中，由余弦定理可求得:

(11)

若中性線導體是相導體截面的一半，即ZN=2ZL，則由式(9)可得：

(12)

同理，在圖3三角形CAN中，由余弦定理可求得:

(13)

由以上計算分析可知，在相線中性線發生短路后，非故障相電壓會升高，在5 s內最高可達1.45U0[5],這也是該故障的特殊之處。短路故障發生時，電壓不降，反而較大幅度升高，且在故障切除前，該危險電壓幅值基本不變。

故相線中性線短路故障不可忽視，如發生此類故障，而不采取措施切除，則會導致非故障相電壓急劇升高，短路電流持續存在，繼而引發設備、線路因過電壓或過電流而損壞，甚至引發相間或相地短路等擴大性故障。

2 過流保護器的選擇及整定

2.1 保護動作時間

由第1節分析可知，圖1和圖2電氣回路短路最大電流為過流保護器DL處，最小故障電流為電氣設備末端的相線中性線短路電流或單相接地故障電流(TN-S系統時)。過流故障的切除措施，相關規范都有相應的規定。對于切除相線中性線短路故障的時間主要考慮以下因素：一是相線中性線短路故障時，5 s內正常相電壓可升至1.45U0；二是考慮電氣火災以及電氣設備和線路絕緣的熱穩定要求以及防止長時間帶故障運行的需求[2]，故本文擬采用切斷故障電流的時間不大于5 s。

2.2 保護整定值

對于照明線路負載，反時限(Iset1)、短延時過電流(Iset2)、瞬時過電(Iset3)的過流保護脫扣器整定電流值分別應滿足式(14)～式(16)：

Iset1≥kIe

(14)

其中，k為可靠系數，取1.0～1.4。

Idmin≥KrelIset2

(15)

Idmin≥KrelIset3

(16)

其中Ie為照明線路的計算電流，Krel為靈敏度系數，Idmin為照明線路最小故障電流。對于靈敏度系考慮到設備誤差電壓偏差等因素，校驗過流保護器靈敏度系數Kel取1.3，延時時間取0.4 s。

以照明回路電纜采用YJV-0.6/1 kV-3×25+1×16(TT系統)和YJV-0.6/1 kV-3×25+2×16(TN-S系統)為例，照明負載設備均勻布置，要求壓降不大于5%，負載分布系數取0.6，照明燈具啟動性能參數見表3所示。分別對照明回路相關參數進行計算分析并列于表1故障電流及保護配置表中(接地故障電流除外)。由此表可知，在滿足式(15)時，相線中性線短路電流僅為額定整定電流的1.5～2倍。表2為熔斷器滿足5 s切斷故障電流時的時間-電流參數，一般不小于4Ie，無法滿足式(15)、式(16)要求；表4為不同類型脫扣器性能對比，由表4可知，熱磁脫口斷路器短延時整定動作電流一般為(3～5)Ie，且動作時間不可調，也無法滿足式(15)、式(16)的要求；電子式脫扣器雖可以滿足式(15)、式(16)的要求，但是無法躲過設備的啟動沖擊電流，見表3所示。故需通過增設增設RCD作接地故障保護，采用短延時，動作整定倍數為1.5～2，延時時間根據負載類型設為0.4～4 s。采用電子脫扣器并配置RCD做附加保護，且參數整定合理，可以實現相間短路故障，相線中性線短路故障，接地故障、過負荷故障的全范圍保護。

表1 故障電流及保護配置表

表2 TN系統用熔斷器做相線中性線故障保護時Ikn/Ie最小允許值[6]

表3 常用照明燈具啟動性能參數[7]

表4 不同類型脫扣器性能對比

3 結語

由以上分析可知，相線中性線短路故障的危害及其潛在危害是無法忽視的。對于道路照明及景觀照明，由于電氣設備輻射范圍廣、分散，設備的管理維護難度較大，如果發生相應的故障，而沒有及時切除故障，將導致設備損壞甚至引發擴大性故障。故在市政工程相關設計時，相線中性線短路故障靈敏度校驗是不可忽視的。依據相關計算結果，并結合燈具類型合理選擇保護設備類型、設定合理的保護整定值及動作時間是十分必要的。