低压断路器作为接地故障保护电器的应用

王旭东 等

【摘 要】低压配电系统中，接地故障常引起人身电击或电气火灾危害，事故发生概率远高于过载事故。鉴于此，本文分析了各种低压配电系统接地型式，给出了配电线路的保护动作特性要求，概括出了断路器选型的通用要求，同时结合低压配电系统的故障型式，研究了如何选用合适的断路器类型。本文重点研究了低压断路器作为接地故障保护电器的选用方法，最后通过算例，验证了提高低压断路器动作可靠性所提出的技术措施的合理性。

【关键词】低压配电 接地故障保护 断路器 整定值

【Abstract】In the low voltage power distribution system， earth fault that has much higher accident probability than overload often causes personal electric shock or electrical fire hazard and the is. In view of this， all kinds of earthing type about low voltage distribution system are analyzed， characteristic requirements of distribution line protection action are given and general requirements of circuit breaker selection are summarized.At the same time， combining with the fault type of low voltage distribution system， how to choose the right type of circuit breaker is studied. This paper focuses on the research about selection method of low voltage circuit breaker as earth fault protective devices.Finally， an example shows that technical measures which are raised in this paper to improve motion reliabilities of low voltage circuit breaker are reasonable.

【Key words】low voltage power distribution； earth fault protection； circuit breaker； setting value

低压配电系统设计中，配电线路不仅要考虑短路和过载事故，还要考虑接地故障，因此正确选择低压保护电器和整定参数值对保障低压配电系统安全可靠运行、防止电气火灾和人身电击具有十分重要的意义[1-5]由于低压断路器在配电系统中占有十分重要的地位，其不仅可以接通和分断正常的负荷电流和过负载电流，还可以接通和分断短路电流即同时具有短路保护、过载保护、控制和隔离等功能，因此低压断路器在低压配电系统中得到了广泛的应用。但如果低压断路器未能做到合理选型，则可能使受电设备因过载而损坏或者引起误跳闸现象。随着供电安全性和可靠性要求的提高，正确选择、使用低压断路器成为低压配电设计的一个重要问题，而带剩余电流动作的断路器和零序电流保护的断路器在接地故障保护中具有特定的优势。综上所述，本文就低压配电设计中低压断路器的选型及其在接地故障保护中的应用进行探讨。

1 低压断路器的通用技术要求及特性

1.1 低压断路器的通用技术要求

断路器必须是符合国家标准的产品，并满足正常工作条件、短路工作条件和使用环境要求。

（1）按正常工作条件选择；正常选择低压断路器应满足以下要求：额定电压应与所在配电回路的标称电压相适应；额定电流不小于该配电回路的计算电流；额定频率应与配电系统的频率相适应。（2）按短路工作条件选择；低压断路器要切断短路故障电流，应满足短路条件下的动稳定和热稳定要求，同时应具备短路条件下的分断能力。（3）按环境条件选择；考虑断路器安装场所的环境特征，以选择相适应防护等级（IP等级）的产品，在高海拔地区应选用高海拔用的产品，化工腐蚀环境根据腐蚀性物质的释放严酷程度、通风等条件确定其防腐等级[6]。

1.2 低压断路器的技术特性

1.2.1 低压断路器的分类

低压断路器按使用类别分为A类、B类。A类为非选择性断路器，具有瞬动和长延时两种动作特性；B类有三段式保护，除瞬动和长延时外还有短延时，在短路时具有选择性保护[7]。

1.2.2 过电流脱扣器分类及动作特性

低压断路器过电流脱扣器分为：瞬时过电流脱扣器；定时限过电流脱扣器即短延时过电流脱扣器；反时限过电流脱扣器，通常称为长延时过电流脱扣器。

过电流脱扣器的电流整定值用电流值的倍数或直接用安培数表示，脱扣时间整定值有两种表示方法：一、定时限的延时时间整定值用秒表示；二、反时限一般给出时间-电流特性曲线。

（1）瞬时或定时限过电流脱扣器动作特性；在达到电流整定值时应瞬时（固有动作时间）或在规定时间内动作。（2）反时限过电流脱扣器的动作特性；在基准温度下，所有相极通电至1.05In（In为断路器额定电流）即约定不脱扣电流时，在约定时间（对In>63A为2h，In≤63A为1h）内不应脱扣；在约定时间结束后，立即使电流上升到1.3In（即约定脱扣电流），在小于约定时间内脱扣。（3）接地故障保护脱扣器的动作特性；接地故障电流值在达到整定值时应在规定时间内动作，并有一定的延时时间。

2 低压配电线路接地故障保护的规定

2.1 接地故障保护的一般规定

自动切断电源的接地故障保护适用于I类电气设备，所在场所为正常环境，人身电击安全电压限值不超过50V。采用接地故障保护时，建筑物内各种导电体应作等电位联结，以降低预期接触电压。

2.2 TN系统的接地故障保护要求

TN系统接地故障保护的动作特性：

Zs·Ia≤UO （1）

式中：ZS-接地故障回路的阻抗（Ω）；

Ia -保证保护电器在规定时间内切断故障回路的电流（A）；

UO-相线对地标称电压（V）。

UO等于220V的配电线路，其切断故障回路的时间规定如下：供电干线和供固定用电设备的末端回路，不大于5s；供手握式或移动式用电设备的末端回路以及插座回路，不大于0.5s。

2.3 TT系统的接地故障保护要求

TT系统配电线路接地故障保护的动作特性应符合下列要求：

RA·Ia≤50V （2）

式中：RA-外露可导电部分的接地电阻与PE线电阻和（Ω）；Ia-保证保护电器切断故障回路的动作电流（A）。

当采用反时限特性过流保护电器时，Ia为5s内切断的电流；采用瞬时动作特性的过流保护时，Ia为瞬时整定电流；采用漏电保护器时，Ia为其额定动作电流I△n。通常TT系统的接地故障电流很小，不能使用非选择型断路器保护。

2.4 IT系统的接地故障保护要求

当IT系统配电线路发生第一次接地故障时，应由绝缘监视电器发出声、光报警信号，并在尽量短的时间内排除第一次接地故障以维持供电的不间断[1]。其动作电流应符合下式要求：

RA·Id≤50V （3）

式中：RA -外露可导电部分的接地电阻（Ω）；

Id-第一次接地故障电流（A）。

如果第一次接地故障未排除又发生第二次接地故障，则需视情况按TN系统或TT系统的方式来切断故障电路，并符合下列要求：当IT系统不引出N线，应在0.4s内切断故障回路，并符合下列要求：

Zs·Ia≤（ 3/2）0.5 ·UO （4）

式中：Zs-相线和PE线故障回路阻抗（Ω）；Ia-保护电器切断故障回路的动作电流（A）。

当IT系统引出N线，应在0.8s内切断故障回路，并符合下式要求：

Zs·Ia≤0.5UO （5）

式中：Zs-包括相线、N线和PE线在内故障回路阻抗（Ω）。

3 低压配电系统接地故障保护设计方案

3.1 方案分析

（1）利用过电流保护兼做接地故障保护；当系统的接地故障电流较大，短路保护电器切断电源时间满足要求时，可利用原来做过载保护和短路保护的过电流保护电器兼做接地故障保护。当采用非选择型断路器作为过电流保护电器时，可利用断路器的瞬时过电流脱扣器兼做接地故障保护。由于瞬时脱扣器的全分断时间一般为10～20ms，可满足切断故障回路时间的要求。因此只需验证接地故障电流Id与瞬时脱扣器整定电流Ir3的比值是否满足Id>1.3Ir3，若满足则可采用非选择型断路器瞬时脱扣器做接地故障保护。但通常非选择型断路器的瞬时脱扣器整定值Ir3为长延时脱扣器整定电流的8～14倍，使得Id>1.3Ir3很难满足。选择型断路器短延时过电流脱扣器的动作时间一般为0.1～0.8s，其整定电流Ir2通常为瞬时过电流脱扣器整定值Ir3的0.2～0.3倍，因此利用短延时过电流脱扣器比利用瞬时过电流脱扣器做接地故障保护更容易满足要求[8]。因此对于配电干线可利用选择型断路器短延时过电流做接地故障保护，其动作特性如图1 所示。

图1 三段式保护的时间电流动作特性

图1中，Ir1-过载长延时整定电流值（A）；Ir2-短路短延时整定电流值（A）；Ir3-短路瞬时整定电流值（A）；t1-过载长延时时间整定值（s）；t2-短路短延时时间整定值（s）；

（2）采用带接地故障保护的断路器；

图2所示：

图2 接地故障保护的时间电流动作特性

图2为断路器接地故障保护的时间电流工作特性曲线。Ir4-接地故障保护整定电流值（A），t4-接地故障延时时间整定值（s）。

接地故障分为零序电流保护和剩余电流动作保护，其原理如下：

（1）零序电流保护动作原理：三相四线制配电线路正常运行时，如果三相负载完全平衡，无谐波电流，忽略正常泄流电流，则流过中性线的电流IN=0；如果三相负载不平均，则产生不平衡电流即IN≠0；如果发生某一相接地故障时，IN将大大增加，达到IN（d）。因此通过检测IN值发生的变化，可取得接地故障的信号。断路器零序电流保护的整定值确定原则为：正常运行出现最大不平衡电流时不会动作，但在发生接地故障时必须动作，因此建议零序电流保护整定值Ir4符合下列两式的要求： Ir4≥（1.5～2.0）IN （6）

1.3 Ir4≤ IN（d） （7）

正常情况下，上式中IN一般为Ir1的20%～25%，Ir4的整定值取Ir1的50%～60%为宜。

（2）剩余电流保护动作原理：检测三相电流加中性线电流的矢量和即 ，正常时 =0，发生接地故障时则等于接地故障电流I0（d）。断路器接地故障保护的整定值Ir4应符合下式要求：

I0（d）≥1.3Ir4 （8）

根据实践经验，一般要求剩余电流保护整定值Ir4大于正常运行时泄漏电流的5～10倍，采用剩余电流保护比采用零序电流保护的动作灵敏性要高。这种方式的整定电流更小，在发生接地故障时，和下级剩余电流动作保护器之间难以保证选择性，只能要求和上级漏电电流动作保护器之间具有良好的选择性，因此，多用于安全防护要求高的场所。所以，在防人身电击的场合，应以末端防护为基础，避免非选择性切断电路。

防止电气火灾的一个重点是在建筑物电源进线处安装防火型的剩余电流保护器，以检测整幢建筑物的接地故障，并延时作用于报警或切断电源[1，2]，整定电流一般不大于300mA，当动作于切断电源时，应断开回路的所有带电导体。低压配电系统中为了缩小发生人身电击事故和接地故障切断电源时引起的停电范围，剩余电流保护装置应采用分级防护。

3.2 存在的问题及解决措施

当配电线路较长，接地故障电流Id较小，不足以使保护电路动作。为此，必须降低断路器瞬时整定值Ir3；另一方面应力求提高Id值，具体措施如下：

（1）改变配电变压器的联结组别；配电变压器选用D，yn11接线组别比选用Y，yn0接线组别零序阻抗小得多，因此单相接地故障电流较大，这样有利于故障的切除。（2）加大相导体及接地线导体截面；当配电线路较长，导线截面很小，接地故障电流较小，使得过电流保护电器常常不能满足接地故障电流大于保护器动作整定值，此时采用放大相线、PE线截面面积[3，8]。加大相导体截面对于截面较小的电缆和穿管绝缘线有较大影响，而对于较大截面的裸干线或架空线，由于其电抗较大，加大截面作用很小。（3）合理规划供电方案；合理规范供电方案，缩短供电距离，减小短路阻抗，使短路电流满足要求[3]。（4）采用局部或辅助等电位连接；建筑物的低压电气装置应采用等电位连接，以降低建筑内间接接触电压和不同金属物体间的电位差；避免经建筑物外电气线路和金属管道引入的故障电压的危害；减少保护电器动作不可靠带来的危险。（5）降压启动；对于电动机保护回路，可用降压启动或软启动，可降低瞬时过电流整定值Ir3，使得更容易满足Id﹥1.3Ir3要求。

4 算例分析

为验证低压断路器在低压配电系统接地故障中的应用，现举例说明。采用TN接地方式的低压配电线路和末端线路保护电器如图3所示，其中QF1为带短延时的三段式保护和接地故障保护的断路器，QF2为带长延时和瞬时过电流脱扣器的断路器。由图3确定断路器QF1、QF2的整定值。

图3 采用低压断路器保护的配电系统接线图

（1）QF1的参数整定；QF1的长延时过电流整定值Ir1应不小于Ic，取140A。

按下级电动机直接启动时，QF1不会动作，QF1的瞬时动作电流值Ir3满足；Ir3≥（2.0～2.5）IstM=（820.4～1025.5）A；按接地故障保护的要求，QF1的瞬时动作电流值Ir3满足；Ir3≤Id1/1.3=1480/1.3=1138A；

QF1接地故障保护（采用零序电流保护）整定值Ir4≤Id1/1.3=1138A取0.2 Ir1，其值等于28A，并建议有0.4s的时间延时。QF1作为配电干线上的开关，剩余电流保护整定值可取不大于300mA，以减少接地故障产生电弧而引起的电气火灾。

（2）QF2的参数整定；QF2的长延时过电流整定值Ir1应不小于IM，取63A。

按电动机直接启动，QF2的瞬时过电流整定值Ir3满足；Ir3≥（2.0～2.5）IstM=（820.4～1025.5）A；按接地故障保护要求，QF2的瞬时过电流整定值Ir3满足；Ir3≤Id2/1.3=1110/1.3=854A；

同时符合上述两项要求的QF2的瞬时过电流整定值Ir3取850A比较恰当。作为末端保护电器，如果QF2带剩余电流保护，则剩余电流保护整定值I△n可取30mA，一般型，有效防止人身电击伤害。

5 结语

在低压配电系统中，TN、TT、IT系统有各自特点和适用范围，发生接地故障时，既要保证可靠切断电路，又要尽可能缩小断电范围。这就要求合理进行配电系统设计和准确的计算故障电流值，在此基础上，选择断路器并正确整定断路器的动作电流和动作时间。本文通过分析和算例表明，选用带接地脱扣的低压断路器，正确设计和整定动作电流值、动作时间在接地故障保护中具有很大优势，在设计中推荐选用。

参考文献：

[1] 王厚余.建筑物电气装置600问[M].北京：中国电力出版社，2013：88-89.

[2] 王厚余.剩余电流动作保护器选用分析[J].低压电器，2007（12）：1-3，53.

[3] 郝鹏超.低压配电系统末端线路的故障保护[J].电气应用，2012（14）：81-85.

[4] 任元会.再论低压熔断器和断路器的比较及应用[J].电气工程应用，2006（1）：31-34.

[5] 任元会.低压配电线路保护的几个问题[J].建筑电气，2006（2）：4-7.

[6] 卜诰民.低压配电系统电气设计中的断路器选型（上）[J].低压电器，2012（5）：53-58.

[7] 任建国，高翠萍.城市建筑配电系统中低压断路器选用问题的探讨[J].低压电器，2007（22）：1-4.

[8] 李彩娟，徐宏学.TN系统接地故障保护的分析与设计[J].自动化与仪器仪表，2012（4）：61-62.

作者简介：王旭东（1981—），男，工程师，主要从事电网规划及供配电系统设计工作。