四极断路器的选用

刘振忠/西蒙田/周　焱/钱观荣

(1.施耐德电气(中国)有限公司上海分公司，上海 201203；2.华东建筑设计研究总院，上海 200002)



四极断路器的选用

刘振忠1/西蒙田1/周焱1/钱观荣2

(1.施耐德电气(中国)有限公司上海分公司，上海 201203；2.华东建筑设计研究总院，上海 200002)

0　引言

在三相四线制的配电回路设计中，选用三极还是四极的断路器一直是困扰很多电气设计人员的难题。有的设计人员因为夸大了四极断路器对“断零”事故的作用，在应该选用四极断路器的场合不合理地选用了三极断路器，给维修人员及电力系统的安全运行带来了隐患。有数据表明，欧洲地区四极断路器的使用非常普遍，占比超过了70%，而在我国，四极断路器的使用还不到30%。本文通过对中性线及其保护和系统安全的分析，结合IEC相关标准以及相关文献阐述了如何正确地选用四极断路器。

1　中性线

首先，中性线是一种有特殊功能的带电导体，IEC 60364-5-53第536.2.1.1条明确规定，在安全检修时必须断开所有带电导体，以满足电器隔离的安全要求。其次，中性线提供单相电源承载单相电流。在三相电力系统中，它承载三相不平衡电流和谐波电流。理论上，在理想的三相平衡电力系统中，中性线不承载电流，但在三相不平衡且各相负载的功率因数不一致时，中性线会存在一定的电流，该电流甚至会大于相线电流。实际应用中，负载中三次谐波的存在更是大大增加了流过中性线的电流。因而，在许多场合中，中性线需要设过电流保护。再次，中性线具有减少负载侧中性点电位偏移的功能，如果发生中性线断线事故(俗称“断零”)，将会引起单相电压的突变(即从220V变成0～380V)，造成大量用电器过压烧坏及与电压相关的RCD失效。所以，中性线必须接触良好，连接必须可靠。

1.1中性线截面

首先，中性线应满足其机械强度的要求，以保证可靠连接。

导线的截面积与承载的电流成正比，当按载流量需要计算得到的相线导线截面积≤ 16 mm2(铜)或 25 mm2(铝)时，不论中性线是否承载电流，其横截面积必须≥相线的横截面积，即在不承载或承载少量谐波电流时，其截面积应等于相线的截面积；在承载较大的谐波电流时，其截面积应>相线的截面积。当相线的截面积> 16 mm2(铜)或 25 mm2(铝)时，而中性线又不承载谐波电流和较大的三相不平衡电流，其截面积须≤16 mm2(铜)或 25 mm2(铝)，但可大于相线截面积的1/2且小于相线的截面积。

其次，中性线应满足其承载电流需要，以保证长期安全可靠地运行。当谐波电流成分>33%时，应考虑增大中性线截面，具体按照IEC 60364-5-52中524.2.2的要求执行。

1.2中性线的过电流保护

由于谐波的存在，中性线可能承载较大的电流，因而在某些情况下，与相线一样，中性线也需要过电流保护。理论上，基于相线保护措施和IEC 60364-4-43 431.2的规定，只要中性线规格选择正确(包括考虑谐波的影响)就不需要对中性线进行特殊的保护。例如，在舞台灯光用电设计中，通常将中性线的截面积取为相线的2倍，这种情况下再设中性线的过电流保护是没有必要的。然而，由于实际情况的复杂性，中性线的过电流保护仍具有其实际的意义。如有些场合用电器类型不够明确，可能在设计时表达为非谐波电流类型的负载，但在实际投入使用后，由于用途变更或科学技术的发展等原因，其实际负载是高谐波的用电器。如果之前根据理论计算结果没有设置中性线过电流保护，将造成实际使用时中性线因过电流损坏甚至引发火灾等安全问题。因此对各类情况而言，设置中性线过电流保护是有百益而无一害的，它是对系统过电流保护的必要手段(当对相线电流的保护不能间接对中性线进行保护时)，增强了系统的安全性。根据中性线计算电流以及其横截面积选择的不同，可以采用断路器对中性线无保护、1/2保护、全保护和OSN(Over Size Neutral)保护4种方式。

2　四极断路器的选用

相对于三极断路器而言，四极断路器是带中性极开断的断路器。根据IEC 60364-4-43 431.3中的定义可知中性极须具有先合后分的特点。四极断路器主要有两种类型：第一类是中性线仅具有开断功能，不具有中性线过电流保护功能，如图1所示。另一类不仅是中性线有开断功能，还提供中性线短路、过载保护功能，如图2所示。

图1　仅具有中性线开断功能的四极断路器

图2　具有中性线过电流保护功能的四极断路器

四极断路器的这两种类型满足了电力系统对人员安全、运行安全的要求。首先根据IEC 60364-5-53，在做电气维护时应断开包括中性线在内的所有带电导体，以保护操作人员的人身安全，即实现四极断路器的隔离功能(如TT和IT系统中)。其次，在某些情况下，如当系统中的谐波较大或三相有较大不平衡或中性线截面较小时，中性极是需要过电流保护的。而且，在双电源转换装置中，也需要使用四极断路器保证某些电气装置(例如RCD)实现供电的连续性。

2.1根据不同类型的接地系统决定断路器极数

2.1.1TT系统使用四极断路器

因电气维修安全的需要，TT系统内须使用四极断路器。由于系统内中性线和等电位联结之间没有电气连接，所以当系统发生接地故障时，中性线会带有故障电压，而等电位联结地电位形成的电压差会引起电气事故。在GB 50054-2011《低压配电设计规范》 3.1.15 中也明确强调，TT 系统中，应选用具有断开中性极的开关电器，如表1序号1所示。通常情况下，当中性线导体截面不小于相线时，可以不对中性线进行保护；当中性线导体截面小于相线时，应对中性线进行保护。

2.1.2IT系统如有引出中性线，须使用四极断路器

IT系统不推荐中性线配出。在有中性线配出时，若一相发生接地故障，中性线的对地电压将为相电压220V(如图3所示)，存在电击事故风险，必须采用四极断路器。在IEC 60364-4-43第431.2.2条中也有明确的描述，IT系统中如果有中性线配出，包括中性线在内的每个回路都须有过电流检测装置，该装置能够断开包括中性极在内的所有带电导体。当中性线受到一个安装在上游的装置的短路保护或者受到一个RCD的保护，导致其灵敏度小于中性线允许电流的20%时，中性线不必有过电流保护(见表1序号2)。

图3　IT系统相线触地后中性线电位的升高

2.1.3TN-C不可使用四极断路器

TN-C系统中，中性线与PE线是合二为一的，即PEN线。出于保护人身安全的需要，PE线是不允许被断开的，进而PEN线也不可被断开，所以不允许使用具有第四极(即PEN极)开断功能的四极断路器。在GB 50054-2011《低压配电设计规范》3.1.4中也有如下描述，在 TN-C 系统中不应将保护接地中性导体隔离，严禁将保护接地中性导体接入断路器。因而，三极断路器是TN-C系统理想的保护电器。但是，由于PEN线具有中性线功能，在系统存在高次谐波的情况下，有可能因承载较大的电流而被损坏。详细参见章节(2中性线)。这时，中性线需要有过电流检测装置并配备其他的电气附件，如分励脱扣器对其进行保护(见表1序号3)。

TN-C因PEN承载中性线电流而产生压降，从而使所接设备金属外壳对地带电位引发电信干扰和火灾等安全问题[1]。同时，TN-C因不能切断保护中性线，在电气维修时维修人员会因PEN可能出现的故障电压传导而遭受电击，且该系统因不能安装RCD而无法避免火灾和电击[1]。所以，除了一些特殊的场合外，通常不建议采用TN-C系统。

2.1.4TN-C-S 或TN-S在某些情况下应选用四极断路器

TN-C-S或TN-S系统不可用在无总(局部)等电位联结的场合，否则PE及中性线上可能带有的来自于其他故障点的故障电压会危及人们的安全。如图4所示，若某处一相线掉在地上(RE=30Ω，RB=10Ω)产生一个几安培(如Id=220/(10+30)=5.5A)的接地故障电流，此故障电流通过大地回流至电源中性线和PE线时，中性线和PE线的电位较大地有一个超过安全电压的电位差(5.5×10=55V)。因此这种场合下可以采用TT系统。

图4　相对地接地故障造成PE电位升高

但是，当建筑物内实施了等电位联结后，即使中性线导入了危险电压，和等电位联结处于同一电压水平，触及中性线时也不应存在电位差，理论上也不会发生电击事故。在IEC 60364-5-53第536.1.2(461.2)条中也有如此的描述，TN-S系统中，中性线不必开断或隔离。然而，在某些情况下，中性线带有较高电位的情况还是时有发生，如：当雷电(频率在MHz左右)击中中压电网时，由于接地系统中的电感，它不能完全被引入大地，同时，这个危险电压会被自动引入低压系统的中性线。而且，实践表明，在采用TN-S系统的超高层建筑中，断开中性线是一种明智的做法。另外，由于施工(如，进线的PEN线应先接总配电箱的PE线，然后再通过一连接板接中性线母排。这个细节在施工时如果被搞反，将造成等电位联结的PE母排与进线的PEN可能的接触不良。又如，等电位联结的各联结线的接触不良等)或气候、环境及老化等原因造成建筑物的等电位联结不良时，此系统可能转变成了一个TT系统。当某部分总等电位联结不确定时，对不确定部分采用如图5所示的局部TT系统能有效地提高系统的安全性能。所以，在某些特定情况下的TN-S、TN-C-S中使用四极断路器，能确保电气隔离，并能更加有效地保证人身安全。同样，当系统中存在较多的高次谐波时，应对中性线承载电流作出计算，按表1序号4选择并设置中性线保护。

表1　选用三极、四极断路器的多种情况

2.2多电源供电中断路器应采用四极断路器

如图6所示，双电源中性点在配电盘内一点接地，中性线电流既可以由本回路返回变压器电源，也可以绕道备用电源线路中的中性线，通过PEN母排回到变压器电源侧形成杂散电流，但杂散电流可能导致某些电气设备出现误动作等问题，影响电气设备的正常运行。如果电源转换断路器回路上装有RCD，该杂散电流会引起RCD误动作而影响供电的连续性。为此IEC 60364-4-44 444.4.7对在此种情况下应选用四极开关作出了说明。多电源系统中，如果错误地选用了三极开关会引起接地系统的改变。如，若常用电源为TN或TT，引出中性线的IT系统自备发电机电源进行电源转换时，其中性点会通过常用电源中性点的接地而接地，使电源变成TN或TT系统，从而失去IT系统供电连续性高的特点。

图5　TN-C-S与TT系统

图6　双电源供电系统

3　结束语

四极断路器的选用不仅与接地系统有关，还与系统的环境密切相关。通过表1给出了应选用三极、四极断路器的多种情况。

[1]王厚余.低压电气装置的设计安装和检验[M].北京:中国电力出版社,2003.

[2]IEC 60364,GB/T 16895系列-2010建筑物电气装置[S].北京:中国标准出版社,2011.

[3]GB 50054-2011低压配电设计规范[S].北京:中国计划出版社,2011.

Selection of Four Pole Breaker

Liu Zhenzhong/Simon TIAN/Zhou Yan/Qian Guanrong

四极断路器的合理选用关乎电力系统的安全。一方面，四极断路器作为带电导体，若其中性线在某些情况下没有断开，可能引发电击事故；另一方面，若在不需要采用四极断路器的场合选用了四极断路器，可能造成“断零”及其他的安全问题。通过对中性线作用及其保护要求的闸述以及对各接地系统下电气安全的分析，明确四极断路器的选用原则，以供电气设计工程师参考。

四极断路器接地系统中性线保护电气安全防护

Four-pole circuit breaker rational selection is relating to the security of the power system.On the one hand,as the live parts,neutral conductor without disconnection may cause electrical shock in some cases; on the other hand,four-pole circuit breaker may cause ‘neutral down’ issue,when it was used on wrong occasions.Based on the neutral conductor protection and power safety requirement,the four-pole circuit breaker selection principles are clarified and could be an electrical design engineer reference.

four pole breaker，grounding system，neutral protection，electric safety protection