低压配电单相接地故障保护的设计与应用

袁 涛

（湖北省化工研究设计院，武汉 430000）

0 引言

在低压配电系统中单相接地故障是一种因电气绝缘老化损伤、多发生在潮湿、多雨天气的临时性故障。在TN系统中接地故障相当于单相短路，故障电流很大，故障相对地电压降低，非故障相的对地相电压变为线电压升高 3倍，可能引起绝缘的薄弱环节被击穿，发展成为相间短路，使事故扩大，必须迅速切除，否则将产生严重后果，引起火灾甚至爆炸[1]。在TT系统和IT系统中，接地故障电流虽然较小，但故障设备的外露可导电部分可能呈现危险的对地电压，如不及时予以信号报警或切除故障，就有发生人身触电事故的可能。因此在单相接地故障情况下，为防止因间接接触带电体而导致人身电击，因线路故障导致过热造成损坏，甚至导致电气火灾，在国家标准规范中对于在哪些地方设置单相接地故障保护，如何设置做了具体的要求。

1 需要设置单相接地故障保护的情况

1.1 配电线路距离过长

在《低压配电设计规范》GB50054-2011第6.2.4条中要求，当短路保护电器为断路器时，被保护线路末端的短路电流不应小于断路器瞬时或短延时过电流脱扣整定电流的1.3倍[2]。对于低压配电中TN系统，单相接地故障可以看成单相短路，断路器为保护开关的配电回路中，一般的微型断路器、塑壳断路器仅含有过电流的热磁脱扣保护功能，即具有反时限过负荷的长延时保护以及过电流瞬时脱扣的短路保护。在这种情况下由于配电线路较长，末端短路电流较小，故障电流小于断路器瞬时脱过电流的1.3倍，此时因为故障电流达不到短路器过流脱扣的整定值，断路器不会动作，也就无法快速切除故障，对线路及设备起到保护作用。为了解决上述配电线路距离过长导致短路保护失效的问题，在低压配电设计中，该情况的线路保护可以通过增设单相接地故障保护的办法，来弥补长距离线路保护的缺陷，当然也可以通过其他办法，如增加电缆截面、采用带有短延时电流整定的办法等等，此处仅对设置单相接地故障保护这种办法进行分析，此情况不太适用于TT和IT系统。

1.2 配电线路电气火灾防护要求

《低压配电设计规范》GB50054-2011第6.4.1条中指出要防止：（1）配电线路绝缘损坏时，可能出现接地故障；（2）接地故障产生的接地电弧，可能引起火灾危险。采用设置剩余电流检测或保护电器，此处要求设置的剩余电流检测或保护电器为常用单相接地故障保护的设置办法。同时在《火灾自动报警系统设计规范》GB50116-2013中也提出火灾危险性场所，应按要求设置电气火灾监控系统[3]。低压配电设计的工程应用中，常用带剩余电流保护来实现单相接地故障保护，除剩余电流保护外，零序电流保护也可以起到单相接地故障保护的作用。

1.3 低压电动机保护要求

《通用用电设备配电设计规范》GB 50055-2011第2.3.1项条文规定交流电动机应装设短路保护和接地故障的保护[4]。同时第2.3.6条要求交流电动机的间接接触防护应符合《低压配电设计规范》中对接地故障保护设置的要求，并提出优先利用电动机的短路保护器件，在满足接地故障保护要求时，应采用短路保护器件兼作接地故障保护。

1.4 爆炸危险性环境电气设备保护要求

GB 50058-2014《爆炸危险环境电力装置设计规范》第5.3.3条要求，除本质安全电路外，爆炸性环境的电气线路和设备应装设过载、短路和接地保护[5]。该条文明确指出爆炸危险环境中应设置接地保护，根据前文中单相接地故障的危害性可知爆炸危险区域中单相接地故障保护设置的重要性。在石油化工等工业设计中，有许多装置或者甲乙类厂房属于爆炸危险环境，单相接地故障导致的过热或火花等，很有可能引燃该环境中的可燃介质从而发生爆炸，产生重大人员伤亡及经济损失。所以爆炸危险性环境中，单相接地故障保护的设置也是很必要的。

2 设置单相接地故障的形式

根据上述几种需要设置单相接地故障情况，以及国家标准规范对单相接地故障保护的规定及要求，单相接地故障保护的形式大概可以分为3种[6-7]。

2.1 保护开关的短路保护

现阶段的低压供配电设计中，线路的保护开关多采用断路器，少部分采用熔断器，断路器的热、磁脱扣是通过检测线路的电流与整定过流限值及动作时间来做保护判据；熔断器是利用熔丝的物理电流发热特性来起到保护线路的作用，类似于断路器的热脱扣。这里用断路器作分析举例，当断路器所保护线路距离较长时，其末端短路故障电流较小，达不到断路器的脱扣电流值，导致断路器不动作，故障线路无法切除。

例如以常熟的CM3断路器为例，断路器额定电流100 A，对于简单馈线回路，断路器本身的热磁脱扣特性参数为：热脱扣也就是长延时脱扣电流为（1.05～1.3）Ir，磁脱扣也就是瞬时脱扣电流为10Ir。根据《工业与民用配电设计手册》（第四版）第966页中表11.2-4用断路器作间接防护时铜芯电缆最大允许长度可知，对应断路器额定电流100 A瞬时脱扣电流1 000 A与其匹配的铜芯电缆YJV-0.6/1kV-3×50+2×25，断路器可以保护电缆的距离为88 m，也就是说这种情况下的配电线路长度在88 m以内时，可以利用断路器的瞬时脱扣来兼作线路的单相接地故障保护；同时可以知道，一旦配电线路长度比该表格中的距离值要长时，该形式的保护就不适应了，这里就得用其他方法来增设单相接地故障保护。

当采用熔断器的过流保护时，其过流分断特性加入时间，作间接防护时铜芯电缆最大允许长度可根据《工业与民用配电设计手册》（第四版）第966页中表11.2-5、表11.2-6，其切断时间分别为小于等于5 s和小于等于0.4 s，这也是《低压配电设计规范》第5.2.9条对故障切断时间的要求。同样该情况配电线路长度比该表格中的距离值要长时，超出最大距离部分的线路保护就失效，这里就得用其他方法来增设单相接地故障保护。

在工程应用中，上述办法适用于带断路器或熔断器的配电距离较近的配回路。

2.2 剩余电流保护

当配电线路距离较长、不能利用保护开关的短路保护兼作单相接地故障保护时，可采用加装剩余电流保护作单相接地故障保护，这样同时可以满足电气火灾防护的要求。

剩余电流保护（RCD）的设置办法是在配电回路上加装零序CT，可以将A相、B相、C相、N相分别穿过4个零序电流互感器（零序CT），测量电流Ia、Ib、Ic、In，线路正常运行时电流向量和Ia+Ib+Ic+In≈0（忽略线路、设备正常运行时的泄露电流），当发生单相接地故障时，故障电流会流过保护性PE线及接地的相关金属构件，使Ia+Ib+Ic+In≠0，此时数值为接地故障电流Id加正常泄露电流。剩余电流保护另一种穿线方式是A相、B相、C相、N相一起穿过一个零序CT，其检测效果一样，当检测到故障泄露电流超过限制时，保护器件动作将故障切除或者发出报警信号。剩余电流保护测量到的故障电流比较小，通常为几十毫安到几十安，其整定电流值一般为30 mA、100 mA、300 mA动作时间整定为0.1 s、0.3 s、0.5 s，工程应用中根据不同的地方与用途选择合适的剩余电流整定值与时间。剩余电流保护适用于TN-S系统、TN-C-S系统、TT系统、IT系统，不适用于TN-C系统。

在工程应用中，配电线路加装剩余电流保护来满足单相接地故障保护的要求，该办法适用于配电距离长、爆炸危险环境的线路配电、具有火灾危险的场所以及有防触电、间接防护等要求的配电线路保护。

2.3 零序电流保护

零序电流保护与剩余电流保护有许多相似的地方，同时也有一些不同点[8]。例如零序电流保护测量用到的同样是零序CT，与剩余电流保护不同的是零序CT仅将A相、B相、C相穿入一个零序CT，正常情况下，3根线的向量和Ia+Ib+Ic≈0，零序电流互感器无零序电流流过。当发生单相接地故障时Ia+Ib+Ic≠0，与剩余电流保护所不同的是、故障状态下零序CT测量的故障电流较大，从几十安到几千安。零序电流保护另一种穿线方式是仅在N相上穿一个零序CT，其检测效果一样，当检测到单相接地故障电流超过限制时，保护器件动作将故障切除或者发出报警信号。零序电流保护的整定电流一般为（0.4～0.8）In，动作时间0.1～0.5 s，实际应用根据不同的情况整定。零序电流保护适用于TN-S系统、TN-C-S系统、IT系统，不适用于TT系统。

在工程应用中，零序保护比较适用于配电距离较长，三相负荷平衡的系统，其适用范围比剩余电流保护要小些。

3 结束语

综上所述，结合工程应用中的低压供配电设计的形式，利用上述3种保护方式来实现单相接地故障保护的应用情况有如下几种：（1）馈线回路，即仅有断路器或熔断器保护的配电线路，配电线路距离长度满足《工业与民用配电设计手册》最大允许值时，利用其过流保护兼作单相接地故障保护；（2）馈线回路配电线路距离长度超出第一种情况加装RCD剩余电流保护，选择带剩余电流保护功能的断路，例如

常熟的CM3L型断路器；（3）在线路上加装RCD剩余电流动作继电器，零序互感器，断路器选带分励脱扣附件，这样就可以实现剩余电流的保护；（4）馈线回路加装零序电流保护，可以选用带零序保护的智能型断路器，也可以选配零序互感器及相关保护器件来实现；（5）电动机配电回路，若该回路采用马达保护器来作保护，可以利用马保自带的接地故障保护来实现功能，目前市场上的马保都是标配该功能；（6）电动机回路，马保不带接地故障保护功能可通过前四种方法实现；（7）电动机回路不带马保，采用热继电器保护的回路同样按前四种方式来进行单相接地故障保护的实现。以上是低压供配电设计中，比较常见几种配电形式，根据上述方法给配电线路设置单相接地故障保护的这7种方法，也是现如今工程应用中比较常见的几种应用实例。