关于TN低压配电系统单相接地保护的几点思考

摘  要 针对TN低压配电系统单相接地保护中短路电流计算和灵敏度校验问题，本文给出了推荐的灵敏度系数;指出了短路保护电器单相短路磁脱扣值选取注意事项;阐明了不同保护线的选取对单相短路计算电流值产生的影响，对工程设计人员具有一定指导意义。

关键词 单相接地、灵敏度、保护线

0 引言

对于TN系统单相接地故障，最经济的做法是采用保护电器的短路保护兼做接地故障保护，由于单相接地故障是短路电流最小的一种短路故障，如何计算出较为准确的短路电流并正确校验保护灵敏度，从而确保在发生此类故障时，保护电器可靠动作，对安全用电与预防电气火灾具有重要意义[1]。

TN系统单相接地短路电流计算和灵敏度检验较为复杂，需要根据不同的工程实际（如厂家元器件、保护线规格）区别对待，否则容易出现保护灵敏度不够，保护电气不能可靠切除故障线路，甚至引发故障扩大。

1 保护灵敏度系数的选取

1.1 低压断路器磁脱扣误差

依据IEC 60947-2：2006（等效国标GB 14048.2-2008） 第8.3.3.1.2章节规定，低压断路器在短路条件下的开断为：断路脱扣器的动作应在脱扣器短路整定电流的80%和120%下进线验证。也就是说允许低压断路器的磁脱扣有±20%的误差。

从这个角度看，当短路保护电器为短路器时，断路器短路保护的灵敏度应该在1.2倍以上。

1.2 配电回路的灵敏度系数

《低压配电设计规范》（GB 50054-2011）第6.2.4节规定：“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延时过电流脱扣器整定电流的1.3倍”，此处规范没有区别是三相短路电流还是单相短路电流，我们可以理解对两种短路故障均适用。

规范《火力发电厂厂用电设计技术规程》（DL/T 5153-2014）第8.1.1节的规定，动作与跳闸的单相接地保护的灵敏度系数不宜低于1.5。

国标GB 50054-2011与電力行业标准DL/T 5153-2014对于单相接地保护灵敏度系数的选取存在不一致的情况。

1.3 电动机回路的灵敏度系数

《通用用电设备配电设计规范》（GB 50055-2011）第2.3节（低压电动机的保护）对电动机回路的单相接地短路保护灵敏度系数未做具体规定。

规范DL/T 5153-2014第8.7.1节指出“为使保护范围能伸入电动机内部，要求电动机出线端子处短路时，保护范围的灵敏度不应小于1.5”。

通过条文，可以理解本文2.2节中，电力行业标准DL/T 5153-2014与GB 50054-2011不一致的原因，那就是通过将灵敏度从1.3提高到1.5，可以将保护范围延伸到电动机内部。

1.4 推荐的灵敏度系数选取

本文认为低压配电系统单相接地保护灵敏度对于配电回路和电动机回路均按照1.5的系数来校验更为合适，理由如下：

1）将配电回路单相接地保护灵敏度由1.3提高到1.5，对于原来灵敏度在1.3～1.5倍之间的回路需要额外加装接地保护装置，最终影响的是低压设备投资。

对于电动机回路，短路瞬动保护为了避开电动机的启动电流，一般定值整定为电动机额定电流的12倍，这样导致短路瞬动保护定值较大;对于配电回路，短路瞬动保护定值一般整定为回路额定电流的4～6倍，短路瞬动保护定值较小，单相接地保护灵敏度校验跟容易满足，灵敏度从1.3提高到1.5对设备投资影响有限。

2）电动机回路和配电回路按照统一的灵敏度校验更方便工程设计人员实行标准化设计。

2 短路保护电器单相短路磁脱扣值的选取

需要注意的是，某些厂家的低压塑壳断路器的单相短路磁脱扣值大于三相短路磁脱扣值。

以ABB的Tmax XT系列塑壳断路器为例，ABB编号为：1SXF210033C2001的样本第4章第4页显示，部分开关电器单相脱扣电流是三相电流脱扣的150%，摘录如下：

对于表1中列出的断路器，如果工程设计人员没有注意到ABB Tmax XT系列的产品特性，就会出现实际单相接地短路灵敏度小于校验灵敏度，不满足设计规范，从而导致工程实际中存在电气安全隐患。

Tmax XT系列是Tmax的升级产品，Tmax系列的低压塑壳断路器也有类似的特性，详见ABB编号为：1SXF210004C2010的样本第4章第4页。

此外，在工程设计中经常使用的施耐德NSX系列、西门子3VL系列塑壳断路器样本中，对单相短路磁脱扣值没有做单独说明。

由此可见，工程设计人员在校验单相短路灵敏度时，应熟悉厂家的产品特性，否则会出现单相短路校验灵敏度不够的问题。

3 单相短路电流计算中保护线电阻的选取

单相短路接地故障电流的计算公式如下[3]：

式中： ——单相短路电流的初始值;

短路电路的总相保阻抗，mΩ

——短路电路的总相保电阻，mΩ;

——短路电路的总相保电抗，mΩ;

——变压器高压侧系统的电阻（归算到400V侧），mΩ;

——变压器的电阻，mΩ;

——变压器低压侧母线段的电阻，mΩ;

——配电线路的电阻，mΩ;

——变压高压侧系统的电抗（归算到400V侧），mΩ;

——变压器的电抗，mΩ;

——变压器低压侧母线段的电抗，mΩ;

——配电线路的电抗，mΩ;

在TN-S低压配电设计中，PE线一般按照《低压配电设计规范》（GB 50054-2011） 表3.2.14的规定选取。

普遍做法是選取多芯电缆，利用多芯电缆中的一芯作为PE线（方式一）。

除此之外，在工程实际中，还有以一种做法，沿桥架敷设裸铜缆（如185mm2或150mm2），在设备末端用GB 50054-2011 中规定的裸铜缆与接地干线相连（方式二）。

很明显，在计算单相短路电流是，方式二中的小于方式一，这样两种方式下算出的单相接地短路电流值是有差异的。

以SCB9型额定电压10/0.4kV，额定容量1000kVA干式变压器为例，变压器阻抗电压6%，连接组别D，yn11，高压侧系统短路容量按照300MVA考虑，变压器电阻和电抗参数如下[3]：

方式一馈线电缆规格4*6 mm2、3*50+1*25 mm2、3*120+1*70mm2三种规格分别计算100m电缆长度下的单相接地短路计算电流结果如下表：

方式二馈线电缆规格3*6 mm2、3*50 mm2、3*120 mm2三种规格电缆，PE线规格见表3。

三种规格下的单相接地短路计算电流结果如下表：

从以上计算结果可以发现，方式二的单相接地短路电流计算结果明显大于方式一，这样更有利于保护电器的可靠动作。

4 结束语

单相接地故障是低压系统中最常见的一种故障，以化工行业为例，此类故障占所有电气故障的60%以上[2]，因此如何准确计算单相接地短路电流并正确校验，对防范类似电气故障的发生至关重要。

结合工程实际，本文从保护灵敏度系数的选取、短路保护电器单相短路磁脱扣值的选取、单相短路电流计算中保护线电阻的选取三个方面给出了提出了自己的几点看法，供电气行业同行参考。

参考文献

[1] 赵柯宇. TN低压配电系统单相接地故障的保护[J]. 工业技术，2014，18：60.

[2] 王岩，宋涛. 低压单相接地保护的几个问题探讨[J]. 电子测量技术，2017，40（5）：68.

[3] 中国航空工业规划设计研究院. 工业与民用配电设计手册[M]. 北京：中国电力出版社，2005：163-169。

作者介绍：

雷哲（1985.08.04-）;男;湖北嘉鱼;汉;大学本科;工程师;配电主管设计师;核岛中低压配电;深圳中广核工程设计有限公司。