相线中性线短路故障及其保护的探讨

张建明

(河南省水利勘察设计研究有限公司，河南 郑州 450000)

引言

目前市政景观或照明工程配电系统主要有TT系统和TN-S系统两种接地系统形式。根据相关规范要求，室外环境中推荐采用TT系统，TN-S系统也有较广泛的应用[1]。在这两种系统中相线中性线间的短路相对于接地故障、相间短路虽属于稍小概率事件，且一般设计中过电流保护措施均可以实现对相线中性线间的短路故障的保护[2]。但是在长距离供电系统中，特别是景观、道路照明等市政工程中，较长供电距离导致短路阻抗较大，相线中性线间短路电流远小于相间短路电流，导致过流保护器灵敏度无法满足要求，而由此会引起设备损坏甚至电击事故。

1 相线中性线短路分析

为便于定性定量分析，在短路计算时，电气设备(路灯、景观灯等)距离低压变压器距离较远，以线路电阻为主，低压总配电柜母线及变压器、高压侧电源系统等效电路阻抗相对于配电线路阻抗较小，可忽略不计。同时由于线路电抗较小，短路时考虑温度影响，将导体阻抗按照1.5倍20 ℃阻抗考虑[3]。由于TT系统接地故障必须采用RCD保护[4]，这里不再分析TT系统的接地故障电流，在性能分析时不考虑TT系统的接地故障电流。

1.1 相线中性线故障电流

图1和图2分别为TT系统短路故障示意图、TN-S系统短路故障示意图。在TT或TN系统中，若短路发生在故障点K1处时，该短路点故障阻抗仅为线路的相线中性线间阻抗。假设CK1段的阻抗为ZL(分支线路极短，忽略不计，余同),NK1段阻抗为ZN,则故障阻抗Zphn=ZL+ZN，故其短路电流(U0为标称相电压)[3]：

(1)

若中性线导体与相导体等截面，即ZN=ZL，由式(1)可得:

(2)

若中性线导体是相导体截面的1/2，即ZN=2ZL，由式(1)可得：

(3)

图1 TT系统短路故障示意图Fig.1 Short-circuit faults diagram for TT system

图2 TN-S系统短路故障示意图Fig.2 Short-circuit faults diagram for TN-S system

同理，对于TN-S系统在K2点发生单相接地故障时，故障电流计算方法同上(但是两者危害和防护措施不同，此处不再赘述)，则单相接地故障电流：

若PE导体与相导体等截面，即ZN=ZP，由式(1)可得:

(4)

若PE导体是相导体截面的1/2，即ZP=2ZL，由式(1)可得：

(5)

(6)

式中：U0为相电压～220 V;

则两相短路电流[3]:

(7)

由以上分析可知，在不计接地故障电流时，无论是TT系统还是TN系统，最小故障电流均为相线中性线短路电流[4]。在采用RCD等单独的接地故障保护器时，由于RCD的局限性，仍应以相线中性线短路故障电流作为过流保护装置的灵敏度校验依据，而不可采用两相短路故障电流作为校验依据。

1.2 相线中性线故障电压

假设故障前三相负载平衡，以图1所示，C相与中性线发生短路故障后(K1点)，导致中线点偏移，两非故障相电压幅值相等，而线电压矢量不变，相线中性线短路后电压矢量图如图3所示。

图3 相线中性线短路故障电压矢量图Fig.3 The voltage vector of phase-to-neutral short-circuit faults

由图3可知：

(8)

(9)

若中性线导体与相导体等截面，即ZN=ZL，则由式(9)可得：

(10)

在图3三角形CAN和三角形CBN中，由余弦定理可求得:

(11)

若中性线导体是相导体截面的一半，即ZN=2ZL，则由式(9)可得：

(12)

同理，在图3三角形CAN中，由余弦定理可求得:

(13)

由以上计算分析可知，在相线中性线发生短路后，非故障相电压会升高，在5 s内最高可达1.45U0[5],这也是该故障的特殊之处。短路故障发生时，电压不降，反而较大幅度升高，且在故障切除前，该危险电压幅值基本不变。

故相线中性线短路故障不可忽视，如发生此类故障，而不采取措施切除，则会导致非故障相电压急剧升高，短路电流持续存在，继而引发设备、线路因过电压或过电流而损坏，甚至引发相间或相地短路等扩大性故障。

2 过流保护器的选择及整定

2.1 保护动作时间

由第1节分析可知，图1和图2电气回路短路最大电流为过流保护器DL处，最小故障电流为电气设备末端的相线中性线短路电流或单相接地故障电流(TN-S系统时)。过流故障的切除措施，相关规范都有相应的规定。对于切除相线中性线短路故障的时间主要考虑以下因素：一是相线中性线短路故障时，5 s内正常相电压可升至1.45U0；二是考虑电气火灾以及电气设备和线路绝缘的热稳定要求以及防止长时间带故障运行的需求[2]，故本文拟采用切断故障电流的时间不大于5 s。

2.2 保护整定值

对于照明线路负载，反时限(Iset1)、短延时过电流(Iset2)、瞬时过电(Iset3)的过流保护脱扣器整定电流值分别应满足式(14)～式(16)：

Iset1≥kIe

(14)

其中，k为可靠系数，取1.0～1.4。

Idmin≥KrelIset2

(15)

Idmin≥KrelIset3

(16)

其中Ie为照明线路的计算电流，Krel为灵敏度系数，Idmin为照明线路最小故障电流。对于灵敏度系考虑到设备误差电压偏差等因素，校验过流保护器灵敏度系数Kel取1.3，延时时间取0.4 s。

以照明回路电缆采用YJV-0.6/1 kV-3×25+1×16(TT系统)和YJV-0.6/1 kV-3×25+2×16(TN-S系统)为例，照明负载设备均匀布置，要求压降不大于5%，负载分布系数取0.6，照明灯具启动性能参数见表3所示。分别对照明回路相关参数进行计算分析并列于表1故障电流及保护配置表中(接地故障电流除外)。由此表可知，在满足式(15)时，相线中性线短路电流仅为额定整定电流的1.5～2倍。表2为熔断器满足5 s切断故障电流时的时间-电流参数，一般不小于4Ie，无法满足式(15)、式(16)要求；表4为不同类型脱扣器性能对比，由表4可知，热磁脱口断路器短延时整定动作电流一般为(3～5)Ie，且动作时间不可调，也无法满足式(15)、式(16)的要求；电子式脱扣器虽可以满足式(15)、式(16)的要求，但是无法躲过设备的启动冲击电流，见表3所示。故需通过增设增设RCD作接地故障保护，采用短延时，动作整定倍数为1.5～2，延时时间根据负载类型设为0.4～4 s。采用电子脱扣器并配置RCD做附加保护，且参数整定合理，可以实现相间短路故障，相线中性线短路故障，接地故障、过负荷故障的全范围保护。

表1 故障电流及保护配置表

表2 TN系统用熔断器做相线中性线故障保护时Ikn/Ie最小允许值[6]

表3 常用照明灯具启动性能参数[7]

表4 不同类型脱扣器性能对比

3 结语

由以上分析可知，相线中性线短路故障的危害及其潜在危害是无法忽视的。对于道路照明及景观照明，由于电气设备辐射范围广、分散，设备的管理维护难度较大，如果发生相应的故障，而没有及时切除故障，将导致设备损坏甚至引发扩大性故障。故在市政工程相关设计时，相线中性线短路故障灵敏度校验是不可忽视的。依据相关计算结果，并结合灯具类型合理选择保护设备类型、设定合理的保护整定值及动作时间是十分必要的。