等电位联结对TN系统短路保护灵敏度的影响分析

黄 旭

(国药集团重庆医药设计院有限公司, 重庆 400039)

0 引 言

在电气设计中,TN系统配电线路末端短路灵敏度校验是极为重要的,合理设计线缆规格、合理配置各级线缆长度及回路保护,才能保证人员安全并消除因接地故障引起的火灾隐患。本文基于常规的等电位联结配置,将其纳入接地故障灵敏度计算,并进行分析。

1 等电位联结

1.1 定 义

根据规范术语描述,等电位联结是指多个可导电部分间为达到等电位进行的联结。

等电位联结可分为总等电位联结、辅助等电位联结等。

1.2 规范要求

1.2.1 总等电位的设置

根据GB/T 16895.21—2020《低压电气装置 第4-41部分:安全防护 电击防护》[3]411.3.1.2条,总等电位是必须设置的,连接的金属部分包括并不限于:

(1) 为建筑物提供服务的管道,例如气、水、区域供热系统等;

(2) 外界可导电结构件;

(3) 钢筋混凝土结构上可触及的钢筋。

1.2.2 辅助等电位的设置

根据GB/T 16895.21—2020第411.3.2.5条,如果自动切断电源的时间不能满足相关规范条款要求时,应采取辅助保护等电位联结措施。

辅助保护等电位联结应包括可同时触及的固定式电气设备的外露可导电部分和外界可导电部分,如果切实可行也包括钢筋混凝土结构内的主筋。辅助等电位联结系统应与所有电气设备及插座的保护导体相连接。

同时触及的外露可导电部分和外界可导电部分之间的电阻R,在交流系统内应满足:

R≤50U/Ia

(1)

各规范其余要求此处不再一一列出。

当切断时间不能达到要求时,采用辅助保护等电位联结作为附加防护,且实施辅助保护等电位联结后,为了其他原因诸如对火灾以及电气设备内热效应等的防护,发生故障时仍需切断电源;基于此进行反向思考,若保护及线路配置合理,切断时间能够满足要求,是否就不必要设置辅助保护等电位联结呢?从规范理解来看,是可以不设置的,但为避免接地故障时,断路器拒动,形成危险的接触电压,从保护人员安全的角度考虑,依然建议设置辅助保护等电位联结。

1.3 等电位的作用

(1) 降低接触电压。从规范对等电位联结要求和作用中可以看出,等电位联结的出发点是通过减少两导电物间的电位差,防止间接触电危险和由建筑物外部引入的危险电压。

(2) 减小接地故障回路电阻。发生金属性单相接地故障时,故障电流回路阻抗主要有系统阻抗、变压器零序阻抗、回路相线阻抗、PE线阻抗等,当采取等电位联结措施后,等电位联结导体会与PE形成局部或整体并联关系,可等效为PE线阻抗减小,尤其当末端电缆截面较小时,PE线阻抗的减小会较明显。

正因为等电位联结可以减小接地故障回路电阻,发生接地故障时,故障电流增大,提高了接地故障保护的灵敏度。

常规的总等电位联结和必要的辅助等电位联结,因路径不确定,与其并联的PE线长度不确定,而且通常等电位联结板还与结构体钢筋连为一体,难以进行准确的阻抗计算;而在常规的等电位联结外,还要求沿桥架敷设一根-40×4热镀锌扁钢,其首端与总等电位连接,末端与预留接地端子板连接,所有金属管均与该接地干线进行可靠的电气连接,电缆的金属线管与设备外壳连接,联结导体总长度通常小于线路PE,对于沿桥架敷设的线路,计算时可近似认为该接地干线与PE等长。

2 短路灵敏度校验的相关概念

2.1 定 义

在发生短路时保护电器必须可靠动作,在有可能的最不利点进行可靠性验证计算即是短路灵敏度校验。

通常情况下,对于低压配电系统,单相短路的短路电流最小,最不利点在线路末端,因而需要在配电线路末端进行单相接地灵敏度校验。单相接地短路保护也被称为接地故障保护。

2.2 关于校验的相关要求

GB 50054—2011《低压配电设计规范》[4]和GB 51348—2019《民用建筑电气设计标准》[5]均有以下要求:

TN系统中配电线路的间接接触防护电器的动作特性,应符合下式的要求:

ZsIa≤U0

(2)

式中:Zs——接地故障回路的阻抗;

Ia——保证间接接触保护电器在规定时间内切断故障回路的动作电流;

U0——相导体对地标称电压。

根据式(1)推导可得

Ia≤U0/Zs

(3)

保护动作电流不大于故障电流时,就可认为满足接地故障保护要求。

2.3 对于故障回路电流的分析

根据规范定义,Ia为保证间接接触保护电器在规定时间内切断故障回路的动作电流,保护电器既可以是断路器也可以熔断器,当保护电器为断路器时,瞬时保护、短延时保护和满足保护时限的长延时保护,均可以用作间接接触防护。

需着重提出的是,按GB/T 16895.21—2020 411.3.2.2条,故障防护最长切断电源时间要求与老版本规范、GB 51348—2019和GB 50054—2011不同,固定式设备电流大于32 A时,切断时间才可以按5 s要求,小于等于32 A时,切断时间需要按表格进行严格要求,远远小于5 s。

3 计算公式整理

在低压配电系统中,通常采取多级放射式配电,至配电末端往往有多级断路器保护,进行配电线路末端单相接地灵敏度校验时,应逐级计算,每段保护均应能通过校验,具体步骤如下:

3.1 每段电缆阻抗计算

(4)

式中: 1.5——短路发热引起的电缆电阻的增大系数;

ρ——导体电阻率,常用电缆导体主要为铜和铝合金,铜为0.017 2 Ω·mm2/m,铝合金为0.027 9 Ω·mm2/m;

m——相导体与PE导体截面之比,采用TN-C系统时,应为PEN,具有剩余电流保护回路,应为N导体;

L——电缆长度,考虑电缆在敷设中的弯曲和旋转,应为测量长度乘以1.05;

k1——电缆电抗补偿系数,和导体截面有关,S<120 mm2时,k1=1;S=120 mm2或150 mm2时,k1=0.95;S≥185 mm2时,k1=0.92;

k2——多根电缆并联系数,n(电缆并联数)=1时,k2=1,n≥2时,k2=4(n-1)/n;

S——单根相导体截面。

式(4)中按括号展开,括号中1的部分表示相线阻抗,m则表示PE阻抗:

(5)

(6)

考虑接地干线后的PE阻抗:

(6)

式中:ρ′——等电位联结导体电阻率,本文采用沿桥架敷设的接地干线,材料为热镀锌扁钢,其电阻率约为0.098 Ω·mm2/m;

S′——等电位联结导体截面。

3.2 预期单相短路电流

(7)

式中:Ik——预期单相短路电流;

0.95——考虑短路点远离电源侧,电源侧和变压器阻抗所占比例较小,故电源侧阻抗系数取0.95;

U0——相对地标称电压U0,取变压器出口电压230 V;

∑R——进行每级配电末端单相短路电流灵敏度校验时,∑R均为前端自变压器起所有的线缆电阻之和。

3.3 校验合格的判定

Ik>krelkopIset3

(5)

式中:krel——断路器瞬动误差系数,电磁脱扣器取1.2,电子脱扣器取1.1,小型断路器取1;

kop——断路器动作系数,三、四极断路器取1.2,两极断路器取1.1,单极断路器取1;

Iset3——断路器脱扣电流,等于短路脱扣倍数和断路器额定电流的乘积。

3.4 短路脱扣倍数的分析

断路器用于保护时,根据设计选型,通常设置长延时、短延时及瞬动保护等保护。

消防负荷等重要回路,过载长延时用于报警而不直接脱扣,故对于过载不脱扣的配电回路,不能采用长延时进行灵敏度校验。

大于32 A的固定电气设备的回路,可以采用5 s时确保动作的长延时脱扣倍数或倍数更低的短延时脱扣倍数进行灵敏度校验。

供给手持式电气设备、移动式电气设备以及小于等于32 A的固定设备用电的配电回路,为保证切断时间要求,不能采用长延时进行灵敏度校验,对于插座回路,断路器具有剩余电流保护,单相接地时会剩余电流瞬时脱扣,故灵敏度校验应取相线对N线短路计算,使用N线进行校验灵敏度时,不能计入等电位联结导体的影响。

对于塑壳断路器或万能式断路器,短路脱扣倍数选取中间值,通过系数计入制作误差,而对于小型断路器,短路脱扣倍数采用上限计算。

4 计算案例

某厂房设计,选取其中一个固定工艺设备配电回路,路径从单体变配电室接至楼层总箱,再经就地工艺配电箱分配后,为固定工艺设备供电,该工艺设备的额定电压380 V,额定功率5 kW,计算电流9.5 A;某配电回路元件配制如表1所示。

表1 某配电回路元件配置

根据公式编辑了便于计算的校验表格,原始数据输入表格如表2所示。

表2 原始数据输入表格

第一级配电断路器型号为NDM3-630,线路末端为下级配电箱,属于固定电气设备。NDM3-630时间/电流特性曲线如图1所示。

图1 NDM3-630时间/电流特性曲线

由图1可见,在动作时间5 s处,脱扣倍数几乎仍保持在10倍。

第二级配电断路器型号为NDM3-125,线路末端为下级配电箱,属于固定电气设备。NDM3-125时间/电流特性曲线如图2所示。

由图2可见,在动作时间5 s处,已有明显下降,中心位置在8倍以下,计算取8倍。

第三级配电断路器型号为NDB2-63C,线路末端为固定工艺设备,但其电流小于32 A,不能考虑使用长延时进行保护,脱扣倍数取C型脱扣器上限,10倍。

图2 NDM3-125时间/电流特性曲线

不考虑等电位接地干线时校验中间数据及结果如表3所示。

表3 不考虑等电位接地干线时校验中间数据及结果

从计算结果看,第二级和第三级配电发生单相接地故障时,保护电器特性均不能满足灵敏度要求。按照常规设计,此时为满足接地故障保护灵敏度要求,需要采取以下措施中的一种或几种:调整线缆截面规格、调整开关保护配置、调整配电箱安装位置以改变各段线缆长度。

但当将起等电位作用的接地干线纳入计算之后,调整后的输入表格1如表4所示,调整后的计算结果1如表5所示。

表4 调整后的输入表格1

表5 调整后的计算结果1

可以看出,将沿桥架敷设的接地干线纳入计算之后,接地故障灵敏度校验均可以满足要求,不需要另外采取增大电缆截面或调整保护配置等措施。而在计算中忽略了沿建筑钢筋网的故障电流路径、忽略了金属桥架影响、也忽略了就地辅助等电位联结等部分,实际中发生金属性接地故障时,故障回路电阻会比本文中调整后计算表格中的数据小,故障电流则更大,接地故障灵敏度校验更容易通过。

同时,在假设的算例中,相线对N线短路,因不能考虑接地干线的并联,反而更为危险,无法通过灵敏度校验,向相线对N线短路时,不考虑间接接触防护,保护时间可以按5 s考虑。

经试算,需要将第二级配电断路器改为小型断路器,第三级电缆加大到4 mm2才能通过校验,调整后的输入表格2如表6所示,调整后的计算结果2如表7所示。

表6 调整后的输入表格2

表7 调整后的计算结果2

4 结 语

经过分析配电线路末端短路灵敏度校验的计算过程,了解到因为等电位联结导体与配电线路PE线形成局部或整体并联关系,可以减小故障回路PE导体部分的电阻,故而进行末端短路灵敏度校验时,若根据实际设计情况,能够对部分等电位导体进行准确的等效计算,可以将等电位导体纳入校验计算。