TN系統配電線路單相短路保護的可靠性校驗

方雅君

(福建省建筑設計研究院 福建福州 35001)

TN系統配電線路單相短路保護的可靠性校驗

方雅君

(福建省建筑設計研究院 福建福州 35001)

文章論述配電線路的保護，當短路保護電器為斷路器時，TN系統用斷路器自動切斷電源作電擊防護的間接接觸保護。結合具體工程項目，針對不同規格的斷路器及銅芯線纜，計算出滿足低壓斷路器單相短路時保護靈敏度要求的導線長度，列出TN系統回路0.4kV線路最大供電距離表，以方便設計時估算使用。

TN系統; 單相短路(單相接地故障)整定電流; 供電距離

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1 TN系統用自動切斷電源作間接接觸保護的校驗的重要性

根據GB50054-2011《低壓配電設計規范》5.2.2條：在使用I類設備、預期接觸電壓限值為50V的場所，當回路或設備中發生帶電導體與外露可導電部分或保護導體之間的故障時，間接接觸防護電器應能在預期接觸電壓超過50V且持續時間足以引起對人體有害的病理生理效應前自動切斷該回路或設備的電源。

對于TN系統線路間接接觸保護，規范做了以下規定：

GB50054-2011《低壓配電設計規范》5.2.9條：TN系統中配電線路的間接接觸防護電器切斷故障回路的時間，應符合下列規定：

(1)配電線路或僅供給固定式電氣設備用電的末端線路，不宜大于5S；

(2)供給手持式電氣設備和移動式電氣設備用電的末端線路或插座回路，TN系統的最長切斷時間不應大于表1的規定。

表1 TN系統的最長切斷時間

GB50054-2011《低壓配電設計規范》6.2.4條：當短路保護電器為斷路器時，被保護線路末端的短路電流不應小于斷路器瞬時或短延時過電流脫扣器整定電流的1.3倍。

TN系統內發生接地故障(單相接地短路)時，其故障電流通過回路的PE線金屬通路返回電源，故障電流幅值較大。要求防護電器自動且迅速的切斷電源。規范的這三點對防護電器(斷路器)的靈敏度和切斷時間提出了明確的要求，因如果切斷不及時，而PE線上大電流產生的大電壓降形成的接觸電壓Uf如(圖1)超過接觸安全電壓限值(50V)，這時人體如觸及帶電的設備外露導電部分，就有可能導致間接接觸電擊事故。如果保護電器(斷路器)不動作，故障持續時間過長，回路導體產生的異常高溫還將烤燃附近可燃物而引起電氣火災。故TN系統內，用自動切斷電源作間接接觸保護非常重要。

注：現有的工程應用中，大部分采用斷路器作為短路保護的保護電器，故此文僅以使用斷路器作為保護電器的情況進行討論。

圖1 單相接地故障時，斷路器不能自動切斷電源的電擊危險

2 民用建筑電氣設計0.4kV低壓供電半徑的一般判定

在民用建筑電氣設計中，對于10/0.4kV變電所的0.4kV低壓供電范圍的確定，我們一般考慮的是業主業態功能的區域，還有就是用電電壓的質量(即電壓損失能滿足規范要求)。《20kV及以下變電所設計規范》GB50053-2013第2.0.1條規定“變電所的所址宜靠近負荷中心”；福建省地方標準《10kV及以下電力用戶業擴工程技術標準》DB35/T1036-2013第6.3.2條明確“0.4kV低壓供電半徑不宜超過250m。經核算能確保滿足居民用電電壓質量時，可根據實際情況適當延長低壓供電半徑。只有經計算負荷滿載時最末端用戶的電壓降、以及負荷輕載時最近端用戶的電壓偏差均符合國家標準時，低壓供電半徑才可適當延長”。

因此，在現有民用建筑電氣設計工程案例中，0.4kV低壓供電半徑控制在250m內，用電設備的電壓損失一般都能滿足規范要求，但是在用電設備的電壓損失滿足要求的情況下，低壓供電半徑在250m內，線路發生接地故障時，低壓斷路器是否能自動且迅速切斷電源而滿足規范要求？筆者以工程案例做探討，首先回顧下接地故障電流的計算。

3 線路末端接地故障電流的計算

TN系統，若設備A發生某相接地故障，A為I類設備，U0為相電壓(圖2)。接地故障回路的阻抗為Zphp(忽略斷路器內阻、接觸電阻)，相線和PE線的相保電阻為Rphp，相線和PE線的相保電抗為Xphp，則接地故障電流：

其中，系統及變壓器(含母線)阻抗查閱《工業與民用配電設計手冊》第三版P164～171頁表4-28～4-31，線路的相保阻抗《工業與民用配電設計手冊》第三版P158頁表4-25。

圖2 單相接地故障電氣示意圖

4 低壓斷路器靈敏度的校驗

根據《民用建筑電氣設計規范》JGJ16-2008第7.6.3條第3款規定，低壓斷路器靈敏度應按下式校驗:

(1)

式中，Klz—低壓斷路器動作靈敏系數；

Idmin—被保護線路預期短路電流中的最小電流(A)，在TN、TT系統中為單相短路電流；

Izd—低壓斷路器瞬時或短延時過電流脫扣器整定電流(A)。

5 工程案例

某工程為集高級購物中心、甲級寫字樓、酒店式公寓、寫字樓、時尚休閑娛樂中心等為一體的城市綜合體項目，總建筑面積為64.47萬平方米，其中地上49.01萬平方米，地下15.65萬平方米。地面最高28層，地下室三層(其中地下一層設有一個面積1.5萬平方米的超市，其余地下室部分平時均為停車和設備用房)，最高建筑物高度為99.9m。本項目共分三個區，A區為高級購物中心、甲級寫字樓、時尚休閑娛樂中心等，面積約為27.17萬平方米；B區為酒店式公寓(住宅)區，面積約為22.8萬；C區為寫字樓區，面積約為14.7萬；根據業態功能分區，將變配電房盡量設置在負荷中心，共設置22個變電所。 每個變電所0.4kV低壓供電半徑控制在250m內，經檢驗，每個用電設備電壓損失均滿足規范要求。本工程采用TN-S接地系統，設PE專用保護接地線。如上所提，校驗線路發生接地故障時，低壓斷路器是否能自動且迅速切斷電源而滿足規范要求呢？

5.1 校驗K1、K2、K3

選取最末端的兩種用電設備作為最不利點(K1、K2、K3)進行校驗，其配電干線圖如圖3所示：

圖3 低壓配電干線短路電流計算電路簡圖

(1)用電設備為地下三層車庫照明燈具：其防護電器選擇微型斷路器(C型)，根據GB10963.1-2005/IEC60898-1∶2002《電氣附件 家用及類似場所用過電流保護斷路器 第一部分：用于交流的斷路器》第5.3.5條規定，瞬時脫扣的標準范圍如表1：

表1 瞬時脫扣標準范圍

C型微型斷路器的瞬時脫扣電流取5In，適用保護配電線路以及具有較高接通電流的照明線路；

(2)用電設備為地下三層車庫排風機：其防護電器選擇微型斷路器(D型)和電動機保護開關(一體式)；D型微型斷路器的瞬時脫扣電流取10In，適用保護電動機線路設備。

5.2 校驗K1點

(1)根據《工業與民用配電設計手冊》第三版P168頁表4-30查得系統(高壓側系統短路容量200MVA)及變壓器[SC(B) 9系列10(6)/0.4kV變壓器 (D,yn11)]、母線阻抗(因《工業與民用配電設計手冊》第三版無SC(B)10系列變壓器的技術參數，故參照SC(B)9系列變壓器)，根據《工業與民用配電設計手冊》第三版P158頁表4-25查得線路的相保阻抗，做如下單相接地故障電流計算詳表2：

表2 K1短路點單相接地故障電流計算表

(2)由上表可知K1點的接地故障電流Id-k1=78A

c)K1點斷路器QF3的瞬時脫扣電流Izd=5In=5×16=80(A)

f)結論：變電所至末端照明燈具供電距離約210m，雖然電壓損失滿足規范要求，但是線路發生單相接地故障時，低壓斷路器不能自動且迅速切斷故障電源，不滿足規范要求。

5.3 校驗K2及K3點

(1)根據《工業與民用配電設計手冊》第三版P168頁表4-30查得系統(高壓側系統短路容量200MVA)及變壓器[SC(B) 9系列10(6)/0.4kV變壓器低壓側短路電流值(D,yn11)]、母線阻抗，(因《工業與民用配電設計手冊》第三版無SC(B)10系列變壓器的技術參數，故參照SC(B)9系列變壓器)，根據《工業與民用配電設計手冊》第三版P158頁表4-25查得線路的相保阻抗，做如下單相接地故障電流計算詳表3：

表3 K2短路點單相接地故障電流計算表

(2)由上表可知K2點的接地故障電流Id-k2=184A;K3點的接地故障電流Id-k3=173A。

(3)K2點斷路器QF6的瞬時脫扣電流Izd2=10In=10×20=200(A);K3點電動機保護開關QF7的瞬時脫扣電流Izd3=12In=12×6=72(A)

(5)結論：變電所至末端排風機供電距離約180m，電能質量滿足規范要求，但是線路發生單相接地故障時，電動機保護開關(一體式)QF7能滿足規范要求，低壓斷路器QF6不能自動且迅速切斷故障電源，不滿足規范要求。

6 總結

由以上工程案例可見，在供電半徑、用電電能質量滿足規范的前提下，發生接地故障時，低壓斷路器極有可能無法自動且迅速切斷電源，故進行低壓斷路器的靈敏度校驗很有必要。

(2)

根據式(1)和式(2)得TN系統回路供電距離：

在不考慮導線動穩定和熱穩定的情況下，推算出不同規格的斷路器及銅芯線纜，變電所電源點至末端用電設備的允許最大供電距離，一般前級的線路電阻比最后一級的線路電阻小很多，故在方案階段，最后一級配電間至末端用電設備的供電距離可參照表4。

在施工圖設計中，結合以上的公式，筆者設計一個EXCEL表格，輸入系統及變壓器(含母線)阻抗(查閱《工業與民用配電設計手冊》第三版P164～171頁表4-28～4-31)、線路的相保阻抗(《工業與民用配電設計手冊》第三版P158頁表4-25)、供電距離、回路開關的整定電流，選擇瞬時脫扣與整定電流的倍數(表中灰色格子部分)，可自動檢驗每一級低壓斷路器的靈敏度，詳見表3和表4。

表4 斷路器切除單相接地故障導線最大距離(Sp=S)

表4(續)：斷路器切除單相接地故障導線最大距離(Sp=S/2)

注：Sp為PE線的截面積，S為相導體的截面積

表5 單相接地故障電流計算表

表6 斷路器靈敏度校驗

[1]GB50054-2011,低壓配電設計規范[S].

[2]GB50053-2013, 20kV及以下變電所設計規范[S].

[3]JGJ16-2008,民用建筑電氣設計規范[S].

[4]中國航空工業規劃設計研究院等.工業和民用配電設計手冊(第三版).中國電力出版社，2005(10).

[5]GB10963.1-2005/IEC60898-1：2002,電氣附件 家用及類似場所用過電流保護斷路器 第1部分：用于交流的斷路器[S].

方雅君(1982.4- ),女，本科，高級工程師，注冊電氣工程師(供配電)，主要從事建筑電氣與智能化、夜景照明等方面的工作。

Reliability verification of single phase short circuit protection in TN system

FANGYajun

(Fujian Institute of architectural design，Fuzhou 350001)

This paper discusses the protection of power distribution lines. When the short circuit protection equipment is a circuit breaker, the TN system is used for the protection of the electric shock protection. Combined with the specific engineering project, the wire length is calculated according to the different specifications of the circuit breaker and the copper core cable, and the maximum power supply distance of the TN line 0.4kV line is listed.

TN system;Single phase short circuit (Single phase grounding fault) the whole set current;Supply distance

方雅君(1982.4- ),女，高級工程師。

2015-11-04

TU855

A

1004-6135(2015)12-0097-06