独家原创:配电系统安全性研究论文

导语：独家原创:配电系统安全性研究论文一文来源于网友上传，不代表本站观点，若需要原创文章可咨询客服老师，欢迎参考。

摘要:对常见接地型式的安全性基本要求进行计算分析.结果表明,在通常情况下各接地型式均存在不安全因素.在低压配电系统的防电击保护接地设计中,须根据用电负荷的特点以及工程具体情况合理确定配电系统的接地型式,并对保护开关的动作可靠性和灵敏性等技术参数进行校验计算后,采取接零、接地、漏电保护器以及等电位联结等对应措施,以提高低压配电系统的安全可靠性.

关键词:低压配电系统;接地设计;安全性

0引言

在工业与民用装置低压配电系统设计中,首先必须保障人身安全,防止发生触电以及电气火灾、线路损坏等事故发生.最常见的方法就是采取保护接地、保护接零等技术措施.低压配电系统的接地型式主要分为:TN系统(TN系统又分为TN-S系统、TN-C-S系统、TN-C系统)、TT系统、IT系统。以上三种系统五种接地型式在我国均有应用,其中以TN-C系统最为普遍即常称的“三相四线”制系统.由于具体工程实际情况的不同,几种接地型式如果应用不当,不能完全满足标准规范所规定的技术要求,均可能存在不安全因素,从而使低压配电系统存在安全隐患.本文通过对几种常见低压配电系统接地型式的分析计算,指出了每种系统应用中可能存在的不安全因素,并提出了工程应用中相应的措施和办法.

1对各接地型式的基本要求及不安全因素分析

防触电保护的理论依据是电流对人体的伤害程度.工频交流电流对人体伤害的严重程度主要与通过人体电流的大小和持续时间有关.根据IEC标准给出的人体通过电流及相应的允许时间曲线,可得出一般情况下可能危及生命的“电击电流”为50mA以上,最大预期接触安全电压的限值(通称极限电压)UL为50V.

低压配电系统接地设计主要是解决对间接接触电击的保护,其保护方法主要为:

(1)限制可能流经身体的故障电流,使之小于电击电流;

(2)在故障情况下触及外露可导电部分,可能引起流经身体的电流等于或大于电击电流时自动切断电源.

1.1TN系统分析

1.1.1基本要求

该系统的保护主要是利用保护零线构成单相短接回路,从而产生较大的短路电流致使保护电器动作.故基本要求是当发生接地故障时,故障电流Id应使保护电器在规定时间内可靠动作,自动切断故障回路,即故障电流应满足:

（1）

式中:ZS———接地故障回路的阻抗;

Ia———保证保护电器在规定的时间内自动切断故障回路的动作电流(A),其规定时间对固定设备为5s,对手握式设备为0.4s.

U0———相线对地标称电压(V);

1.1.2存在的不安全因素

(1)在TN-C及TN-C-S系统中,当三相负荷不平衡和线路上接有非线性元件时,零线上有电流和谐波电流通过,使设备外壳带有电压,电压的大小与负荷不平衡程度和非线性元件有关,有时可能大于50V,使人体可能遭受电击[3].另外,对电子设备还存在电磁干扰.

(2)在TN-C及TN-C-S系统中,当线路或设备维修后,若误将相线和零线接反,则会导致全部接零设备外壳带上危险相电压.

(3)在TN-C及TN-C-S系统中,一旦零线断线,断线后边的电器设施即处于无接地保护状态,此时若出现相线碰壳,Id趋于零,不能满足(1)式条件,保护装置不能动作,即可能使人体遭受电击.即

使采取重复接地措施,系统变成TT系统,同样存在不安全因素(见TT系统分析).

(4)对于离供电点较远的用电设备发生相线碰壳时,由于线路较长,其ZS值很大,故障电流Id很难满足(1)式的要求.其次,当设备容量较大,由于受设备启动电流和启动时间的限制,致使保护电器的动作时间也难满足要求.这些原因均导致保护电器不能在规定时间内可靠动作,因而易发生电击事故.

(5)架空相线落地时触电危险较大(见图1).

架空相线落地时,接地点D与电源中性点接地线形成短路,短路电流Id为:

在干燥地区,相线接地电阻RE一般很大,Id很小,不足以使保护电器动作.此时零线电位UB=RB•Id较低,当低于50V时不会危及离D点较远设备处的人身安全.但D点电位接近相电压,离D点较近设备周围的人员易发生电击事故.

当接地点为金属体或潮湿地面时,RE很小,设为2欧,则有

＝220/4+2=36.6A

零线上呈现的电压为:

UB=RB•Id=36.6×4=146.4V

此时D点电位

UE=RE•Id=2×36.6=73.2V

较低,但变压器中性点以及所有接零设备外壳均带有危险电压146.4V.

1.2TT系统分析

1.2.1基本要求

该系统主要用于三相三线制电力系统以及负荷离供电点较远较分散的供电系统,以节约线路投资.基本要求是当发生接地故障时,如果电气设施的外露可导电部分故障电压超过UL时,保护电气应自动切断故障回路,此时的故障电流Id应大于保护电器的可靠动作电流,即应满足:

(2)

式中:RA———电气设施的外露可导电部分的接地电阻;

Ia———按照预期接触电压,保护电器在规定时间内自动切断故障回路的动作电流(在使用漏电保护器时,是额定动作残余电流);

U———通称极限电压(在正常情况时为50V,潮湿场所为25V).

1.2.2存在的不安全因素

通过对图2中的情况分析可以看到系统的不安全因素:

当发生相线碰壳时,设备外壳上带有危险电压.当发生相线碰壳时(忽略线路、变压器等阻抗),人体可能接触到外壳上的电压为:

式中,RB按设计规范规定一般≤4Ω,而RA远小于Rr,故上式可简化为

(3)

将RB=4Ω,RA1=10Ω,RA2=4Ω分别带入式(3)得Ua1=157V,Ua2=110V.

可见,人体可能接触到的电压均大于IEC所规

定的UL=50V,存在电击危险.

在上述情况下,要想使Ua满足低于50V的安全电压要求,则

而要满足这样低的接地电阻要求,在工程上的投资增加较大,有时甚至难以做到(在高土壤电阻率地区),保护电器在某些情况下难以切除故障回路.通常情况下要满足式(2)的要求,考虑保护电器的动作灵敏性,对于低压断路器而言,其动作电流应满足:

A

式中:K———保护电器动作可靠系数,对于断路器取1.3.

绝大多数情况下,用电设备正常工作电流都大于12.1A.而一般保护电器的动作电流不仅应大于或等于用电设备额定电流,还应躲过正常启动电流,通常均远远大于12.1A,很难满足上式的要求,无法保证安全.

1.3IT系统分析

1.3.1基本要求

如图3所示,在IT系统中,当发生第一次接地故障时,故障电流仅为另外两相线对地电容电流,其值甚小.为提高供电可靠性,要求系统继续运行,不需要切断电路,由绝缘监察系统发出音响或灯光信号,以便及时排除故障,避免继两相接地故障使线路保护器动作,致使供电中断.因此对IT系统的基本要求是对第一次接地故障信号动作电流应满足:

(4)

式中:Id———相线与外露可导电部分间第一次短路故障的故障电流(A),它计及泄漏电流和电气装置全部接地阻抗值的影响.

1.3.2存在的不安全因素

该系统一般情况下是比较安全的,如RA=4Ω发生单点接地故障时,故障电容电流一般小于5A,设备外壳对地电压一般不超过20V.由于此时另两相的对地电压将提高3倍,因此该整个线路、设备的绝缘要求要提高3倍.由于该系统故障后影响面大;在电缆回路较多、分布较广情况下,故障电容电流加大,将致使接触电压增加;三相负荷不平衡时将出现三相电压不对称,影响设备寿命;不宜配出中性线;在大量使用的单相负荷的情况下没有条件迅速处理单点接地故障等原因,故该系统较少应用于一般工业与民用装置低压配电系统中.

2对策

针对以上各系统存在的不安全因素,工程中主要应采取以下措施:

(1)在大量使用单相电器设备、精密电子仪器等的工业与民用建筑电气系统中,应尽可能避免采用TN-C系统.

(2)在TN系统中,电源零线必须重复接地措施.在零线断线情况下,断线后的系统通过重复接地变为TT系统,发生相线碰壳时,设备外壳所带电压由相电压降低为157V,从而减小了发生电击事故的危险性.

(3)采取漏电保护器.漏电保护器是利用零序电流原理工作的.无论在哪种接地系统中,只要发生相线碰壳,就会有部分漏电流没有穿越保护器,而是通过保护线回到电源,保护器中即产生零序电流使其动作,从而可靠切断故障回路,大大提高系统防电击保护的安全性.但需注意,设备外露可导电部分要越过漏电电流保护器与保护线相接.

(4)采取等电位联结的措施.所谓等电位联结,就是将建筑物内所有可能触及的外露可导电金属部份互相联结,并与系统的保护干线可靠连接,使建筑物内的所有可导电部分的电位实质上相等.目的是降低建筑物内单相故障时人员所在地点的实际接触电压,从而大大减轻电击的危险性.通过分析计算可知,等电位联结使接触电压的降低幅度为重复接地降低值的2.5倍,这时的电压降仅为电源入户后的PE线的电压降.在系统中如果用于防间接电击的保护电器动作条件不能满足要求时,等电位联结是防止间接电击的主要有效措施.

3结论

在低压配电系统的防电击保护接地设计中,只简单地要求采取一般保护接零或保护接地措施是远远不够的.必须根据用电负荷的特点以及工程具体情况合理确定配电系统的接地型式,并对保护开关的动作可靠性和灵敏性等技术参数进行校验计算后,在经技术经济比较的前提下综合采取接零、接地、漏电保护器以及等电位联结等对应措施,以提高低压配电系统的安全可靠性,保障人员及装置设备的安全.

参考文献:

[1]中华人民共和国建设部.GB50054-95.低压配电设计规范[S].北京:中国计划出版社,1996.

[2]刘介才.工厂供电[M].3版.北京:机械工业出版社,1998.

[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].2版.北京:中国电力出版,1994.