配电系统安全保护模式的选择应用

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  [摘  要]本文简述了当前我国低压配电网中存在的各类保护接地与保护接零系统的线路模式,指出了当前我国低压配电网中接地与接零保护系统存在的安全问题,并提出了低压配电网正确选择保护接地与保护接零系统的方法。本文对规范使用保护接地与保护接零系统,提高低压配电网的本质安全化水平及安全用电工作具有重要的指导作用。
  [关键词]保护接地  保护接零  低压配电网  IT系统  TT系统  TN系统  剩余电流保护器(RCD)
  中图分类号:TM 文献标识码:A 文章编号:1009-914X(2016)27-0005-03
  1. 引言
  在实际生产和生活中人们接触最多的是线电压为380V、相电压为220V的低压配电网,所以低压配电网最易发生人身触电事故或设备事故,而保护接地与保护接零是低压配电网防止人身触电事故、保证电气设备正常运行的重要安全技术措施,应用十分广泛。但是在实际生产和生活中,保护接地与保护接零的应用存在着许多不规范或错误之处,有可能危及人身或设备安全,下面就这方面的问题作一探讨。
  2.保护接地与保护接零系统的模式
  保护接地与保护接零在本质上都是为了防止电气设备金属外壳意外带电而造成人身或设备事故,但两者的保护原理有所不同。保护接地的基本原理是限制漏电设备对地的泄漏电流,使其不超过某一安全范围,一旦超过某一整定值保护器就能自动切断电源;保护接零的原理是借助接零线路,使设备在绝缘损坏后碰壳形成单相金属性短路时,利用短路电流促使线路上的保护装置迅速动作,断开电源。根据低压配电网线路结构的不同、接地接零保护方式的差异可将低压配电网的保护接地与保护接零系统分为以下三个模式:
  2.1 IT系统
  IT系统是三相三线式接地系统,该系统变压器中性点不接地或经高阻抗接地,无中性线N,只有线电压(380V),无相电压(220V),保护接地线PE各自独立接地。该系统适用于各种不接地电网。如图1,其作用
  原理是当设备金属外壳意外带电时,
  将其对地电压限制在安全范围以内,
  消除或减少触电的危险。该系统的优点是当一相接地时,不会使外壳带有较大的故障电流,系统可以照常运行。缺点是不能配出中性线N 。因此它是不适用于拥有大量单相设备的场所的。IT系统主要用于各种不接地配电网。
  2.2 TT系统
  通常称TT系统为三相四线接地系统。该系统常用于建筑物供电来自公共电网的地方,即用于未装备配电变压器,从外面引进低压电源的小型用户。TT系统的特点是中性线N(工作零线)与保护接地线PE无一点电气连接,即中性点接地与PE线接地是分开的。
  2.3 TN系统
  目前,我国地面上低压配电网绝大多数都采用中性点直接接地的三相四线配电网。在这种配电网中,TN系统是应用最多的配电及防护方式。TN系统为电源变压器中性点直接接地,用电设备金属外壳接中性线的接零保护系统。在这种系统中,当某一相线直接连接设备金属外壳时,形成单相短路。短路电流促使线路上的短路保护装置迅速动作,在规定时间内将故障设备断开电源,消除触电危险。
  如图4所示,TN系统又分为三相五线中性线与保护导体分开的TN-S系统、三相四线制中性线(N)与保护导体合一的TN-C系统及混合的TN-C-S系统。各自的特点分别为:
  2.3.1 TN-S是一个三相四线加PE线(三相五线制)的系统。如图4(a),通常建筑物内设有独立变配电所时进线采用该系统。TN-S系统的特点是,中性线N(工作零线)与保护接地线PE(电气上通常所说的“地”,其含义实际上是泛指零电位的地方,PE线是用于电气设备金属外壳和零电位连接的保护专用线,故也称作专用保护零线)除在变压器中性点共同接地外,两线不再有任何的电气连接。N线是带电的,而PE线不带电。该系统完全具备安全和可靠的基准电位,可较安全地用于各种场所中,因其安全程度高,世界发达国家应用较广,在我国也越来越被广泛使用。尤其是爆炸危险性较大或安全要求较高的场所应采用该系统。也适用于供电给数据处理设备和精密电子仪器设备的配电系统,如计算机等。
  2.3.2  TN-C系统被称之为三相四线系统,该系统中性线N(工作零线)与保护接地线PE(保护零线)合二为一,通称PEN线。如图4(c),这种系统对故障灵敏度高,线路经济简单,适合用于三相负荷基本平衡的工业企业。
  2.3.3  TN-C-S系统由两个接地系统组成,第一部分是TN-C系统,第二部分是TN-S系统,分界面在N线与PE线的连接点。如图4(b),该系统一般用在建筑物的供电由区域变电所引来的场所,如厂区设有变电站,低压进线的车间可采用该系统。进户之前采用TN-C系统,进户处做重复接地,进户后变成TN-S系统。TN-S系统的特点是:N线与PE线在进户时共同接地后,不能再有任何电气连接。该系统中,N线常会带电,PE线没有电的来源。PE线连接的设备外壳及金属构件在系统正常运行时,始终不会带电。因此TN-S接地系统明显提高了人及物的安全性。同时只要我们采取接地引线,各自都从接地体一点引出,及选择正确的接地电阻值使电子设备共同获得一个等电位基准点等措施,那么TN-C-S系统可以作为各种建筑物和工矿企业的一种接地系统。
  3. 当前低压配电网用户端保护接地(零)的使用现状
  部分电力用户在保护接地与保护接零系统的模式选用上不是很重视,无论是城镇农村居民、办公大楼还是厂矿企业、施工临时用电等电力用户,其中许多用户对各种保护系统的知识掌握不够,适用范围不清楚,使用不规范,保护系统存在许多安全隐患。
  我们知道,我国的办公或家用电器大多采用三芯电源线配三脚电源插头或四芯电源线配四脚电源插头,对于三相四线制的电器设备,电器外壳会另附一根黄绿两色的保护接地线,以便在电器工作时实行保护接地。由于现行的公用配电网络中,并没有采用统一专用的接地(或接零)线与之相适应。同时,每一个用户并不是都具备这方面的专业技术知识,再加上城镇居住条件的客观环境、房屋配电系统设计施工的不规范、供电部门的安全宣传管理不到位等因素的限制或影响。对于一般的电力用户来说,要想真正能够正确有效地实施保护接地,并不是一件容易的事。因此,大多数的用户在产品买回去后,往往都是将产品设计中要求使用的保护接地线弃而不用。有些即使采取了一定措施,使用了保护接地线,也往往很难达到规程要求的技术标准,存在着诸多的不安全因素,甚至因此反而埋下了许多事故隐患。这样一来,产品中原本是为了用户安全使用电器,而必须要求用户采用的保护接地,反而变成了摆设和累赘。   在厂矿企业中,一般都是采用三相四线制,部分采用三相三线制配电系统,由于厂矿企业的工程技术人员较多,安全保护模式的选用比居民用电要规范得多,但并非所有技术人员对此都很重视和了解,故在实际使用中仍存在一些不规范或错误之处。如:未采用保护接地或接零;接地电阻不合要求;没有重复接地;接地接零不规范等。
  国家要求基建施工现场及临时线路,一律实行三相五线制供电方式即TN-S系统,做到保护零线PE线和工作零线N线单独敷设。但是在施工现场,相当一部分施工单位并未按照这个要求去做,而是采用三相四线制TN-C系统,即使采用了三相五线制TN-S系统的,也存在不规范的地方如专用保护零线PE线未采用黄绿双色线等。
  4. 各类接地与接零保护系统的选择
  4.1 正确选择各类接地与接零保护系统
  实践证明,采用接地保护和接零保护系统是当前我国低压电力网中行之有效的安全保护措施。由于各类不同的保护系统使用的客观环境不同,因此如果选择使用不当,不仅会影响用户使用的保护性能,还会影响电网的供电可靠性。那么作为低压配电网络中的电力用户,如何才能正确合理地选择和使用各类保护系统呢?
  如果用户所在的公用配电网络是三相三线制系统,用户应该统一采取IT接地保护;
  如果用户所在的公用配电网络是三相四线制系统,则应采用保护接零系统即TN系统,也就是TN-S、TN-C或TN-C-S其中之一,当然电气设备外壳同时接地也是可以的,其前提条件是电气设备外壳必须进行保护接零。
  在这里需要说明的是用户所在的公用配电网络是三相四线制时,一般情况下,不能采用TT系统,即不能单纯采取保护接地措施。因为在这种系统中当某一相线直接连接设备金属外壳时,其对地电压几乎不可能限制在安全范围内,对于一般的过电流保护实现速断也是不可能的。其原因前面2.2中已有详细论述。
  如果用户所在的公用配电网络是三相五线制系统,那无疑TN-S系统是最好的选择。
  4.2 规范并采用高安全度的接地保护与接零保护系统
  凡是新建、扩建、企事业、商业、居民住宅、智能建筑、基建施工现场及临时线路,应该实行三相五线制供电方式,做到保护零线和工作零线单独敷设。对现有企业应逐步将三相四线制改为三相五线制供电。为实现这个目标,应规范用户受电端建筑物内的配电线路设计、施工工艺标准和要求,通过对新建或改造的用户建筑物的室内配电部分,实施以局部三相五线制或单相三线制,取代TT或TN-C系统中的三相四线制或单相二线制配电模式,可以有效实现用户端的安全保护。所谓“局部三相五线制或单相三线制”就是在低压线路接入用户后,用户要改变原来的传统配线模式,在原来的三相四线制和单相二线制配线的基础上,分别各增加一条保护线接入到用户每一个需要实施接地(或接零)保护电器插座的接地线端子上。为了便于维护和管理,这条保护线的室内引出和室外引入端的交汇处应装设在电源引入的配电盘上,然后再根据用户所在的配电系统,分别设置保护线的接入方法。
  对于基建施工现场及临时线路,要按照国家标准《施工现场临时用电安全技术规范》的要求,供电系统严格实行三相五线制,即采用TN-S系统。
  5. 使用各类接地与接零保护系统的要求
  5.1 提高广大电力用户对配电保护系统重要性的认识和知识水平
  政府有关部门和厂矿企业应加强对电力用户和群众用电安全知识的学习和教育,培养合格的电气工程技术人员,使其掌握电气安全技术知识,同时在群众中普及安全用电常识,提高电气工程技术人员和群众的安全意识。
  5.2 做好IT系统的等电位联接
  在不接地IT配电网中,即使每一用电设备都有合格的保护接地,但各自的接地装置是互相独立的,经分析计算,两台设备的对地电压一般均在190V左右,这种电压能给人以致命的电击,这种状态是十分危险的。如果像图中虚线那样,进行等电位联结,即将两台设备接在一起(或将其接地装置联成整体),则在双重故障的情况下,相间短路电流将促使短路保护装置动作,迅速切断两台设备或其中一台设备的电源,以保证安全。如确有困难,不能实现等电位联结,则应安装漏电保护装置。
  5.3 接地电阻应符合标准
  因为故障对地电压等于故障接地电流与接地电阻的乘积,所以,各种保护接地电阻不得超过规定的限值。对于低压配电网,如配电容量大于或等于100KVA,由于分布电容很小,单相故障接地电流也很小,限制电气设备的保护接地电阻不超过4Ω即能将其故障时对地电压限制在安全范围以内;如配电容量在100KVA以下,由于配电网分布范围很小,单相故障接地电流更小,限制电气设备的保护接地电阻不超过10Ω即可满足安全要求。
  5.4 规范重复接地
  TN系统中,中性线上除工作接地外,其他点的再次接地称为重复接地。重复接地具有以下作用:减轻PE线或PEN线意外断线或接触不良时接零设备上电击的危险性;减轻PEN线断线时负载中性点“漂移”。TN-C系统的零线断开后,如断线后方有不平衡负荷,则负载中性点发生电位“漂移”,使三相电压失去平衡,可能导致接在一相或两相上的用电器具烧坏。同时可以进一步降低故障持续时间内意外带电设备的对地电压,缩短漏电故障持续时间,所以应十分重视重复接地。
  按照国家规定,以下处所应装设重复接地:架空线路干线和分支线的终端、沿线路每间1km处、分支线长度超过200m的分支处;线路引入车间及大型建筑物的第一面配电装置处(进户处);采用金属管配线时,金属管与保护零线连接后做重复接地;采用塑料管配线时,另行敷设保护零线并做重复接地。当工作接地电阻不超过4Ω时,每处重复接地电阻不得超过10Ω;当允许工作接地电阻不超过10Ω时,允许重复接地电阻不超过30Ω,但不得少于3处。
  5.5 正确利用和装设接地装置   接地装置由接地体(极)和接地线组成。接地体分为自然接地体和人工接地体;相应地,接地线也分为自然接地线和人工接地线。
  用于其他目的,埋设在地下的金属管道(有可燃或爆炸性介质的除外)、金属井管、与大地有可靠连接的建筑物及构筑物的金属结构、水工构筑物及类似构筑物的金属桩等自然导体均可用作自然接地体。
  建筑物的金属结构(梁、桩等)及设计规定的混凝土结构内部的钢筋、生产用的金属结构(起重机轨道、配电装置的外壳、走廊、平台、电梯竖井、起重机与升降机的构架、运输皮带的钢梁、电除尘器的构架等)、配线的钢管、电缆的金属构架及铅、铝包皮(通讯电缆除外)等均可用作自然接地线。不流经可燃液体或气体的金属管道可用作低压设备自然接地线。
  利用水管作自然接地体或自然接地线时,必须取得主管部门同意,并应考虑到非导体段存在和接触不良的可能性,凡接触不可靠处应加跨接线;检修时必须有电气工作人员配合,切断水管前应先做好跨接线。
  利用自然导体作接地体和接地线不但可以节省费用,还可以降低接地电阻和等化地面及设备间电位。如果有条件,应当优先利用自然导体作接地体和接地线。
  人工接地体可采用钢管、角钢、圆钢或废钢铁等材料制成。其结构型式等严格执行国家标准。
  人工接地体宜采用垂直接地体,多岩石地区可采用水平接地体。对于典型角钢垂直接地体的安装,每一垂直接地体的垂直元件(钢管、角钢、圆钢)不得少于2根。接地体上端离地面深度不应小于0.6m(农田地带不应小于1m),并应在冰冻层以下。垂直接地体长度可取2~2.5m左右;相邻垂直接地体之间的距离可取其长度的2倍左右。接地体的引出导体应引出地面0.3m以上。接地体离独立避雷针接地体之间的地下距离不得小于3m,离建筑物墙基之间的地下距离不得小于1.5m。
  5.6 TT系统中用户使用的电器外露可导电部分要全部作接地保护
  在TT系统中,受电设备外露可导电部分如果不作接地保护,一旦绝缘破损,外壳即呈现有危险电压,人触及后通过人体的电流值,可达数百毫安足以致人于死地。当对外露可导电部分作接地保护时,因装有RCD,可导致电源断开,使人身安全得到保护。
  5.7 TN-C系统中用户所有使用的电器外露可导电部分要实行保护接零
  在TN-C系统中,用户所有使用的电器外露可导电部分要用保护线连接到保护中性线(PEN)上,实行保护接零,严禁保护线断线。当然,在实行保护接零的前提下,同时进行保护接地也是可以的。电器外露可导电部分接保护中性线是为了防止受电设备因绝缘破坏,外壳带电伤人,而将受电设备的外露可导电部分用保护线与保护中性线相连接。之所以起保护作用,主要是利用相线碰壳时,产生的短路电流,短路电流经相线-中性线回路,而不经过电源中性点接地装置,使过流保护装置动作而中断电源,起到保护作用。其保护效能要好于接地保护的保护效能。但在具体实施过程中,如果稍有疏忽大意,不能严格按照规程要求实施保护要求,接零保护系统导致的触电危险性仍然是很高的。如果连接用户电器设备的保护线发生断线或电器设备未连接保护中性线PEN,一旦发生设备绝缘损坏碰壳故障,不仅不能形成单相金属性短路,反而使得电器设备的外壳带电危及人身和设备安全。
  5.8 采用合理的安全保护方式
  在低压电网电源处装设全网总保护装置:用漏电继电器与交流接触器、断路器构成漏电保护装置作为总保护。
  对于移动式电力设备,临时用电设备和用电的家庭,应安装末级保护(漏电开关或漏电插座)。
  较大低压电网要采用多级保护。随着用电的不断增长,较大低压电网单单采用总保护或末级保护方式,已不能满足对低压电网供电可靠性和安全用电的需要,因此,较大电网实行多级保护如三级保护方式是电气化事业发展的必然要求。
  5.9 正确安装使用末级剩余电流保护器
  安装剩余电流保护器是防止低压电网剩余电流造成故障危害的有效技术措施。在低压配电网络中,作为用户端的末级保护,通常采用RCD作为附加保护。用户在选择安装RCD时,不仅要充分考虑供电线路、供电方式、供电电压及系统的接地型式;还要严格区分中性线和保护线,三极四线式或四极式RCD的中性线应接入RCD。要特别注意的是:无论用户使用什么样的配电系统,中性线一旦经过RCD就不得再作为保护线使用,也不得重复接地或接设备外露可导电部分,保护线也不得接入RCD。RCD安装后,负荷侧的中性线,不得与其他回路共用,被保护的电气设备、线路在正常运行时的绝缘电阻不应小于0.5MΩ。
  对于TT系统,低压剩余电流保护一般采用漏电总保护(中级保护)和末级保护的多级保护方式。其中的末级保护属于用户端的自我保护装置,对于照明用户来讲,由于配电保护装置安装的一般比较简单,因此无论其使用的是何种系统,都应优先选用具有漏电保护、短路保护或过负荷保护、过压保护的多功能的RCD。
  为了防止用户私自退出RCD的运行,建议供电企业为用户安装配电盘时,应将RCD安装在用户配电盘的电源进线首端,将用户的刀开关熔断器安装于RCD之后,提高RCD的运行效率。
  5.10 合理设置熔断器的位置
  在TT系统中,不宜在N线上装设电器将N线断开,当需要断开N线时,应装设相线和N线一起断开的保护电器。在TN-C系统中,严禁断开PEN线,不得装设断开PEN线的任何电器。当需要在PEN线上装设电器时,只能相应断开相线回路。
  5.11 规范室内配线
  规范用户端的室内配线和安装工艺,严格按照有关要求进行电器安装。同一场所的电器进线方式要统一,如配电盘的开关进线为面向配电盘,三相四线从左到右为N、A、B、C;单相排列为中性线、相线。所有电器设备的开关均应控制相线。要特别注意插座的接线要求,必须是:单相2孔插座,水平安装时面对插座的右接线柱接相线,左接线柱接中性线,垂直安装时插座的上接线柱接相线,下接线柱接中性线;单相3孔插座,面对插座的上孔接线柱在TT系统接接地线,在TN-C系统接保护中性线,右孔接线柱接相线,左孔接线柱接中性线;三相4孔插座,面对插座的上方接线柱在TT系统接接地线,在TN-C系统接保护中性线,相线则由左孔接线柱起分别接A、B、C三相。不同电压的插座安装于统一场所时,应有明显区别,且插头不能相互插入。
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