相線中性線短路故障及其保護(hù)的探討

張建明

(河南省水利勘察設(shè)計(jì)研究有限公司，河南 鄭州 450000)

引言

目前市政景觀或照明工程配電系統(tǒng)主要有TT系統(tǒng)和TN-S系統(tǒng)兩種接地系統(tǒng)形式。根據(jù)相關(guān)規(guī)范要求，室外環(huán)境中推薦采用TT系統(tǒng)，TN-S系統(tǒng)也有較廣泛的應(yīng)用[1]。在這兩種系統(tǒng)中相線中性線間的短路相對(duì)于接地故障、相間短路雖屬于稍小概率事件，且一般設(shè)計(jì)中過電流保護(hù)措施均可以實(shí)現(xiàn)對(duì)相線中性線間的短路故障的保護(hù)[2]。但是在長距離供電系統(tǒng)中，特別是景觀、道路照明等市政工程中，較長供電距離導(dǎo)致短路阻抗較大，相線中性線間短路電流遠(yuǎn)小于相間短路電流，導(dǎo)致過流保護(hù)器靈敏度無法滿足要求，而由此會(huì)引起設(shè)備損壞甚至電擊事故。

1 相線中性線短路分析

為便于定性定量分析，在短路計(jì)算時(shí)，電氣設(shè)備(路燈、景觀燈等)距離低壓變壓器距離較遠(yuǎn)，以線路電阻為主，低壓總配電柜母線及變壓器、高壓側(cè)電源系統(tǒng)等效電路阻抗相對(duì)于配電線路阻抗較小，可忽略不計(jì)。同時(shí)由于線路電抗較小，短路時(shí)考慮溫度影響，將導(dǎo)體阻抗按照1.5倍20 ℃阻抗考慮[3]。由于TT系統(tǒng)接地故障必須采用RCD保護(hù)[4]，這里不再分析TT系統(tǒng)的接地故障電流，在性能分析時(shí)不考慮TT系統(tǒng)的接地故障電流。

1.1 相線中性線故障電流

圖1和圖2分別為TT系統(tǒng)短路故障示意圖、TN-S系統(tǒng)短路故障示意圖。在TT或TN系統(tǒng)中，若短路發(fā)生在故障點(diǎn)K1處時(shí)，該短路點(diǎn)故障阻抗僅為線路的相線中性線間阻抗。假設(shè)CK1段的阻抗為ZL(分支線路極短，忽略不計(jì)，余同),NK1段阻抗為ZN,則故障阻抗Zphn=ZL+ZN，故其短路電流(U0為標(biāo)稱相電壓)[3]：

(1)

若中性線導(dǎo)體與相導(dǎo)體等截面，即ZN=ZL，由式(1)可得:

(2)

若中性線導(dǎo)體是相導(dǎo)體截面的1/2，即ZN=2ZL，由式(1)可得：

(3)

圖1 TT系統(tǒng)短路故障示意圖Fig.1 Short-circuit faults diagram for TT system

圖2 TN-S系統(tǒng)短路故障示意圖Fig.2 Short-circuit faults diagram for TN-S system

同理，對(duì)于TN-S系統(tǒng)在K2點(diǎn)發(fā)生單相接地故障時(shí)，故障電流計(jì)算方法同上(但是兩者危害和防護(hù)措施不同，此處不再贅述)，則單相接地故障電流：

若PE導(dǎo)體與相導(dǎo)體等截面，即ZN=ZP，由式(1)可得:

(4)

若PE導(dǎo)體是相導(dǎo)體截面的1/2，即ZP=2ZL，由式(1)可得：

(5)

(6)

式中：U0為相電壓～220 V;

則兩相短路電流[3]:

(7)

由以上分析可知，在不計(jì)接地故障電流時(shí)，無論是TT系統(tǒng)還是TN系統(tǒng)，最小故障電流均為相線中性線短路電流[4]。在采用RCD等單獨(dú)的接地故障保護(hù)器時(shí)，由于RCD的局限性，仍應(yīng)以相線中性線短路故障電流作為過流保護(hù)裝置的靈敏度校驗(yàn)依據(jù)，而不可采用兩相短路故障電流作為校驗(yàn)依據(jù)。

1.2 相線中性線故障電壓

假設(shè)故障前三相負(fù)載平衡，以圖1所示，C相與中性線發(fā)生短路故障后(K1點(diǎn))，導(dǎo)致中線點(diǎn)偏移，兩非故障相電壓幅值相等，而線電壓矢量不變，相線中性線短路后電壓矢量圖如圖3所示。

圖3 相線中性線短路故障電壓矢量圖Fig.3 The voltage vector of phase-to-neutral short-circuit faults

由圖3可知：

(8)

(9)

若中性線導(dǎo)體與相導(dǎo)體等截面，即ZN=ZL，則由式(9)可得：

(10)

在圖3三角形CAN和三角形CBN中，由余弦定理可求得:

(11)

若中性線導(dǎo)體是相導(dǎo)體截面的一半，即ZN=2ZL，則由式(9)可得：

(12)

同理，在圖3三角形CAN中，由余弦定理可求得:

(13)

由以上計(jì)算分析可知，在相線中性線發(fā)生短路后，非故障相電壓會(huì)升高，在5 s內(nèi)最高可達(dá)1.45U0[5],這也是該故障的特殊之處。短路故障發(fā)生時(shí)，電壓不降，反而較大幅度升高，且在故障切除前，該危險(xiǎn)電壓幅值基本不變。

故相線中性線短路故障不可忽視，如發(fā)生此類故障，而不采取措施切除，則會(huì)導(dǎo)致非故障相電壓急劇升高，短路電流持續(xù)存在，繼而引發(fā)設(shè)備、線路因過電壓或過電流而損壞，甚至引發(fā)相間或相地短路等擴(kuò)大性故障。

2 過流保護(hù)器的選擇及整定

2.1 保護(hù)動(dòng)作時(shí)間

由第1節(jié)分析可知，圖1和圖2電氣回路短路最大電流為過流保護(hù)器DL處，最小故障電流為電氣設(shè)備末端的相線中性線短路電流或單相接地故障電流(TN-S系統(tǒng)時(shí))。過流故障的切除措施，相關(guān)規(guī)范都有相應(yīng)的規(guī)定。對(duì)于切除相線中性線短路故障的時(shí)間主要考慮以下因素：一是相線中性線短路故障時(shí)，5 s內(nèi)正常相電壓可升至1.45U0；二是考慮電氣火災(zāi)以及電氣設(shè)備和線路絕緣的熱穩(wěn)定要求以及防止長時(shí)間帶故障運(yùn)行的需求[2]，故本文擬采用切斷故障電流的時(shí)間不大于5 s。

2.2 保護(hù)整定值

對(duì)于照明線路負(fù)載，反時(shí)限(Iset1)、短延時(shí)過電流(Iset2)、瞬時(shí)過電(Iset3)的過流保護(hù)脫扣器整定電流值分別應(yīng)滿足式(14)～式(16)：

Iset1≥kIe

(14)

其中，k為可靠系數(shù)，取1.0～1.4。

Idmin≥KrelIset2

(15)

Idmin≥KrelIset3

(16)

其中Ie為照明線路的計(jì)算電流，Krel為靈敏度系數(shù)，Idmin為照明線路最小故障電流。對(duì)于靈敏度系考慮到設(shè)備誤差電壓偏差等因素，校驗(yàn)過流保護(hù)器靈敏度系數(shù)Kel取1.3，延時(shí)時(shí)間取0.4 s。

以照明回路電纜采用YJV-0.6/1 kV-3×25+1×16(TT系統(tǒng))和YJV-0.6/1 kV-3×25+2×16(TN-S系統(tǒng))為例，照明負(fù)載設(shè)備均勻布置，要求壓降不大于5%，負(fù)載分布系數(shù)取0.6，照明燈具啟動(dòng)性能參數(shù)見表3所示。分別對(duì)照明回路相關(guān)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算分析并列于表1故障電流及保護(hù)配置表中(接地故障電流除外)。由此表可知，在滿足式(15)時(shí)，相線中性線短路電流僅為額定整定電流的1.5～2倍。表2為熔斷器滿足5 s切斷故障電流時(shí)的時(shí)間-電流參數(shù)，一般不小于4Ie，無法滿足式(15)、式(16)要求；表4為不同類型脫扣器性能對(duì)比，由表4可知，熱磁脫口斷路器短延時(shí)整定動(dòng)作電流一般為(3～5)Ie，且動(dòng)作時(shí)間不可調(diào)，也無法滿足式(15)、式(16)的要求；電子式脫扣器雖可以滿足式(15)、式(16)的要求，但是無法躲過設(shè)備的啟動(dòng)沖擊電流，見表3所示。故需通過增設(shè)增設(shè)RCD作接地故障保護(hù)，采用短延時(shí)，動(dòng)作整定倍數(shù)為1.5～2，延時(shí)時(shí)間根據(jù)負(fù)載類型設(shè)為0.4～4 s。采用電子脫扣器并配置RCD做附加保護(hù)，且參數(shù)整定合理，可以實(shí)現(xiàn)相間短路故障，相線中性線短路故障，接地故障、過負(fù)荷故障的全范圍保護(hù)。

表1 故障電流及保護(hù)配置表

表2 TN系統(tǒng)用熔斷器做相線中性線故障保護(hù)時(shí)Ikn/Ie最小允許值[6]

表3 常用照明燈具啟動(dòng)性能參數(shù)[7]

表4 不同類型脫扣器性能對(duì)比

3 結(jié)語

由以上分析可知，相線中性線短路故障的危害及其潛在危害是無法忽視的。對(duì)于道路照明及景觀照明，由于電氣設(shè)備輻射范圍廣、分散，設(shè)備的管理維護(hù)難度較大，如果發(fā)生相應(yīng)的故障，而沒有及時(shí)切除故障，將導(dǎo)致設(shè)備損壞甚至引發(fā)擴(kuò)大性故障。故在市政工程相關(guān)設(shè)計(jì)時(shí)，相線中性線短路故障靈敏度校驗(yàn)是不可忽視的。依據(jù)相關(guān)計(jì)算結(jié)果，并結(jié)合燈具類型合理選擇保護(hù)設(shè)備類型、設(shè)定合理的保護(hù)整定值及動(dòng)作時(shí)間是十分必要的。