针对低压配电在电气设计中作出的分析

2022-03-19 09:41:04 | 浏览次数：

摘要：随着时代的推进，人们的居住环境有了很大的变化，比较典型的就是相对比较集中。所有很必要的配套设施也在各尽其能发挥着巨大的作用。其中电气也是不容小觑的大头。然而电气火灾也就变的时有发生了。本文根据低压配电设计规范及在设计中存在的问题做出了分析。

关键词：低压配电；电气设计；

前言

TN系统进行维护、测试和检修时，在中性线上的电位不危及人身安全，不引发火灾等情况下，人为选择四极隔离电器，不但造成投资增加，甚至可能带来不可预计的事故危害。面对电气火灾，理应对建筑物和场所的性质、电气防火的原理进行了解，针对不同的情况，选择具有针对性的解决方法。

1电气装置维护，测试和检修的隔离

1.1系统正常工况下的隔离

TN系统是目前我国应用最普遍的电源系统，了解TN系统的电气隔离对安全用电具有重要意义。其中，中性导体的隔离应考虑到相关不利因素，每处隔离会增加三个阻抗（两个接线端子和一处触点），如果所有各级隔离的一系列阻抗导致中性导体电位偏移或中断，反而可能产生较大的财产损失，进而引发人身电击伤害。即使不发生意外，配电系统的这类隐患也可能增加不必要的维护和检修成本。因此，是否需要隔离中性导体，关键要看中性导体和地电位之间是否有不可接受的电位差，是否会产生电击危险。

1.1.1电源进线箱处的隔离

TN―C―S系统低压进线，保护接地中性导体在进线电源箱处做总等电位联结，分出中性导体和保护导体，中性导体具有可靠地电位由变电所放射式供电的TN―S系统低压进线，维护、测试和检修断开相导体后，中性导体和保护导体处于相同的电位（变电所总接地端子MET的电位）。

1.1.2除进线电源箱以外其他配电箱的隔离

正常使用工况下，低压线路上的电压降不大于回路标称电压的5 %，相导体、保护中性导体和中性导体上的电压降总共不超过220V×5%=11V，中性导体和设备外壳之间不会出现大于50V电位差。

当出现严重不平衡电流或高次谐波，中性导体的预期电流超过线导体电流值时，可采取GB16895.5―2012/IEC60364―4―43 ：2008《低压电气装置第4― 43部分：安全防护过电流保护》第431. 2. 3条的措施，对中性导体进行过电流检测，“并应只分断线导体而不必分断中性导体”。

以下讨论中性导体上最高达到100%线导体电流的情况。

假设极端情况下，中性导体上有YJV―5×10mm2能承受的持续载流量68A的工作电流流过，中性导体长度为150m，正常工作时中性导体的电阻为：

R=[1+a （θ一20）] ×r20×ι=l.28×1.754 ×150/1000=0.337Ω

式中：ι—线路长度；

a—电阻温度系数，取a=0.004；

θ—导线实际温度，取900℃；

r20 — 20℃时导线单位长度电阻，Ω/ km

ΔU=I×R=68×0.337=22.9V

IEC6114―2009 （Protection against electric shock―Common aspects for installation and equipment》第8. 3. 2条：“……在TN―S系统中，中性导体被认为是可靠地处于地电位时，则中性导体不必隔离。-4此处的“中性导体被认为处于地电位”，笔者认为，应理解为中性导体和地电位之间有可接受的电位差，而不是没有电位差。对于建筑物内干燥场所，从电击安全的角度，可接受的电位差应为不大于交流50V。

因此，正常工况下，TN系统维护、测试和检修，中性导体不需要隔离。

1.2 TN系统故障情况下的隔离

按照IEC60364―5―53：2002《Electrical installation of building、―Part5―53：Selection and erection of electrical equipment―Isolation，switching and control》第536. 2. 2. 7条，隔离电器应优先采用多极开关5当配电系统出现故障，电气隔离不能替代IEC60364―4―41到IEC60364―4―44的保护措施气这些措施包括：

a―41部分：直接接触防护和间接接触防护；

b―42部分：热效应保护；

c―43部分：过电流保护；

d―44部分：高压系统接地故障和低压系统。

故障引起的暂时过电压的防护、大气过电压或操作过电压防护，以及电磁干扰防护等。

预防中性线断线应采取IEC60364―5―52；2009《Low―voltage electrical installation、―Part5―52：Selection and erection of electrical equipment―Wfiring systems》524. 2的措施。实施了以上保护措施，特别是4-41部分的措施后，保护电器动作，排除配电系统故障（包括高压系统接地故障、低压系统接地故障、单相短路、相线接大地等）以后，才能隔离或断开电源进行电气设备的“维护、测试和检修”。

TN系统低压系统故障情况下，变电所放射式供电的电源进线箱及其放射式配电的其他配电箱处，断开线导体进行“维护、测试和检修”时，中性线和地电位之间没有电位差。对于树干式配电的配电箱需考虑以下情况：

（1）树干式配电的各楼层配电箱保护电器全部采用断路器，其间接接触防护只允许采用瞬动特性，自动切断电源时间不超过0.4s（系统电压120V

（2）树干式配电的各楼层配电箱保护电器部分采用熔断器。当校验短路电流值，使得熔断器反时限特性的自动切断电源时间不超过0.4s（系统电压120V< U0 ≤230V），电击防护措施同样可靠。例如，熔体额定电流In为40～63A，Id当校验短路电流值，使得熔断器反时限特性的自动切断电源时间不超过Ss（系统电压120 V< U0 ≤230V），不隔离中性导体的“维护、测试和检修”可能有电击风险。例如，熔体额定电流In为12～63A，Id=5In

（3）特殊情况，发生相线接大地故障，保护电器可能无法及时切断电源。此故障的结果是，系统中性线和PE线电位同步上升，在实施总等电位联结的场所，中性线和PE线之间将不会出现电位差。同样，当高压系统发生接地故障时，低压系统中性线和PE线之间也不会出现电位差。

由此，得到以下结论：

TN系统低压系统故障情况下，变电所放射式供电的电源进线箱及其放射式配电的其他配电箱处，无须隔离中性导体。树干式配电的配电箱内保护电器全部采用断路器，或部分选用熔断器（自动切断电源时间小于等于0.4s时），低压系统故障情况下的“维护、测试和检修”不必隔离中性导体；仅当部分选用熔断器，自动切断电源时间大于0.4s，且小于等于5s时，低压系统故障情况下的“维护、测试和检修”才需要隔离中性导体。

当变电所在建筑物内时，电源进线箱山低压配电柜替代。低压断路器无论采用抽屉式组件实现隔离，或抽出式、插拔式断路器利用摇杆实现隔离，均可不隔离中性极。

当然，对于家用及类似场所、存在电击危险或火灾危险的场所。以及无等电位联结的特殊场所或区域等，应采取断开中性导体的隔离措施。

1.3带隔离功能的剩余电流断路器电气隔离的要求

TN系统选用带隔离功能的剩余电流断路器时，需区别对待；TN系统选用带隔离功能的剩余电流断路器，进线电源箱处的中性导体具有可靠地电位，可选用带隔离功能不断开中性极的三相三极四线RCD 见图一

建筑物内其他配电箱，考虑到RCD动作后切除故障剩余电流，为避免引起电气火灾和其他正常运行的RCD误动作，应选用带隔离功能的三相四极RCD。图1中RCD2接地故障动作保护后未切除中性导体，接地故障电流I2有可能导致RCD1出现不期望的误动作；接地故障产生接地电弧，还有产生火灾的风险。

1.4电气隔离的要求

理论上，所有电气设备都有维护、测试和检修的必要，但是，没必要所有回路都选用隔离开关、带隔离功能的断路器或合格的插接器。

IEC60364―5―53：2002第536.2.1.1（462.1）条，除上述536.1.2内容以外，隔离电器宜将每个回路与带电导体隔离536.1.2（461.2）条：TN―S系统，PEN导体不应隔离；TN―S系统，中性导体不必隔离，条件允许时，对一组配电回路可采用一个公共的隔离电器。

我国的工程建设标准要求，照明、电力、消防及其他防灾用电负荷分别自成系统。配电干线的性质是统一的，配电箱的控制区域不会太大，除个别回路维修不宜切断配电箱电源进线外。只在各配电箱的进线开关处选用隔离开关或带隔离功能的断路器即满足要求，且能节约投资，简化维护。

需要注意的是，目前，符合GB10963.1―2005/ IEC60898―1；2002，IDT《电气附件家用及类似场所用过电流保护断路器第1部分：用于交流的断路器》的断路器均带隔离功能，常用的B，C，D型微型断路器均带隔功能7。符合GB 16917―2003/IEC61009―1；1996，MOD《家用和类似用途的带过电流保护的剩余电流动作断路器（RCBO）第1部分：一般规则》带过电流保护的剩余电流动作断路器也带隔离功能。

但是，符合GB14048.2―2008/IEC 60947―2：2006《低压开关设备和控制设备第2部分：断路器》的K，Z型微断，塑壳断路器不一定都带隔离功能。在选用配电箱进线开关时应特别注意。

2保护导体最小截面选择

新《低规》第3.2.14条第2款：“保护导体的截面积应符合式表（1）的要求，或按表1的规定确定：

表（1）

式中：s—保护导体的截面积（mm2）

1—通过保护电器的预期故障电流或短路电流[交流方均根值（A）]；

t—保护电器自动切断电流的动作时间（S）；

k—系数，按本规范公式（A. 0. 1）计算或按表A.0.2一表A.0.6确定

表一保护导体的最小截面积

上述条文未考虑当故障持续时间小于0.1s时故障电流非周期分量对热作用的显著影响，这时应校验k2 s2>I2 t，以保证在电器切断线路前，导体能承受包括非周期分量在内的故障电流的热作用。

2.1依据产品标准选择

GB/T12706.1―2008《额定电压1kV（Um=1.2kV）到35kV（Um= 40.5kV）挤包绝缘电力电缆及附件第1部分：额定电压1kV （Um= 1.2kV）和3kV （ Um = 3. 6kV）电缆》包含了：

（1）热塑性：额定电压U0/U ≤1.8/3kV聚氯乙烯电缆；

（2）热固性：乙丙橡胶或类似绝缘混合料（EPR或EPDM）、高弹性模数或高硬度乙丙橡胶（HEPR）和交联聚乙烯（XLPE）等电缆。

总之，保护导体截面的选择应根据公式校验保护导体的热稳定情况。需要注意的是，式（1）只是按预期故障电流或短路电流选择保护导体，对于最小短路电流时保护装置的灵敏度需要另做校验。因此，推断，表（1）是出于满足保护导体热稳定、供电距离与保护装置灵敏度相互关系等各方面的通盘考虑，按此方案直接选用，无需校验热稳定，并能在相对宽裕的供电范围内满足灵敏度的要求。

3配电线路电气火灾防护

3.1火灾危险场所防火剩余电流监测或保护电器动作电流值

为减少接地故障引起的电气火灾危险而装设的剩余电流监测或保护电器。其动作电流不应大于300mA当动作于切断电源时，应断开回路的所有带电导体。最近的技术文件中规定300mA以上的电弧能量才能引起火灾，故规定在火灾危险场所内，剩余电流监测器的动作电流不宜大于300mA。一般场所不受此值限制，可根据实际情况调整动作电流值。

火灾危险场所包括有：（1）粉尘在内的可燃材料的制造、加工或储存；（2）谷仓、木材加工车间、造纸厂。

仅上述两类场所内的终端分支回路的动作电流值不应大于300mA。其他场所，可根据线路和设备的固有泄漏电流大小、安装的具体位置（末端还是前端）等，动作电流值一般在300mA～1A之间可调。末端配电箱处设置可以减小故障范围，及时发现故障回路；首端设置可以提供全面监视，减少盲区。

探测器报警值不应小于20mA，不应大于1000mA。报警值低到20mA对于防范电气火灾没有实际意义；同时，300～1000mA的报警值在火灾危险场所（BE2）起不到防范电气火灾的作用，况且该场所非消防配电回路发生超过300mA的泄漏电流，不应该采用报警，而应该自动切断电源。

3.2火灾危险场所应采取剩余电流监测还是保护动作

当被保护线路剩余电流达到报警设定值时，探测器应在60s内发出报警信号。“终端回路和用电设备应采取以下防绝缘故障的保护措施：

（1）在TN ，TT系统中，应使用额定剩余动作电流IΔn≤300mA的RCD。当电阻性故障可能导致火灾，例如架空加热膜设备.额定剩余动作电流IΔn≤300mA。

（2）在IT系统的终端回路使用绝缘监视器（IMD）或剩余电流监视器（RCM），同时提供声音和视觉信号。也可以在IT系统第二次故障时采用额定剩余动作电流IΔn≤300mA的RCD。

额定剩余动作电流IΔn≤300mA的RCD断开时间不大于5s

3.3剩余电流监测（RCM）和电弧故障保护器（AFDD）

剩余电流监测主要针对配电线路发生接地故障，进而产生对地电弧引发火灾危险的情况。事实上，它不能降低山带电导体之间的串联电弧（如接头接触不良、正常电源线路裂开或损坏等）或并联电弧（如带电导体之间绝缘损坏、老化等）引起的电气火灾危险。

（1）在串联电弧故障发生时，由于没有对地泄漏，因此无法检测剩余电流。更主要的是串联电弧的故障阻抗降低了负载电流，使得过电流保护电器可能无法动作保护。

（2）在相导体与中性导体之间产生并联电弧的情况下，电流仅受限于装置的阻抗；尤其是偶发电弧，传统的断路器，难以有效保护。

电弧故障保护器（简称AFDD）能够检测燃弧电流，将燃弧电流与火灾危险动作值比较，当燃弧电流超过动作值时，断开被保护电路。IEC 62606： FDIS，MOD《General requirements for arc fault detection devices》对AFDD产品提出了具体要求。现将剩余电流监测系统和电弧故障保护器特点列表如下（表2），以便了解其特点和原理。

IEC60364―4―42：2013年修订草案已为工程建设增加了以下规定：

“住宅采用AFDD自动断开电源可在以下终端回路的起点：卧室、儿童房和

可燃材料的室内回路。

AFDD自动断开电源也推荐用于保护以下终端回路：

加工或储存具有火灾危险物质的场所，（如谷仓、木材加工场、造纸等）；

采用可燃材料的场所（如木制房屋）；

火灾易延燃的建筑；

危及不可替代的珍贵物品的场所。

目前，IEC标准的国标转化工作也在进行中与国际标准的接轨，这是对生命和财产安全的要求，也是打破“技术性壁垒”，推行公平贸易的有效手段。

表2剩余电流监测和电弧故障保护器特点

4结语

在低压配电系统设计时，我们应特别根据相关要求进行理解并作出相关分析，力求防范各种可能发生的人身电击以及热效应、过电流、故障电流、过电压和电源中断等带来的危害，我们必须在时间过程中作出自己大胆的设想，作出相关的改进及完善。