剩余電流動(dòng)作保護(hù)器在有色金屬選礦廠低壓配電系統(tǒng)中的應(yīng)用

張大偉 厲彥江 王 云

（北京礦冶研究總院，北京 100160）

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剩余電流動(dòng)作保護(hù)器在有色金屬選礦廠低壓配電系統(tǒng)中的應(yīng)用

張大偉 厲彥江 王 云

（北京礦冶研究總院，北京 100160）

本文通過(guò)對(duì)剩余電流動(dòng)作保護(hù)器的介紹與應(yīng)用，并結(jié)合眾多工程設(shè)計(jì)實(shí)例，提出了剩余電流動(dòng)作保護(hù)器在幾種常見(jiàn)情況下使用的必要性。剩余電流動(dòng)作保護(hù)器在 TN接地系統(tǒng)中對(duì)于工廠單相接地故障起到保護(hù)作用。在某些情況下，應(yīng)使用帶剩余電流保護(hù)功能的塑殼斷路器進(jìn)行電動(dòng)機(jī)或線路保護(hù)。

剩余電流動(dòng)作保護(hù)器；短路電流；單相接地

目前我國(guó)低壓 400V配電系統(tǒng)絕大部分都采用變壓器中性點(diǎn)直接接地形式，即TN或TT接地系統(tǒng)。在電力系統(tǒng) 10～35kV變電站中采用變壓器中性點(diǎn)不接地或經(jīng)阻抗接地，還有煤礦井下配電系統(tǒng)也采用變壓器中性點(diǎn)不接地型式，即IT接地系統(tǒng)。而工業(yè)及民用低壓配電系統(tǒng)中，TN接地系統(tǒng)得到廣泛應(yīng)用。原因是當(dāng) 400V中性點(diǎn)直接接地系統(tǒng)中發(fā)生單相接地故障時(shí)，將出現(xiàn)很大的零序電流，而在正常運(yùn)行情況下三相平衡它們是不存在的，因此利用零序電流來(lái)構(gòu)成接地短路的保護(hù)，就具有顯著的特點(diǎn)。但是 TN系統(tǒng)也有它的缺點(diǎn)，例如當(dāng)相零回路阻抗較大時(shí)，短路電流會(huì)很小，過(guò)電流保護(hù)斷路器經(jīng)常不能滿足切斷故障電路的時(shí)間要求，此時(shí)人體觸及用電設(shè)備外殼就會(huì)發(fā)生觸電危險(xiǎn)。在工廠短路故障中，單相接地故障約占60%，這就需要廣大工程設(shè)計(jì)人員計(jì)算低壓配電系統(tǒng)高阻抗回路的短路電流，正確選擇剩余電流動(dòng)作保護(hù)器。

本文結(jié)合工程設(shè)計(jì)實(shí)例及低壓網(wǎng)絡(luò)短路電流計(jì)算，列舉了幾種常見(jiàn)情況下剩余電流動(dòng)作保護(hù)器使用的必要性。

1　剩余電流動(dòng)作保護(hù)器的介紹及工作原理

我國(guó)的剩余電流動(dòng)作保護(hù)器（RCD），俗稱漏電保護(hù)器，是從20世紀(jì)70年代中期開(kāi)始發(fā)展，并首先在農(nóng)村低壓電網(wǎng)中推廣應(yīng)用的，經(jīng)過(guò) 20世紀(jì) 80年代到 90年代的不斷完善和發(fā)展已形成一個(gè)品種完善、規(guī)格齊全，符合IEC國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的剩余電流保護(hù)器的產(chǎn)品系列。在低壓電網(wǎng)的安全保護(hù)中，尤其是農(nóng)村低壓電網(wǎng)的安全保護(hù)中發(fā)揮了重要的作用。目前，RCD主要有兩種形式，一種是電磁式，一種是電子式。電磁式RCD元件制造工藝高，工作可靠性高，受環(huán)境溫度影響很小，絕緣耐壓能力強(qiáng)，受外界磁場(chǎng)干擾影響小，成本相對(duì)較高，使用壽命也比電子式長(zhǎng) 2～3倍。所以在工業(yè)與民用配電設(shè)計(jì)中，電磁式RCD應(yīng)用最為廣泛。

圖1是在漏電切斷情況下的單相接地故障示意圖。在通常狀況下，電路開(kāi)關(guān)（QF）是閉合的，當(dāng)用電設(shè)備發(fā)生單相接地故障時(shí)，漏電斷路器內(nèi)的零序電流互感器檢測(cè)出感應(yīng)電壓并使 QF動(dòng)作切斷電源。

圖1　單相接地故障示意圖

零序電流互感器（ZCT）是檢測(cè)單相接地故障非常有效的傳感器，圖2介紹了零序電流互感器的工作原理?，F(xiàn)假設(shè)在負(fù)荷一側(cè)有去電流、來(lái)電流的一次導(dǎo)體。當(dāng)用電設(shè)備正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，即絕緣良好時(shí)，去和來(lái)的電流在零序電流互感器中是平衡的，所以互感器二次側(cè)繞組不感應(yīng)電壓。當(dāng)用電設(shè)備發(fā)生意外故障（例如絕緣老化引起接地故障）時(shí)，一次導(dǎo)體中的電流失去平衡，在互感器二次側(cè)感應(yīng)出電壓，利用此電壓斷開(kāi)電路的開(kāi)關(guān)。以上就是ZCT的簡(jiǎn)單工作原理。

圖2　 ZCT工作原理示意圖

2　低壓配電系統(tǒng)中塑殼斷路器使用中存在的問(wèn)題

結(jié)合筆者實(shí)際參與的眾多工程設(shè)計(jì)項(xiàng)目，總結(jié)出在以下情況中應(yīng)使用帶剩余電流保護(hù)功能的塑殼斷路器進(jìn)行工廠電動(dòng)機(jī)保護(hù)或線路保護(hù)。

2.1400V分配電室母線段低壓配電用斷路器應(yīng)采用帶剩余電流保護(hù)功能

在實(shí)際工程設(shè)計(jì)過(guò)程中，低壓配電系統(tǒng)均采用放射式接線形式，配電線故障互不影響，供電可靠性較高。既在工廠負(fù)荷集中區(qū)域設(shè)置 400V低壓變配電室，但有些時(shí)候某個(gè)車間距離配電室相對(duì)較遠(yuǎn)，需要在此設(shè)置分配電室。

例如，某工程改造項(xiàng)目有磨浮車間、過(guò)濾車間、濃密機(jī)、泵房等建筑物，配電室設(shè)置在磨浮車間，在距離較遠(yuǎn)的過(guò)濾車間設(shè)分配電室，配電系統(tǒng)圖如圖3所示。由于過(guò)濾車間距離磨浮車間配電室較遠(yuǎn)，而且有1臺(tái)酸泵，功率2.2kW，距離過(guò)濾車間配電室約140m。需要計(jì)算此饋線單相接地短路電流，計(jì)算過(guò)程見(jiàn)表1。

圖3　 某工程配電系統(tǒng)示意圖一

已知2.2kW酸泵饋出回路斷路器為10A，其瞬時(shí)過(guò)電流整定值為120A。由表1可知線路L2末端發(fā)生單相接地故障時(shí)，短路電流為117A，斷路器不能瞬時(shí)脫扣。故應(yīng)該選擇帶剩余電流保護(hù)功能的塑殼斷路器。

2.2低壓配電用塑殼斷路器“一拖多”情況下應(yīng)采用帶剩余電流保護(hù)功能

在工廠低壓配電系統(tǒng)中，經(jīng)常會(huì)遇到很多小功率的用電設(shè)備，例如變頻電機(jī)風(fēng)扇。這類設(shè)備功率小、數(shù)量多，如果對(duì)每臺(tái)設(shè)備單獨(dú)配電，每臺(tái)設(shè)備都需配塑殼斷路器，配電柜數(shù)量就會(huì)增多，成本也會(huì)相應(yīng)增加。如果改為一個(gè)塑殼斷路器配電，即一個(gè)斷路器帶多臺(tái)設(shè)備，所選斷路器額定電流會(huì)變大，這種情況下需要校驗(yàn)每根電纜的單相接地短路電流，如圖4所示。

表1　低壓三相短路和單相接地短路計(jì)算表一

圖4 某工程配電系統(tǒng)示意圖二

圖4中所示為某工程項(xiàng)目，4臺(tái)3kW螺旋輸送機(jī)共用一臺(tái)塑殼斷路器且同時(shí)工作，斷路器額定電流為25A，每根電纜為YJV-0.6/1kV-4*2.5mm2，長(zhǎng)度為111m，400V母線長(zhǎng)度4m。短路電流校驗(yàn)計(jì)算見(jiàn)表2。

表2　低壓三相短路和單相接地短路計(jì)算表二

由計(jì)算表 2可知，電纜末端三相短路電流為300A，單相接地短路電流只有96A。而3kW電動(dòng)機(jī)額定電流為6.4A，故選擇額定電流為25A的塑殼斷路器，其瞬時(shí)過(guò)電流整定值為300A。當(dāng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，斷路器不能瞬時(shí)脫扣，電動(dòng)機(jī)繞組將被燒毀。故應(yīng)該選擇帶剩余電流保護(hù)功能的塑殼斷路器。

3　RCD額定剩余動(dòng)作電流的選擇

正確合理地選擇 RCD的漏電動(dòng)作電流是非常重要的，一方面在發(fā)生接地故障時(shí)，RCD有動(dòng)作選擇性，另一方面RCD在正常泄漏電流作用下，不應(yīng)動(dòng)作而導(dǎo)致供電中斷，造成不必要的經(jīng)濟(jì)損失。

配電設(shè)計(jì)手冊(cè)[5]P637頁(yè)介紹了電氣線路和設(shè)備正常泄漏電流值及RCD的選擇：

1）用于插座回路和末端線路，并側(cè)重防間接電擊時(shí)，應(yīng)使IΔn≤30mA。

2）用于單臺(tái)設(shè)備時(shí)，RCD的額定剩余動(dòng)作電流 IΔn要求大于所保護(hù)的電氣裝置和線路正常泄漏電流總和的4倍，一般動(dòng)作電流應(yīng)在6～30mA，動(dòng)作時(shí)間≤0.1s。

3）用于支路上作為防止電擊保護(hù)的 RCD，應(yīng)使其動(dòng)作電流 IΔn2≥10倍線路和設(shè)備的泄漏電流總和。IΔn2≥2.5IΔn3，一般動(dòng)作電流應(yīng)該在75～100mA，動(dòng)作時(shí)間≤0.2s。

4）對(duì)于干線上用作防護(hù)電氣火災(zāi)時(shí)應(yīng)使 RCD動(dòng)作電流 IΔn1≥10倍線路和設(shè)備的泄漏電流總和并應(yīng)使IΔn1≥4IΔn2，通常其動(dòng)作電流應(yīng)不大于500mA，動(dòng)作時(shí)間＜1s。

（5）用于低壓配電系統(tǒng)高阻抗饋出線回路時(shí)，應(yīng)選擇剩余電流動(dòng)作值較大，低靈敏度的RCD，一般IΔn為3～10A。

4　結(jié)論

剩余電流動(dòng)作保護(hù)器是一種非常有效的保護(hù)裝置，它經(jīng)常應(yīng)用于低壓電網(wǎng)中，保證用電的安全。在不同的低壓配電系統(tǒng)中它的安裝位置及保護(hù)功能有所不同，但是它的安裝使用使得人身觸電身亡的事故降到最低，也有效地防止了由于短路故障而引起的電能損壞、設(shè)備的損壞以及電氣火災(zāi)的發(fā)生。筆者結(jié)合多年的工作經(jīng)驗(yàn)及工程實(shí)例，在文中重點(diǎn)介紹了RCD在低壓網(wǎng)絡(luò)高阻抗回路中的應(yīng)用，希望對(duì)廣大電氣設(shè)計(jì)人員有所幫助。

[1] 中國(guó)機(jī)械工業(yè)聯(lián)合會(huì). GB 50054—2011 低壓配電設(shè)計(jì)規(guī)范[S]. 北京: 中國(guó)計(jì)劃出版社, 2012.

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Application of Residual Current Operated Protective Device in Low Voltage Power Distribution System of Non Ferrous Metal Concentrating Mil

Zhang Dawei Li Yanjiang Wang Yun
(Beijing General Research Institute of Mining and Metallurgy, Beijing 100160)

Through the introduction and application of the Residual current operated protective device in this paper, combined with many engineering design examples, this paper puts forward the necessity of the use of residual current operated protective device in several common situations. Residual current operated protective device has protective effect on the single phase grounding fault in TN system.In some cases, the circuit breakers with residual current protection function should be used for motor or line protection.

residual current operated protective device; short circuit current; single phase grounding

張大偉（1983-），男，內(nèi)蒙古寧城縣人，大學(xué)本科學(xué)歷，現(xiàn)就職于北京礦冶研究總院，從事工業(yè)配電及其自動(dòng)化領(lǐng)域的研究設(shè)計(jì)工作。