淺析TN-S系統(tǒng)電機(jī)宜用3芯電纜

楊 鵬

（京鼎工程建設(shè)有限公司）

0 引言

隨著科技的發(fā)展，工業(yè)企業(yè)規(guī)模增大，特別是化工廠規(guī)模也不斷擴(kuò)大。以目前化工廠的規(guī)模，從控制中心（MCC）至電動(dòng)機(jī)終端的電纜距離300m極其普遍［1］。隨著配電距離的變長，使得電纜規(guī)格變大、電纜根數(shù)變多，直接使得銅材增加，成本直接上升。對(duì)于低壓電纜來說，電纜的截面及芯數(shù)是直接影響電纜成本的因素［2-3］。本文依據(jù)規(guī)范并結(jié)合具體項(xiàng)目，對(duì)電纜的這兩方面著手進(jìn)行分析。

1 選型依據(jù)及原則

1.1 電纜選型的六大要素

GB 50054-2011《低壓配電設(shè)計(jì)規(guī)范》第3.2條有明確說明，導(dǎo)體的截面選擇應(yīng)考慮載流量、線路保護(hù)、短路效應(yīng)、壓降、機(jī)械強(qiáng)度要求以及經(jīng)濟(jì)電流密度六大要素［4］。

1.2 電機(jī)的保護(hù)

依據(jù)GB 50055-2011《通用用電設(shè)備配電設(shè)計(jì)規(guī)范》2.3.1條以及最新的GB 55024-2022《建筑電氣與智能化通用規(guī)范》第4.3.8條，可知交流電動(dòng)機(jī)應(yīng)裝設(shè)短路保護(hù)和接地故障保護(hù)。短路保護(hù)和接地故障保護(hù)的實(shí)現(xiàn)正是對(duì)應(yīng)了六大因素中線路保護(hù)、短路效應(yīng)兩個(gè)因素［5］。

本文先是基于短路保護(hù)和接地故障保護(hù)的原理說明對(duì)電纜的選型條件，然后說明3芯電纜完全滿足要求，最后再結(jié)合最新規(guī)范對(duì)應(yīng)用3芯電纜的可行性進(jìn)行說明。

2 短路保護(hù)

2.1 規(guī)范

GB 50054-2011《低壓配電設(shè)計(jì)規(guī)范》中6.1.1、6.1.2和6.2.3條及GB 55024-2022《建筑電氣與智能化通用規(guī)范》中4.3.6條為關(guān)于短路保護(hù)的說明，里面有關(guān)于時(shí)間和電纜截面的規(guī)定。

2.2 分析

對(duì)于持續(xù)時(shí)間不超過5s的短路，短路電流持續(xù)時(shí)間t可近似用式（1）表示：

導(dǎo)體截面積S應(yīng)符合式（2）條件。

其中，t為短路持續(xù)時(shí)間；S為導(dǎo)體截面積；I為預(yù)期短路電流；τ為交流均方根值；K為和導(dǎo)體材料電阻率、溫度系數(shù)、熱容量以及相應(yīng)初始溫度和最終溫度有關(guān)的系數(shù)。

當(dāng)短路電流持續(xù)時(shí)間t＜0.1s時(shí)，校驗(yàn)電線、電纜截面積應(yīng)計(jì)入對(duì)短路電流非周期分量的影響。t＜0.1s的情況應(yīng)用十分廣泛，當(dāng)前應(yīng)用最多的斷路器，主要是瞬時(shí)過電流脫扣器作短路保護(hù)，其動(dòng)作時(shí)間多在10～30ms。持續(xù)時(shí)間t＜0.1s時(shí)，電線、電纜的截面積應(yīng)符合式（3）：

式中，I2t為保護(hù)電氣的允許通過的能量值，簡稱“允通能量”，單位為A2·s。

一般認(rèn)為式（2）是按配電線路最大的短路電流選擇電纜截面積的，但通常還是不滿足要求。除了校核電纜短路耐受力之外，還必須保證配電線路任意一點(diǎn)發(fā)生短路故障時(shí)，電纜不會(huì)被燒壞，也就是說必須計(jì)算短路工況條件下的電纜熱應(yīng)力參數(shù)［6］，即通過計(jì)算把電纜產(chǎn)生的焦耳熱轉(zhuǎn)換成等效的能量I2t。電纜的熱損壞曲線如圖1所示，其中I2t值由制造廠提供。

圖1 斷路器曲線和電纜曲線對(duì)比

2.3 斷路器短路保護(hù)

選擇型斷路器主要用于配電系統(tǒng)主干線或重要負(fù)荷的線路。當(dāng)短路電流大于其瞬時(shí)過電流脫扣器整定值Iset3時(shí)，由瞬時(shí)脫扣器切斷；當(dāng)短路電流小于Iset3但大于短延時(shí)過電流脫扣器整定電流Iset2時(shí)，則由短延時(shí)脫扣器切斷，其動(dòng)作時(shí)間為短延時(shí)脫扣器設(shè)定時(shí)間，通常為0.1～0.4s。

電機(jī)保護(hù)廣泛應(yīng)用非選擇型斷路器，短路保護(hù)是依靠其瞬時(shí)脫扣器實(shí)現(xiàn)的；當(dāng)短路電流大時(shí)，也是由瞬時(shí)脫扣器切斷。以上兩種斷路器瞬時(shí)脫扣器的切斷時(shí)間大多在10～30ms，都小于0.1s。

2.4 小結(jié)

通過結(jié)合規(guī)范對(duì)上述原理進(jìn)行闡述，發(fā)現(xiàn)無論采用4芯電纜還是3芯電纜，只要按照規(guī)范選型，都可以滿足短路保護(hù)要求。

3 接地故障保護(hù)

3.1 概念及規(guī)范

電擊防護(hù)的保護(hù)措施應(yīng)包含基本防護(hù)措施和故障防護(hù)措施，在特定情況下還需設(shè)置附加防護(hù)措施。電氣設(shè)備的故障電擊防護(hù)措施可采用上述中的一種，也可采用多種電擊防護(hù)措施［7］。其中，自動(dòng)切斷電源是交流低壓系統(tǒng)常用的電擊防護(hù)措施，也是應(yīng)用最廣泛、最有效的防護(hù)措施。

接地故障情況下，對(duì)于自動(dòng)切斷電源的時(shí)間有明確規(guī)定，如TN系統(tǒng)，對(duì)地標(biāo)稱電壓為220V時(shí)，不超過5s或0.4s（GB 16895.21-2020《低壓電氣裝置第4-41部分：安全防護(hù)電擊防護(hù)》中411.3.2條），GB 50054-2011《低壓配電設(shè)計(jì)規(guī)范》以及GB 55024-2022《建筑電氣與智能化通用規(guī)范》中對(duì)切斷時(shí)間有同樣規(guī)定。

3.2 說明

接地故障和短路情況是兩種概念。接地故障的切斷時(shí)間最大允許值是防電擊所要求的；而短路情況下，對(duì)于電纜和絕緣體，則要求短路電流導(dǎo)致的絕緣溫度在上升到不超過其允許限值（見GB／T 16895.5-2012《低壓電氣裝置第4-43部分：安全防護(hù)過電流保護(hù)》）或GB 50054-2011《低壓配電設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定的時(shí)間內(nèi)切斷該短路電流，GB／T 16895.5-2012明確規(guī)定，對(duì)于持續(xù)時(shí)間不超過5s的短路，短路時(shí)間可按前文式（1）計(jì)算。對(duì)于遠(yuǎn)距離配電線路，末端（受電處進(jìn)線端）短路電流很小，即便是導(dǎo)體截面積足夠大，其切斷時(shí)間t也很長，可為幾秒、幾十秒乃至幾十分鐘。

《工業(yè)與民用配電設(shè)計(jì)指南》［8］及國標(biāo)圖集19DX101-1《建筑電氣常用數(shù)據(jù)》內(nèi)，均有斷路器瞬動(dòng)脫扣器兼接地故障保護(hù)能自動(dòng)切斷的電源相應(yīng)的公式和計(jì)算表格，不再贅述。

3.3 小結(jié)

通過結(jié)合規(guī)范對(duì)上述原理進(jìn)行闡述，可知無論采用4芯電纜還是3芯電纜，只要按照規(guī)范選型，都可以滿足短路保護(hù)要求。而且在配電距離一定時(shí)，4芯電纜中的PE線形同虛設(shè)，在滿足一定保護(hù)配置條件下，3芯電纜足以夠用。

4 關(guān)于保護(hù)接地導(dǎo)體（PE）的使用

假設(shè)配電距離很短，采用3芯電纜同樣可以使用斷路器兼做接地故障保護(hù)，從而自動(dòng)切斷接地故障電流，此時(shí)使用3芯導(dǎo)體＋1根PE導(dǎo)體，這根PE導(dǎo)體的截面可以比4芯同相導(dǎo)體電纜中的PE導(dǎo)體截面小很多。

4.1 原則

PE導(dǎo)體的截面積選型條件是：①當(dāng)切斷故障時(shí)間不超過5s時(shí)，PE導(dǎo)體截面積應(yīng)符合式（2）；當(dāng)切斷故障時(shí)間t＜0.1s時(shí)，截面積應(yīng)符合式（3）。②PE導(dǎo)體截面積SPE可按相導(dǎo)體截面積S的一定比例換算得到，詳見表1。

表1 按相導(dǎo)體截面積S的一定比例確定PE導(dǎo)體的最小截面積S PE

表2 保護(hù)裝置不同頻率下差動(dòng)電流、制動(dòng)電流測量值

上述內(nèi)容我們都比較熟悉。下面要借用相關(guān)著作觀點(diǎn)來支持使用3芯電纜。

4.2 PE導(dǎo)體截面積選擇的創(chuàng)新

2020年任元會(huì)老師在《低壓配電設(shè)計(jì)解析》［1］中提到關(guān)于PE線選型的創(chuàng)新思路，其認(rèn)為公式法計(jì)算量大且費(fèi)時(shí)費(fèi)力，而查表法選擇簡單但不夠嚴(yán)謹(jǐn)且明顯不太合理，造成大量導(dǎo)體材料和電線、電纜的浪費(fèi)。

任教授依據(jù)式（2）和式（3）編制出表格2，供使用。

4.3 小結(jié)

在配電距離較短，比如100m以內(nèi)，可以使用3芯電纜＋1獨(dú)立PE導(dǎo)體的配置方式，同時(shí)使用斷路器的瞬動(dòng)功能兼做接地故障保護(hù)。這根獨(dú)立PE線截面比同樣相線4芯電纜中的PE線截面小很多，可以節(jié)約材料，從而降低成本。

5 電力電纜新規(guī)范

5.1 規(guī)范解讀是否使用PE線

GB 50217-2018《電力工程電纜設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》表述如下：3.5.1條1kV及以下電源中性點(diǎn)直接接地時(shí)，三相回路的電纜芯數(shù)選擇應(yīng)符合下列規(guī)定：第3款TN系統(tǒng)，受電設(shè)備外露可導(dǎo)電部位可靠連接至分布在全廠、站內(nèi)公用接地網(wǎng)時(shí)，固定安裝且不需要中性導(dǎo)體的電動(dòng)機(jī)等電氣設(shè)備宜選用3芯電纜。

有相關(guān)條文說明描述如下：該第3款系新增條款。根據(jù)國內(nèi)工程實(shí)踐，全廠、站內(nèi)電氣接地設(shè)計(jì)一般都具有分布在全廠、站內(nèi)同時(shí)滿足保護(hù)接地、工作接地、防雷防靜電接地要求的完善的公用接地網(wǎng)，電源系統(tǒng)中性點(diǎn)及全廠、站電氣設(shè)備外露可導(dǎo)電部位與該公用接地網(wǎng)可靠連接。對(duì)于固定安裝且不需要中性導(dǎo)體的電動(dòng)機(jī)等電氣設(shè)備，單獨(dú)連接的保護(hù)導(dǎo)體經(jīng)選擇計(jì)算滿足安全防護(hù)要求和電動(dòng)機(jī)單相接地短路故障靈敏度要求時(shí)，可以選用3芯電纜代替4芯電纜，以節(jié)省電纜內(nèi)的保護(hù)導(dǎo)體。如為滿足電動(dòng)機(jī)單相接地短路保護(hù)靈敏度要求而使保護(hù)導(dǎo)體界面增加較多，從而導(dǎo)致工程造價(jià)升高或不具備公用接地網(wǎng)情況時(shí)，需要選用4芯電纜。

目前本人參與的化工廠工程線路的工作接地、保護(hù)接地、防雷擊接地（第一類防雷建筑物除外）、防雷電感應(yīng)接地及防靜電接地合用同一接地裝置，其總接地電阻不大于4Ω，接地網(wǎng)遍布廠區(qū)，所有電動(dòng)機(jī)均就近與接地主網(wǎng)可靠相連，滿足上述規(guī)范要求，因此均可選用3芯電纜。

條文說明中明確了3芯代替4芯的前提條件是單獨(dú)連接用電設(shè)備的保護(hù)導(dǎo)體PE線選型需滿足電擊防護(hù)要求和接地故障電源自動(dòng)切斷時(shí)的靈敏度，也就是獨(dú)立于3芯電纜外的這個(gè)PE線在接地故障時(shí)相保阻抗足夠小，故障電流足夠大。但是大多數(shù)情況下通過增大PE線都無法滿足這個(gè)要求，因?yàn)楝F(xiàn)在化工廠配電電纜都太長了，至少本人接觸的這近20年的化纖制造業(yè)的工廠，平均配電距離均不小于300m。非選擇型的斷路器的短路保護(hù)裝置其瞬動(dòng)脫扣器根本無法滿足接地故障保護(hù)要求。

SHT 3038-2017《石油化工裝置電力設(shè)計(jì)規(guī)范》中9.2.2條規(guī)定了當(dāng)配電距離過長而無法使用斷路器兼做接地故障保護(hù)時(shí)，接地故障的保護(hù)要求如下：（1）選用具有單相接地保護(hù)功能的低壓斷路器；（2）選用零序過濾器式單相接地保護(hù)；（3）選用漏電保護(hù)動(dòng)作斷路器（即RCD）；（4）選用電擊綜合保護(hù)器；（5）采用專用的零序電流互感器和電流繼電器組成接地保護(hù)。因此，只要電氣開關(guān)配置有漏電保護(hù)措施，那么即可滿足本條規(guī)范要求，故可選用3芯電纜。

相應(yīng)地，有RCD的安裝規(guī)范GB 13955-2017《剩余電流動(dòng)作保護(hù)裝置安裝和運(yùn)行》中，描述TN系統(tǒng)中必須將TN-C系統(tǒng)改造為TN-C-S、TN-S系統(tǒng)或局部TT系統(tǒng)后，才可安裝使用剩余電流保護(hù)裝置。在TN-C-S系統(tǒng)中，剩余電流保護(hù)裝置只允許使用在N與PE線分開部分，TN-S系統(tǒng)RCD接線方式如圖2所示。

圖2 TN-S系統(tǒng)RCD接線方式

5.2 規(guī)范解讀使用PE線時(shí)的敷設(shè)方式

3.5.1 條第1款2）TN-S系統(tǒng)，保護(hù)導(dǎo)體與中性導(dǎo)體各自獨(dú)立時(shí)，宜選用5芯電纜；當(dāng)滿足標(biāo)準(zhǔn)5.1.16條的規(guī)定時(shí)，也可采用4芯電纜與另外緊靠相導(dǎo)體敷設(shè)的保護(hù)導(dǎo)體相連。

第5.1.16條規(guī)定如下：1kV及以下電源中性點(diǎn)直接接地且配置獨(dú)立分開的中性導(dǎo)體和保護(hù)導(dǎo)體構(gòu)成的TN-S系統(tǒng)，采用獨(dú)立于相導(dǎo)體和中性導(dǎo)體以外的電纜為保護(hù)導(dǎo)體時(shí)，同一回路的該兩部分電纜敷設(shè)方式應(yīng)符合下列規(guī)定：（1）在爆炸氣體環(huán)境中，應(yīng)敷設(shè)在同一路徑的同一結(jié)構(gòu)管、溝或盒中；（2）除本條第1款規(guī)定的情況外，宜敷設(shè)在同一路徑的同一構(gòu)筑物中。

第5.1.16條條文說明如下：1kV及以下電源中性點(diǎn)直接接地時(shí)，PE導(dǎo)體除可由多芯電纜中的導(dǎo)體構(gòu)成，還可由下列的一種或多種導(dǎo)體組成：（1）與帶電導(dǎo)體共用外護(hù)物的導(dǎo)體；（2）固定安裝的裸露或絕緣的導(dǎo)體；（3）符合《低壓電氣裝置第5.54部分：電氣設(shè)備的選擇和安裝接地配置和保護(hù)導(dǎo)體》規(guī)定條件的金屬電纜護(hù)套、電纜屏蔽層、電纜鎧裝、金屬編織物、銅心導(dǎo)體及電纜金屬導(dǎo)管；（4）當(dāng)過電流保護(hù)器用作電擊防護(hù)時(shí)，保護(hù)接地導(dǎo)體應(yīng)與帶電導(dǎo)體處于同一的布線系統(tǒng)中，或放置在靠它們最近的地方。

第5.1.16條對(duì)PE導(dǎo)體的材料要求進(jìn)行了說明，可以是交聯(lián)聚乙烯絕緣線，也可以是熱鍍鋅扁鋼等，必須固定安裝，同時(shí)要求PE導(dǎo)體與相導(dǎo)體最大限度地緊鄰敷設(shè)。由于電動(dòng)機(jī)配電不需要中性導(dǎo)體，因此本條可理解為當(dāng)滿足5.1.16條的規(guī)定時(shí)，電機(jī)配線可由3芯電纜與另外緊靠相導(dǎo)體敷設(shè)的保護(hù)導(dǎo)體組成。工廠主要生產(chǎn)區(qū)域多為爆炸危險(xiǎn)氣體環(huán)境，動(dòng)力配電在MCC出來后經(jīng)上管廊通過熱鍍鋅梯級(jí)式電纜橋架敷設(shè)至電動(dòng)機(jī)附近。獨(dú)立的PE導(dǎo)體與3芯相導(dǎo)體均從MCC起一并敷設(shè)在電纜橋架中，一直到電纜橋架末端，滿足規(guī)范要求。

6 結(jié)束語

經(jīng)本文分析，無論從電機(jī)短路保護(hù)還是接地故障保護(hù)來看，使用3芯電纜均可行。很現(xiàn)實(shí)的情況是，鑒于目前工廠的配電電纜長度，基本無可能利用斷路器來兼做接地故障的保護(hù)，自動(dòng)切斷接地故障，所以再使用共用或者獨(dú)立PE線完全無意義。即使特定情況下配電距離很短，但如果獨(dú)立PE線放置位置不緊鄰相線，那么不穩(wěn)定或者數(shù)值更大的相保阻抗使得這根獨(dú)立的PE線仍失去了它在自動(dòng)切斷電源這個(gè)流程中的意義。

此外，近期很多電動(dòng)機(jī)都要求被選型一級(jí)能效，一級(jí)能效電機(jī)的起動(dòng)電流是額定電流的9倍以上，Iset3一般要2.2×9≈19倍去整定，Iset3值需要更大。單相接地短路電流大于1.3倍的Iset3會(huì)更難，斷路器用瞬動(dòng)來自動(dòng)切斷接地故障將越發(fā)困難。

綜上所述，TN-S系統(tǒng)低壓電機(jī)配電宜采用3芯電纜。