住宅小区低压配电线路保护系统优化设计

    陈英志

    摘 要：现如今，中国经济正在不断蓬勃发展，人们的生活质量也逐步攀升，在此背景下，多样化领域对于供电质量，提出了愈发严苛的实际要求。住宅小区作为城市配电网的一个重要组成部分，其供配电设计等问题越来越受到关注和重视。现针对住宅小区0.4kV低压配电网特点以及存在问题，对其配电线路接地保护系统进行优化设计。

    关键词：住宅小区；低压配电网；接地保护系统

    DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.09.149

    0 引言

    大部分住宅小区的耗电量相对较多，特别是住户经常使用大功率电器，这就使得供配电的设计压力持续提升，与此同时，住宅小区中含有丰富多样的用电方式，在此情况下，唯有针对供配电线路保护系统，进行更深层次的细致设计，保证其在规划过程中的合理性，才能切实满足大多数住宅小区的基本用电需求和用电安全。

    1 低压配电网中性点接地系统的分析

    对于低压配电系统而言，最为关键的步骤，即为中性点接地。实际上，中性点接地不仅需要承担配电系统含有的良好接地性能，除此之外，还需要同时承担系统具备的保护接地性能。在做好接地系统方式选择的同时，并与漏电保护装置合理搭配，有效防止触电和火灾事故的发生，并提高供电系统的可靠性，大幅度提高安全用电水平。

    1.1 TN 系统

    在低压配电系统中，我国目前广泛应用的即为TN系统。对于该系统而言，其中的中性点能够实现直接接地，不仅如此，该系统全部设备中存在的外露可导电部分，都能够连接公共保护线亦或保护中性线，即所谓的PE线和PEN线。这种连接方式，一般被称之为“接零”。其具体特点大致如下：

    （1）如果某些电气设备中存在相线碰壳或者绝缘损坏，并因此出现漏电现象时，通常将其看作为单相对地短路故障。当该故障发生时，假设处于理想状态，则设备内部的电源侧熔断器，将会被立会熔断，并伴随着低压断路器的迅速跳闸，从而使得相应的电气设备发生故障。由于形成危险接触电压的实际时间并不长，故此，该故障显得相对安全。

    （2）TN系统能够有效节约材料和实际工作时间，并且应用范围极为广泛。

    1.2 TN-C 系统

    对于该系统而言，其内部的N线和PE线紧密结合，形成独立的PEN线，详见图1。在该线中存在持续流通的电流，故此，对于已经连接PEN线的相关设备而言，必然会受到来自于这些电流的电磁干扰。然而，PEN线同样具备下述优势：TN-C方案可行性高，能够有效节约一根导线，避免冗长的电器保护步骤，从而有效减少相关设备在初期的实际投资费用；一旦出现接地短路故障，则将会形成相对较大的故障电流，此时，只需操作过流保护电器，就能立即切断电源，从而切实保障工作者的生命安全及其相关设备的财产安全。但是，其劣勢也极为明显。在此类线路中，通常会出现单相负荷失衡亦或三相负荷失衡的现象，如果电网内部存在谐波电流，则PEN线中也将含有电流，从而造成相关电气设备的外壳与其内部线路的金属套管彼此之间出现一定的压降，这将严重危害到敏感性电子设备的质量安全；此外，一旦将PEN线放于可能产生爆炸的危险条件下，则其内部流通的电流，将会成为爆炸发生的诱因；当PEN线出现短路或者断路时，将会形成较高的对地故障电压，并由此逐步拓宽事故范围；如果在TN-C系统的电源位置，选择使用漏电保护器，则当其已经接地点后，需要注意工作中性线不能再次接地，否则将不能切实保障供电的可靠性。

    在研究初期，中国大部分低压配电系统，均应用了TN-C系统，然而，对于某些极为注重人身安全，并且强调不能受到过多电磁干扰的场所而言，将不适用该系统。

    1.3 TN-S 系统

    对于该系统而言，其内部的N线和PE线完全独立，并且该系统全部设备中存在的外露可导电部分，都能够连接PE线。由于该线中并不存在持续流通的电流，故此，多样化设备彼此之间，将不会受到来自于这些电流的电磁干扰。详见图2。然而，当PE线出现中断的情况下，通常断线点后方在连接PE线设备中存在的外露可导电部分时，不会带电；然而，如果断线点后方，存在相关设备出现接壳故障的现象，则其后方在连接PE线设备中存在的外露可导电部分时，均会带电，从而极有可能造成人体触电。故此，一旦此系统出现单相接地故障，则线路中存在的保护装置将会自动启用，并及时处理故障线路。实际上，相较于TN-C系统而言，TN-S在有色金属领域中，无论是在消耗量方面，还是在投资方面，均有过之而无不及。近年来，TN-S系统主要应用于强调安全性能的场所，尤其是住宅和实验室等。

    1.4 TN-C-S 系统

    对于TN-C-S系统而言，其主要基于TN-C方式逐步延伸，从而实现供电。然而，考虑到实际供电过程的安全性，该系统在二级配电箱的尾部，依次接出PE线和N线，从而使其通过TN-S方式进行供电，详见图3。在该系统中，N线和PE线之间是相互连通的，详见图3，已经实现联通的PE线内部，并不存在任何电流，这意味着该线在实际运行过程中，不会存在任何电压降；对于已经实现连通的线路而言，如果其前段存在相对较大的失衡电流，则其后段相关电气设备表面的外壳，也将形成相应的接触电压。故此，TN-C-S系统虽然能够有效减少相关电气设备中存在的外露导电部分，相对于地而产生的实际电压，但是却无法对其进行根本性的消除。实际上，该电压的数值，主要由连通前线路中存在的失衡电流及其相应的线路长度而决定。假设连通前线路中存在的负载存在明显失衡，并伴随着相对较长的线路，则该电压的数值就会越大。故此，应该积极控制负载失衡现象，避免PE 线的重复接地，否则只能在线路的尾部，专门设立相应的漏电保护器，来切实保障供电的可靠性；除此之外，PE 线当且仅当只能在二级配电箱的位置，与N线之间进行相连，禁止在PE线表面安装熔断器等元件；值得一提的是，民用建筑电器在重新装修后，一般都会出现N线与PE线交叉使用的现象，从而使得TN-C-S系统，直接转换为TN-C系统，造成并联等不良后果，故此，当针对此类电器进行验收时，需要格外注意。

    2 目前低压接地系统的主要形式及存在的问题

    目前我国低压接地系统的主要形式TN—C接地系统。当使用TN—C接地系统时，人们往往会在中性线搭头线与铜铝之间的搭接过程中，忽略使用铜铝过渡线夹，长此以往，将会出现铜铝氧化，造成某处的接触不良；对于某些已经长期搭接的搭头来说，很容易出现松动发热现象，从而造成断线故障；某些接地体由于使用时间过长，表现出的接地电阻已经远远不能满足实际需求，形成一系列故障；电网中存在的系统电压出现相应的改变，而造成用户电压逐步攀升。上述问题均会引发设备事故，并烧坏电气设备。如果在配电变压器中，出现负荷三相不平衡的现象，则电压的持续浮动，也将造成敏感性电子设备的损害。

    3 剩余电流动作保护器参数选择

    通常情况下，多样化级别的保护，都应该涉及到短路保护和过载保护。例如：断路器等，如果条件允许，则还需要满足抗电磁干扰保护等诸多功能。

    各级保护器理应含有的多样化动作参数如下：在其末端需要配备相对较高灵敏度的保护器，进行有效保护。其涉及到的额定剩余动作电流，应该满足≤30mA，与此同时，其涉及到的额定动作时间，应该满足≤0.1s；实际上，末端保护之前的层级，应该保证与末端保护同等参数高于2倍的级差，并且在动作时间方面，存在0.2s级差。其中，中间保护最好选择延时性保护器，其所涉及到的额定电流，需要保持在60～100mA的范围内，其所涉及到的额定动作时间，需要保持在0.3s的范围内；值得一提的是，总保护需要选择延时型保护器，并且其额定动作电流一般高于300mA，且其额定动作时间通常保持在0.5～1.0s的范围。若想预防火灾，则需要选择剩余电流动作报警式保护器。在该保护器中，其报警动作电流需要保持在300～500mA的范围，此外，其动作时间需要保持在0.5～2.0s的范围。

    4 针对中性点接地系统和各级断路器、剩余电流保护器的配置的优化方案

    如图4所示前半部分采用TN-C系统，箱式变压器内低压侧中性点直接接地，各分支首端采用空气断路器作為短路总保护，在每栋楼或某个主分支采用第一级剩余电流保护器，第一级剩余电流保护器前，中性线做重复接地，此前的中性线PE和N线是合一的。这样配置的优点在于：

    提高了供电可靠性，不会因为负荷侧发生轻微的漏电而导致箱变内断路器跳闸，若发生较大的单相接地电流故障，将反映为单相短路电流，则箱变内空气断路器跳闸断电；一般箱变到楼房距离较远，采用PEN线两端重复接地，若在这一段线路中发生断零线故障，由于负荷侧N线重复接地，不会造成用户电气烧毁。并且此段线路节省了PE线。如图4所示后面三级剩余电流动作保护器采用TN-S系统，保护线PE单独接地，中性线N不接地（安装时必须与地线绝缘）。

    这样配置的优点在于：进一步保证用户端用电安全；通过各级剩余电流动作保护器的分级分时控制，发生漏电故障时，有效的缩小停电范围。

    5 结论

    总而言之，若想切实保障低压配电网在实际运行过程中的稳定性，应该采取多样化接地保护措施。通过上述分析，能够得知，低压配电网所涉及到的接地方式趋于多样化，应该基于各种类型的电气设备运行状态和相关标准，选择科学合理的接地方式，并辅以恰当的剩余电流保护，才能切实保障低压配电网系统在实际运行过程中的稳定性。本篇文章，基于分析低压配电网中性点接地系统特点以及存在的问题，提出了针对中性点接地系统和各级断路器、剩余电流保护器的配置的优化方案，从而提高了供电可靠性，保证了用户用电安全，并进一步缩小了故障时的停电范围，方便了小区内居民用电。

    参考文献：

    [1]时圣雨.低压配电网接地方式及与剩余电流保护的配置探究[J].低碳世界，2018（08）：132-133.

    [2]李忠，余学文，吴鸣，陈文波，刘向东，仝浩，李永恒.低压直流配电网继电保护研究与实践[J].供用电，2018，35（08）：40-44.

    [3]黄桂春.供电系统低压配电网继电安全保护仿真[J].计算机仿真，2018，35（02）：63-66.

    [4]程方亮.低压配电网零线断线智能检测保护装置设计[J].电器工业，2017（03）：74-75.

    [5]张永文，莫均全.低压配电网中断零、缺相故障及其保护整体解决方案[J].电器与能效管理技术，2017（01）：68-72.