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电击防护——IT 系统内发生第二次故障时的自动切断电源

发布日期:2015/09/08已有 2523 人浏览

在IT系统内:
● 电气装置带电导体与地绝缘,或电源的中性点经高阻抗接地;
● 所有的外露导电部分和装置外导电部分经电气装置的接地极接地。

>>第一次故障

在 IT 系统中发生第一次接地故障时不需切断电源。
发生被称作“第一次故障”的真实接地故障时,故障电流很小,它能满足 Id x RA ≤ 50 V 这一规定的要求 (见 TT 系统的自动切断电源),不会出现危险的故障电压。
实际上电流 Id 很小,这种情况既不能对人体构成危险,也不会对电气装置造成损坏。
但在这种系统内:
● 必须设置能持续监测电气装置对地绝缘的仪器,它能在发生第一次接地故障时发出报警信号 (报警声和 / 或闪光等,见图表 F16)。
● 必须能迅速找出第一次故障的故障点并加以修复,以充分体现采用 IT 系统的优点,维持供电的不间断是 IT 系统的最大优点。

图表 F16 : 在 IT 系统中必须装用相对地绝缘监测器
某 1 km 长的新线路构成的网络,其对地泄漏 (容性) 阻抗 Zf 约为每相 3500 Ω,在正常运行时每相对地电容电流 [1] 为每相:

当发生如图表 F17 所示相对地故障时,通过接地极 RnA 的电流是两非故障相的电容电流的相量和。(由于故障的缘故) 非故障相的对地电压增加为正常相电压的√3倍,这样,对地电容电流也增大到相同的倍数。这些电流相互间的相位角差 60°,其相量和为 3 X 66 = 198 (mA)。即本例中的值。
故障电压 U f 为 198 X 5 X 108 = 0.99 (V),这一电压显然是无害的。
对地短路电流为中性线的电阻性电流 Id1 (153mA) 和电容性电流 Id2 (198mA) 的相量和。
由于电气装置中的外露导电部分是直接接地的,电源中性点的接地阻抗 Zct 对外露导电部分与地间的接触电压实际上没有影响。

图表 F17 : IT 系统内发生第一次接地故障时故障电流的路径

>>第二次故障

当在另一相线或中性线上发生第二次故障时,必须快速切除故障。在下述不同情况下,切除故障的要求也是不同的:
第一种情况
同时发生两个接地故障(不在同一相上)是危险的,而用熔断器快速清除或自动断路器脱扣,则决定于电气装置中接地 — 连接系统的型式,以及电气装置是否采用单独的接地极而定。
电气装置内所有的外露导电部分都连接到一共同的 PE 线上,如图表 F18 所示。
在此情况下故障电流路径内没有接地极,这样故障电流将很大,可采用通常的过电流保护电器,即断路器和熔断器。
第一次故障可能发生在电气装置内的远端,而第二次故障则可能发生在电气装置的另一远端。为此当确定过电流保护电器故障动作整定值时,通常取回路环路阻抗的两倍值。
当 IT 系统内除 3 根相线外还有 1 根中性线时,如果 (两个) 故障中的一个故障是中性线与地间的故障 (在 IT 系统内四根导线都是与地绝缘的),则将出现最小的短路故障电流。 因此在四线的 IT 电气装置内必须用相线对中性线的电压来验证短路时是否满足
[2]
式中: 
Uo = 相线对中性线的电压; 
Zc = 故障回路的故障电流环路阻抗 (见 TN 系统的自动切断电源);
Ia = 跳闸整定电流。
如果未配出中性线,则用以计算故障电流的电压为相间电压,即
[2]
● 最大跳闸时间
IT 系统的切断电源时间视不同电气装置和变电所接地极如何互相连接而定。
对额定电流不大于 32 A 的给电气设备供电的末端电路,且其外露导电部分系与变电所的接地极相连接的,其最大跳闸时间示于图表 F8。对于在同一组内外露导电部分互相连接的其他回路,其最大切断电源时间为 5s,这是因为在这些同一组的回路内如果发生两个故障时,其短路电流是与 TN 系统相同的。
对额定电流不大于 32 A 的给电气设备供电的末端回路,且其外露导电部分系连接于与变电所接地极无电气联系的单独的接地极上,其最大切断电源时间列于图表 F13,对于同一组内外露导电部分不互相连接的其他回路,其最大切断电源时间为 1s,这是因为当发生两个故障时,其中的一个绝缘故障发生在这一个组内,而另一个绝缘故障则发生在另一个组内,这时故障电流将像 TT 系统那样受到各个接地极电流的限制。

图表 F18 : 当外露导电部分接于一共同的保护线
上,发生两个故障时断路器跳闸
● 断路器保护
在图表 F18 所示的情况下必须确定瞬动和短延时过电流跳闸的整定值,上文建议的时间值要求是很易于满足的。
示例:在图表 F18 所示的情况下,在短路保护中如选用 NSX160 型断路器,对回路负载端发生的相间短路是适用的。
提示:在 IT 系统内如两个回路发生相间短路,是假设它们的导体的长度和截面相同,且其 PE 线的截面和相线截面也相同来进行计算的。在这种情况下,当采用(见通用计算方法) 进行计算时,回路的环路阻抗将是TN 系统的自动切断电源所述的TN 系统条件下一个回路的阻抗计算值的 2 倍。
这样的回路1的环路FGHJ的电阻

式中:  ρ = 长度为 1 m,截面为 1 mm2 铜导体的电阻 (mΩ)
L = 回路的长度 (m)
a = 导体的截面积 (mm2)
RFGHJ = 2 x 22.5 x 50/35 = 64.3(mΩ);
BCDEFGHJ 环路的电阻为 2 x 64.3 = 129 (mΩ).
故障电流将为 0.8 x 400 x 1000/129 = 2480 A.
● 熔断器保护
为保证熔断器在上文规定的时间内熔断的电流 Ia 可在图表 F15 所示的曲线上查到。此电流 Ia 宜大大小于计算所得的回路故障电流。
● RCCB (剩余电流断路器) 保护
对小的短路电流需采用 RCCB,此时可在每个回路上装设一个 RCCB 能得到间接接触防护。
第二种情况
● 在这种情况下外露导电部分各自单独接地 (每一部分各有其自己的接地极),或分组接地 (一组设备的外露导电部分共用一接地极)。
如果全部外露导电部分不是连接到一个共用的接地极系统,则第二次故障可能发生在不同的组内或单独接地的某一电器内。对于上述的第一种情况需要附加防护措施,即对每一组电器或每一台单独接地的电器装设带 RCD 功能的断路器。
这一要求的理由是各分组的接地极是通过大地而互相“连接”的,这样,相间短路电流通过与大地的连接点时,将受到接地极与大地间接触电阻的限制,因此采用过电流保护电器作保护不可靠,需要采用更灵敏的 RCD,且 RCD 的动作电流必须远远大于第一次故障的故障电流 (见图表 F19)。

泄露电容值(μF)

第一次故障的电流 (A)

1

0.07

5

0.36

30

2.17

图表 F19 : 对地泄漏电容和第一次接地故障的电流的对应值
在一共用接地极的一组电器内发生第二次故障时,其过电流保护电器的动作见前文第一种情况内的介绍。
注 1:也见中性线的保护,中性线的保护。
注 2:在三相四线电气装置内中性线的过电流防护有时可更方便地在单芯中性线电缆上装设环型电流互感器来实现 (见图表 F20)。

图表 F20 : IT 系统内外露导电部分单独或成组接地时 RCD 的装设

>>备注:

1.^ 在此例中通过绝缘的电阻性泄漏电流被假定为可忽略不计。
2.^ a b 依据TN 系统的自动切断电源。