产品选用、试验与维修
丁 军 闫曙玲 遵义长征电器十一厂(563002)
摘 要 介绍了DW45和DW48等智能化断路器单相接地保护的工作原理。结合配电系统中T N 、T T 、IT 三种不同的接地制式，阐明了接地保护功能的使用范围、方法及意义。
叙 词：单相接地保护 接地方式 断路器 使用范围
第一作者丁 军，男,1960年生,1982年中央广播电视大学毕业，工程师。
Single Phase Earth Fault Protection of Circuit Breaker
and Earthing Pattern of Distribution Power System
Abstract:T he Single phase earth fault protection of some intelligent circuit br eakers such as DW45and DW 48i s intr oduced.Combined with the three differ ent earthing patter ns )))T N,T T ,IT in t he distr ibu
t ion system,the function o f earthing protection and its meaning and use range are described.
Key words:single phase earth fault protection earthing patterns circuit breaker use range
一、前言
在电力系统中，单相接地是一种较为常见的
短路故障，其后果不仅危及生命，更容易引起火灾，使事故面扩大。因此，在使用断路器有效地实现单相接地保护，已成为当今新一代断路器必备的功能之一。在我国，由上海电器科学研究所以及一些生产厂家相继开发的DW45、DW16和DW48等多种型号的带单相接地保护功能的断路器，可以满足配电系统对接地保护的要求。
目前的各种有关标准、设计规范也都着重强调了单相接地保护的重要性。但是，不加分析地将这一功能使用在任何接地形式的配电系统中，不但未能实现所要求的保护，反而会降低供电的可靠性。为此，本文分析了断路器单相接地保护与不同接地形式的配电系统的关系，进而阐明在各种配电系统中实现这一保护功能的可能性，以使这一功能得到正确地、广泛地运用。
二、单相接地保护工作原理铁水预处理
断路器上实现单相接地保护功能，目的主要
热敏打印头
是针对配电线路的干线、主干线和近变压器端的单相对地短路实现保护，以防止由此而引起的火灾为目的。以DW45和DW48等为例，其电流与动作时间整定范围见表1，保护特性如图1所示。 表1
型号接地电流整定时间整定/s 备 注DW 45
DW 48
0.2~0.8I n max 1200A m i n 160A
0.1,0.2,0.3,0.4
DW 48三段模拟线路保护时间可达1.
2s
图1 接地保护特性曲线
图1中对应于每一个电流整定值有四个动作时间相对应，以实现上下级之间的选择性配合。
断路器的单相接地保护功能可以用下列两种原理来实现。 1.剩余电流型
剩余电流型是利用四个电流互感器分别检测
)
40)
三相电流和中性线(N 线)的电流并进行矢量合成。正常情况下，无论三相电流平衡与否，互感器二次线路电流矢量和均为零，当单相对地短路或绝缘损坏时，电流矢量和等于单相接地电流或泄漏电流。接地电流达到脱扣器整定电流时，即可报警或驱动断路器动作，实现接地保护。
2.零序电流型
零序电流保护原理对配电系统的适应性很强，工作原理如图2
所示。
图2
无故障情况下，互感器二次电流矢量和等于三相不平衡电流。若其中一相对设备外壳短路，则在该相中会叠加上一个接地电流I d ，断路器三个电流互感器(CT )检测三相电流信号及矢量合成后，得到包含不平衡电流和接地电流在内的零序电流值，经与脱扣器整定值比较后，即可区分出接地电流，进而实现单相接地保护。图3是该原
理单相接地后的电流矢量图。
图3 三相不平衡,B 相接地电流矢量图
I #d -接地电流,I #p -不平衡电流
三、配电系统接地方式与断路器
单相接地保护
在电力系统中，通常按接地方式的不同，可以分为T N 、TT 、IT 三大类不同的配电方式。三种方式在我国的电网中并存使用。正是由于三种接地方式的不同，使其接地电流值的大小区别很大。因此，断路器接地保护功能并非在三种配电形式都起作用，也不是三种配电形式都需要接地保护。
1.T N 系统远控多叶排烟口
TN 配电系统在我国的供电网络中占90%左右，主要用在工矿企事业单位。TN 系统的特点是有保护接零，即变压器中性点直接接地，用电设备外壳与接地保护线(PE 线)相联。它有三种不同的结构形式。但都有一个共同的特点，用电设备外壳与电流中性点之间存在一条可靠的金属通道。(1)TN -C 系统。见图4，它的中性线与接地保护线(PE 线)合为一条，形成PEN 线，用电设备外壳与PEN 线相连接。正常情况下,PEN 线中流过的是三相不平衡电流)))零序电流。发生单相接地时，在不平衡电流基础上还要叠加上单相
接地电流。
图4 T N -C 系统
在T N -C 系统中，断路器要实现单相接地保护，只能用零序电流保护原理。即在A 、B 、C 三相
流化床
线路中分别用三个电流互感器检测三相不平衡电流。正常情况下该电流一般几十至100多A 以下，最
大也不能超过变压器额定电流的25%。而发生单相接地时所叠加的单相对地短路电流比零序电流大几倍。因此，只要把接地动作电流值整定在大于系统不平衡电流值之上，断路器就能将零序电流中的不平衡电流和单相短路电流分开实现接地保护。DW45和DW48等接地保护电流整
定值范围(0.2~0.8)I n ，其范围广、精度高。在TN -C 系统中使用能够可靠地实现单相接地保护。
(2)TN -S 系统。见图5，其中性线(N 线)与接地保护线(PE 线)分开，用电设备外壳与PE 线相接。无单相接地时,N 线中流有三相不平衡电流,PE 线中无电流。出现接地故障后，接地电流将在PE 线中流动。这种配电形式，可以用零序
电流保护原理或剩余电流保护原理来实现单相接地保护。
图5是TN -S 系统采用剩余电流保护原理实现单相接地保护的结构原理图。它在三个相线和
)
41)
图5 T N -S 系统(剩余电流保护原理)
中性线上分别套上四个电流互感器，用于检测相线和中性线中的电流。正常情况下，不论线路负载电流平衡与否，三相和中性线上的互感器次级电流矢量和均为零。若发生单相接地故障，该矢量和将不为零，即出现单相接地电流。只要接地电流大于断路器接地电流整定值，断路器将动作，实现单相接地保护。
剩余电流保护原理，直接采样的是系统单相接地电流。该信号直接送脱扣器处理，避免了要用脱扣器整定值来区分不平衡电流和接地电流的环节，因此其单相接地保护精度和灵敏度非常高。
T N -S 系统采用零序电流保护的结构原理图见图2，矢量图见图3，与TN -C 系统相同。该原理使保护结构简化，用户直接使用断路器就可得到该保护，是目前各生产厂家推荐的单相接地保护方式。
(3)TN -C -S 系统。见图6，其电源部分为T N -C 结构，负载部分为T N -S
结构。
图6 T N -C -S 系统(零序电流保护原理)
这种配电方式的接地保护，最好用零序电流保护原理来实现。因为接地故障时的短路电流和三相不平衡电流在电源侧都要经过PEN 线流到电源。该方式不用考虑PEN 线负载端的接地位置。而如采用剩余电流保护原理，则上述的接地点必须设置在断路器N 线上第四个CT 的前级，才能保证N 线上的CT 检测的是N 线中的不平衡电流，经过与三相线中的CT 检测到的电流合成后，检测到接地电流，进而实现接地保护。
与T N -S 系统相同,T N -C -S 系统采用剩余电流保护原理比用零序电流保护的可靠性、精度和灵敏度都要高得多。2.TT 系统
T T 接地形式中，变压器中性点直接接地，即
工作接地，用电设备外壳与大地相连，即保护接
地，如图7
所示。
图7 T T 系统
它的两个接地点在电气上没有联系，变压器中性点与设备外壳之间没有金属通道。假设当B 相发生单相接地时，接地电流的回路是电源y B 相线y 设备外壳y 大地y 电源。接地电流的大小
rvpn
主要取决于两个接地点电阻的阻值。一般情况下,100kVA 以上的变压器配电系统中，变压器中性点接地电阻不大于48，假设外壳接地良好，阻值为28，则最大接地电流:
I d,max =220/(2+4)=37A
而断路器单相接地保护电流整定值最小160A，因此，一般的接地保护断路器，不能实现TT 系统的单相接地保护。
对于TT 系统的单相接地故障，其危害在于它的中性线N 和设备外壳都会带上电压。电压值的高低取决于两个接地极阻值大小。按上述假定，外壳所带电压37@2=74V；中性线带电压37@4=140V 。显然，两个电压值均高于TT 系统
允许接地电压极限值50V 。用电设备继续运转，或线路检修时，人身可能会受到电击的危害，因此，必须切断发生单相接地的用电设备。
T T 系统发生单相接地后，其回路中形成了完整的剩余电流通路，因此，可以采用剩余电流动作保护器来瞬时或延时切除单相接地设备，保证配电网络的正常运行。目前的智能型断路器除了带接地保护功能外，还带有漏电保护功能。所以,TT 系统可以用智能型断路器的漏电保护功能实
)
42)
现其单相接地保护。
3.IT 系统
IT 系统特点是变压器中性点不接地或经大阻抗接地，用电设备外壳直接接地。IT 系统是一种广泛使用于我国煤矿井下配电网络中的电网电气安全系统，其结构原理如图8所示。由于网络中无工作接地，因此IT
系统又被称为绝缘电网。
图8 IT 系统
当IT 系统发生单相短路时，假设为B 相。则三相电路的电压电流矢量图如图9
所示。
图9 IT 系统单相接地矢量图
事故相B 相的电位与大地相同，绝缘电网的中性点转移到B 相上，因此中性点电位等于-E B ，两个非故障相对地电压增大3倍，即
U #B =0, U #C =U BC , U #
A =U BA
此时，原来的相电压上升为线电压，全部施加在网络绝缘电阻上，各相电压U #A 、U #B 、U #
C 仍然对称运行。在网络绝缘正常或非正常时，接地电流为电容电流。电流通道为：电源y B 相线y 大地y 网络电容y 非故障相y 电源。接地电流值的大小主要取决于网络电容。网络绝缘正常时，电流一般几个安培，小于断路器接地保护最小整定值160A 。因此，断路器单相接地保护不能对IT 系统的单相短路起保护作用。
在长期的运行中，网络绝缘因老化而下降。这时若发生单相接地，一些用电设备会带上对地电压。当接地电流大于发生电弧的最小燃弧电流(一般为每相对地电容电流的3倍)时，也会对用电设备造成火灾等危险。另外，人如触及单相短路的用电设备，会造成人身事故。所以对IT 系统来说，需要的是绝缘监视和漏电闭锁，一旦配电
系统绝缘下降，即出现矢量图中的3U #
钥匙胚0，配电网络将断电或不能接通，以此来达到保护设备和人身安全的目的。
四、应当注意的问题
1.选择性保护
文中提到的带接地保护断路器，如DW45和DW48等都是作为配电干线的保护开关。特别是630A 以下电流等级的断路器，需要考虑与下级的选择性配合。如果断路器的延时太短，很可能会在下级动作前动作，扩大停电面。在树干式配电线路中，从干线分出若干分支，由上下级断路器实现控制，其保护要照顾到首端和末端的选择性配合。所以在DW16基础上，新一代断路器，如DW48单相接地延时时间可以0.2~1.2s 的大范围供选择。
2.单相接地保护与短路短延时保护运用短路短延时保护功能，可以实现单相接地保护。但是，短延时保护主要保护相间短路，一
般整定在3I n 以上，在同时需要单相接地和短路延时及上下极选择性配合的场所，是很难做到两者兼顾的。
五、结语
综上所述，断路器的单相接地保护功能只适
用于TN 配电网络，而该配电形式在我国供配电系统中占90%左右。智能型断路器，具有可以记忆并显示单相接地的故障相、故障电流大小和动作时间，它还具有锁定报警功能，其整定、操作准确度不受人为因素的影响，只要合理地进行设置，就能得到可靠的单相接地保护。随着这一功能的广泛运用，必将提高我国用电的安全性和供电的可靠性。
收稿日期:1997-12-16
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