深度剖析 TN系统中性导体的保护之—— 四级开关的应用
您当前的位置 : 首页 > 新闻中心 > 乐鱼体育手机官网

深度剖析 TN系统中性导体的保护之—— 四级开关的应用

  断路器分为框架断路器ACB、塑壳断路器MCCB以及微型断路器MCB。ACB和MCCB需符合GB/T 14048/IEC 60947《低压开关设备和控制设备》系列标准,而MCB应符合GB 10963/IEC 60898《电气附件家用及类似场所用过电流保护断路器 第 1部分:用于交流的断路器》标准。

  GB/T 14048.1-2012规定断路器的极Pole指“仅与开关电器主电路的一个电气上分开的导电路径相连的电器部件,它不包括那些用来将所有各极固定在一起和使各极一起动作的部件。”

  GB 10963.1-2005/IEC 60898:2002指“仅与主电路的-个独立的导电路径相连的断路器的部件,具有用来连接和断开主电路本身的触头。它不包括那些用来将各极固定在一起并使各极一起动作的部件”。由此能够看出,两者对断路器极的定义是一致的,都是用来通断主回路的触头,而从有无过电流脱扣器,极又分为有保护极和无保护极。断路器功能通常为图1所示。 因此通常断路器从极数上分为单极SP(Single Pole));双极DP、Double pole、1P+N(境外为SPN )Single Pole and Neutral;三级3P(境外为TP Triple Pole)和四极 4P Four Pole 及3P+N(境外为TPN Triple Pole and Neutral)如图2所示。

  对于厂家对有无保护极的表达各有不同,例如某合资品牌,把4P断路器标的为4PD4D:4极壳架,所有4极都具备保护、相和中性线极具有保护,中性线无保护。而三极(b)这种类型是没有的,只能通过在N线上设置外置互感器来实现,理念是因为先有壳架“极”才有其保护功能。 而国产品牌通常把四极断路器分为4类:

  B— N 极不安装过电流脱扣器,且N极与其它三极一起合分( N极先合后分 )

  C— N 极安装过电流脱扣器,且N极与其它三极一起合分( N极先合后分 )

  从对应关系上看,B类是上述的3P+N开关,C类是4P开关,D为三极(b)开关。

  根据对极数的定义能够准确的看出,A和D类因为N极始终连通,并不是真正意义的四极实为三极,而B、C类有断开N线,才是真正的四极开关。因此对于四极开关要厘清概念,才能在同一语境下分辨指代。

  需要指出,A类和D类开关因为壳体依然是四极模制,但N始终是连通的,这会让操作者在拉闸时产生误解,以为N线也是断开,由此产生电击风险。

  隔离所有带电导体是安全检修重要手段。符合GB10963标准的MCB其触头是要求具有隔离功能的,而符合GB/T 14048标准的断路器触头并不强制具有隔离功能。从使用功能上看,N线触头具有隔离作用更具实用意义。对于是否对N线采取必要的隔离断开及保护,这取决于N线是否为带电导体,有没有危险电压。

  IEC规定,在TN-S系统和中性线导体和保护导体分开的TN-C-S系统中,如果中性线导体被认为是可靠的地电位,则可以不分断中性线导体。因此理论上N线是安全的,但是现实情况并非如此。在正常供电系统中,N线并非是个安全导体,很多真实的情况下,均具有危险电压。

  在三相电源正弦运行中,中性导线N线电流由相与中性导体之间连接的单相负载之间的不平衡度决定。理论上三相平衡时,N线电流为零,但是现实情况很难完全平衡,特别是具有单相用电设备系统,这会导致N线上会有或多或少的电流出现。例如三相四线所示,因单相负载功率的不同,L1电流为15A,L2电流为20A,L3电流为25A时,N线A。此时电流不平衡度为25%,N线相不工作、断线等情况为零时,N线A超过线 三相不平衡导致中性导体带电

  对于如电动机等三相平衡负载系统,由于以及变频、调速等工艺要求其非线性负载特性,以及LED灯具普遍的使用都将会导致谐波的产生。此谐波分量特别是如果有3的倍数次谐波,即3次、9次、15次等,不会在中性导体中抵消而会叠加,有可能使中性导体流过电流。3次谐波分量与中性导体电流的占比关系如表1,线导体中谐波分量越大,中性导体电流将会越大。当线%时,中性导体将可能超过线导体电流,此时该用回路推荐采用四极开关或具有中性保护的三极开关(图2中的三极(b))。

  因此说对于三相供电系统,无论是具有单相负载的不平衡负载还是三相平衡负载,到会可能会引起N线所示,在单电源系统中,用电装置A正常工作而产生上述原因时,N线将带电并传导到用电装置B。当用电装置B检修时,就算断开电源开关或装设RCD,也没办法避免电击风险。此时的供电系统的装置开关应采用四极开关以策安全,通常可采用3P+N开关。

  图4a 单电源供电系统N线b 多电源供电系统N线 接地故障带来的检修危险

  图6 电源转换开关应防止N线所示,无论变压器中性点是“一点接地”,还是直接接地,电源转换系统开关,均需要采用四极开关。这不仅用于防止杂散电流,也为检修安全隔离,防止一侧电源系统停电时,另外一侧电源通过N线传导危险电压。建议采用4P开关或3PN开关。2.2 功能性防护

  图7 多电源系统防止N线所示,在中性点直接接地的多电源系统中,用电装置的N线极母联分流到不同的电源系统中,并通过中性地直接接地方式产生环流。此时应采用能够断开N线的四极开关,切掉环流路径,推荐电源进线主开关也采用四极开关。 需要说明,防止杂散电流的方式很多,如IEC推荐变压器中性点非直接接地的“一点接地”,也可切断杂散电流的环流路径。但是“一点接地”并非防止杂散电流的唯一做法,只是多种办法的一种而已,没有排他性。尤其是在要求变压器中性点直接接地时,采用四极开关防止杂散电流更具现实性。

  在低压总进线处设置总的接地故障保护,动作电流通常是断路器整定电流的20%左右,以提高过流保护时线路绝缘保护的灵敏性,对所在供电范围内的接地故障进行防范。例如1000KVA变压器,接地故障动作电流为300A左右。由于检测电流比较大,不能像带剩余电流功能的微型断路器RCBO一样,在断路器内部内置变比1:1的能穿大截面带电导体的大口径电流互感器,只能将互感器外置,在通过二次回路来实现剩余电流的检测。对低压总开关一般会用RS和SGR系统。 当变压器中性点设置互感器用于接地故障保护即SGR系统时,如图9所示,低压进线为TN-C、在低压柜转换为TN-C-S系统,用电装置发生接地故障时,接地故障电流会沿着N排分流到电源一、二系统的中性点接地故障互感器上,有可能导致流过互感器故障电流过小,无法准确动作,或者两个电源系统全部动作,导致全部失电。此时可在母联设置四极开关、或采用“一点接地”,亦或从变压器开始就采用TN-S系统等方法,切断接地故障分流路径。

  图9 接地故障电流将变压器中性线 采用无隔离变压器的UPS供电时上游不能采用四极开关

  四极断路器可以在中性点直接接地的系统中,切断杂散电流和接地故障分流路径。然而,在无隔离变压器的UPS供电系统中需警惕四极开关带来的危害。在没有UPS的系统中,当上游四极开关断电后,下游负载没办法得到电力供应。但是在有UPS的配电系统中当上游开关断电后,UPS作为电源将向下游负载供电。如图10所示,UPS采用无隔离变压器的高频机,其中性点不需要接地。UPS的上游开关采用防止杂散电流的四极开关,此时UPS下游用电装置发生接地故障,接地故障电流将无法回流到不间断电源,导致保护失效。

  解决以上问题,推荐采用IEC60364要求的“一点接地”即不应在变压器中性点或发电机星形点对地连接,且中性点连接导体与PE导体之间的连接只能为一次。

  综上所述,在三相四线制的TN系统中,因诸如三相不平衡、谐波等因素会导致正常不带电的N线具有危险电压。因各回路的N线均为连接,会传导危险的故障电压。特别是多电源系统中,危险电压会通过N线从一个电源系传导到另外一个电源系统中,因此四极开关具有检修安全的特点,开关可采用仅具有隔离功能的3P+N。