低壓配電系統(tǒng)的接地故障電流計(jì)算公式和計(jì)算方法

根據(jù)《低壓配電設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50054-2011要求，低壓配電系統(tǒng)有IT系統(tǒng)、TT系統(tǒng)、TN系統(tǒng)三種接地形式。電力儀表在本文介紹這三種接地系統(tǒng)的接地故障電流計(jì)算公式、接地故障電流計(jì)算方法和相應(yīng)保護(hù)電器選擇。

1、TN接地系統(tǒng)接地故障電流計(jì)算與分析
TN系統(tǒng)在用電端發(fā)生接地故障(以下統(tǒng)稱故障)時(shí)的等效電路圖如圖1所示。

圖1 TN系統(tǒng)故障時(shí)等效電路圖
說明：R_ph為相導(dǎo)體電阻，mΩ；X_ph為相導(dǎo)體電抗，mΩ；R_PE為PE導(dǎo)體電阻，mΩ；X_PE為PE導(dǎo)體電抗，mΩ；R_B為變壓器中性點(diǎn)接地電阻，mΩ；R_s為變壓器低壓側(cè)內(nèi)電阻，mΩ；X_s為變壓器低壓側(cè)內(nèi)電抗，mΩ；I_d為接地故障電流(交流方均根值)，以下統(tǒng)稱故障電流，kA。

TN系統(tǒng)接地故障電流(I_d)按以下計(jì)算
    .............................公式1
公式1中：U_nom為相導(dǎo)體對地標(biāo)稱電壓，V；_Rph?p為相?；芈冯娮?，mΩ；X_ph?p為相保回路電抗，mΩ；為故障回路電阻、為故障回路電抗，包括高壓側(cè)系統(tǒng)阻抗(歸算到低壓側(cè))及變壓器、低壓母線、低壓線路相保電阻之和、電抗之和，mΩ。

當(dāng)TN系統(tǒng)故障點(diǎn)離電源點(diǎn)(變壓器)距離較長，且PE導(dǎo)體和相導(dǎo)體共處于電纜內(nèi)或穿于同一導(dǎo)管、線槽內(nèi)時(shí)，可認(rèn)為X_ph?p遠(yuǎn)小于R_ph?p，可以忽略X_ph?p，并且忽略變壓器低壓側(cè)內(nèi)阻，TN系統(tǒng)接地故障電流計(jì)算公式1可簡化為公式2：
   ..........................公式2
應(yīng)指出：
①當(dāng)TN系統(tǒng)的線路截面積大(如相導(dǎo)體截面積在120mm²及以上)時(shí)，其電阻值較小，忽略電抗(X _ph?p)將導(dǎo)致較大誤差。相導(dǎo)體截面積為 120mm²(PE導(dǎo)體為70mm²)時(shí)，忽略電抗，使I_d增大了3%-4%；相導(dǎo)體截面積為150mm²時(shí)，I_d增大了5%-6%；相導(dǎo)體截面積為185mm²時(shí)，I_d增大了7%-8%。為此，我國電氣專家任元會(huì)建議對截面積為120mm2及以上的相導(dǎo)體，按公式計(jì)算的1d值乘以0.96-0.92的修正系數(shù)。
②當(dāng)TN系統(tǒng)故障點(diǎn)離變壓器距離很小(發(fā)生的概率很小)，變壓器容量小，線路截面積大時(shí)，忽略變壓器阻抗將導(dǎo)致很大誤差，不能用簡化公式簡化計(jì)算，應(yīng)按公式計(jì)算，必須計(jì)入變壓器阻抗。當(dāng)故障點(diǎn)離變壓器距離較短(如幾十米)時(shí)，可按公式計(jì)算，但應(yīng)乘以必要的修正系數(shù)。
③TN系統(tǒng)故障電流I_d的大小，對選擇保護(hù)電器的參數(shù)至關(guān)重要。Id值大小取決于線路長度、截面積、敷設(shè)方式等因素，其值可達(dá)幾百至幾千安培，甚至更大。更應(yīng)關(guān)注的是，線路很長導(dǎo)致Id值很小時(shí)，將使過電流保護(hù)電器不能在規(guī)定時(shí)間內(nèi)動(dòng)作，必須進(jìn)行計(jì)算，在《用斷路器作故障防護(hù)時(shí)銅芯電纜最大允許長度》等文章闡述了故障防護(hù)要求和簡易的計(jì)算方法。

2、TT接地系統(tǒng)接地故障電流計(jì)算與分析
TT系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)的等效電路圖如圖2所示。

圖2 TT系統(tǒng)故障時(shí)等效電路圖(R_A為Ⅰ類電氣設(shè)備和用電設(shè)備外露可導(dǎo)電部分的保護(hù)接地電阻，Ω)

TT系統(tǒng)接地故障電流(Id)按公式3計(jì)算(忽略電源阻抗和線路電抗)：
  ......................公式3
通常，TT系統(tǒng)的(R_A+R_B)＞＞(R_ph+R_PE)，公式3可簡化為公式4：
  ..............................................公式4
用于TT系統(tǒng)時(shí)，公式中R_A、R_B單位以歐姆(Ω)計(jì)，故障電流I_d以安培(A)計(jì)。

由于R_A、R_B阻值的限制，TT系統(tǒng)故障電流I_d值一般僅為幾安培至幾十安培，比TN系統(tǒng)的故障電流小得多，一般情況下，使用過電流保護(hù)電器無法滿足切斷電源的要求，TT系統(tǒng)應(yīng)采用剩余電流動(dòng)作保護(hù)電器(RCD)作故障防護(hù)。

3、IT接地系統(tǒng)接地故障電流計(jì)算與分析
IT系統(tǒng)第一次故障時(shí)的等效電路圖如圖3所示。

圖3 IT系統(tǒng)第一次故障時(shí)等效電路圖

對于電源中性點(diǎn)不接地的IT系統(tǒng)，第一次故障時(shí)，故障電流只能通過非故障相線路和設(shè)備的對地電容形成回路，由于容抗大，此故障電流僅為毫安級。

鑒IT系統(tǒng)故障電流很小，IT系統(tǒng)可以“帶病”堅(jiān)持工作，而不切斷電流；由于故障電流很小，故障點(diǎn)對地的接觸電壓很小，沒有電擊危險(xiǎn)。

故障狀態(tài)繼續(xù)堅(jiān)持工作并非正常狀態(tài)，因此IT系統(tǒng)應(yīng)裝設(shè)絕緣監(jiān)測器發(fā)出報(bào)警，提示使用、維護(hù)人員采取必要措施，以避免在故障狀態(tài)下“帶病”工作中再次發(fā)生故障。在此期間一旦再發(fā)生第二次異相接地故障，將導(dǎo)致相間(或相對中性導(dǎo)體間)短路，產(chǎn)生同TN系統(tǒng)或TT系統(tǒng)一樣的故障電流，此時(shí)切斷電源是不可避免的。

IT系統(tǒng)不宜配出N導(dǎo)體，即采用三相三線制。當(dāng)配出N導(dǎo)體時(shí)，若發(fā)生N導(dǎo)體接地故障，將使IT系統(tǒng)變成TT系統(tǒng)，從而失去IT系統(tǒng)的優(yōu)勢。我國電氣專家任元會(huì)指出，當(dāng)采用了N導(dǎo)體接地故障的檢測報(bào)警裝置后，仍然可以采用三線四線制線路，這樣有利于為照明、插座回路、小電器提供相對地電壓(我國為220V)。

本文對低壓配電系統(tǒng)的接地短路電流計(jì)算做了簡單介紹，掌握這些知識(shí)，為電氣設(shè)計(jì)中選擇保護(hù)電器奠定基礎(chǔ)，同時(shí)電氣設(shè)計(jì)也離不開高性能電力儀表，歡迎您到http://m.fg316.com/product/list_78.html了解這些產(chǎn)品。