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    淺談剩余電流動作斷路器在鋼鐵廠供電系統改造中的應用

    2023-12-22 [57]

    安科瑞 鮑靜君 劉邁

      【摘要】鋼鐵廠為了實現節能降碳、安全運行,在不斷升級改造現有生產設備。針對鋼鐵廠改造中對剩余電流動作斷路器的設計應用方案進行探討,解析了剩余電流動作斷路器在電網供電系統中對設備和線路的漏/觸電保護應用方案。該方案設計可為鋼鐵廠電網供電提供安全可靠的運行保障。

      【關鍵詞】剩余電流動作斷路器;漏/觸電保護;鋼鐵廠;電網供電

      0引言

      某鋼鐵廠的電網供電系統始建于20世紀60年代,經歷了不同年代的建設改造。由于鋼鐵廠存在各種不同用電場合的供電需求,目前有不同年代建設的電網供電系統在運行。受當時不同年代經濟條件和電器設備技術發展的制約,在電網供電系統中部分沒有設計安裝剩余電流動作斷路器(CBR),即使后續在部分電網供電系統中改造安裝了剩余電流動作斷路器,但由于CBR類型和電網供電系統不匹配,CBR的設計安裝接線不合理,導致CBR拒動和誤動作情況時有發生。電網供電系統沒有安裝CBR時,若設備電線絕緣老化,會引起電氣火災事故,人為誤接線操作也經常會導致漏/觸電傷人,嚴重影響生命安全。因此,該鋼鐵廠提出了全面對老舊電網供電系統進行改造、安裝漏電保護裝置的需求,線路重新布局,線路中增加剩余電流動作斷路器。根據鋼鐵廠的改進技術要求,本文針對鋼鐵廠的不同供電系統,提出了設計改造安裝CBR的解決方案,并對存在錯誤設計的接線圖進行分析說明。歷經6個月的設計改造,解決了該鋼鐵廠老舊電網系統中線路和設備的漏電保護安全問題。改造加裝的CBR經過1年多的運行,現場漏電事故事件明顯減少,有效地防止了漏/觸電事故的發生,預防了漏電引起的電氣火災,保障了線路和設備的用電安全,確保了人身安全。

      1CBR在電網供電線路中的作用

      剩余電流動作斷路器俗稱漏電斷路器,其不但對用電設備和線路進行過電流故障保護,同時可對用電設備和線路中出現的漏電流故障進行保護,在低壓電網供電系統中起到非常重要的保護作用。線路中安裝CBR后,可確保人身安全,避免漏/觸電造成的致命事故。當線路中存在漏電電流時,可能會引起線路電氣火災,CBR也可預防因漏電引起的火災事故??梢姡茫拢铱梢韵娋W供電系統線路中的各種不安全因素,成為提高電網供電系統線路中安全用電的有效預防措施的保護元器件。

      在低壓電網供電系統中,按照漏/觸電保護線路級別可分為三級漏電保護。配電負載側作為配電系統中的一級總保護,安裝在低壓配電總電源側,一般漏電保護值為500mA以上,并設置一定的延時動作時間,以防三級或二級線路發生漏/觸電故障時,造成一級線路停電。主干分支線路側為二級保護,實現分支線路到終端側之間線路的漏/觸電保護,同時作為終端漏/觸電保護的后備保護,一般漏電保護值為100~500mA,總漏電電流小于一級漏電保護值,大于三級終端側漏電保護值,既可保護漏/觸電故障,又可防止漏電火災的發生。用戶終端側為三級保護,終端三級漏/觸電保護系統中,人觸電事故絕大部分都發生在該終端的用電設備和線路上,對一些存在危險的設備需加CBR,如移動式用電設備、焊接設備等,作為用電系統線路的末端保護,靈敏度高,響應快速,漏電動作值不能大于30mA,且無動作延時時間,如在水池、浴池等潮濕易漏電的場合,則漏電電流保護值為15mA以下。三級保護*大的好處是縮小停電范圍,防止發生大面積停電。以上三級保護線路中任何一級發生漏/觸電故障時,都會給人們的生命財產造成嚴重的損失,所以電網供電系統線路中安裝CBR的重要性是不言而喻的。

      2CBR的保護工作原理

      觸電方式有直接觸電和間接觸電兩種。直接觸電為人體直接接觸帶電的裸露導電部位,漏電電流從接觸處經過人體心臟、再經腳底流入大地,當漏電電流超過人體所能承受的一定值時,對人體造成傷害,嚴重時會造成人觸電死亡。間接觸電為人體接觸到因設備內部的絕緣損壞而產生漏電的設備金屬外殼造成的觸電。例如電機設備的金屬外殼與接地線連接,當電機內部繞組的絕緣損壞產生漏電時,漏電流會經過設備金屬外殼接地線流入大地,流回電源中性點。當人體觸摸到電機金屬外殼時,漏電流會經人體流回電源中性點,對人體造成傷害。CBR的基本保護工作原理如圖1所示。圖1線路中在設備和人員無漏/觸電的情況下,A、B、C、N相電流的矢量和為零,即IA+IB+IC+IN=IΔ=0,這時在零序電流互感器TA的鐵芯中所感應的磁通的矢量和Φ為零,即Φ=ΦA+ΦB+ΦC+ΦN=0,磁通的矢量和在零序電流互感器TA的二次繞組感應的電動勢E2為零。當有漏/觸電發生時,A、B、C、N相電流的矢量和不為零,即IA+IB+IC+IN=IΔ≠0,這時在零序電流互感器TA的鐵芯中所感應的磁通的矢量和Φ不為零,即Φ=ΦA+ΦB+ΦC+ΦN≠0,磁通的矢量和在零序電流互感器TA二次繞組感應的電動勢E2不為零,電動勢E2經過控制單元A的運算控制,當漏電流IΔ達到一定的值后,控制單元A驅動脫扣器TR動作,脫扣器TR驅動斷路器QF跳閘快速切斷電源,實現漏/觸電保護的功能。

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    3改造前的電網供電系統設備運行狀態分析

      為了解決該鋼鐵廠供電系統中存在的各種漏/觸電不安全因素,供電系統設計安裝CBR已成為*有效的保護措施。當發生漏/觸電接地故障時,CBR能夠快速切斷電源,保護設備和人身安全。該鋼鐵廠生產設備較多,站用電源變壓器多,電源變壓器建設年代不同,有不同的低壓電網供電系統,既有IT電網供電系統,又有TT電網供電系統和TN電網供電系統。

     ?。桑噪娋W供電系統主要應用在該鋼鐵廠的礦井等場合,該供電系統為電源變壓器二次側中性點不接地或經高阻抗接地,電氣設備的金屬外殼接地。該系統中電源變壓器中性點不接地或經高阻抗接地是其保護性能的核心,其保護機制為盡量加大漏/觸電回路的阻抗,避免漏/觸電電流達到危害值。IT供電系統一般采用設備外殼接地保護法,用特殊的檢漏繼電器進行漏電保護。因為IT供系統電源變壓器中性點不接地,所以當設備發生漏/觸電故障事故時,漏電流和電源變壓器二次側無法構成回路電流,其漏電流僅為非故障相對地構成的電容電流的相量和,流經人體的漏電流很小,相對是安全的。人體單相觸電時,所處環境容抗大,流向大地的泄漏電流很小,電源變壓器二次側電壓平衡基本不會破壞,泄漏電流不會影響電氣設備的正常運行。由于漏阻抗較大,人體單相觸電時流經人體的電流很小,漏電流小于1mA,因此不會造成人體傷害。因此,IT供電系統相對來說是一種比較安全的供電方式,其可靠性高,安全性好。但其缺點是該供電系統線路不宜過長,只能應用在一些特殊用電的小范圍的場合,使用范圍受到一定的限制。常規型的CBR為電流動作式,需要故障點與電源變壓器二次側接地中性點構成漏電流回路,工作原理如圖1所示。在IT電網供電系統中電源變壓器二次側沒有中性點接地,因此該系統不能適應電流型的剩余電流動作斷路器。對于該鋼鐵廠早些年代建造的TT供電系統和TN供電系統,由于受當時經濟條件和電器

      設備技術發展的制約,低壓電網供電系統中部分設備仍然采用單一的接地接零保護方式,這種單一的接地接零保護方式已不能滿足安全保護要求。在電網系統中大部分沒有設計安裝CBR,即使后續在一些電網系統改造中增加了CBR,但由于CBR類型和電網系統不匹配、CBR的接線不合理、上級和下級漏電的保護參數設置不合理,導致剩余電流動作斷路器拒動和誤動作情況時有發生,沒有達到漏電保護的功能,反而造成了線路跳閘停電停工現象,給用電安全帶來一隱患。因此以下針對TT和TN供電系統中CBR的正確設計、接線方案進行分析說明。

      4應用方案分析

      4.1TT系統保護方案

      該鋼鐵廠部分用電設備供電距離較遠,負荷布局相對分散,因此部分電網供電系統線路采用了TT供電系統。TT供電系統中電源變壓器二次側中性點直接接地,設備外殼直接接地,采用三相三線制接線方式。三相三線制系統電源只引出三根相線,該電網供電系統中,沒有單獨引出中性線N,系統的負載側中性線N也全部直接接入大地,大地相當于N線,PE線也是直接接入大地。TT供電系統原理如圖2所示。

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      在TT供電系統中,電力系統的中性點直接接地,電器設備的金屬部分直接接線漏/觸電保護,這個接地與電力系統中的中性點的接地沒有關系。當該供電系統線路中既有AC380V三相負載,又有AC220V單相負載時,混合負載導致CBR負載端中性線N需要重復接地,當負載不平衡時,中性線N上的電流通過接地線流入大地,引起CBR誤動作。該系統使用CBR時,如果設計不當或安裝不合理,很容易造成CBR誤動作跳閘故障。

     ?。裕怨╇娤到y中,三極CBR和四極CBR要根據實際線路負載情況進行設計接線,如存在單相AC220V負載,則選用二極漏電斷路器,如存在AC380V和單相AC220V混合負載,則選用四極CBR。單相AC220V負載中性線N不能直接接入大地,否則CBR頻繁跳閘無法合閘,中性線N接地從斷路器的進線端N極接入大地,不能從出線端接入大地。三極CBR正確的接線設計方案如圖3所示。電網為三線制TT系統,設備為AC380V的單一負載,CBR設計為三極CBR,設備外殼接大地,當出現漏/觸電時,線路中出現電流矢量和IΔ不為零,即IΔ=IA+IB+IC≠0電源變壓器側中性點和安全接地線PE形成漏電回路,剩余電流(漏電流)為IΔ,三極CBR可以起到漏/觸電保護的作用。

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      混合負載中三極CBR錯誤的接線設計方案如圖4所示。電網為三線制TT系統,設備為AC380V和AC220V的混合負載,選用三極CBR,中性線N接大地。線路中的問題就是中性線N錯誤地接入大地,錯誤地選用了三極CBR,在無漏/觸電情況下,線路中出現了沒有經過三極CBR的旁路電流,線路中出現的剩余電流矢量和IΔ不為零,即IA+IB+IC+IN=IΔ≠0,負載端接地、安全線PE和電源變壓器中性點接地構成了剩余電流IΔ的回路電路,因此三極CBR跳閘無法正常運行?;旌县撦d改正設計后正確的接線設計方案如圖5所示。該線路中三極CBR跳閘設計更改為四極CBR,在無漏/觸電情況下,系統線路中電流矢量和IΔ始終為零,即IA+IB+IC+IN=IΔ=0,當有漏/觸電故障發生時,線路中出現的電流矢量和IΔ不為零,即IA+IB+IC+IN=IΔ≠0,負載端接地、安全線PE和電源變壓器中性點接地構成了剩余電流IΔ的回路電路,四極CBR快速跳閘斷開線路電源,起到漏/觸電保護作用。

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    四極CBR進出端錯誤接地的設計接線方案

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      如圖6所示,電網為三線制TT系統,設計為四極CBR,負載為AC380V和AC220V的混合負載。線路中出現了單相AC220V負載的中性線N多點接地的錯誤設計,在無漏/觸電情況下,線路中的中性線N電流IN從旁路流入大地,負載端接地和電源變壓器中性點接地構成了剩余電流IΔ的回路電路,導致線路中出現電流矢量和IΔ不為零,即IA+IB+IC+IN=IΔ≠0,因此四極CBR會出現跳閘誤動作情況。更改正確的設計方案是將四極CBR的出線端N線不接地,只保留四極CBR的進線端N線接地,正確接地的設計接線方案如圖5所示。

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      中性線N錯誤接地的接線設計方案如圖7所示。電網為三線制TT系統,通過CBR對線路進行分級保護,一級漏電保護采用三極CBR、二級漏電保護采用三極CBR和二極CBR,設備為AC380V和AC220V的混合負載,線路中的單相AC220V負載的中性線N接入大地。在無漏電情況下,當單相AC220V負載工作時,單相AC220V負載中性線N相電流IN2從一級漏電保護端的三極CBR旁路流入大地,IN2流回到電源變壓器的中性點,形成了漏電電流,導致線路中出現電流矢量和IΔ不為零,即IA+IB+IC=IΔ≠0,因此一級線路保護端的三極CBR會出現頻繁跳閘故障,造成線路無法正常工作供電。

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      混合負載中多點接地的錯誤設計方案如圖8所示。設備為AC380V和AC220V的混合負載,CBR對線路進行分級保護,一級采用三極CBR、末端采用三極CBR和二極CBR,線路中的中性線N錯誤地進行多點接地,在無漏/觸電情況下,當AC220V負載工作時,四極CBR和二極CBR會出現對地的旁路電流IΔ1和IΔ2,負載端大地和電源變壓器中性點大地之間形成了漏電電流,在負載無漏/觸電情況下,線路中形成的電流矢量和IΔ不為零,即IA+IB+IC+IN≠0、IC2+IN2≠0,因此四極CBR和二極CBR會出現頻繁跳閘,出現線路無法正常供電故障。

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      混合負載正確的接線計方案如圖9所示。圖7和圖8可按圖9改進設計方案。圖9中將四極CBR的進線端中性線N接大地,其出線端中性線N不允許接入大地,并要求一級線路中的CBR的漏電動作值要大于二級線路中CBR的漏電動作值,否則將造成越級跳閘故障。在無漏/觸電正常情況下,線路中電流IN始終從四極CBR和三極CBR的中性線N中流入和流出,CBR無旁路電流產生,四極CBR線路中的電流矢量和IΔ為零,即IA+IB+IC+IN=IΔ=0;三極CBR線路中的電流矢量和IΔ為零,即IA1+IB1+IC1=IΔ=0;二極CBR線路中的電流矢量和IΔ為零,即IC2+IN2=IΔ=0。當三極CBR保護的支路發生漏/觸電時,線路中出現電流矢量和IΔ不為零,即IA1+IB1+IC1=IΔ≠0,三極CBR跳閘保護;當二極CBR保護的支路發生漏/觸電時,線路中出現電流矢量和IΔ不為零,即IC+IN2=IΔ≠0,二極CBR迅速跳閘斷開線路,起到漏電保護的作用。當一級保護和二級末端支路之間發生漏/觸電時,線路中出現電流矢量和IΔ不為零,即IA+IB+IC+IN=IΔ≠0,四極CBR跳閘動作。

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    4.2TN系統防護方案

      該電網供電系統的中性線接地,電氣裝備的金屬外殼通過PE保護線與該接地中性點連接。該系統有工作零線N和保護零線PE,工作零線N和保護零線PE可以合并使用,可分離使用,TN?C系統,保護零線PE和工作零線N合并為一起;TN?S系統中工作零線N和保護零線PE嚴格分離;TN?C?S系統中部分線路工作零線N和保護零線PE合并為一,部分線路的工作零線N和保護零線PE分離。TN?C系統中不正確接線設計方案如圖10所示。電網為三相四線制TN?C系統,設備為AC380V和AC220V混合負載,系統線路中將保護線NPE接到四極CBR的出線端,當線路設備發生漏電時,漏電流IΔ經過保護線NPE和四極CBR的N極流入電源變壓器的中性線端,四極CBR中線路中的電流矢量和IΔ始終為零,即IA+IB+IC+IN=IΔ=0,造成四極CBR拒動跳閘,失去漏電保護作用,會造成安全事故。對圖10的方案進行更改后,TN?C系統中正確接線設計方案如圖11所示。

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      當線路中設備發生漏電時,漏電流IΔ經過安全線NPE經四極CBR旁路流回到電源變壓器的中性端,四極CBR線路中電流矢量和IΔ不為零,即IA+IB+IC+IN=IΔ≠0,當漏電電流達到動作值時,四極CBR跳閘斷開線路電源,起到漏電保護作用。

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     ?。裕?S系統中正確的接線設計方案如圖12所示。電網為三相五線制TN?S系統,設備為AC380V和AC220V混合負載,設備金屬外殼通過保護線PE連接到電源變壓器中性端線路,當線路設備發生漏電時,四極CBR線路中的電流矢量和IΔ不為零,即IA+IB+IC+IN=IΔ≠0,四極CBR跳閘斷開電源,起到漏電保護作用。

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    5安科瑞ASJ系列產品介紹

      安科瑞ASJ系列剩余電流動作繼電器和多回路剩余電流監測儀可與低壓斷路器或低壓接觸器等組成組合式剩余電流保護裝置,主要適用于交流50Hz,額定電壓400V及以下的TT和TN系統配電線路,用來對電氣線路進行接地故障保護,防止接地故障電流引起的設備損壞和電氣火災事故,也可用來對人身觸電危險提供間接接觸保護。




    ASJ10/20系列剩余電流動作繼電器


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    ASJ60系列剩余電流監測儀

      5.1功能介紹

      ASJ10/20系列剩余電流動作繼電器具有以下功能:A型或者AC型剩余電流測量,剩余電流越限報警指示,額定剩余動作電流可設定,極限不驅動時間可設定,兩組繼電器輸出,具有就地,遠程“測試"、“復位"功能;

      ASJ60系列剩余電流監測儀具有以下功能:16路剩余電流監測,1路預警繼電器輸出,16路報警繼電器輸出,2路DI輸入,自動重合閘功能,遠程通訊功能,遠程分合閘功能。

      5.2技術指標

      ASJ10/20系列剩余電流動作繼電器技術指標

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      ASJ60系列剩余電流監測儀技術指標

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      5.3選用說明

      剩余電流動作繼電器在應用時應注意低壓系統的接線型式。

      系統形式系統接線說明

     

      其余接線型式需要改造成以上兩種型式使用,防止出線誤動作或者不動作的情況。剩余電流互感器的選擇應根據主回路的額定電流為參考選擇,

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    實際應如圖所示,互感器安裝在主回路或者支路上,通過測量剩余電流判斷是否驅動斷路器動作。

    ASJ10/20剩余電流繼電器典型應用

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    ASJ60剩余電流監測儀典型應用

      5.4注意事項

      ?當采用剩余電流動作保護器(RCD)作為電擊防護附加防護措施時,應符合下列規定:

      ?額定剩余電流動作值不應大于30mA;

      ?額定電流不超過32A的下列回路應裝設剩余電流動作保護器(RCD):

      ?供一般人員使用的電源插座回路;

      ?室內移動電氣設備;

      ?人員可觸及的室外電氣設備。

      ?剩余電流動作保護器(RCD)不應作為保護措施;

      ?采用剩余電流動作保護器(RCD)時應裝設保護接地導體(PE)。

      6結語

      一個國家或地區的漏/觸電發生率是衡量其安全用電的重要標志。我國的漏/觸電事故基本發生在AC380V以下的低壓電網側線路,由于我國的低壓電網絕大部分采用變壓器二次側中性點直接接地方式,一旦發生漏/觸電事故其后果十分嚴重。因此在電網供電系統中設計安裝CBR是預防發生漏/觸電事故的重要技術措施,同時剩余電流動作斷路器也可預防因漏電引起的火災事故,可見剩余電流動作斷路器可以消除電網系統線路中的各種不安全因素。在TN和TT供電系統中,如果設計安裝剩余電流動作斷路器與其電網供電系統不相匹配,剩余電流動作斷路器將起不到漏電保護功能,也會影響正常的供電??茖W合理地設計應用剩余電流動作斷路器是提高電網供電系統中安全用電的有效預防措施,該設計方案可以作為鋼鐵廠等工礦企業對電網線路改造和設計的理論實踐參考依據。

      參考文獻:

     ?。?]艾精文,謝智敏,趙宇明,等.剩余電流動作保護器研究綜述[J].電器與能效管理技術

     ?。?]楊東,張應龍,林叢,等.觸/漏電保護器[M].北京:化學工業出版社,2008

     ?。?]何建文,馬鐵峰.剩余電流動作斷路器在鋼鐵廠改造中的應用.

     ?。?]安科瑞企業微電網設計與應用手冊.2022.06版


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