石化装置低压配电系统接地故障保护的探讨

王竞男

（中石化上海工程有限公司，上海 200120）

石化装置低压配电系统接地故障保护的探讨

王竞男

（中石化上海工程有限公司，上海 200120）

通过分析低压配电系统的各种接地方式的优缺点,提出了适合石化装置的接地方式；并对相应的接地故障保护进行了探讨；同时通过理论和工程实际相结合,对接地系统案例进行了相应的计算分析。

接地方式；TN系统；TT系统；接地故障保护

现代石油化工生产即石化装置，是对天然气等易燃性气体或者石油等可燃性液体进行处理和加工的过程。 因为在石化装置中的物料多数具有易燃性和易挥发性，当遇到火花就可能引起火灾或者爆炸，甚至人身伤亡。而其中大多数因电气原因引起的事故则发生在低压配电装置内，除了电气产品本身质量低劣和使用管理不当外，相当多的事故是由于设计、安装和校验不当而造成，在众多的电气事故中，接地故障也是产生事故的原因之一。本文将重点探讨低压配电系统的接地故障保护。

为降低配电系统接地事故的发生，防止电气火灾、人身间接电击及电气设备线路损坏等事故，除了对事故固有成因进行有效的控制之外，还应设置能自动切断故障电路的保护措施，即接地故障保护。

目前，低压供配电系统的接地方式主要有三种：即TN系统、TT系统和IT系统。本文将对上述三种接地方式中较为常用的两种方式进行分析与比较，同时阐述其接地故障的保护要求和措施。

1 各种接地方式综述

1.1 TN系统

TN系统在电源处有一点直接接地，一般来说均为中性点接地，用电设备外露可导电部分通过保护线（PE线）或保护中性线（PEN线）与接地点连接。按照中性线与保护线组合情况的不同，TN系统又可分为三种型式，即TN-C系统、TN-S系统和TN-C-S系统。

1.1.1 TN-C系统

TN-C系统中保护线（PE线）与中性线（N线）共用，当发生用电设备相线与外壳接触故障时，故障电流经保护中性线回流到接地点，故障电流较大，可采用过电流保护电器切断电源，保障安全。TN-C系统可以节省一根导线，简单、经济，施工较为容易，且一般适用于三相负荷基本平衡的场合。当三相负荷不平衡时，保护中性线因通过中性线电流而产生电压降，从而使所接用电设备外壳对地带电位，此电位既易造成人身伤害，又有可能在爆炸危险环境中产生电火花从而引起爆炸。

1.1.2 TN-S系统

TN-S系统的保护线（PE线）与中性线（N线）是分开的。当发生用电设备相线与外壳接触故障时，故障电流经保护线回流到接地点，故障电流较大。当三相负荷不平衡，中性点的电位升高，但是用电设备外露导电部分及PE线无电流通过。TN-S系统能有效保证设备及运行人员的安全，不会对其他设备产生电磁干扰，适用于数据处理和精密电子仪器设备，也可用于爆炸危险场合。但是由于系统增加了中性线，初期投资相对较高。

1.1.3 TN-C-S系统

TN-C-S系统由两部分接地系统组成，一部分是TN-C系统，另一部分是TN-S系统。它兼有两种系统的特点。在全系统中，仅在电气装置电源进线点前保护线（PE线）与中性线（N线）是合一的，电源进线点后两根线是分开的。TN-C-S系统自电源到电气装置之间节省了一根专用的PE线。

不论是TN-C-S系统还是TN-S系统、TN-C系统，在同一电源供电的范围内，所有的PE线、PEN线都是连通的，因此在TN系统内PE线、PEN线上的故障电压可在各个装置之间互窜，对此需要采取等电位联结措施加以防范，以免故障电压的传导引起事故。总等电位联结的作用是使各外露导电部分与地面的电位趋于接近，不存在电位差，从而降低接触电压，另外还能消除或降低自外部导入的危险电压。

1.2 TT系统

TT系统电源端中性点直接接地，装置的用电设备外露可导电部分则接到在电气上独立于电源系统接地的接地极上。

TT系统的装置外露可导电部分的PE线与电源端系统接地无联系，各个电气装置的PE线也互不连通，正常时各电气装置的外露可导电部分为地电位。当电源侧或电气装置用电设备发生接地故障时，其故障电压不会像TN系统那样沿PE线或PEN线在电气装置之间传导和互窜，不会发生一个装置的故障在另一个装置内引发电击事故。

但在采用TT系统的用电设备发生单相碰壳故障时，因故障回路中包含装置外露可导电部分接地电阻和电源端的系统接地电阻，共两个接地电阻，故障回路阻抗较大，故障电流较小，其故障电流不足以使断路器或熔断器有效动作，一般TT系统须采用动作灵敏度高的剩余电流保护设备来切断电源。

1.3 IT系统

IT系统中性点不接地或经高阻抗接地，装置用电设备外露可导电部分则直接接地。

在这个系统中的用电设备外露可导电部分经各自的保护线分别直接接地， IT供电系统中，由于电源中性点不接地，相对接地装置基本没有电压。用电设备的相线碰壳或设备绝缘损坏时，单相对地故障电流较小，不会破坏电源电压的平衡，一定条件下比电源中性点接地的系统供电可靠。

IT系统在发生一个单相接地故障时由于不具备故障电流返回电源的通路，其故障电流仅为两非故障相对地电容电流的相量和，其值甚小，对地故障电压很低，它在发生一个接地故障时不需要切断电源而使供电中断，所有三相用电设备仍可暂时继续运行，另两相对地电压将由相电压升高到线电压。

IT系统在供电距离不长时，供电可靠性高，安全性好。如果供电距离很长时运用 IT 方式供电，用电设备的相线碰壳或设备绝缘损坏而漏电时，由于供电线路对大地的分布电容会产生电容电流，此电流经大地可形成回路，用电设备外露导电部分也会形成危险的接触电压。

综上所述，石化装置低压配电系统一般采用TN-S系统，这是因为TN-S系统某一回路内发生接地故障时，其故障电流通过PE线返回电源，故障电流较大，过电流防护电器能迅速地切断电源，避免电击事故的发生。由于范围广，线路长等原因，石化装置低压配电系统亦会局部采用TT系统。但由于TT系统的故障电流较小，过电流保护难以满足灵敏度要求，因此TT系统中应采用剩余电流保护设备作接地故障保护。

2 低压配电系统接地故障的保护

2.1 低压配电系统保护的一般要求

低压配电系统一般根据不同的故障类型和具体工程要求设置短路保护、过负荷保护、接地故障保护等措施。低压配电系统上下级保护装置的动作具有选择性，同时各级之间亦能协调配合，并与低压配电系统的特征和接地方式相适应。本文将重点探讨接地故障保护措施。

2.2 低压配电系统接地故障的保护

在供配电系统中，所谓接地故障，是指相线、中性线等带电导体与地之间形成了短路，这里的“地”是指大地或与地相连的电气装置中的导电部分等。当电气装置的绝缘受到破坏就易发生接地故障，使得原本不带电的金属外壳上存在电压，造成间接接触电击，危及人身安全。同时，接地故障引起的对地电弧和电火花则是最常见的电气短路起火源。

为防止人身间接触电和电气火灾等事故而采取接地故障的保护措施，需配合供配电系统的接地方式，正确选择和整定配电线路的保护电器（断路器、熔断器和保护继电器等），使其可靠切除故障，不同接地方式有不同的要求。

2.2.1 TN系统接地故障的保护

（1）接地故障保护对时间的要求

在TN系统中出现单相接地故障时，因故障回路阻抗很小，接地故障短路电流很大，能保证保护设备可靠动作，切除故障。但在保护设备动作之前，此电流在保护中性线（PEN线）或保护线（PE线）上产生压降，使故障用电设备的金属外壳带有危险的电位，由于保护中性线或保护线的阻抗约占故障线路总阻抗的一半以上，因此金属外壳所带的危险电位远远超过安全电压50 V，此电位还会沿保护中性线或保护线传播到非故障设备的金属外壳上。为避免人体触及带有故障电位的用电设备外壳时间超过安全阀值，需要求保护设备快速切除故障线路，为此对保护设备的开断时间有较高的要求。相线对地标称电压为380/220 V的TN系统配电线路接地故障的保护，其切断故障线路的时间应符合如下要求：

（1）配电干线和只供给固定式用电设备的末级配电线路不应大于5 s[1]。

（2）给手握式或移动式用电设备的末级配电线路，最长切断时间不应大于表1所列数值。

表1 TN系统的最长切断时间[2]Tab.1 The longest break time in TN system

（2）接地故障保护的措施

在TN系统中接地故障短路电流很大，能保证保护设备可靠动作，切除故障，因此在TN系统中一般采用过电流保护兼作接地故障保护。当过电流保护切断故障时间不能够满足上述（1）、（2）要求时，可采用零序电流保护，其整定值应躲过线路上最大不平衡电流。TN系统中存在下列可能，即随着时间的推移，PE线中的连接接头的接触电阻由于种种原因而增大且不易被发现，它可限制故障电流从而妨碍过流防护电器的及时动作而招致电击危险。为确保人身安全，应在接用电击危险大的手握式设备、移动式设备的供电线路中，安装剩余电流保护设备用作防电击电器。在采用剩余电流保护时，所有带电载流体必须穿过剩余电流保护装置中电流互感器的磁回路，而严禁PEN线及PE线穿过剩余电流保护装置中电流互感器的磁回路。

在TN接地形式的配电系统中，接地故障的保护装置的动作特性应符合下式要求：

上述公式中，Zs为接地故障回路阻抗（Ω），包括故障电流所流经的相线、PE线、变压器的阻抗；Ia为保证保护电器在规定时间内自动切断故障线路的动作电流（A）；Uo为相线对地标称电压（V）。

当采用瞬时或短延时动作的低压断路器作接地故障保护时，当接地故障电流Id与瞬时或短延时过电流脱扣器整定电流Ir的比值大于或等于1.3，可认为该低压断路器Ia值满足公式的要求；当采用熔断器作接地故障保护时，当接地故障电流Id与熔断体额定电流Ir的比值大于或等于表2所列数值，则该熔断体的Ia值满足公式的要求。

表2 TN系统采用熔断器作接地故障保护时允许最小值Id/Ir[3]Tab.2 The minimum allowable value Id/Irusing the fuse as grounding failure protection in TN system

2.2.2 TT系统接地故障的保护

在TT系统中出现单相接地故障时，故障电路内包含有外露导电部分接地极和电源接地极的接地电阻，与TN系统相比，TT系统故障回路阻抗大，接地故障短路电流小，因此用预期接触电压值来规定对保护电器动作特性的要求。

在TT配电系统中，接地故障保护装置的动作特性应符合下式要求：

上述公式中，Rs为外露可导电部分的接地极和PE线的电阻和（Ω）；Io为保证保护设备在规定时间内切断故障线路的动作电流（A）。

公式对规定时间的要求如下：对固定式用电设备为5 s，对手握式或移动式用电设备，其最长切断时间不应大于图1中曲线L1相应时间。

Io值与所采用的保护设备有关，当采用剩余电流动作保护设备时，Io为额定剩余动作电流；当采用瞬时动作的短路保护电器时，Io为断路器瞬时过电流脱扣器整定电流的1.3倍；当采用熔断器时，Io为保证熔断器在5 s内切断故障回路的电流。

由于TT系统的故障电流较小，过电流保护难以满足灵敏度要求，例如采用20 A的熔断器作为接地故障保护设备时，接地电阻要求不大于0.7 Ω，采用32 A断路器作为接地故障保护设备时，则不大于0.5 Ω。如此低的电阻值在施工中是难以实现的。因此在TT系统中采用剩余电流保护设备作接地故障保护。

图1 不同接触电压下人体允许最大通电时间[3]Fig.1 The maximum allowable time for the human body under different contact voltage

3 案例分析

石化装置的供配电系统要求能够长周期、连续运行、供配电系统的安全性、可靠性及连续性需得到保证；供配电系统要便于施工、维护及操作，在保证技术先进和方案合理的基础上尽量节省投资及减少占地。

根据上述要求，380 V低压配电系统一般采用交流三相四线制，接地型式为TN-S系统，中性点直接接地。装置区采用共用接地网，即工作接地、保护接地、防雷接地、防静电接地连接在同一接地网上，形成闭合的接地网。

低压电机作为一种典型的低压电气设备，在石化装置得到了广泛的应用。

下面就TN-S系统内对于低压电动机的单相接地故障保护的设定，通过计算进行相应的分析。

首先考虑利用三相过电流保护兼作接地故障保护，明确保护电器的动作电流的整定值，并校验动作的可靠性，避免给安全带来隐患。低压配电系统、电动机和保护电器的参数如图2所示。

图2 低压电动机的配电回路Fig.2 Typical low voltage motor circuit

根据断路器的瞬动整定电流应大于电机起动时的超瞬态电流的要求，在瞬动倍数选12的条件下，电动机回路的断路器额定电流选择为50 A。根据在爆炸危险区域内电缆选择的要求，考虑其载流量要大于电动机回路的最大工作电流1.25倍、最大工作电流作用下连接回路的电压降不得超过该回路的允许值、电缆敷设系数等要求，电动机电源电缆最终选择为ZR-YJV22-0.6/1 kV 4×10 mm2。

查《工业与民用配电设计手册》第三版第154页的表4-21、第155页的表4-23、第158页的表4-25[3]，可以分别获得高压侧系统阻抗，配电变压器的阻抗，线路单位长度的阻抗。

高压侧系统：

式中 Zs、Rs、Xs—归算到变压器低压侧的高压系统阻抗、电阻、电抗；

Rphp.s、Xphp.s—归算到变压器低压侧的高压系统相保电阻、相保电抗；

Uav—系统平均电压；

S＂s—高压侧系统短路容量。

假设S＂s=200 MVA，计算和查表得：

配电变压器：

式中 Zt、Rt、Xt—配电变压器的阻抗、电阻、电抗；

Rphp.t、Xphp.t—配电变压器的相保电阻、相保电抗；

uk%—变压器阻抗电压百分值；

U—额定电压；

St—变压器额定容量；

ΔP—变压器短路损耗。

计算和查表得：Zt=6×0.42/（100×1.6）=0.006 Ω=6 mΩ，Rt=0.69 mΩ，Xt=5.96 mΩ，Rphp.t=0.69 mΩ，Xphp.t=5.96 mΩ。

配电线路：

式中 Rl、Xl—配电线路的电阻、电抗；

Rphp.l、Xphp.l—配电线路的相保电阻、相保电抗。

查表得：R'=1.754 mΩ/m，X '=0.085 mΩ，Rphp'=5.262 mΩ， Xphp'=0.26 mΩ。

配电电缆L1=50 m时，Rl=87.7 mΩ，Xl=4.25 mΩ， Rphp.l=263.1 mΩ， Xphp.l=13 mΩ。

L1=100 m时，Rl=175.4 mΩ，Xl=8.5mΩ， Rphp.l=526.2 mΩ， Xphp.l=26 mΩ。

L1=200 m时，Rl=350.8 mΩ，Xl=17 mΩ， Rphp.l=1 052.4 mΩ， Xphp.l=52 mΩ。

电动机端单相接地故障电流Id计算如下：

当配电电缆L1=50 m时，总的相保电阻Rphp=Rphp.s+Rphp.t+Rphp.l=0.05+0.69+263.1=263.84 mΩ

总的相保电抗Xphp=Xphp.s+Xphp.t+Xphp.l

=0.53+5.96+13=19.49 mΩ

断路器的瞬时过电流整定电流为断路器额定电流的12倍Ia=12 In=12×50 A=600 A。根据规范要求，被保护线路末端的短路电流不应小于断路器瞬时过电流脱扣器整定电流的1.3倍，1.3 Ia=780 A。

可见：当线路长度为50 m时，单相接地故障电流Id=831 A ＞ 1.3 Ia=780 A。

能满足接地故障保护要求，可以采用瞬时过电流保护兼作接地故障保护。

但是通常石化装置多为易燃易爆场所，变电所需布置在爆炸危险场所外，这样配电装置距离终端用电设备一般较远，有的甚至达到200 m以上。

以下对不同的线路长度，进行单相接地故障电流的计算以及动作特性的校验。

经过上面的计算可知，当电动机配电电缆线路较长，其单相接地故障电流值会较小，此时单相接地故障电流将无法满足断路器动作灵敏度要求，因此无法采用断路器的过电流保护兼作接地故障保护。

针对上述情况，要使断路器的过电流保护兼作接地故障保护能满足要求，可以采用调整断路器瞬动电流整定值或降低回路阻抗，使故障电流变大。考虑到电动机的起动电流，调整断路器瞬动电流整定值，可调整的范围非常小，一般采用降低回路阻抗，即采取放大配电电缆截面的方法。我们以线路长度为200 m时做个计算，当配电电缆L1=200 m时，要满足断路器动作要求，则总的相保阻抗应满足Zphp＜ 220/0.78=282.1 mΩ。

配电电缆放大到ZR-YJV22-0.6/1 kV 3×35+1×16 mm2时，查表得：R'=0.501 mΩ/m，X '=0.08 mΩ，Rphp'=2.397 mΩ， Xphp'=0.25 mΩ。

Rl=100.2 mΩ，Xl=16 mΩ， Rphp.l=479.4 mΩ，Xphp.l=50 mΩ。

Rphp=480.14 mΩ， Xphp=56.49 mΩ，Zphp=483.5 mΩ，不能满足要求。

配电电缆放大到ZR-YJV22-0.6/1 kV 3×70+1×35 mm2时，查表得：R'=0.251 mΩ/m，X '=0.078 mΩ，Rphp'=1.128 mΩ， Xphp'=0.23 mΩ。

Rl=50.2 mΩ，Xl=15.6 mΩ， Rphp.l=225.6 mΩ，Xphp.l=46 mΩ。

Rphp=226.34 mΩ， Xphp=52.49 mΩ，Zphp=232.3 mΩ ＜ 282.1 mΩ，能满足要求。

可见当电动机200 m的配电电缆由原来的ZRYJV22-0.6/1 kV 4×10 mm2放大至ZR-YJV22-0.6/1 kV 3×70+1×35 mm2时，因回路阻抗降低从而可以满足断路器的动作灵敏度要求，但当配电电缆放大至ZR-YJV22-0.6/1 kV 3×70+1×35 mm2时，电缆的外径由原来的21.5 mm增加至39.9 mm，电缆可能无法接至电动机的接线盒，相应的费用也由原来的0.8万元增加至4.5万元；现在石化装置规模越来越大，相应的配电电缆的长度达到200 m以上的情况非常普遍，有的电缆长度甚至超过500 m。因此从经济性和技术可靠性方面考虑，放大配电电缆的措施不是较好的方案。

表3 不同长度配电电缆的电动机接地故障保护的校验Tab.3 The test of grounding protection for motor with the different length of power cable

规范规定TN系统中，配电线路采用过电流保护电器兼作间接接触防护电器时，当其动作特性不能满足要求，应采用剩余电流动作保护电器。微机综合保护装置是集保护、测量、控制、总线通讯为一体的智能化综合装置，取代了原有用分别元件配置的各种保护、辅助继电器、表计等。微机综保的单相接地保护是通过检测三相电流的矢量和来计算零序电流，是基于零序过滤器原理的判断方法。其整定动作电流只需避开回路的正常泄漏电流即可。

查《工业与民用配电设计手册》第三版第637页的表11-43、表11-44，可以分别获得配电线路的泄漏电流估算值为56 mA/km，用电设备的泄漏电流的估算值为0.57 mA。图2中电动机回路，当L1=200 m（0.2 km）时，正常运行的泄漏电流为56×0.2+0.57=11.77 mA，电动机微机综合保护装置的动作电流的设定值取大于47.08 mA即可。同时可以看出一般回路泄漏电流均是毫安级的。按保护动作电流不小于正常运行泄漏电流4倍整定[3]，一般综保剩余电流保护可整定为1～2 A，能可靠动作切断故障，解决了靠放大电缆来达到满足灵敏度要求的问题。

另外针对三相平衡运行的电动机，当采用微机综合保护装置保护，在保证等电位联结的基础上，系统接地型式也可以采用局部TT系统。当采用局部TT系统时，电动机的电源电缆采用三芯电缆，可以节省一根PE线，以ZR-YJV22-0.6/1 kV 4×10 mm2为例，三芯电缆较四芯电缆每公里节省费用0.7万元，节省费用约为27 %。

伴随着微机综合保护装置的技术成熟，其保护控制更加安全可靠，经济成本更低，因此在石化装置的低压配电系统中，已大量地采用微机综合保护装置。

4 结束语

对于石化装置低压配电系统接地方式，要根据装置的特性、运行条件和要求以及维护能力的大小，因地制宜地选用。只要符合安装和运行规范要求，接地系统方式可以灵活地使用。通过以上分析和计算，结合石化装置的自身生产过程特点和实际情况，目前石化装置低压配电系统的接地方式采用TN-S系统，其接地故障电流较大，能使故障回路快速切断，安全可靠。石化装置低压配电系统亦会局部采用TT系统，此系统在确保安全可靠的前提下，经济性较好。

在做好低压配电系统接地方式选择的同时，我们在日常工作中还应加强对低压配电接地系统的重视，认真对待在设计、施工、验收、运行维护等工作中产生的问题，提出切实可行的解决方案，提高供电可靠性，减少因接地系统的故障而引起的电气事故。

[1] 王厚余.低压电气装置的设计安装和检验[M].北京：中国电力出版社，2003.

[2] GB 50054—2011.低压配电设计规范[S].

[3] 中国航空工业规划设计研究院等.工业与民用配电设计手册[M].第三版，北京：中国电力出版社，2005.

Discussion of Grounding Fault Protection for Low Voltage Power Distribution System Used in Petrochemical Plant

Wang Jingnan
（SINOPEC Shanghai Engineering Co., Ltd, Shanghai, 200120）

In this article, through the analysis of the cons and pros of several grounding methods for low voltage power distribution system, the proper grounding method was proposed.Then the relevant grounding protection was discussed.With the combination of theoretical analysis and engineering experience, some examples for grounding were calculated and analyzed.

grounding method; TN system; TT system; grounding protection

TU 856

：A

：2095-817X（2015）04-0051-006

2015-04-08

王竞男（1983—），女，工程师，主要从事石化工程电气设计。