接地故障回路阻抗计算的若干问题

http://www.jzdq.net.cn专家论坛SeveralProblemsonCalculationofGroundingFaultLoopImpedanceHEXiangkun（ChinaElectricDesign&ResearchInstituteCo.，Ltd.，Beijing100048，China）贺湘琨（中机中电研究院有限公司，北京市100048）接地故障回路阻抗计算的若干问题Abstract：ThepaperdiscussesthemethodfordeterminingIavalueandthemaximumallowableimpedance（calculatedvalue）duringthecalculationofgroundingfaultloopimpedanceunderprotectionofvarioustypesofelectricequipment，accordingtorelatedregulationsofGB50054-2011CodeforDesignofLowVoltageElectricalInstallations.Keywords：groundingfault；loopimpedance；maximumallowableimpedance；settingcurrent；actioncurrent；instantaneoustrippingrange；householdACcircuit鄄breaker；fuse摘要：根据GB50054-2011《低压配电#设计#》的有关规定，对接地故障回路阻抗计算中，在不同类型的保护电器情况下，如何确定Ia值和接地故障回路的允许最大阻抗（计算值）进行探讨。关键词：接地故障；回路阻抗；允许最大阻抗；整定电流；动作电流；瞬动脱扣范围；家用交流断路器；熔断器中图分类号：TU852文献标识码：A2014年第4期的《建筑电气》杂志发表了周卫新先生的文章《接地故障回路阻抗测量和相关问题探讨》（以下简称“周文”）。在这篇文章中，周先生介绍了国家GB50303《建筑电气工程施工质量验收规范》修订组在对接地故障回路阻抗测量方面所做的工作，很值得大家注意。因为通过他们的测量，在所测的13个回路中竟然有4个回路不符合规范的要求，比例高达30%，十分令人吃惊。这充分说明在工程设计中对TN系统的接地故障回路阻抗进行计算以满足规范要求，在施工中和施工完毕进行工程验收的过程中对接地故障回路阻抗进行测量进行验证，是非常必要的。1《低压配电设计规范》对接地故障回路阻抗的要求及实施情况众所周知在GB50054-1995《低压配电设计规范》中第4.4.6条中就已经提出了对TN系统的接地故障回路阻抗进行计算的要求：“第4.4.6条TN系统配电线路接地故障保护的动作特性应符合下式要求：Zs·Ia≤U0（4.4.6）式中：Zs———接地故障回路的阻抗（Ω）；Ia———保证保护电器在规定的时间内自动切断故障回路的电流（A）；U0———相线对地标称电压（V）。”这个要求实际上体现的是对接地故障回路阻抗的要求，因为在这个式子中U0是由系统决定的，对于交流220/380V的系统就是220V，而Ia则取决于回路的负荷，回路的负荷决定了保护电器的整定电流和动作电流。所以这个式子要求的是回路的阻抗不能太大，应该小于或等于U0被Ia除所得到的阻抗值，这个阻抗就是该回路最大的允许阻抗计算值。只有这样当回路发生接地故障时，电路中的电流才能足够大，作者信息贺湘琨，男，中机中电设计研究院有限公司，教授级高级工程师，GB50054-2011《低压配电设计规范》主要起草人之一。接地故障回路阻抗计算的若干问题（贺湘琨）5533Sep.2014Vol.33No.9http://www.jzdq.net.cn誖BUILDINGELECTRICITY2014年第期9大到可以保证超过保护电器的动作电流，使保护电器动作，从而断开故障回路，避免由于接地故障发生人身电击事故。此类报道请见拙作“触电、电击事故典型案例解析”（http：//www.jzdq.net.cn/club/forum.php?mod=viewthread&tid=28351&_dsign=836103a5），不再赘述。2011年，修订后的GB50054-2011《低压配电设计规范》中第5.2.8条再次重申了这个要求。同时在关于导体选择的第3.2.2条，又增加了第2款“导体应满足线路保护的要求”的规定，这个要求就包括应该满足第5.2.8条的要求。可是，在这个规定发布以后，并没有引起足够的重视，很多设计单位没有按规范的这个规定计算故障回路阻抗。在2002年发布的国家标准GB50303《建筑电气工程施工质量验收规范》中也没有规定应该对接地故障回路阻抗进行测量。因此，可以说GB50054-1995《低压配电设计规范》中的这个规定等于落空了。所以《建筑电气工程施工质量验收规范》修订组测量接地故障回路阻抗发现有30%的回路不符合规范要求就不足为奇了。2《建筑电气工程施工质量验收规范》拟增加对接地故障回路阻抗的要求在修订GB50303《建筑电气工程施工质量验收规范》时，笔者极力主张应该增加有关对接地故障回路阻抗进行测量的内容。令人欣慰的是这个主张得到了有关领导和该规范修订组的重视，将有关的内容列入了新的GB50303《建筑电气工程施工质量验收规范》中。这将包括2个方面的内容，第1个是在施工时应该对接地故障回路阻抗进行测量；第2个是设计人员在进行工程设计时应该对故障回路阻抗进行计算，保证《低压配电设计规范》中有关的要求得到满足。如果在进行测量时发现对接地故障回路阻抗的要求得不到满足，则设计人员应该对接地故障回路阻抗计算进行复核。请大家务必注意。3对GB50054-2011《低压配电设计规范》5.2.8条式中Ia的理解和取值在谈到上述的GB50054-2011《低压配电设计规范》第5.2.8条的式子时，为了得到回路最大的允许阻抗计算值，对于Ia的理解和取值是非常重要的。在GB50054-1995《低压配电设计规范》中就对Ia的含义有明确的规定，是“保证保护电器在规定的时间内自动切断故障回路的电流。”而在GB50054-2011《低压配电设计规范》中也指出，Ia是“保证间接接触保护电器在规定时间内切断故障回路的动作电流。”在这里包含2个方面的内容。第1个方面是针对电流而言的，有3个关键词：“保证”“保护电器”和“动作电流”。说明这是针对“保护电器”说的，是针对其“动作电流”说的（不是额定电流，也不是整定电流），而且是“保证”动作的电流。那么怎么确定这个电流呢？笔者认为，应该去看产品的标准。以家用交流断路器为例，在周文中引用了国家标准GB10963.1-2005/IEC60898-1：2002《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》中的家用交流断路器的“瞬动脱扣范围”表，从这个表看对于C型断路器，脱扣范围是大于5至10倍的额定电流。为此，笔者还咨询了一位在断路器制造企业工作的专家，他说他们企业在对这种C型断路器进行瞬动脱扣电流测试时，是先在标准规定的时间内通过5倍的额定电流，此时断路器应该不动作，然后再在标准规定的时间内通过10倍的额定电流，此时断路器应该动作，这就可以了（也就是说只要是合格的产品，其动作电流就在5至10倍的额定电流之间）。如果要让所有的断路器在发生接地故障时在规定时间内动作，故障回路中就应该通过大于10倍的额定电流。具体到周文中所列举的例子：16A的断路器（我理解应该是C型的断路器），那么，保证所有的断路器在发生接地故障时在规定时间内动作的电流就是160A。第2个方面是针对动作时间而言的。在这两版《低压配电设计规范》中对于动作时间的规定是一样的，即：“TN系统中配电线路的间接接触防护电器切断故障回路的时间，应符合下列规定：1配电线路或仅供给固定式电气设备用电的末端线路，不宜大于5s；2供给手持式电气设备和移动式电气设备用电5544http://www.jzdq.net.cn专家论坛的末端线路或插座回路，TN系统的最长切断时间不应大于表5.2.9（表1）的规定。”对于上述这些规定，断路器是容易满足的。在国家标准GB10963.1-2005/IEC60898-1：2002中规定家用交流断路器的瞬时脱扣器的切断时间应小于0.1s；在国家标准GB14048.2-2008/IEC60947-2：2006《低压开关设备和控制设备第2部分：断路器》中规定普通交流断路器的瞬时脱扣器的切断时间应不大于0.2s。都可以满足以上要求。而对于熔断器则要根据其动作特性曲线来认真分析和判断了。另外，Ia与额定电流In之间的关系是由保护电器的类型决定的，取决于保护电器是家用交流断路器（应该符合国家标准GB10963.1《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》），是普通低压断路器（应该符合国家标准GB14048.2《低压开关设备和控制设备第2部分：断路器》），还是低压熔断器（应该符合国家标准GB13539.1《低压熔断器第1部分：基本要求》）。4保护电器为家用交流断路器和断路器时，接地故障回路的允许最大阻抗值前面我们已经谈到了家用交流断路器标准中对瞬动电流范围和动作时间的规定。在有的资料中给出了在U0为220V时，电气装置中使用B、C和D型家用交流断路器时接地故障回路的允许最大阻抗（计算值），如表2所示，供参考。那么，在普通低压断路器标准中关于断路器瞬动电流范围的规定又是如何的呢？在国家标准GB14048.2-2008/IEC60947-2：2006《低压开关设备和控制设备第2部分：断路器》中对短路情况下的过电流脱扣器的断开是这样规定的：“7.2.1.2.4用过电流脱扣器断开a）短路情况下断开对于短路电流脱扣器所有电流整定值，短路脱扣器应使断路器脱扣，且具有电流整定值±20%的准确度。”在这里，标准规定短路脱扣器应该具有电流整定值的脱扣电流值±20%的准确度。即短路脱扣器的脱扣电流应该在电流整定值的脱扣电流值的80%～120%之间。所以我们在进行故障回路阻抗计算时，Ia应该按选取电流整定值的脱扣电流值的120%来进行计算。例如某断路器的短路脱扣器电流整定值的脱扣电流值是1000A，那么就应该选择1200A计算。故障回路的阻抗允许最大计算值是0.1833Ω。相导体对地标称电压/V切断时间/s2200.43800.2＞3800.1家用交流断路器的整定电流/A210222011305.542011405.5602.756307.3603.65901.82510504.41002.21501.116802.81601.42400.7201002.22001.13000.55251251.82500.93750.45321601.43200.74800.35351751.33500.655250.325402001.14000.556000.275502500.95000.457500.225633150.76300.359450.175Ia＝5·In/AZs/ΩIa＝10·In/AZs/ΩIa＝20·In/AZs/ΩB型断路器C型断路器D型断路器表2U0为220V时，电气装置中使用B、C和D型家用交流断路器时接地故障回路的允许最大阻抗（计算值）Tab.2Maximumallowableimpedance（calculatedvalue）ofgroundingfaultloopwhenU0=220VandB，CandD-typehouseholdACcircuit鄄breakersareusedintheelectricalinstallations接地故障回路阻抗计算的若干问题（贺湘琨）表1TN系统的最长切断时间Tab.1Maximumcutting鄄offtimeinTNsystem5555Sep.2014Vol.33No.9http://www.jzdq.net.cn誖BUILDINGELECTRICITY2014年第期95保护电器为熔断器时，接地故障回路的允许最大阻抗值而对于熔断器来说，情况比较复杂。因为在我国熔断器的类型很多，即使是同一类型的熔断器，不同厂家的产品动作特性也有差别。因此应该向产品的制造单位咨询产品的特性。对于220/380V的系统，厂家应该提供产品在0.4s和5s时的最大动作电流。或者可根据产品说明书中提供的时间—电流特性找出。时间—电流特性有3种形式，一种是弧前时间—电流特性；一种是熔断时间—电流特性；还有一种是平均时间—电流特性。如果将弧前和熔断时间—电流特性放在同张图内，我们称之为时间—电流带。如果厂家提供的是平均时间—电流特性（即以一根曲线表示时），则可将查得的电流根据厂家规定的电流误差范围乘以最大正误差即可。如果厂家提供的是时间—电流带（GB/T13539.5-2013《低压熔断器第5部分：低压熔断器应用指南》中图6），则可在右边一根曲线上找到。表3列出了根据某厂提供的gG型熔断器的特性数据做的接地故障回路允许最大阻抗（计算值），仅供参考。通过比较表2和表3可以看出，对于同一个回路，在使用家用交流断路器和熔断器作保护电器时，回路的允许最大阻抗（计算值）是不同的。例如，某回路的C型家用交流断路器的整定电流是16A，那么接地故障回路的允许最大阻抗（计算值）是1.4Ω；如果这个回路的保护电器更换为某厂gG型16A熔断器，则如果这个回路是供电给手持式用电设备，那么接地故障回路的允许最大阻抗（计算值）是2.0Ω；而如果这个回路是供电给固定式用电设备，那么接地故障回路的允许最大阻抗（计算值）是3.3Ω。这个差别还是相当大的，应该引起大家的注意。［1］中机中电设计研究院有限公司.GB50054-2011低压配电设计规范［S］.北京：中国计划出版社，2012.［2］浙江省开元安装集团有限公司.GB50303-2002建筑电气工程施工质量验收规范［S］.北京：中国计划出版社，2002.［3］周卫新.接地故障回路阻抗测量和相关问题探讨［J］.建筑电气，2014，33（4）：26-30.［4］上海电器科学研究所.GB10963.1-2005/IEC60898-1：2002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［S］.北京：中国标准出版社，2006.［5］上海电器科学研究所（集团）有限公司，等.GB14048.2-2008/IEC60947-2：2006，IDT.低压开关设备和控制设备第2部分：断路器［S］.北京：中国标准出版社，2008.［6］上海电器科学研究院，上海电科电器科技有限公司.GB/T13539.5-2013低压熔断器第5部分：低压熔断器应用指南［S］.北京：中国标准出版社，2013.2014-07-07来稿表3U0为220V时，电气装置中使用某厂gG型熔断器时接地故障回路的允许最大阻抗（计算值）Tab.3Maximumallowableimpedance(calculatedvalue)ofgroundingfaultloopwhenU0=220VandgG-typefuseofsomefactoryisusedintheelectricalinstallations熔断器的额定电流/AgG型熔断器（0.4s）gG型熔断器（5s）Ia/AZs/ΩIa/AZs/Ω21613.79.223.94326.818.511.86474.628.07.810822.646.54.7161102.0653.3201471.4852.5251831.21102.0322750.81501.2403200.61901.1504700.42500.8635500.43200.6808400.24250.510010200.25800.312514500.17150.35566接地故障回路阻抗计算的若干问题作者：贺湘琨，HEXiangkun作者单位：中机中电设计研究院有限公司,北京市,100048刊名：建筑电气英文刊名：BuildingElectricity年，卷(期)：2014(9)本文链接：http://d.wanfangdata.com.cn/Periodical_jzdq201409001.aspx