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　２０２３．０２ＴＮ Ｓ系统电动机短路保护兼作接地
故障保护分析
宋秋云
（北京首创生态环保集团股份有限公司）
摘　要：介绍了规范标准中对ＴＮ Ｓ系统短路保护兼作单相接地故障保护的要求，并用工程实例详细计算接地回路阻抗及故障电流，提出不满足兼作条件时其他的接地故障保护措施，为工程设计提供
借鉴。
关键词：单相接地故障保护；短路保护；回路阻抗；短路电流
０　引言
短路的形式有很多，包括三相短路、两相短路、单相短路、两相接地短路等。Ｔ
Ｎ Ｓ系统中，单相短路又分为相中短路和相保短路。相保短路是指相导体Ｌ与保护导体ＰＥ之间的电气连接，也叫单相接地故障。工程中，常进行三相短路电流计算，用于电气设备的选择校验，但实际中出现更多的是单相接地故障。
单相接地故障不仅会危害配电系统的正常运行，还会对人身安全产生影响，造成电击伤害或发生火灾危险，例如，文献［
１］展示了一场由短路保护、过负荷保护、接地故障保护不满足设计规范要求而引起的电气火灾带来的人员伤亡惨剧。由此可见，发生单相接地故障时，保护器件可靠动作切断故障电流非常重要。
１　单相接地故障保护分析计算
１ １　单相接地故障保护的规范要求
ＧＢ５００５５—２０１１《通用用电设备配电设计规范》中２
３ １条规定，交流电动机应装设短路保护和接地故障的保护；２
３ ６条规定，交流电动机的间接接触防护应符合现行国家标准《
低压配电设计规范》ＧＢ５００５４的有关规定，当电动机的短路保护器件满足接地故障的保护要求时，应采用短路保护器件兼作接地故障的保护
［２］
。那如何判断短路保护器件是否能兼做接地故障呢
ＧＢ５００５４—２０１１《低压配电设计规范》５ ２ ８条规定，Ｔ
Ｎ系统中配电线路的间接接触防护电器的动作特性，应符合下式的要求
［３］
：
ＺｓＩａ≤Ｕ０
（１）
式中，Ｚｓ为接地故障回路的阻抗，Ω；Ｕ０为相导体对地标称电压，Ｖ；Ｉａ为保证保护电器在规定时间内切断故障回路的动作电流，Ａ，该值已考虑保护电器动作的灵敏性和可靠性。
式（
１）可写为：Ｉａ≤
Ｕ０Ｚｓ
＝Ｉ（１）
ｋ（２）
式中，Ｉ（１）
ｋ为单相接地故障电流，Ａ
。ＧＢ５００５４—２０１１《低压配电设计规范》６ ２ ４条规定，当短路保护电器为断路器时，被保护线路末端的短路电流应不小于断路器瞬时或短延时过电流脱扣器整定值的１
３倍。上述条款是考虑断路器的制造误差、计算误差、电网电压偏差等因素得出的。根据该条规范要求，式（
２）可写为：Ｉ（１）
ｋ
＝Ｕ０
Ｚｓ
≥１ ３Ｉｚｄ３
（３）
式中，Ｉｚｄ３
为断路器瞬时脱扣整定电流，Ａ。由此可见，只要单相接地故障电流于大于或等于１ ３倍断路器瞬时脱扣整定值，就能保证在发生单相接地故障时断路器可靠动作，切断故障电流。而单相接地故障电流大小取决于接地故障回路阻抗大小，因此需要计算接地故障回路阻抗。
１ ２　单相接地故障回路阻抗计算
业内专家曾呼吁重视接地故障回路阻抗的计算和测量
［４］
，但在工程实际中，由于计算复杂，设计师很
少逐个回路做详细计算，文献［
５］中表４ ３１列出了断路器用作故障保护的最大允许线路长度值，设计师可根据此速查表判断是否满足要求。但工程中设计复杂多样，有的配电级数不止一级，多级配电就会使用
多段截面不同的电缆，该表就无法使用，这种情况下
电气技术与经济／技术与应用
就需要逐级计算各部分阻抗。下面用工程实例说明回路阻抗的计算。
某污水处理厂为二级负荷，有两回１０ｋＶ进线，变电所设有两台１０００ｋＶＡ干式变压器，两变压器同时使用互为备用。现要新建污泥处理车间，该装置计
算有功功率Ｐ
ｊｓ＝１４４ １５ｋＷ，无功功率Ｑ
ｊｓ
＝４２ ５９ｋｖａｒ
（补偿后），视在功率Ｓ
ｊｓ
＝１５０ ３１ｋＶＡ。该污泥处理车间设有分配电间，电源引自污水处理厂变电所低压配
电屏馈出回路，电缆长度为１５０ｍ，处理车间内干污泥输送泵距离分配电间１００ｍ，设备功率为１１ｋＷ，断路器瞬时脱漏电流整定值为电动机额定电流的１２倍，
即Ｉ
ｚｄ３
为２６４Ａ，设计使用断路器的短路保护兼作基地故障保护。如下图所示
。
图　干污泥输送泵接线图
（１）变压器一次侧系统阻抗（一次侧正序电阻可忽略）
Ｚ
Ｄ＝
Ｕ２
ｒ２ Ｔ
Ｓ
ｋ
＝
０ ４２
２００
×１０３＝０ ８ｍΩ（４）
Ｘ
Ｄ
＝０ ９９５Ｚ
Ｄ
＝０ ９９５×０ ８＝０ ７９６ｍΩ（５）
Ｘ
ｐｈｐ ｓ
＝
２
３
Ｘ
Ｄ
＝０ ５３ｍΩ（６）
式中，Ｚ
Ｄ
为变压器一次侧系统阻抗，ｍΩ；Ｘ
Ｄ
为
变压器一次侧系统正序电抗，ｍΩ；Ｘ
ｐｈｐ ｓ
为变压器一
次侧系统相保电抗，ｍΩ；Ｕ
ｒ２ Ｔ
为变压器低压侧额定
电压，ｋＶ；Ｓ
ｋ
为高压侧短路容量，取２００ＭＶＡ。
（２）变压器阻抗
Ｚ
Ｔ
＝
ｕ
ｋ
％
１００
Ｕ２
ｒ２ Ｔ
Ｓ
ｒｔ
×１０３＝
６
１００
×
０ ４２
１
×１０３＝９ ６ｍΩ
（７）
php实例计算Ｒ
Ｔ
＝
ΔＰ
ｋ
Ｕ２
ｒ２ Ｔ
Ｓ２
ｒｔ
＝
７ １×０ ４２
１
＝１ １４ｍΩ（８）
Ｘ
Ｔ
＝　Ｚ２
Ｔ
－Ｒ２
槡Ｔ＝９ ５ｍΩ（９）
本项目中变压器连接组为Ｄｙｎ１１，相保电阻、相
保电抗与正序电阻、正序电抗相等。
Ｒ
ｐｈｐ Ｔ
＝Ｒ
Ｔ
＝１ １４ｍΩ（１０）
Ｘ
ｐｈｐ Ｔ
＝Ｘ
Ｔ
＝９ ５ｍΩ（１１）
式中，Ｚ
Ｔ
为变压器短路阻抗，ｍΩ；Ｒ
Ｔ
为变压器
正序电阻，ｍΩ；Ｘ
Ｔ
为变压器正序电抗，ｍΩ；ｕ
ｋ
％为
变压器短路电压百分比；Ｓ
ｒｔ
为变压器容量，ＭＶＡ；
ΔＰ
ｋ
为变压器短路损耗，ｋＷ，可查样本资料获得；
Ｘ
ｐｈｐ Ｔ
为变压器相保电抗，ｍΩ；Ｒ
ｐｈｐ Ｔ
为变压器相保电
阻，ｍΩ。
（３）低压元器件及母线
由于低压元器件及母线的电阻电抗值较小，在计
算中可忽略不计。
（４）电缆阻抗
本项目污泥分配电间距离水厂总配电间较远，考
虑到电压损失，分配总进线电缆选型为ＹＪＶ－０ ６／
１ｋＶ２（３×１５０＋２×７０）。计算电缆线路相保阻抗值，
可查设计手册中线路单位长度相保阻抗值。两根截面
相同的并联电缆电阻值可近似为单根电缆电阻值的一
半，电抗值保持不变［６］。
Ｒ
ｐｈｐ Ｌ１
＝０ ５５２×１５０×０ ５＝４１ ４ｍΩ（１２）
Ｘ
ｐｈｐ Ｌ１
＝０ １６１×１５０＝２４ １５ｍΩ（１３）
Ｒ
ｐｈｐ Ｌ２
＝１０ ７５１×１００＝１０７５ １ｍΩ（１４）
Ｘ
ｐｈｐ Ｌ２
＝０ ２×１００＝２０ｍΩ（１５）
式中，Ｒ
ｐｈｐ Ｌ１
为分配电间进线电缆相保电阻，
ｍΩ；Ｘ
ｐｈｐ Ｌ１
为分配电间进线电缆相保电抗，ｍΩ；
Ｒ
ｐｈｐ Ｌ２
为干污泥输送泵配电电缆相保电阻，ｍΩ；
Ｘ
ｐｈｐ Ｌ２
为干污泥输送泵配电电缆相保电抗，ｍΩ。
（５）总相保阻抗计算
根据以上，单相短路回路总相保电阻和总相保电
抗可计算如下：
电气技术与经济／技术与应用
２０２３．０２?８５
Ｒ
Σ＝Ｒ
ｐｈｐ Ｔ
＋Ｒ
ｐｈｐ Ｌ１
＋Ｒ
ｐｈｐ Ｌ２
＝１ １４＋４１ ４＋１０７５ １＝１１１７ ６ｍΩ（１６）
Ｘ
Σ＝Ｘ
ｐｈｐ ｓ
＋Ｘ
ｐｈｐ Ｔ
＋Ｒ
ｐｈｐ Ｌ１
＋Ｒ
ｐｈｐ Ｌ２
＝０ ５３＋９ ５＋２４ １５＋２０＝５４ ２ｍΩ（１７）
计算总相保阻抗：
Ｚ
Ｓ＝　Ｒ２
Σ
＋Ｘ２
槡Σ＝　１１１７ ６２＋５４ ２
槡２＝１１１８ ９ｍΩ
（１８）
１ ３　单相接地故障电流计算
根据以上计算，单相接地故障电流计算如下：
Ｉ（１）
ｋ＝
Ｕ
０
Ｚ
Ｓ
＝
２２０Ｖ
１１１８ ９ｍΩ
＝１９６ ６Ａ（１９）
Ｉ（１）
ｋ＝１９６ ６Ａ＜１ ３Ｉ
ｚｄ３
＝１ ３×２６４Ａ＝３４３ ２Ａ
（２０）
根据以上计算，本项目中干污泥输送泵单相接地故障电流小于断路器瞬时脱扣电流的１ ３倍，即发生单相接地故障时断路器不动作。因此，无法使用断路器短路保护兼作接地故障保护。
２　单相接地故障保护的其他措施
由上述实例可知，断路器兼作单相接地故障保护对电缆长度有要求，电缆过长，回路阻抗值大，单相接地电流较小，达不到瞬时脱扣整定值，断路器就无法动作，这种情况就不能使用短路保护兼作单相接地故障保护，那这种情况下如何做单相接地故障保护呢？
《低压配电设计规范》ＧＢ５００５４５ ２ １３条规定，短路保护不能兼作接地故障保护时，应采用剩余电流动作保护电器。根据以上规定，可以选用带漏电保护功能的断路器或者在断路器上加装漏电保护模块，以本项目选型的施耐德产品为例，可在３极ＮＳＸ塑壳断路器上加装一个附件，即可与４极Ｖｉｇｉ漏电保护模块连接，中性线不分断。考虑到单相接地故障保护是为减少触电事故及电气火灾危险，本项目将漏电故障电流整定为３０ｍＡ。
此外，也可以增大电缆截面使回路阻抗降低，用短路电流兼作接地故障保护。但该方法不适用于单相接地故障电流与瞬时脱扣电流差值较大的情况，如果电缆截面放大太多，可能会导致接线困难，也会带来项目投资增加，是不经济的，这也充分说明了变电所设在负荷中心的重要性。
３　结束语
项目设计中，变电所选址应深入负荷中心，使断路器的短路保护能兼作接地故障保护且电压损失符合规范要求。个别情况下，电缆长度达到推荐值极限，应做单相故障电流的详细计算，必要时可放大电缆截面，也可以加装剩余电流保护电器做单相接地故障保护。
参考文献
［１］　李顺康 一场电气火灾惨剧带给设计人员的警示［Ｊ］．建筑电气，２０１１（１）：２４ ３０
［２］　中国新时代国际工程公司 ＧＢ５００５５—２０１１通用用电设备配电设计规范［Ｓ］．北京：中国计划出版
社，２０１２
［３］　中国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 ［４］　贺湘琨 应重视计算和测量接地故障回路阻抗［Ｊ］．建筑电气，２０１１（１０）：１１ １３
［５］　中国建筑标准设计研究院 １９ＤＸ１０１ １建筑电气常用数据［Ｍ］．北京：中国计划出版社，２０１９：４ ２５ ［６］　施耐德电气专家团队 电气装置应用（设计）指南［Ｍ］．北京：中国电力出版社，２０１７
（收稿日期：2022 11 21）
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