02-接地故障分析与保护2014
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第二章 接地故障分析与保护
施耐德电气2014年青年设计师培训
1
IEC 60364 的定义
●低压系统的接地型式
T T I T N T
第 1 个字母 电源系统对地的关系: T = 一点直接接地 I = 所有带电部分与地隔离， 或一点经阻抗接地 TN 系统 补充的字母
第 2 个字母
装置的外露可导电部分与地的关系: T = 与地直接电气连接，独立于电源系 统的任一接地点 N = 与电源系统的接地点直接电气连接 （交流系统中，该点通常是中性点）
Vigi NG125
施耐德电气2014年青年设计师培训
Vigi C120
Vigi C65
Vigi DPN
ID
28
TT 系统的主要特点
●人身保护 ●危险的故障电流 ●故障电流不足以启动短路保护装置 ●保护几乎必须瞬动 ●由经过计算选择的 RCD提供保护 ●防电气火灾 ●限制故障电流 ●用于保护人身的 RCD 可兼做防电气火灾 ●供电连续性 ●通过RCD之间选择性获得
施耐德电气2014年青年设计师培训 8
TN 系统接地故障习题
Cu = 22.5 mΩmm2/ m
●方法1：计算最大允许长度
Lmax
0.8U 0 S ph
380V / 220V NSX 250N MIC2.2 250
L1 L2 L3 N PE
(1 m) I mt
= 72m > L (50m)
Multi 9断路器 C型曲线
Multi 9断路器 D型曲线
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11
TN-C 系统中的保护中性线PEN
Uo = 220 V
●PEN：保护导线和中性线
●PEN线的保护功能优先于中性 线，即PEN线必须总是先连接 到用电设备的“接地”端子， 然后再与中性端子作跨接
380V / 220V
L1 L2 L3 N PE
PE
PE
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31
IT 系统泄漏阻抗
●对于1km 长的电缆： R1 = R2 = R3 = 10 M C1 = C2 = C3 = 0.3 µF ●50 Hz时1km长的电缆：
1 = 1 +1 +1 Req R1 R2 R3 Req = 3.33 M
equivalent to
1 2 3
R3 R2 R1
C3 C2 C1
Xeq = 1 3C Xeq = 3.54 k
Zeq = R = 3540 Zeq
1 2 3
1+R2C22
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32
IT 系统第一次接地故障分析
●计算示例
1 2 3 PE Zeq If Rf
Ru = 10 Rf = 0 Zeq = 3540 (以1 Km 长电缆为例)
●人身防护 ●故障电流是危险的 ●故障电流通常大到足以被短路保护装置切断 ●脱扣必须是瞬时的 ●如断路器本身的保护条件不能满足要求，可用 RCD提供保护 ●防火 ●故障电流大 ●必须用附加的 RCD来处理 ●供电连续性 ●通过短路保护装置之间的选择性来实现
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TN-C系统的特点
380V / 220V
If
0.8U 0 S ph
(1 m) L
L1 L2 L3 N PE
If
If
0.8U 0 S ph
(1 m) L
Rn
设备外露 可导电部 分
Uf
● 断路器脱扣的条件： I f I mt 0.8U 0 S ph L (1 m) I mt
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29
IT 系统
●低压变压器中性点不与接 地极相连接 ●负载的外露可导电部分都 用PE导线连接到一个公共 接地极上，形成一个等电 位联结
L1 L2 L3 N PE
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30
IT 系统（续）
●低压变压器中性点不与接 地极相连接 ●负载的外露可导电部分都 用PE导线连接各自独立的 接地极上
施耐德电气2014年青年设计师培训
Uo = 220 V L1 L2 L3 N
设备外露可导电部分
If = 11A
Uf = 110 V
负载
Ru 10
18
TT 系统的间接接触防护
●装设剩余电流保护器(RCD) 用于间 接接触防护 ●脱扣条件 ●接触电压 ≤ 安全电压 380V / 220V ●Ru×IΔn ≤ UL ●即： IΔn ≤ UL/ Ru ●举例，图中： ● IΔn ≤ UL/ Ru = 50 /10 = 5 A ● IΔn可取1A (或3A) Ru－外露可导电部分的接地电阻 IΔn－RCD额定剩余动作电流
L1 L2 L3 N
PE Rn Ru
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17
TT 系统的接地故障分析
●故障电流值 If = Uo / (Rn + Ru) = 220 / (10 + 10) 380V / 220V = 11A ●故障电压值 Uf = Ru×If = 10×11 = 110 V > UL( 50 V) ●故障电流产生危险接触电压 Rn ●断路器通常不适合消除这类故障 10 Uo－相线对地标称电压，220V UL－安全电压限值，50V
●人身防护 ●故障电流是危险的 ●故障电流通常大到足以被短路保护装置切断 ●脱扣必须是瞬时的 ,同TN-S ●不能用RCD提供保护 ●防火保护 ●不能提供 ●供电连续性 ●通过短路保护装置之间选则性实现, 同TN-S
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16
TT 系统
●低压变压器中性点直接 与接地极相连接 ●设备的外露可导电部分 （外壳）连接到一个独 立的接地电极上
Rn
If
设备外露 可导电部 分
Uf
故障
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6
TN 系统的间接接触防护
●计算接地故障时的短路电流 ● If = 0.8Uo/(RPE+Rph) 其中 RPE = ρL / SPE Rph = ρL / Sph ● 令 m = Sph / SPE ● 短路电流计算式为：
Uo=220 V
故障
7
TN 系统的间接接触防护（续）
●校验断路器脱扣条件
Lmax
0.8U 0 S ph
(1 m) I mt
U0－相电压，220V ρ－正常温度条件下的电阻率 Imt－断路器瞬时动作脱扣电流 m = Sph / SPE ●当脱扣条件不满足时 ●减少磁脱扣设定值 ●零序保护 ●配置 RCD
0
id
i1
i3
i2
i2
i1 + i2 + i3 + iN = 0
i1 + i2 + i3 + iN = id
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22
RCD 的工作原理（续）
●通过安装于所有带电导体之上的电流互感器，检测故障电流 ●测量并计算电流瞬时值的矢量和 ●通过磁线圈或继电器令保护装置脱扣，将故障回路断开
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25
RCD 用于防电气火灾
●过热、污染以及意外的损伤都会导致线路绝缘的失效 ●随着线路对地泄漏电流的增大，可能产生电弧，进而引起火灾危险
研究表明，有30%的电气火灾与电气线 路的绝缘故障有关。 300 mA 额定动作值的RCD 可以有效地 检测到危险的泄漏电流，防止电气火灾 的发生
脱扣 lph lN
magnet SN
脱扣
独立电 压供电
Ir
检测
M
测量
检测 差动继电器
M
测量
23
施耐德电气2014年青年设计师培训
RCD 的不同类型
●三种不同类型用于检测不同的故障电流
AC 类： A 类： B 类：
只用于检测AC 剩余电流
Id
用于检测AC型及脉动 直流型剩余电流
Id
用于检测AC及A 以及平滑直流型 剩余电流
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26
RCD 间的配合
●选择性 ●剩余动作电流的设定： IΔn1＞2×IΔn2 ●延时时间的设定： T1 ＞T2 (total)
E95454
RCD1
RCD2
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27
施耐德主要RCD产品
MT+MIC7.0
Vigicompact NSX
Vigirex保护继电器
施耐德电气2014年青年设计师培训
Uo = 220 V
L1 L2 L3 N
SCPD 25 A
I n = 3A
设备外露可导电部 分
负载
Rn 10
Ru 10
19
TT 系统应用习题
●TT 系统接地故障分析 ●本例中 UL=50V ● 故障电流值If多大？ ● 故障电压值Uf多大？ ● RCD额定剩余动作电流应 如何设定？
L1 L2 L3 PEN
短路保护装置
●PEN必须不被切断，要确保 PEN的可靠连接
Rn
设备外露可 导电部分
负载
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12
TN-S 系统的附加保护
●根据 IEC 防火标准。对于 TN-S 系统，如有火灾危险建议使用 300 mA 剩余电流保护装置 ●由 RCD 提供保护 ●对 If 无限制 ●与 TT 系统相同 ●提供 RCD ● RCD保护设备的选择性 ●与TT系统相同 ●剩余动作电流IΔn的设定 ●延时的设定
Id
t
t
t
Multi 9 系列
Multi 9 系列 Vigirex 系列 Vigi Compact NS 系列
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24
RCD 的动作灵敏度
●根据 IEC 61008, 61009, 755, 60947-2 等标准，分为
高灵敏度 中灵敏度 低灵敏度 3A 6 mA 10 mA 100 mA 10 A 300 mA 20 A 30 mA 500 mA 30A 1A
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I n 300mA
L1 L2 L3 L4
In2 In1 2
13
TN 系统接地故障保护应用- 使用SCPD
由短路保护设备保护
Masterpact
Compact
Multi 9
断路器对于各种低压接地系统提供过电流保护
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TN来自百度文库S 系统的特点
L1 L2 L3 N PE
PEN
Rn
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5
TN 系统的接地故障分析
●故障电流等于相线对PE线短路电流
Uo=220 V
●故障电流产生危险的接触电压
380V / 220V
L1 L2 L3 N PE
●当PE线和相线相同，接触电压为 Uf = Uo / 2 = 110V > UL (50V) ●断路器脱扣
S = 保护功能由一根与中性导体或接地导体相独立的导体提供 C = 中性导体和保护功能组合在一根导体 (PEN) 中
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TN-C 系统
●低压变压器中性点直接与接 地极相连接
L1 L2 L3 PEN
●保护接地线PE 和中性线N 合并成一根PEN线
●常采用重复接地的措施
Ru 6
20
RCD 的主要功能
●RCD ：Residual Current Device，剩余电流动作保护器， 俗称漏电保护器 ●RCD的主要功能
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21
RCD 的工作原理
●剩余电流的检测原理：传感器检测相线与中线电流的矢量和
无故障 i3 i2 i1 iN iN i1 有故障 i3 i2 i1 iN iN id i3
● If =220/(4+6)=22A ● Uf =22x6=132V ● RCD额定剩余动作电流： IΔn ≤ UL/ Ru = 50/6 = 8.3 A 取1A (或3A)
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Uo = 220 V
L1 L2 L3 N
380V / 220V
设备外露可导电部分
负载
Rn 4
Rn
施耐德电气2014年青年设计师培训
3
TN-S系统
●低压变压器中性点直接与接地 极相连
●装置的外露可导电部分都用PE 线连接到同一个接地电极上 ●PE和中性线分离
L1 L2 L3 N PE
Rn
施耐德电气2014年青年设计师培训
4
TN-C-S 系统
●在 TN-C-S系统中 ●上游部分是TN-C ●下游部分是TN-S ●注意：禁止在TN-C系统的上 游使用TN-S系统 ●当铜芯电缆的截面积小于 10mm2，铝芯电缆(和软电缆) 的截面积小于16mm2时,应使 用TN-S系统 ●重复接地的作用
If = U0 /(RN + Ru + Rf + Zeq) ≈ 220/3540 = 62 mA Uf = Ru x If = 0.062 x 10 = 0.62 V
Sph = 95 mm SPE = 50 mm L = 50 m
●方法2：查表 L max ≈67m > 50m
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故障 外露可导电部分 Rn
9
TN 系统回路最大长度表
校正系数表
通用型断路器保护的回路
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10
TN 系统回路最大长度表（续）
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1
IEC 60364 的定义
●低压系统的接地型式
T T I T N T
第 1 个字母 电源系统对地的关系: T = 一点直接接地 I = 所有带电部分与地隔离， 或一点经阻抗接地 TN 系统 补充的字母
第 2 个字母
装置的外露可导电部分与地的关系: T = 与地直接电气连接，独立于电源系 统的任一接地点 N = 与电源系统的接地点直接电气连接 （交流系统中，该点通常是中性点）
Vigi NG125
施耐德电气2014年青年设计师培训
Vigi C120
Vigi C65
Vigi DPN
ID
28
TT 系统的主要特点
●人身保护 ●危险的故障电流 ●故障电流不足以启动短路保护装置 ●保护几乎必须瞬动 ●由经过计算选择的 RCD提供保护 ●防电气火灾 ●限制故障电流 ●用于保护人身的 RCD 可兼做防电气火灾 ●供电连续性 ●通过RCD之间选择性获得
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TN 系统接地故障习题
Cu = 22.5 mΩmm2/ m
●方法1：计算最大允许长度
Lmax
0.8U 0 S ph
380V / 220V NSX 250N MIC2.2 250
L1 L2 L3 N PE
(1 m) I mt
= 72m > L (50m)
Multi 9断路器 C型曲线
Multi 9断路器 D型曲线
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11
TN-C 系统中的保护中性线PEN
Uo = 220 V
●PEN：保护导线和中性线
●PEN线的保护功能优先于中性 线，即PEN线必须总是先连接 到用电设备的“接地”端子， 然后再与中性端子作跨接
380V / 220V
L1 L2 L3 N PE
PE
PE
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IT 系统泄漏阻抗
●对于1km 长的电缆： R1 = R2 = R3 = 10 M C1 = C2 = C3 = 0.3 µF ●50 Hz时1km长的电缆：
1 = 1 +1 +1 Req R1 R2 R3 Req = 3.33 M
equivalent to
1 2 3
R3 R2 R1
C3 C2 C1
Xeq = 1 3C Xeq = 3.54 k
Zeq = R = 3540 Zeq
1 2 3
1+R2C22
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IT 系统第一次接地故障分析
●计算示例
1 2 3 PE Zeq If Rf
Ru = 10 Rf = 0 Zeq = 3540 (以1 Km 长电缆为例)
●人身防护 ●故障电流是危险的 ●故障电流通常大到足以被短路保护装置切断 ●脱扣必须是瞬时的 ●如断路器本身的保护条件不能满足要求，可用 RCD提供保护 ●防火 ●故障电流大 ●必须用附加的 RCD来处理 ●供电连续性 ●通过短路保护装置之间的选择性来实现
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TN-C系统的特点
380V / 220V
If
0.8U 0 S ph
(1 m) L
L1 L2 L3 N PE
If
If
0.8U 0 S ph
(1 m) L
Rn
设备外露 可导电部 分
Uf
● 断路器脱扣的条件： I f I mt 0.8U 0 S ph L (1 m) I mt
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IT 系统
●低压变压器中性点不与接 地极相连接 ●负载的外露可导电部分都 用PE导线连接到一个公共 接地极上，形成一个等电 位联结
L1 L2 L3 N PE
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30
IT 系统（续）
●低压变压器中性点不与接 地极相连接 ●负载的外露可导电部分都 用PE导线连接各自独立的 接地极上
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Uo = 220 V L1 L2 L3 N
设备外露可导电部分
If = 11A
Uf = 110 V
负载
Ru 10
18
TT 系统的间接接触防护
●装设剩余电流保护器(RCD) 用于间 接接触防护 ●脱扣条件 ●接触电压 ≤ 安全电压 380V / 220V ●Ru×IΔn ≤ UL ●即： IΔn ≤ UL/ Ru ●举例，图中： ● IΔn ≤ UL/ Ru = 50 /10 = 5 A ● IΔn可取1A (或3A) Ru－外露可导电部分的接地电阻 IΔn－RCD额定剩余动作电流
L1 L2 L3 N
PE Rn Ru
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17
TT 系统的接地故障分析
●故障电流值 If = Uo / (Rn + Ru) = 220 / (10 + 10) 380V / 220V = 11A ●故障电压值 Uf = Ru×If = 10×11 = 110 V > UL( 50 V) ●故障电流产生危险接触电压 Rn ●断路器通常不适合消除这类故障 10 Uo－相线对地标称电压，220V UL－安全电压限值，50V
●人身防护 ●故障电流是危险的 ●故障电流通常大到足以被短路保护装置切断 ●脱扣必须是瞬时的 ,同TN-S ●不能用RCD提供保护 ●防火保护 ●不能提供 ●供电连续性 ●通过短路保护装置之间选则性实现, 同TN-S
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16
TT 系统
●低压变压器中性点直接 与接地极相连接 ●设备的外露可导电部分 （外壳）连接到一个独 立的接地电极上
Rn
If
设备外露 可导电部 分
Uf
故障
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6
TN 系统的间接接触防护
●计算接地故障时的短路电流 ● If = 0.8Uo/(RPE+Rph) 其中 RPE = ρL / SPE Rph = ρL / Sph ● 令 m = Sph / SPE ● 短路电流计算式为：
Uo=220 V
故障
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TN 系统的间接接触防护（续）
●校验断路器脱扣条件
Lmax
0.8U 0 S ph
(1 m) I mt
U0－相电压，220V ρ－正常温度条件下的电阻率 Imt－断路器瞬时动作脱扣电流 m = Sph / SPE ●当脱扣条件不满足时 ●减少磁脱扣设定值 ●零序保护 ●配置 RCD
0
id
i1
i3
i2
i2
i1 + i2 + i3 + iN = 0
i1 + i2 + i3 + iN = id
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22
RCD 的工作原理（续）
●通过安装于所有带电导体之上的电流互感器，检测故障电流 ●测量并计算电流瞬时值的矢量和 ●通过磁线圈或继电器令保护装置脱扣，将故障回路断开
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25
RCD 用于防电气火灾
●过热、污染以及意外的损伤都会导致线路绝缘的失效 ●随着线路对地泄漏电流的增大，可能产生电弧，进而引起火灾危险
研究表明，有30%的电气火灾与电气线 路的绝缘故障有关。 300 mA 额定动作值的RCD 可以有效地 检测到危险的泄漏电流，防止电气火灾 的发生
脱扣 lph lN
magnet SN
脱扣
独立电 压供电
Ir
检测
M
测量
检测 差动继电器
M
测量
23
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RCD 的不同类型
●三种不同类型用于检测不同的故障电流
AC 类： A 类： B 类：
只用于检测AC 剩余电流
Id
用于检测AC型及脉动 直流型剩余电流
Id
用于检测AC及A 以及平滑直流型 剩余电流
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26
RCD 间的配合
●选择性 ●剩余动作电流的设定： IΔn1＞2×IΔn2 ●延时时间的设定： T1 ＞T2 (total)
E95454
RCD1
RCD2
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27
施耐德主要RCD产品
MT+MIC7.0
Vigicompact NSX
Vigirex保护继电器
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Uo = 220 V
L1 L2 L3 N
SCPD 25 A
I n = 3A
设备外露可导电部 分
负载
Rn 10
Ru 10
19
TT 系统应用习题
●TT 系统接地故障分析 ●本例中 UL=50V ● 故障电流值If多大？ ● 故障电压值Uf多大？ ● RCD额定剩余动作电流应 如何设定？
L1 L2 L3 PEN
短路保护装置
●PEN必须不被切断，要确保 PEN的可靠连接
Rn
设备外露可 导电部分
负载
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12
TN-S 系统的附加保护
●根据 IEC 防火标准。对于 TN-S 系统，如有火灾危险建议使用 300 mA 剩余电流保护装置 ●由 RCD 提供保护 ●对 If 无限制 ●与 TT 系统相同 ●提供 RCD ● RCD保护设备的选择性 ●与TT系统相同 ●剩余动作电流IΔn的设定 ●延时的设定
Id
t
t
t
Multi 9 系列
Multi 9 系列 Vigirex 系列 Vigi Compact NS 系列
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24
RCD 的动作灵敏度
●根据 IEC 61008, 61009, 755, 60947-2 等标准，分为
高灵敏度 中灵敏度 低灵敏度 3A 6 mA 10 mA 100 mA 10 A 300 mA 20 A 30 mA 500 mA 30A 1A
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I n 300mA
L1 L2 L3 L4
In2 In1 2
13
TN 系统接地故障保护应用- 使用SCPD
由短路保护设备保护
Masterpact
Compact
Multi 9
断路器对于各种低压接地系统提供过电流保护
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TN来自百度文库S 系统的特点
L1 L2 L3 N PE
PEN
Rn
施耐德电气2014年青年设计师培训
5
TN 系统的接地故障分析
●故障电流等于相线对PE线短路电流
Uo=220 V
●故障电流产生危险的接触电压
380V / 220V
L1 L2 L3 N PE
●当PE线和相线相同，接触电压为 Uf = Uo / 2 = 110V > UL (50V) ●断路器脱扣
S = 保护功能由一根与中性导体或接地导体相独立的导体提供 C = 中性导体和保护功能组合在一根导体 (PEN) 中
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TN-C 系统
●低压变压器中性点直接与接 地极相连接
L1 L2 L3 PEN
●保护接地线PE 和中性线N 合并成一根PEN线
●常采用重复接地的措施
Ru 6
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RCD 的主要功能
●RCD ：Residual Current Device，剩余电流动作保护器， 俗称漏电保护器 ●RCD的主要功能
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RCD 的工作原理
●剩余电流的检测原理：传感器检测相线与中线电流的矢量和
无故障 i3 i2 i1 iN iN i1 有故障 i3 i2 i1 iN iN id i3
● If =220/(4+6)=22A ● Uf =22x6=132V ● RCD额定剩余动作电流： IΔn ≤ UL/ Ru = 50/6 = 8.3 A 取1A (或3A)
施耐德电气2014年青年设计师培训
Uo = 220 V
L1 L2 L3 N
380V / 220V
设备外露可导电部分
负载
Rn 4
Rn
施耐德电气2014年青年设计师培训
3
TN-S系统
●低压变压器中性点直接与接地 极相连
●装置的外露可导电部分都用PE 线连接到同一个接地电极上 ●PE和中性线分离
L1 L2 L3 N PE
Rn
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4
TN-C-S 系统
●在 TN-C-S系统中 ●上游部分是TN-C ●下游部分是TN-S ●注意：禁止在TN-C系统的上 游使用TN-S系统 ●当铜芯电缆的截面积小于 10mm2，铝芯电缆(和软电缆) 的截面积小于16mm2时,应使 用TN-S系统 ●重复接地的作用
If = U0 /(RN + Ru + Rf + Zeq) ≈ 220/3540 = 62 mA Uf = Ru x If = 0.062 x 10 = 0.62 V
Sph = 95 mm SPE = 50 mm L = 50 m
●方法2：查表 L max ≈67m > 50m
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故障 外露可导电部分 Rn
9
TN 系统回路最大长度表
校正系数表
通用型断路器保护的回路
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10
TN 系统回路最大长度表（续）