低压电器（２０１１Ｎｏ．１９） ・智能电器・ 智能型塑壳断路器中接地故障 保护功能设计 琚纪红， 卜浩民 （上海良信电器股份有限公司，上海２００１３７） 摘要：接地故障保护作为低压配电线路中一项重要保护要求，在万能式断路器 琚纪红（１９８０一）， 男，工程师，研究方 中已经得到广泛的应用，而对于塑壳断路器中接地故障保护功能的设计，我国仍处于起 步阶段。针对接地故障特点，介绍了实现塑壳断路器接地故障保护功能的三相电流相 量和的设计方法，实现了接地故障的有效保护，为低压电网的可靠运行提供了保障。 关键词：智能型塑壳断路器；接地故障保护；三相电流相量和 中图分类号：ＴＭ ５６１ 文献标志码：Ｂ文章编号：１００１．５５３１（２０Ｉ １）１９４１０１４－０３ 向为智能型塑壳断 路器的研制和开 发。 Ｆｕｎｃｔｉｏｎａｌ Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ Ｅａｒｔｈ・Ｆａｕｌｔ Ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ ｉｎ Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ Ｍｏｕｌｄｅｄ Ｃａｓｅ Ｃｉｒｃｕｉｔ Ｂｒｅａｋｅｒ ＪＵ Ｊｉｈｏｎｇ，ＢＵ Ｈａｏｍｉｎ （Ｓｈａｎｇｈａｉ Ｌｉａｎｇｘｉｎ Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ａｐｐａｒａｔｕｓ Ｃｏ．，Ｌｔｄ．，Ｓｈａｎｇｈａｉ ２００１３７，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｅａｒｔｈ－ｆａｕｌｔ ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ ａｓ ｏｎｅ ｏｆ ｔｈｅ ｍｏｓｔ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ ｉｎ ｔｈｅ ｌｏｗ ｖｏｌｔａｇｅ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｌｉｎｅｓ ｈａｓ ｂｅｅｎ ｗｉｄｅｌｙ ｕｓｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ａｉｒ ｃｉｒｃｕｉｔ ｂｒｅａｋｅｒ．Ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｅａｒｔｈ—ｆａｕｌｔ ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ ｆｕｎｃｔｉｏｎ ｉｎ ｍｏｕｌｄｅｄ ｃａｓｅ ｃｉｒｃｕｉｔ ｂｒｅａｋｅｒ（ＭＣＣＢ）ｗａｓ ｌａｃｋｅｄ ｉｎ Ｃｈｉｎａ．Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｔｈｅ ｅａｒｔｈ．ｆａｕｌｔ ｐｒｏ． ｔｅｃｔｉｏｎ，ａ ｄｅｓｉｇｎ ｍｅｔｈｏｄ ｗａｓ ｄｅｓｃｒｉｂｅｄ ｔｈａｔ ｈｏｗ ｔｏ ｒｅａｌｉｚｅ ｔｈｅ ｅａｒｔｈ－ｆａｕｌｔ ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ ｆｕｎｃｔｉｏｎ ｉｎ ｔｈｅ ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ ＭＣ－ ＣＢ ｔｈｒｏｕｇｈ ｔｈｅ ｔｈｒｅｅ—ｐｈａｓｅ ｃｕｒｒｅｎｔ ｖｅｃｔｏｒ ８ｕｒｎ，ｔｈｅ ｍｅｔｈｏｄ ａｃｈｉｅｖｅｄ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ ｏｆ ｅａｒｔｈ—ｆａｕｌｔ，ａ ｇｕａｒａｎｔｅｅ ｒｅｌｉａｂｌｅ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ ｆｏｒ ｌｏｗ ｖｏｌｔａｇｅ ｐｏｗｅｒ ｄ ｗａｓ ｐｒｏｖｉｄｅｄ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｉｎｔｅｌｉｆｇｅｎｔ ｍｏｌｄｅｄ ｅａｓｅ ｄｒｃｕｌｔ ｂｒｅａｋｅｒ（ＭＣＣＢ）；ｅａｒｔｈ－ｆａｕｌｔ ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ；ｔｈｒｅｅ－ｐｈａｓｅ ｃｕｒ－ ｒｅｎｔ ｖｅｃＷｒ ｓｕｌｎ ０ 引 言 接地故障保护作为低压配电线路中一项重要 保护要求，在万能式断路器中已经得到广泛的应 连接叫做“完全接地”。接地故障电流即指由于 绝缘故障而流人大地的电流 ｊ。接地故障电流 值较小，一般在（２０％一１００％），ｎ。 １．２特点 用；而对于塑壳断路器中接地故障保护功能的设 计，我国仍处于起步阶段。本文重点介绍智能型 塑壳断路器中如何通过三相电流相量和的方法， 来实现接地故障保护功能的。 在小电流接地系统（如１０ ｋＶ）中，单相接地 是配电系统最常见的故障，多发生在潮湿、多雨天 气，均由树障、配电线路上绝缘子单相击穿、单相 断线以及小动物危害等诸多因素引起的。单相接 地不仅影响了用户的正常供电，而且可能产生过 电压，烧坏设备。特别对于中性线接地的系统 （如ＴＮ系统），当单相接地时，由于接地电阻很 小，会在瞬间形成很大电流，造成单相接地短路。 ＧＢ ５００５４－－１９９５｛低压配电设计规范》第４．４ １ 接地故障 １．１概念 接地故障又称故障接地，是指导体与大地的 意外连接。当连接的阻抗小到可以忽略时，这种 卜浩民（１９４１一），男，高级工程师，研究方向为低压电器产品。 一１４— ・智能电器・ 低压电器（２０１１Ｎｏ．１９） 条中对接地故障保护的故障电流及保护时间都有 故障保护电器，可以安装在任何一个线路的首端， 详细的要求及说明。如第４．４．７条中，对于相线 故得到广泛使用。这种接地故障保护有两种具体 对地标称电压为２２０ Ｖ的ＴＮ系统配电线路的接 方法，即设置有剩余电流互感器和不设置剩余电 地故障保护，其切断故障回路的时问应符合下列 流互感器。 规定：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５ ｓ；供电给手握式电气设备和 ２ 万能式断路器接地故障保护 移动式电气设备的末端线路或插座回路，不应大 ＮＤＷ１系列万能式断路器的接地故障保护方 于０．４ ｓ［２ ３。 式主要有两种：差值型（Ｔ）和地电流型（ｗ）。Ｔ １．３接地故障保护方法 型保护方式指检测零序电流，即取四相或三相电 通常，实现接地故障保护主要有两种方法：利 流的相量和进行保护；而ｗ型保护方式，指通过 用剩余电流原理的方法；不利用剩余电流原理的 外加特殊的外部互感器ＺＴ，该互感器和断路器额 方法。断路器中通常采用的接地保护方法是利用 定电流对应，每种额定电流对应一种互感器。 剩余电流原理，即在断路器中设置测量剩余电流 ２．１差值型（Ｔ） 值的测量元件，以实现接地保护功能。这种接地 差值型（Ｔ）接地故障保护原理图如图１所示。 …． 墨…。 Ｎ ／ ・：Ｉ， Ｉ Ｔ ： ＰＥＮ Ｎ 。 …．－中婪矍…ＣＴＩ ＰＥＮ （ａ）三极 （ｂ）四极 （ｃ）三极＋Ｎ 图１ 差值型接地故障保护原理图 ２．２地电流型（Ｗ） 定值进行比较，若大于设定值，断路器将在设定的 地电流型（ｗ）接地故障保护图如图２所示。 动作时间内动作。接地故障时间电流特性，一般 为定时限型或反时限和定时限结合型两种。 …一 竖 …．３．１接地故障电流值计算 蕈：。Ｉ 兰智竺： 能兰 Ｉ．ｒ—１ 一Ｉ ｌ ：ｉ； ＰＮ或 接地故障电流计算分为作图法和计算法。 ３．１．１作图法 假设Ａ相电流为１００ Ａ，相位角为０。；Ｂ相为 ＰＥＮ ９０ Ａ，相位角为１２０。；Ｃ相电流为８０ Ａ，相位角为 一图２地电流型接地故障保护原理图 １２０。。通过作图法，可以较快捷地测算出其三相 电流相量和为１７．３ Ａ，如图３所示。 由于万能式断路器体积大，故可采用差值型 （Ｔ）接地故障保护，又可采用地电流型（ｗ）接地 故障保护。塑壳断路器由于受到体积限制，通常 采用差值型进行接地故障保护 Ｊ。 Ａ ３ 智能型塑壳断路器接地故障保护 由于塑壳断路器外形尺寸小，差值型的接地 故障保护更容易实现，即通过三相电流相量和或 三相电流相量，与Ｎ相电流的差值及控制器的设 图３三相电流相量和 低压电器（２０１１Ｎｏ．１９） ・智能电器・ ３．１．２计算法 假设Ａ相电流为，ａ，相位角为０。；Ｂ相电流 为，ｂ，相位角为一１２０。；Ｃ相电流为，ｃ，相位角为 １２０。。分别分解三相电流的相量，得 Ａ相：Ｙ向电流为Ｊ ＝Ｊ『 ｓｉｎ０。＝０ 向电流为， ＝Ｉ．ｃｏｓＯ。：， Ｂ相：Ｙ向电流为 ＝Ｉｂｓｉｎ（一１２０。）＝一，ｂ ／２ 图４接地故障特性曲线 表１接地故障保护电流一时间设定值 向电流为 ＝ｌｂｃｏｓ（一１２０。）＝一 ／ ２ ｃ相：Ｙ向电流为，ｃ ＝Ｉｏｓｉｎ（１２０。）＝Ｉｏ ／２ 向电流为Ｉｎ＝ｌｏｃｏｓ（１２０。）＝一１ｏ／２ 三相Ｙ向电流和：０一ｌｂ，／３／２＋， ／２ 三相 向电流和：Ｌ一，ｂ／２一Ｉｃ／２ 则三相电流相量和的“模”为 √ｃ 一 一孚一冬 √ｌ 七ｉ ＋ｆ 一Ｉ ａｌｂ—ｌｈｌｅ—ｌ ｌｃ 假如Ａ相电流为１００ Ａ，Ｂ相为９０ Ａ，Ｃ相为 ８０ Ａ，则其相量和为１７．３ Ａ。 对于四极断路器，由于其结构特点的原因通 常采用图１（ｂ）四极的接线方式，即在断路器内部 Ｎ极上安装单独的电流互感器，控制器中可通过 相量和的方式测定三相电流和及Ｎ相的电流。 该方法不需外置互感器，仅在断路器内部测量和 计算。接地故障电流，ａ是三相电流的相量和与 Ｎ相电流的差值。如果该差值不为零，说明有接 地故障存在，且有部分回路电流没有经过Ｎ相形 成回路，而是通过大地与电源端形成了回路。 经过智能控制器程序处理，并进行数据比较， 智能断路器即可实现接地故障保护功能。 ３．２接地故障保护特性曲线 接地故障时间一电流保护特性，可分为定时 限型或反时限和定时限结合型。ＮＤＭ３Ｅ智能塑 壳断路器接地故障特性采用反时限和定时限结合 型。其动作特性曲线如图４所示，电流及时间参 数值如表１和表２所示。 ＮＤＭ３Ｅ智能塑壳断路器接地故障保护动作 电流和时间整定值均可调，便于实现上、下级问的 选择性保护，可有效避免因越级跳闸而造成不必要 的损失，低压电网的稳定性、可靠性得到一定保障。 一１６一 参数设定值 Ｉｑ／ｌ，，＋ＯＦＦ ０．２、０．３、０．４、０．５、０．６、０．８、１．０ ｒｑ／ｓ ０．１、０．２、０．３、０．４ 注：，ｎ为断路器额定电流。 表２接地故障保护电流一时间特性表 接地故障保护特性 整定时间 Ｏ・１ ０・２ ０・３ ０・４ ／ｓ △＜２，ｑ动 间 （２ ２ ２，ｑ动 间ｏ．－ｏ．ｚ 注：，△为断路器三相电流相量和；精度为４－１０％。 ４ 结 语 随着电子技术发展，塑壳断路器需具有过载 长延时、短路短延时、短路瞬时、接地故障及剩余 电流保护功能等。作为发生概率最高及危害相当 大的接地故障，必须得到有效的预防及保护。 ＮＤＭ３Ｅ智能型塑壳断路器正是根据自身结构特 点，结合现代电子技术，实现了接地故障的有效保 护，为低压电网的可靠运行提供了保障。 【参考文献】 ［１］ＧＢ １４０４８．２—２ｏ０８低压开关和控制设备第２部分 断路器［Ｓ］．２００８． ［２］ＧＢ ５００５４－－１９９５低压配电设计规范［Ｓ］．１９９５． ［３］王兴利，陈召军，李艾，等．新一代万能式断路器在 单相接地故障保护中的应用［Ｊ］．电气应用，２０１０ （１５）：２２－２６． 收稿日期：２０１１－０５—１０
