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低压电网中有关电动机的接地保护问题
王冀平　北京市化工二厂设计所 (100022)

根据国标GB50055-93规定，低压交流电动机应装设接地故障保护，并规定接地故障保护应符合现行国标《低压配电设计规范》中规定。当电动机短路保护器件满足接地故障保护要求时，应采用短路保护兼作接地保护。在《低压配电设计规范》中规定：当配电线路采用熔断器作短路保护时，对于中性点直接接地网络，如果被保护线路末端发生单相接地短路时，其短路电流值不小于熔体额定电流的4倍。当用自动开关作短路保护时，其短路电流不应小于自动开关瞬时或短延时过电流脱扣器整定电流的1.5倍。
对于低压供电系统按其接地方式可分为TN-C、TN-C-S、TN-S、TT及IT系统，在工厂配电最常用的为TN-C、TN-S系统，而近年来尤以TN-S系统在石油化工企业中应用最为广泛。
当供电线路末端发生单相接地短路时，短路电流与系统、变压器及线路的正序、负序、零序阻抗的大小有关。变压器的零序阻抗与其接线形式有很大关系，Yy接线变压器零序阻抗远远大于Dy接线变压器的零序阻抗。在系统阻抗和变压器阻抗一定的情况下，短路电流与配电线路的阻抗有关，即线路越长，导线截面越小则导线阻抗越大，相应短路电流越小。一方面我们希望短路电流小而减小接地故障造成的损失，而另一方面我们也希望故障电流大而易于检测，迅速切除故障。虽然采用高阻接地系统可以把接地故障电流限制得很小，使系统能够带故障运行而提高供电系统的可靠性，但因其故障电流很小，对保护报警设备要求较高，而很少在石油化工企业中应用。
在石油化工企业中，为了提高线路末端单相接地故障电流而能满足保护需求，通常做法是除了电动机外壳以扁钢接地外，对于电动机回路采用3+1芯电缆供电，有时甚至采用四芯等截面电缆以降低线路的零序阻抗。
下面就TN-S系统内对于低压电动机的单相接地保护在一具体工程中的设定，谈一点体会。例如，某系统容量SX=100MVA；变压器：160kVA，Dy11，Ud=6%，ΔPd=14.5kW。
低压系统采用BFC式低压抽屉柜配电，由于该变电所为化工罐区变电所负荷分散，而且距离远近不同，电动机功率也相差甚大，现选两条典型回路进行分析说明：①距配电室280m远装有75kW电动机回路；②距配电室280m远，装有2.2kW电动机回路。
(1) 电缆的选择：
根据电缆允许载流量及电动机起动时线路允许压降，距配电室280m远75kW电动机电缆选用VV-3×150+1×50电缆；距配电室280m远，2.2kW电动机回路选用VV-3×6+1×4电缆。我们可以通过计算，看出线路末端单相接地短路电流的大小与线路的零序电阻有很大的关系，而线路的零序电阻又主要取决于电缆的第四芯线，也就是保护线的截面。而相比之下，对于芯线截面很小的电缆由于其零序电阻很大而以至于在计算截面很小的电缆线路单相接地短路电流时，线路的零序电抗及变压器(对于Dy11变压器)和系统阻抗均可忽略不计。
(2) 保护设定：
如用自动空气断路器作短路保护，2.2kW电动机选用DZ20J断路器，其过载脱扣器In=16A，瞬时脱扣器为12倍In，即192A。75kW电动机选用DZX10断路器，其过载脱扣器In=20A，瞬时脱扣器10倍In，即200A。
2.2kW电动机：
单相接地短路电流/断路器瞬时脱扣器整定电流=0.09/0.126=0.714＜1.5
75kW电动机：
单相接地短路电流/断路器瞬时脱扣器整定电流=1.274/2.0=0.637＜1.5
说明均能满足规范要求。0.25×4=1.0kA＜1.274kA
线路末端发生单相接地短路时，可从熔断器特性曲线上查得：熔断器在10s内熔断。
可以看出两者均满足规范要求，但是由于所选用的是抽屉柜，需用自动空气断路器实现抽屉柜带电不能开门的连锁要求，而且为了操作方便，我们对于上述2.2kW电动机回路选用熔断器加空气断路器加接触器回路方案，由NT熔断器作为短路保护。考虑到对于上述75kW回路虽然采用熔断器作为短路保护能够满足规范要求，但如果线路末端发生单相接地短路，短路电流不是很大，熔断器熔断时间过长，不利于安全运行，我们采用限流式自动空气断路器加零序保护作为短路保护，选用空气断路器加接触器方案。
加装零序保护的方法常见的有两种：过电流继电器接线的余线连接；铁芯磁势平衡(窗式)电流互感器。
①余线连接法：余线连接法每相的继电器连接在相应的电流互感器输出回路上，而一个检测接地故障电流的接地继电器则连接在公共的余线回路上，电动机正常运行时，三相负载平衡，三个电流互感器的网效应为零，余线支路中仍没有电流流过。当线路发生单相接地故障，故障电流流过了本相导体及其电流互感器，网磁通不为零，于是电流流过余线分支，使继电器动作。
②磁芯平衡法：磁芯式平衡电流互感器通常叫做窗式互感器，一般相线及中性线(若有单相负荷)全都穿过电流互感器的同一开口处，并被同一磁芯所包围。在正常状况下，包括单相负载的所有流出的电流都穿过电流互感器，电流互感器磁芯内净磁通为零。因而没有电流流过接地继电器，当发生接地故障时，接地电流通过设备的接地回路，如设备外壳、接地线等回路流回，从而旁路了电流互感器。这样在电流互感器的磁芯内产生了正比于接地故障电流的磁通，因此在继电器回路里流过一个与之成正比的电流。因此连接在磁芯平衡电流互感器上的继电器可以做成很灵敏，即使是数毫安也能测出。同时也应该注意：对于电动机回路不能把整根电缆穿过磁芯平衡电流互感器，因为电动机回路第四芯线不是N线，而是保护(PE)线，如果保护线由磁芯平衡电流互感器中穿过，在线路发生单相接地故障时，故障电流完全由此保护线流过，磁芯内净磁通仍为零，接地继电器无电流流过；而且若其它回路发生接地故障，故障电流有可能流过此线，会使此回路接地继电器误动，这一点尤其应该注意。
采用以上两种方法都能达到测量接地故障电流的目的，由于接地继电器中没有正常运行时负载电流流过，所以继电器中的电流可以整定很小电流，从而灵敏度很高。由于我国目前对于漏电保护尚没有比较完善的规范，只能根据实际情况考虑系统正常运行时泄漏电流不超过其整定电流。
由于漏电电流与环境因素及线路的敷设方式等实际情况有很大关系，对于一个系统很难计算出其正常运行时的泄漏电流，所以应以实测为准。
对于上述工程中距配电室280m远的75kW电动机，我们采用的是余线连接法，整定接地继电器FA电流为0.5A，并考虑到电动机起动时泄漏电流比正常运行时大，加装时间继电器KT，时间继电器整定6s以躲过起动时间。
电动机运行时，如果电动机端发生单相接地短路，接地继电器FA中流过电流为：
单相接地短路电流/电流互感器变比=1274/40=31.85A
可见短路电流足以使继电器FA动作，则FA接点闭合使空气断路器分励线圈励磁，断路器断开切断故障。电动机起动时，即使电动机起动时线路及电动机的漏电电流使继电器FA动作，但时间继电器KT接点延时6s闭合，保证空气断路器不会误动。
通过上面在一具体工程中，对低压电动机回路单相接地保护的设定过程，可以看出对于线路的单相接地保护要具体问题具体分析，不能一概而论。首先要了解系统情况，不同系统采取不同保护方案。对于同一系统，也要选取典型回路进行单相接地短路电流的计算，得到单相接地短路电流计算结果后，对各种保护方案比较，才能最终作出决定。尤其当配电线路很长时，更应该注意对线路单相接地故障的保护，如果保护设定不当，轻者影响设备正常运行，重者危及设备和人身安全。