劉振忠/西蒙田/周　焱/錢觀榮

(1.施耐德電氣(中國(guó))有限公司上海分公司，上海 201203；2.華東建筑設(shè)計(jì)研究總院，上海 200002)

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四極斷路器的選用

劉振忠1/西蒙田1/周焱1/錢觀榮2

(1.施耐德電氣(中國(guó))有限公司上海分公司，上海 201203；2.華東建筑設(shè)計(jì)研究總院，上海 200002)

0　引言

在三相四線制的配電回路設(shè)計(jì)中，選用三極還是四極的斷路器一直是困擾很多電氣設(shè)計(jì)人員的難題。有的設(shè)計(jì)人員因?yàn)榭浯罅怂臉O斷路器對(duì)“斷零”事故的作用，在應(yīng)該選用四極斷路器的場(chǎng)合不合理地選用了三極斷路器，給維修人員及電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行帶來(lái)了隱患。有數(shù)據(jù)表明，歐洲地區(qū)四極斷路器的使用非常普遍，占比超過(guò)了70%，而在我國(guó)，四極斷路器的使用還不到30%。本文通過(guò)對(duì)中性線及其保護(hù)和系統(tǒng)安全的分析，結(jié)合IEC相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)以及相關(guān)文獻(xiàn)闡述了如何正確地選用四極斷路器。

1　中性線

首先，中性線是一種有特殊功能的帶電導(dǎo)體，IEC 60364-5-53第536.2.1.1條明確規(guī)定，在安全檢修時(shí)必須斷開(kāi)所有帶電導(dǎo)體，以滿足電器隔離的安全要求。其次，中性線提供單相電源承載單相電流。在三相電力系統(tǒng)中，它承載三相不平衡電流和諧波電流。理論上，在理想的三相平衡電力系統(tǒng)中，中性線不承載電流，但在三相不平衡且各相負(fù)載的功率因數(shù)不一致時(shí)，中性線會(huì)存在一定的電流，該電流甚至?xí)笥谙嗑€電流。實(shí)際應(yīng)用中，負(fù)載中三次諧波的存在更是大大增加了流過(guò)中性線的電流。因而，在許多場(chǎng)合中，中性線需要設(shè)過(guò)電流保護(hù)。再次，中性線具有減少負(fù)載側(cè)中性點(diǎn)電位偏移的功能，如果發(fā)生中性線斷線事故(俗稱“斷零”)，將會(huì)引起單相電壓的突變(即從220V變成0～380V)，造成大量用電器過(guò)壓燒壞及與電壓相關(guān)的RCD失效。所以，中性線必須接觸良好，連接必須可靠。

1.1中性線截面

首先，中性線應(yīng)滿足其機(jī)械強(qiáng)度的要求，以保證可靠連接。

導(dǎo)線的截面積與承載的電流成正比，當(dāng)按載流量需要計(jì)算得到的相線導(dǎo)線截面積≤ 16 mm2(銅)或 25 mm2(鋁)時(shí)，不論中性線是否承載電流，其橫截面積必須≥相線的橫截面積，即在不承載或承載少量諧波電流時(shí)，其截面積應(yīng)等于相線的截面積；在承載較大的諧波電流時(shí)，其截面積應(yīng)>相線的截面積。當(dāng)相線的截面積> 16 mm2(銅)或 25 mm2(鋁)時(shí)，而中性線又不承載諧波電流和較大的三相不平衡電流，其截面積須≤16 mm2(銅)或 25 mm2(鋁)，但可大于相線截面積的1/2且小于相線的截面積。

其次，中性線應(yīng)滿足其承載電流需要，以保證長(zhǎng)期安全可靠地運(yùn)行。當(dāng)諧波電流成分>33%時(shí)，應(yīng)考慮增大中性線截面，具體按照IEC 60364-5-52中524.2.2的要求執(zhí)行。

1.2中性線的過(guò)電流保護(hù)

由于諧波的存在，中性線可能承載較大的電流，因而在某些情況下，與相線一樣，中性線也需要過(guò)電流保護(hù)。理論上，基于相線保護(hù)措施和IEC 60364-4-43 431.2的規(guī)定，只要中性線規(guī)格選擇正確(包括考慮諧波的影響)就不需要對(duì)中性線進(jìn)行特殊的保護(hù)。例如，在舞臺(tái)燈光用電設(shè)計(jì)中，通常將中性線的截面積取為相線的2倍，這種情況下再設(shè)中性線的過(guò)電流保護(hù)是沒(méi)有必要的。然而，由于實(shí)際情況的復(fù)雜性，中性線的過(guò)電流保護(hù)仍具有其實(shí)際的意義。如有些場(chǎng)合用電器類型不夠明確，可能在設(shè)計(jì)時(shí)表達(dá)為非諧波電流類型的負(fù)載，但在實(shí)際投入使用后，由于用途變更或科學(xué)技術(shù)的發(fā)展等原因，其實(shí)際負(fù)載是高諧波的用電器。如果之前根據(jù)理論計(jì)算結(jié)果沒(méi)有設(shè)置中性線過(guò)電流保護(hù)，將造成實(shí)際使用時(shí)中性線因過(guò)電流損壞甚至引發(fā)火災(zāi)等安全問(wèn)題。因此對(duì)各類情況而言，設(shè)置中性線過(guò)電流保護(hù)是有百益而無(wú)一害的，它是對(duì)系統(tǒng)過(guò)電流保護(hù)的必要手段(當(dāng)對(duì)相線電流的保護(hù)不能間接對(duì)中性線進(jìn)行保護(hù)時(shí))，增強(qiáng)了系統(tǒng)的安全性。根據(jù)中性線計(jì)算電流以及其橫截面積選擇的不同，可以采用斷路器對(duì)中性線無(wú)保護(hù)、1/2保護(hù)、全保護(hù)和OSN(Over Size Neutral)保護(hù)4種方式。

2　四極斷路器的選用

相對(duì)于三極斷路器而言，四極斷路器是帶中性極開(kāi)斷的斷路器。根據(jù)IEC 60364-4-43 431.3中的定義可知中性極須具有先合后分的特點(diǎn)。四極斷路器主要有兩種類型：第一類是中性線僅具有開(kāi)斷功能，不具有中性線過(guò)電流保護(hù)功能，如圖1所示。另一類不僅是中性線有開(kāi)斷功能，還提供中性線短路、過(guò)載保護(hù)功能，如圖2所示。

圖1　僅具有中性線開(kāi)斷功能的四極斷路器

圖2　具有中性線過(guò)電流保護(hù)功能的四極斷路器

四極斷路器的這兩種類型滿足了電力系統(tǒng)對(duì)人員安全、運(yùn)行安全的要求。首先根據(jù)IEC 60364-5-53，在做電氣維護(hù)時(shí)應(yīng)斷開(kāi)包括中性線在內(nèi)的所有帶電導(dǎo)體，以保護(hù)操作人員的人身安全，即實(shí)現(xiàn)四極斷路器的隔離功能(如TT和IT系統(tǒng)中)。其次，在某些情況下，如當(dāng)系統(tǒng)中的諧波較大或三相有較大不平衡或中性線截面較小時(shí)，中性極是需要過(guò)電流保護(hù)的。而且，在雙電源轉(zhuǎn)換裝置中，也需要使用四極斷路器保證某些電氣裝置(例如RCD)實(shí)現(xiàn)供電的連續(xù)性。

2.1根據(jù)不同類型的接地系統(tǒng)決定斷路器極數(shù)

2.1.1TT系統(tǒng)使用四極斷路器

因電氣維修安全的需要，TT系統(tǒng)內(nèi)須使用四極斷路器。由于系統(tǒng)內(nèi)中性線和等電位聯(lián)結(jié)之間沒(méi)有電氣連接，所以當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生接地故障時(shí)，中性線會(huì)帶有故障電壓，而等電位聯(lián)結(jié)地電位形成的電壓差會(huì)引起電氣事故。在GB 50054-2011《低壓配電設(shè)計(jì)規(guī)范》 3.1.15 中也明確強(qiáng)調(diào)，TT 系統(tǒng)中，應(yīng)選用具有斷開(kāi)中性極的開(kāi)關(guān)電器，如表1序號(hào)1所示。通常情況下，當(dāng)中性線導(dǎo)體截面不小于相線時(shí)，可以不對(duì)中性線進(jìn)行保護(hù)；當(dāng)中性線導(dǎo)體截面小于相線時(shí)，應(yīng)對(duì)中性線進(jìn)行保護(hù)。

2.1.2IT系統(tǒng)如有引出中性線，須使用四極斷路器

IT系統(tǒng)不推薦中性線配出。在有中性線配出時(shí)，若一相發(fā)生接地故障，中性線的對(duì)地電壓將為相電壓220V(如圖3所示)，存在電擊事故風(fēng)險(xiǎn)，必須采用四極斷路器。在IEC 60364-4-43第431.2.2條中也有明確的描述，IT系統(tǒng)中如果有中性線配出，包括中性線在內(nèi)的每個(gè)回路都須有過(guò)電流檢測(cè)裝置，該裝置能夠斷開(kāi)包括中性極在內(nèi)的所有帶電導(dǎo)體。當(dāng)中性線受到一個(gè)安裝在上游的裝置的短路保護(hù)或者受到一個(gè)RCD的保護(hù)，導(dǎo)致其靈敏度小于中性線允許電流的20%時(shí)，中性線不必有過(guò)電流保護(hù)(見(jiàn)表1序號(hào)2)。

圖3　IT系統(tǒng)相線觸地后中性線電位的升高

2.1.3TN-C不可使用四極斷路器

TN-C系統(tǒng)中，中性線與PE線是合二為一的，即PEN線。出于保護(hù)人身安全的需要，PE線是不允許被斷開(kāi)的，進(jìn)而PEN線也不可被斷開(kāi)，所以不允許使用具有第四極(即PEN極)開(kāi)斷功能的四極斷路器。在GB 50054-2011《低壓配電設(shè)計(jì)規(guī)范》3.1.4中也有如下描述，在 TN-C 系統(tǒng)中不應(yīng)將保護(hù)接地中性導(dǎo)體隔離，嚴(yán)禁將保護(hù)接地中性導(dǎo)體接入斷路器。因而，三極斷路器是TN-C系統(tǒng)理想的保護(hù)電器。但是，由于PEN線具有中性線功能，在系統(tǒng)存在高次諧波的情況下，有可能因承載較大的電流而被損壞。詳細(xì)參見(jiàn)章節(jié)(2中性線)。這時(shí)，中性線需要有過(guò)電流檢測(cè)裝置并配備其他的電氣附件，如分勵(lì)脫扣器對(duì)其進(jìn)行保護(hù)(見(jiàn)表1序號(hào)3)。

TN-C因PEN承載中性線電流而產(chǎn)生壓降，從而使所接設(shè)備金屬外殼對(duì)地帶電位引發(fā)電信干擾和火災(zāi)等安全問(wèn)題[1]。同時(shí)，TN-C因不能切斷保護(hù)中性線，在電氣維修時(shí)維修人員會(huì)因PEN可能出現(xiàn)的故障電壓傳導(dǎo)而遭受電擊，且該系統(tǒng)因不能安裝RCD而無(wú)法避免火災(zāi)和電擊[1]。所以，除了一些特殊的場(chǎng)合外，通常不建議采用TN-C系統(tǒng)。

2.1.4TN-C-S 或TN-S在某些情況下應(yīng)選用四極斷路器

TN-C-S或TN-S系統(tǒng)不可用在無(wú)總(局部)等電位聯(lián)結(jié)的場(chǎng)合，否則PE及中性線上可能帶有的來(lái)自于其他故障點(diǎn)的故障電壓會(huì)危及人們的安全。如圖4所示，若某處一相線掉在地上(RE=30Ω，RB=10Ω)產(chǎn)生一個(gè)幾安培(如Id=220/(10+30)=5.5A)的接地故障電流，此故障電流通過(guò)大地回流至電源中性線和PE線時(shí)，中性線和PE線的電位較大地有一個(gè)超過(guò)安全電壓的電位差(5.5×10=55V)。因此這種場(chǎng)合下可以采用TT系統(tǒng)。

圖4　相對(duì)地接地故障造成PE電位升高

但是，當(dāng)建筑物內(nèi)實(shí)施了等電位聯(lián)結(jié)后，即使中性線導(dǎo)入了危險(xiǎn)電壓，和等電位聯(lián)結(jié)處于同一電壓水平，觸及中性線時(shí)也不應(yīng)存在電位差，理論上也不會(huì)發(fā)生電擊事故。在IEC 60364-5-53第536.1.2(461.2)條中也有如此的描述，TN-S系統(tǒng)中，中性線不必開(kāi)斷或隔離。然而，在某些情況下，中性線帶有較高電位的情況還是時(shí)有發(fā)生，如：當(dāng)雷電(頻率在MHz左右)擊中中壓電網(wǎng)時(shí)，由于接地系統(tǒng)中的電感，它不能完全被引入大地，同時(shí)，這個(gè)危險(xiǎn)電壓會(huì)被自動(dòng)引入低壓系統(tǒng)的中性線。而且，實(shí)踐表明，在采用TN-S系統(tǒng)的超高層建筑中，斷開(kāi)中性線是一種明智的做法。另外，由于施工(如，進(jìn)線的PEN線應(yīng)先接總配電箱的PE線，然后再通過(guò)一連接板接中性線母排。這個(gè)細(xì)節(jié)在施工時(shí)如果被搞反，將造成等電位聯(lián)結(jié)的PE母排與進(jìn)線的PEN可能的接觸不良。又如，等電位聯(lián)結(jié)的各聯(lián)結(jié)線的接觸不良等)或氣候、環(huán)境及老化等原因造成建筑物的等電位聯(lián)結(jié)不良時(shí)，此系統(tǒng)可能轉(zhuǎn)變成了一個(gè)TT系統(tǒng)。當(dāng)某部分總等電位聯(lián)結(jié)不確定時(shí)，對(duì)不確定部分采用如圖5所示的局部TT系統(tǒng)能有效地提高系統(tǒng)的安全性能。所以，在某些特定情況下的TN-S、TN-C-S中使用四極斷路器，能確保電氣隔離，并能更加有效地保證人身安全。同樣，當(dāng)系統(tǒng)中存在較多的高次諧波時(shí)，應(yīng)對(duì)中性線承載電流作出計(jì)算，按表1序號(hào)4選擇并設(shè)置中性線保護(hù)。

表1　選用三極、四極斷路器的多種情況

2.2多電源供電中斷路器應(yīng)采用四極斷路器

如圖6所示，雙電源中性點(diǎn)在配電盤內(nèi)一點(diǎn)接地，中性線電流既可以由本回路返回變壓器電源，也可以繞道備用電源線路中的中性線，通過(guò)PEN母排回到變壓器電源側(cè)形成雜散電流，但雜散電流可能導(dǎo)致某些電氣設(shè)備出現(xiàn)誤動(dòng)作等問(wèn)題，影響電氣設(shè)備的正常運(yùn)行。如果電源轉(zhuǎn)換斷路器回路上裝有RCD，該雜散電流會(huì)引起RCD誤動(dòng)作而影響供電的連續(xù)性。為此IEC 60364-4-44 444.4.7對(duì)在此種情況下應(yīng)選用四極開(kāi)關(guān)作出了說(shuō)明。多電源系統(tǒng)中，如果錯(cuò)誤地選用了三極開(kāi)關(guān)會(huì)引起接地系統(tǒng)的改變。如，若常用電源為TN或TT，引出中性線的IT系統(tǒng)自備發(fā)電機(jī)電源進(jìn)行電源轉(zhuǎn)換時(shí)，其中性點(diǎn)會(huì)通過(guò)常用電源中性點(diǎn)的接地而接地，使電源變成TN或TT系統(tǒng)，從而失去IT系統(tǒng)供電連續(xù)性高的特點(diǎn)。

圖5　TN-C-S與TT系統(tǒng)

圖6　雙電源供電系統(tǒng)

3　結(jié)束語(yǔ)

四極斷路器的選用不僅與接地系統(tǒng)有關(guān)，還與系統(tǒng)的環(huán)境密切相關(guān)。通過(guò)表1給出了應(yīng)選用三極、四極斷路器的多種情況。

[1]王厚余.低壓電氣裝置的設(shè)計(jì)安裝和檢驗(yàn)[M].北京:中國(guó)電力出版社,2003.

[2]IEC 60364,GB/T 16895系列-2010建筑物電氣裝置[S].北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社,2011.

[3]GB 50054-2011低壓配電設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京:中國(guó)計(jì)劃出版社,2011.

Selection of Four Pole Breaker

Liu Zhenzhong/Simon TIAN/Zhou Yan/Qian Guanrong

四極斷路器的合理選用關(guān)乎電力系統(tǒng)的安全。一方面，四極斷路器作為帶電導(dǎo)體，若其中性線在某些情況下沒(méi)有斷開(kāi)，可能引發(fā)電擊事故；另一方面，若在不需要采用四極斷路器的場(chǎng)合選用了四極斷路器，可能造成“斷零”及其他的安全問(wèn)題。通過(guò)對(duì)中性線作用及其保護(hù)要求的閘述以及對(duì)各接地系統(tǒng)下電氣安全的分析，明確四極斷路器的選用原則，以供電氣設(shè)計(jì)工程師參考。

四極斷路器接地系統(tǒng)中性線保護(hù)電氣安全防護(hù)

Four-pole circuit breaker rational selection is relating to the security of the power system.On the one hand,as the live parts,neutral conductor without disconnection may cause electrical shock in some cases; on the other hand,four-pole circuit breaker may cause ‘neutral down’ issue,when it was used on wrong occasions.Based on the neutral conductor protection and power safety requirement,the four-pole circuit breaker selection principles are clarified and could be an electrical design engineer reference.

four pole breaker，grounding system，neutral protection，electric safety protection