工程师建议的供电系统的安全方式

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1 低压供电系统的组成、特点、类型

(1)供电系统通常由交流分系统、直流分系统两部分组成

交流分系统通常由高压和低压两部分组成。

直流分系统通常由交Z直流变换部分、蓄电池组部分组成。负载部分由低压交流负载、直流负载设备组成。"负载"通俗地讲也就是"用电设备"。

(2)低压供电系统的基本特点

①并联冗余方式是提高可靠性的主要方式,无论是交流供电系统,还是直流供电系统。

②一次电源对于低压供电系统来讲,主要是市电或发电,是低压供电系统的核心,是供电系统可靠性的关键。其它电压变换型电源对其有依赖性。直流供电系统依靠交流供电系统提供电源。但直流供电系统可以对交流供电系统做适当的补充。

③不间断电源(UPS)广泛应用,对负载的可靠供电有极为重要的作用。

④应用自动切换(ATS)技术控制负载。

(3)G代电源低压供电系统类型

常见的各种低压交流(220/380V,50Hz)供电系统有:IT、TN一C、TN一S、TN一C一S、TT供电系统。

供电的安全性指供电配电时不能伤害人或损坏设备。可靠性指在一定条件和时间内连续供电的能力。这是电源系统中的一对矛盾,当人身与设备安全性受到危险时,需要切断电源;而切断电源又对用电设备连续供电产生影响。以下对供电系统常用的五种交流电源系统及接地方式进行介绍,并在安全性与可靠性分析进行比较。

 2 IT供电系统及接地方式

IT系统是三相三线式供电及接地系统,该系统变压器(或发电机组三相输出)中性点不接地或经高阻抗接地,无中性线(俗称零线)N,只有线电压(380V),无相电压(220V),电器设备保护接地线(PE线)各自独立接地力口图士所示。图中电容C1、C2、C3为供电线路对地的分市电容。

IT系统在供电距离不长时,供电可靠性高,安全性好。电源侧也可采取中性点经高阻抗接地。

IT系统在一相接地时,单相对地漏电电流小,不破坏电源的电压平衡。一般用于不允许停电的场所,或是严格要求连续供电的地方。

如果一相发生接地故障,通过熔断器F等可以切断该相,其它两相可以供电。而且,用电设备有接地保护,当单相绝缘损坏碰到外壳,使金属外壳呈带电状态时,人员触及带电金属外壳可以避免触电事故的发生。这是因为电流经过两条并联电路流通,一路通过接地线、大地,另一路是通过人体、大地。由于接地电阻(要求不超过4Ω,最大不超过10Ω)比人体电阻(最小l000Ω)小得多,所以大部分电流通过接地体入地,只有很小部分电流通过人体,即通过人体的电流不超过人体安全电流,从而保护了设备和人员安全。

此时中性点漂移,另外两相对地电压将升高为380V,也就是说,另外两相原来对地电压为220V,一相接地故障发生时,另外两相对地电压升高为380V。但各相间电压(线电压)仍然对称平衡,因此,三相用电设备仍可以继续运行。为防止非接地相再有一相发生接地,造成两相短路,所以规程规定单相接地时继续运行时间不得超过2小时。如果不及时排除故障,绝缘设施长时间承受过高电压将导致事故。

当中性点不接地系统单相接地电流超过规定值时,为了避免产生断续电弧,避免引起过电压或造成短路,减小接地电弧电流并使电弧容易熄灭,中性点应经消弧线圈接地。消弧线圈实际上就是电抗线圈。

假设,C相对地短路,由于中性点接地电抗的存在,感性对抗电流滞后90。,而线路分布电容电流超前90°,从而有效减小了短路电流的电弧,如图2所示。

TT供电系统由于没有配中性线N,不适台于有单相用电的通信设备。这种设备只适合有特殊要求的场所,如电力炼钢、重要的手术室、重要的实验室、地下矿井或坑道指挥所、重要通信枢纽特定设备等,该供电系统对用电设备的耐压要求较高。

另外,中性点直接接地的情况又是怎样的呢?

中性点直接接地系统发生单相接地时,通过接地中性点形成单相短路,产生很大的短路电流,保护单元动作切除故障线路,使系统的其他部分正常运行。

由于中性点直接接地,发生单相接地时,中性点对地电压为零,非接地的相对地电压不发生变化。

 3 TN-C供电系统及接地方式

TN系统的电源中性点直接接地,拜引出有中性线N线、保护线PE线或保护中性线PEN线,属于三相四线制系统。

如果系统中N线与PE线金部合为PEN线,则系统称为TN一C系统。

如果系统中N线与PE线全部分开,则系统称为TN一S系统。

如果系统中前一部分N线与PE线合为PEN线,而后一部分N线与PE线全部分开则称为TN一C一S系统。

TN系统中设备发生单相碰壳漏电故障时,会形成单相短路回路,因该回路内不包含任何接地电阻,整个回路内阻抗很小,短路电流很大,足以保证在最短的时间内熔断熔丝,保护装置或自动开关跳闸,从而切除故障设备的电源,保障人身及设备安全。

TN一C供电系统常称为三相四线制供电系统,该系统中性线N与保护接地线PE合二为一,即其工作零线兼作保护线,通称为PEN线,如图3所示。极不稳定,造成中性线接地电位漂移。不但使设备外壳带电,对人身不安全,而且由于在电位基准点上叠加了这个漂移电位,从而使以其为基准电位的电子设备受到噪声电压的干扰,增加了话音的噪声电平,使设备工作不稳定。因此,TN-C系统不应作为通信枢纽的供电及接地方式。

  4 TN-S供电系统及接地方式

TN一S供电系统有五根线,即三根相线U、V、W,一根中性线N和一根保护接地线PE,电力系统仅一点接地,用电设备的外露可导电部分(如外壳、机架等)接PE线,如图4所示。

这种供电系统对接地故障灵敏度高,线路经济简单。在一般情况下,只要选用适当的开关保护装置和足够的导线截面积,就能满足安全要求。目前,采用这种供电系统的比较多,适用于三相负荷比较平衡且单相负荷容量较小的场所。
使用该系统时不能有些设备接零保护、有些设备接地保护,这是非常危险的。因为一旦接地设备发生相线绝缘损坏时,而保险丝熔断电流叉较大,不能及时切断故障部分电器,接零设备的外壳将带危险电压。所以,应特别注意不能接地、接零混用。

在通信枢纽中由于存在一定数量的单相负载,难以实现三相负载平衡。PEN线上的不平衡电流,加上线路中存在着开关电源或整流器产生的三次谐波电流及荧光灯等引起的高次谐波电流,在非故障情况下,会在中性线N上叠加,且电流时大时小。

TN一S供电系统的特点是,中性线N与保护接地线PE除在变压器中性点共同接地外,两线不再连接。中性线N在三相负载不平衡时有电流流过,而PN线在正常情况下没有电流流过。该供电系统接地后完金具备安全性和可靠性。在建筑物或军事设施内设有独立变配电所时常用该系统。只是多了一根PE线,增加了工程投资费用。另外因PE线上不流过电流,该系统有较强的电磁适应性。TN一S系统可以作为通信枢纽等优选供电及接地系统。

  5 TN-C-S供电系统及接地方式

TN一C一S供电系统由两个接地系统组成,前部分有四根线,是TN一C供电系统;后部分有五根线,是TN一S供电系统。分界点在N线与PR线的连接点处,分开后就不允许再合并。

这种供电系统一般用在民用建筑物的供电由区域变电所引来的场所。迸户前采用TN-C供电系统,迸户后变成了N-S供电系统。目前,新建通信及其它设施中也常见。

由于该系统PEN线上正常工作时有电流,使系统的PE线上和接于PE线上的电气设备金属外壳有对地电压存在,只是该系统PEN线多是系统干线,阻抗小,对地电压较低。因此,这种系统接地方式不适宜作为通信枢纽最佳供电系统及接地方式。

  6 TT供电系统及接地方式

通常称TT供电系统属于三相四线制供电接地系统。该系统常用于设备供电来自于公用电网的地方,民用郊区较常见。

TT供电系统的特点:中性线N与保护地线PE无电气连接,即中性点接地与PE线接地是分开的,因此设备的外壳与电源的接地无直接联系。即设备的外露可导电部分均与系统接地点无关,各自的接地装置单独接地。

设备外壳是地电位,不会产生火花或电弧,因此较为安全。但当接地发生故障时,接地电流需流过设备接地电阻Re和电源中性线接地电阻Rn,回路阻抗较大,故障电流比TN供电系统小,降低了线路保护装置的动作灵敏度。

该系统在正常运行时,不管三相负载是否平衡,在中性线N带电的情况下,PE线均不带电,如图6所示。

当设备发生一相(线)绝缘损坏,将导致设备外壳上带有电压。此时如有人员触接中性点连接线或与此中性线相连的设备外壳都不安全,并且其余两相对地电位也将上升超过300V,所以,这种供电系统必须特别注意合理配置高灵敏度的过流保护装置。

当相线与外壳相碰时,因为线路电阻很小,W相电压就几乎全部加在两个接地电阻电源中线点接地电阻Rn,保护接地电阻Re)上,按照接地电阻规程规定,这两个电阻都不得超过4Ω(有些地区实际上要求不超过10Ω),所以,接地短路电流值可由下式求得

I1=U/(Re+Rn)=220/(4+4)=27.5(A)

I2=U/(Re+Rn)=220/(10+10)=11(A)

对应单相的电功率为P=Ulcosφ=220×11×0.8=1936(W)

27.5A电流可以使额定电流10A的熔丝熔断(熔丝通过大于额定电流3倍以上才能迅速熔断),切断电源,IIA电流可以使额定电流4A的熔丝熔断切断电源,从而防止触电事故发生。

但是对于熔丝额定电流大于10A的用电设备,这个短路电流就不能便其迅速熔断,这样Rn和Re上都有110V的电压,即所有与该接地装置相连的电气设备的金属外壳,对地郡有110V电压。当人体与设备金属外壳接触时,会发生触电。所以这种系统可以在小功率范围使用,如不超过1kW时是可靠的。

另外,该系统故障电流较小时可以通过加装漏电保护开关来弥补,以完善保护接地的功能。

由上述可见,保护接地适用于中性点没有接地的电源供电系统中的电气设备,对于电源中性点接地的供电电网中,保护接地有局限性。为了保护电气设备,使熔断器等保护设备可靠动作,避免触电危险,+性点接地时采用保护性接零,如TN供电系统。

值得注意的是,在一个地区应使用同一种供电系统,不可同时混用多种供电系统,以确保用电设备安全可靠运行。

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