低压成套开关设备中中性线保护及四极断路器应用优化方案

1.各种电源接地系统中有关中性线的保护方案

中性线的截面积与低压电网的接地形式密切相关。如果中性线的截面积规格选择正确时，一般无需为中性线配备特殊的保护措施，因为相线的保护措施足以兼顾到中性线的保护；如果中性线因为三次谐波电流的原因或中性线的截面积不够大，则中性线需要配备过载保护和短路保护。

在TN-C系统中，中性线在任何情况下不得断开，因为在TN-C系统中中性线同时也是用于保护的PE线；在TT、TN-S和IT系统中，当低压电网的线路发生故障时则要求断路器同时断开所有线路，其中包括中性线。

表1-40是在TT、TN-C和TN-S系统中断路器对中性线保护配置方案。

表1-40 在TT、TN-C和TN-S系统中断路器对中性线保护配置方案

2.在低压成套开关设备中使用四极隔离开关和四极断路器的问题

若某低压配电网是单电源供电的，将三条相线切断后，中性线有可能会带危险电压。其原因是：

1）低压配电网内发生单相接地故障，故障电流在低压配电所内接地极电阻R_b上产生电压降，使中性点和中性线对地带危险电压。

2）若中压侧保护接地和低压侧系统接地共用接地装置，当中压侧发生接地故障时，其故障电流在低压配电所内接地极电阻R_b上产生电压降，使中性点和中性线对地带危险电压。

3）低压线路上感应的雷电过电压沿中性线进入电气装置内。

这些中性线上的危险电压可能持续时间长，或者电压幅值非常高，都可能在电气维修时引发电气事故。为此，在低压成套开关设备或者在线路的适当位置中装设四极隔离开关，用以实现中性线电气隔离。

装设四极隔离开关需要注意以下若干问题：

（1）TN-C接地系统中不允许装设四极隔离开关

虽然采用四极开关切断中性线可保证电气维修安全，但TN-C系统的PEN线内包含PE线，而PE线是严禁切断的，因此TN-C系统内不允许装用四极开关。

（2）TN-C-S接地系统和TN-S接地系统中可不必装设四极隔离开关

IEC标准和我国电气规范都规定了在建筑物内设置总等电位联结的要求，一些未做总等电位联结的老建筑物因金属结构、管道等互相之间的自然接触，也具有一定的等电位联结作用。由于这一作用，TN-C-S系统和TN-S系统可不必为电气维修安全装用四极开关。

（3）TT接地系统需要在低压成套开关设备进线处装设四极隔离开关

在TT系统内，即使建筑物内设置有总等电位联结，也需为电气维修安全装用四极开关。

因为TT系统内的中性线和总等电位联结系统是不相连通的，所以TT系统中的电源中性线带有一定的电压，设此电压为U_b。见图1-63a。

当TT系统电源接入低压成套开关设备后，低压成套开关设备的外壳接入总等电位联结系统，并且总等电位联结的电压为地电位即0V。可见，低压成套开关设备的外壳被良好接地。

我们看图1-63b。当TT系统发生单相接地故障后，接地电流I_d流过变压器中性点接地极电阻R_b，于是在R_b上产生了较高的电压U_b并使得N线电压上升，有可能对人身产生伤害作用。

为此TT系统应在低压成套开关设备的电源进线处装设四极开关，即图1-63中的QF采用四极抽出式断路器，或者在断路器前加装四极隔离开关。

（4）IT接地系统

IT接地系统一般采用三相三线制，不引出N线。如果IT接地引出了中性线，当发生单相接地故障时，中性线对地电压将上升为相电压，此现象与图1-63有些类似。考虑到电气维修安全，低压成套开关设备的进线处需要选配四极进线开关。

（5）双电源切换对开关极数的要求

变压器电源和自备发电机电源之间的切换是否需要断开中性线与许多条件或因素有关，包括两电源回路的接地系统类别、两电源回路是否接入同一套低压成套开关设备、系统接地的设置方式、电源回路有无装设RCD或者单相接地故障保护等，情况较为复杂。为此，IEC标准并未做出明确的规定。

图1-63 TT系统N线上的电压Ub

我们来看如下不同的双电源配置方案：

1）两电源安装在同一场所内，且共用相同的低压成套开关设备，则进线回路或者双电源切换回路应当采用四极开关，如图1-64所示。

图1-64 安装在同一场所内的双电源互投方案之故障电流(www.xing528.com)

从图1-64中，我们看到用电设备的前端安装了两只带RCD保护的三极断路器QF11和QF21作双电源互投，我们假定QF11合闸而QF21分断。我们看到无论是用电设备发生了单相接地故障还是三相不平衡，单相接地故障电流或者三相不平衡造成的中性线电流均有可能流过QF21回路的N线和PE线。因为QF21的RCD保护作用，QF21处于保护动作状态，无法进行有效的合闸。反之亦然。

图中从QF21回路的中性线或者PE线流过的电流就是非正规路径的中性线电流。非正规路径的中性线电流会引起一些不良后果。例如非正规路径中性线电流所流经的通路有可能形成包绕环，包绕环内产生的磁场将可能对敏感信息设备产生干扰，同时还有可能产生断路器误动作。

解决的办法就是将QF11和QF21采用四极开关，切断故障电流流过的通路。

2）双路配电变压器互为备用电源，或者变压器与柴油发电机互为备用电源，且变压器和发电机的中性点均就近直接接地。若两套电源共用低压成套开关设备，则进线回路应当采用四极开关。

标准摘录：IEC 60364-1：2005《Low-voltage electrical installations Part 1：Fun-damental principles，assessment of general characteristics，definitions》（低压电气装置，第1部分：基本原则、一般特性评估和定义）。

IEC 60364中的TN-S接地系统

图中，

Source——电源；

Installation——装置；

Earthing at the source——在电源处接地；

Earthing in the distribution——在配电系统中的接地；

Earthing of system through one or more earth electrodes——系统的接地可通过一个或者多个接地极来实现；

Exposed-conductive-part——外露可导电部分；

Distribution（if any）——配电系统（如果有）。

我们从中看到，TN-S的PE线是可以有多点接地的。我们看到变压器的中性点可以就地直接接地，而低压成套开关设备的进线回路中可以再次接地。

如图1-65所示，我们看到低压配电网为TN-S接地型式，且变压器的中性点就近接地，从变压器引三相、N线和PE线到低压成套开关设备进线回路中。低压进线断路器和母联断路器均为三极开关，进线断路器配套了单相接地故障保护。正常使用时两进线断路器闭合而母联打开。

当I母线上的用电设备发生单相接地故障时，我们看到正确的路径是，用电设备外壳→PE线→PE线和N线的结合点→Ⅰ段N线→Ⅰ段接地故障电流检测→Ⅰ段变压器。这条路径是正确的。

由于N线和PE线结合点的不确定性，例如此点可安装在两进线回路的进线处，于是单相接地故障电流的非正规路径可能是，用电设备外壳→PE线→Ⅱ段进线PE线和N线结合点→Ⅱ段N线→Ⅱ段接地故障电流检测→Ⅰ段N线→Ⅰ段接地故障电流检测→Ⅰ段变压器。沿着这条路径流过的电流就是非正规路径的中性线电流，它可能引起Ⅱ段进线断路器跳闸，使得事故扩大化。

解决的办法就是将低压进线回路和母联回路均采用四极开关，切断故障电流流过的非正规路径，消除事故隐患。

同理，若将其中一台变压器更换为发电机，则发电机的进线断路器也必须采用四极开关。

图1-65 在TN-S下进线回路和母联回路应当采用四极开关

结论：

当两套电源同处一室（共地），且共用同一套低压成套开关设备，则低压成套开关设备的进线和母联回路需要使用四极开关。

3）两套电源同处一室（共地），但不共用低压成套开关设备，则二级配电设备中的电源转换开关可采用三极开关。

如图1-66所示，我们看到变压器与发电机在同一座低压配电所内，但两者不共用低压成套开关设备。

我们看到二级配电设备的断路器QF11的负载发生了三相不平衡，于是用电设备的中性线中出现了三相不平衡电流。三相不平衡电流的路径是，用电设备中性线N极→二级配电设备N线→变压器配电中性线→变压器进线回路的接地故障电流检测→变压器中性点N。这条路径是常规的路径。

由于ATSE在转换上是单方向的，它只能在变压器进线和发电机进线中单选一，因此中性线电流不会出现在非常规的路径中。

在此情况下，ATSE开关可以使用三极的产品。

图1-66 同处一室且不共用低压成套开关设备的两套电源系统互投切换