供电系统和电气保护优化设计

1.供电系统

在电力供电系统中，通常采用三种供电制：三相五线制、三线四线制和三相三线制。在这些供电制中，电源与用电设备之间的电气连接及保护性接地系统是各不相同的。这里主要且简单地介绍一下供电系统的接地模式。

对于交流电压1000V（有效值）以下的电气系统，系统的接地模式有三种：TN系统、TT系统和IT系统。

（1）TN系统

在这种接地系统中，电源侧有一点直接接地，用电设备的外露导电部件通过中性导体或保护性导体也直接接地。TN系统又可分为以下三种形式：TN-S系统、TN-C系统和TN-C-S系统。

1）TN-S系统

在TN-S系统中，整个系统的中性导体（N）和保护性导体（PE）是分开设置的，也就是说，从电源侧开始中性导体和保护性导体分别单独地与电气设备连接。TN-S系统如图11.12所示。

2）TN-C系统

在TN-C系统中，整个系统的中性导体（N）和保护性导体（PE）是合二而一设置的，被称为保护中性导体，也就是说，从电源侧开始中性导体和保护性接地导体共用一根导线与电气设备连接。TN-C系统如图11.13所示。

图11.12 TN-S系统

L1、L2、L3—相线 N—中性线 PE—保护性接地线

图11.13 TN-C系统

L1、L2、L3—相线 PEN—中性线-保护性接地线

3）TN-C-S系统

在TN-C-S系统中，系统的中性导体和保护性导体，一部分是合二而一设置的，另一部分是分而治之设置的。TN-C-S系统如图11.14所示。

图11.14 TN-C-S系统

L1、L2、L3—相线 N—中性线 PE—保护性接地线

在爆炸性气体环境中，设计人员应该采用TN-S系统，假若采用TN-C系统和TN-S系统的转换系统（即TN-C-S系统），这种转换应该在非危险场所进行，在那里将保护性接地线连接到等电位系统中。

这里需要指出的是，不管是在爆炸性危险环境中还是在非爆炸性危险环境中，只要将TN-C系统转换为TN-C-S系统，就不允许再将TN-C-S系统反向转换为TN-C系统。

在危险场所中，设计人员还应该考虑到中性点的电位可能引起的麻烦。因为用电负荷的不平衡将会导致中性点电位升高，不处在地电位（0电位），于是，中性线和保护性接地线之间就产生一个电位差。显然，这是一个十分令人讨厌的问题。

（2）TT系统

在TT系统中，电源侧有一点直接接地，用电设备的外露导电部分也直接接地，但是，两个接地点在电气上是相互独立的。TT系统如图11.15所示。

在爆炸性危险场所的1区中，如果采用TT系统，应该在电源侧设置漏电保护装置进行电气保护。

接地电阻高的地方不允许使用这种系统。

图11.15 TT系统

L1、L2、L3—相线 N—中性线

（3）IT系统

在这种系统中，电源侧不直接接地或通过高阻阻抗接地，用电设备的外露导电部分直接接地。IT系统如图11.16所示。

假若在爆炸性危险场所中使用这种接地系统，设计人员应该在系统中设置绝缘监测装置，实时监测接地故障。

图11.16 IT系统

L1、L2、L3—相线

除了上述的千伏级以下的供电系统外，在爆炸性气体环境中还有可能使用特低电压供电系统。这种系统用符号SELV（Safety Extra Low Voltage）和PELV（Pro-tective ExtraLow Voltage）表示；系统的标称电压不超过交流50V（有效值）和直流120V；系统的电源为符合国家标准GB 19212.7《电力变压器、电源装置和类似产品的安全 第7部分：一般用途安全隔离变压器的特殊要求》规定的安全隔离变压器电源或其他等效的安全电源。这些系统应该符合国家标准GB 16895.21—2011《低压电气装置 第4—41部分：安全防护电击防护》和GB 3836.15《爆炸性气体环境用电气设备 第15部分：危险场所电气安装（煤矿除外）》的相关规定，这里不再赘述。

2.电气结线

在爆炸性气体环境中，一般情况下，要求采用TN-S系统；当采用其他供电系统（TT系统，IT系统）时还应该附加相应的漏电保护或绝缘检测装置。

（1）设备连接

在爆炸性气体环境中，防爆电气设备的电气输入和电气输出都必须通过电缆引入装置进行。

电缆引入装置是保证防爆电气设备防爆安全性能的关键环节。在爆炸性危险环境中进行电气设计和安装时，设计人员和安装人员不仅要仔细地考虑电气系统的电气性能，而且还应该根据防爆型式来考虑电缆进入设备的方式。

因而，在系统设计时，设计人员必须考虑设备类型和操作方式，从而选择符合安装要求的设备。

这里所说的“设备类型”是指防爆电气设备是终端设备还是控制设备。如果是终端设备，例如电动机，则它只输出机械功；例如照明灯具，则它只发出光和热，如此等等。这样，设备只需一个电缆引入装置将电源引入设备就可以了。如果是控制设备，则它不仅有电源输入而且还有电气输出（控制信号），这就需要一台设备设置多个电缆引入装置，而且这些引入装置的尺寸也是不同的。(www.xing528.com)

这里以隔爆型磁力起动器为例来说明一下。磁力起动器的电气控制原理示意图如图11.17所示。人们希望在不同的位置通过它控制一台隔爆型交流三相异步电动机。为此，设计人员在选择隔爆型磁力起动器时应该考虑以下两种情况：

第1种情况：仅要求在“本地”进行控制。此时，控制设备只需设置两个电缆引入装置，一个供电源进入控制设备，另一个从控制设备引出电源，然后进入被控制设备。

第2种情况：除“本地”控制外，还需要在“异地”进行控制，即“远程”控制。此时，控制设备需要设置三个电缆引入装置，除符合本地控制的要求外，第3个电缆引入装置引出电缆供“远程”控制按钮连接使用。

当然，对于隔爆型交流三相异步电动机来说，中性线（N）和保护性接地线（PE）可以合二为一，采用TN-C系统。

由此可见，为了能够合理而有效地选择和安装防爆电气系统，在设计和施工时，人们应该遵守以下原则：

①采用TN-S系统供电。

图11.17 控制设备电气连接示意图

1—电源输入电缆引入装置 2—电源输出电缆引入装置 3—电气输出电缆引入装置 4—控制设备（隔爆型磁力起动器）

②按照用电设备-控制设备-配电设备的顺序从“低层”逐渐向“高层”计算和核算电流，并以这些电流来选择相应的电缆。

③根据功能和电流（电缆外径）来选择相应的防爆电气设备（电缆引入装置）。

④选择防爆电气设备后还要再核算一下电缆外径与电缆引入装置的匹配性。

当人们按照上述原则完成相应的作业后，现场施工将不会遇到太大的麻烦。

（2）接地

大家知道，普通工业或民用供电系统接地的主要目的是保障人和设备的安全。然而，在爆炸性气体环境中，系统接地，除上述目的外，还能够防止可能出现的点燃爆炸危险。

在爆炸性危险场所中，防爆电气设备需要接地时通常采用双重接地模式（移动式设备除外），既进行所谓的“内接地”（主接地），又进行所谓的“外接地”（辅助接地）。这一点很重要。

在这里我们建议，为了适应防爆电气设备的这种双重接地模式，在爆炸性危险场所中安装电气系统时应该采用TN-S系统，即所谓的“三相五线制”。这是因为，通常情况下，防爆电气设备是通过专门的电缆引入装置将电缆引入设备的，假若引入电缆的芯线中不包含保护性接地线，那就无法实现内接地。TN-S系统就要求引入电缆必须具有保护性接地芯线，直接同电源的接地网络相连接，实现设备的内接地功能。

至于保护性接地芯线导体的截面积，不管是TN系统，还是TT系统，抑或IT系统，都必须有一个最小截面积（表11.4）。而且，它的材质必须与主电路（相导体）的材质相同，否则最小截面积必须按照材料的电导率进行相应的修正。

表11.4 保护性接地芯线导体截面积与主电路导体截面积的关系

这里应该指出的是，假若按照表11.4得出的计算值不是标称值，应该进行圆整并选取比它大的标称值，而且这个值无论如何也不得小于4mm²。

除了设备的内接地外，设备还应该进行可靠的外接地。外接地的接地导体直接就近连接在当地的接地网络中；有时候，设备的金属外壳安装在接地的金属结构件上并同它保持“金属”接触，也可以被认为是一种外接地。

（3）等电位连接

爆炸性危险场所中的电气安装，要求各个可能成为导电部件的金属结构件进行等电位连接，以保证这些结构件不管在任何情况下都处于同电位（地电位）。

在TN系统、TT系统和IT系统中，所有外露的导电部件，例如保护性导线、金属导管、电缆的金属护套、铠装电缆的铠装金属丝（铠装金属带）和所有装置的金属结构件，都必须可靠地连接在等电位系统中。但是，中性导体（中性线）不得进行等电位连接。

在这种连接中，假若外露的导电部件安装在接地的金属结构件上，并同金属结构件保持“金属”接触的话，那么，人们就没有必要再单独进行这种等电位连接。

“i”本质安全型设备的外露金属部件，采用阴极保护措施的相关金属结构件，也没有必要进行等电位连接。

3.电气保护

在爆炸性气体环境中电气网络的保护，除符合普通电气网络应该具有的保护措施外，还应该考虑这种环境的特殊情况提出一些专门的保护要求。

设计人员应该对用电设备设置过载、短路和接地故障保护。

通常认为，当用电设备发生过载时，如果过载电流超过额定电流10倍以上，则这样的“过载”被认为是“短路”。这是一个模糊的概念。

对于旋转电动机来说，过载保护装置可以选用：

①延时时间继电器，监控三相过载电流的延续时间。当整定值为1.2倍额定电流时，过载保护装置应该在2h以内动作；当整定值为1.05倍额定电流时，过载保护装置应该在2h以内不动作。

②温度传感元件，嵌入电动机绕组内以监控绕组的温度。

③其他的等效元器件或装置，例如熔断器等。

此外，还应该防止三相电动机在断相情况下运行。

对于变压器来说，设计人员也必须配置过载保护装置，除非一次侧在额定电压和额定频率条件下二次侧发生的持续过载（短路）电流不会造成不允许的危险温度，或者，二次侧不可能发生短路。

对于除电动机以外的其他用电设备来说，短路和接地故障是威胁电气安全的主要因素。

短路和接地故障的保护装置不应该在故障没有排除之前使被保护系统自动重新合闸。

对爆炸性危险场所供电，设计人员还应该配置紧急断电措施和电气隔离措施。

紧急断电措施应该设置在危险场所以外，在紧急情况下拉闸断电。但是，在危险场所中必须连续运行的设备不得包括在紧急断电电路中，应该另设单独的线路，以防止危险场所中事故状态进一步恶化。

电气隔离措施是为了便于某一电路断电或供电而设置的。例如，在用电设备的前一级安装隔离开关，等等。

这里必须特殊指出，电气系统的中性线不得安装如熔断器之类的自动切断装置。在实际应用中，中性线突然断开后不平衡的电压和电流导致设备损坏的例子比比皆是。