专利名称：一种低压配电系统接地保护方法及其装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及低压配电系统领域，尤其是涉及一种低压配电系统接地保护型式及其使用的专用装置。
现有的低压配电系统接地型式是执行IEC标准中的TC64标准和国家级现行接地设计规范GBJ65-83。在这些标准及规范中有三种接地方式；TN、TT、IT。这三种系统各有特点，也各存在一些问题。
在TN系统中，系统中有一点直接接地，设备的外露可导电部分用保护线PE与该点连接，按中性线N与保护线PE的组合情况，TN系统又分为TN-S、TN-C等。由于单相接地阻抗值太小，使得接地电流太大，往往造成成严重的越级跳闸故障，扩大停电范围，延长恢复供电时间，使得停电损失严重；烧伤低压空气断路器的主触头，造成设备损失或形成严重隐患，即主触头可能粘结；当接地电流超过1000A时已超过国内外30mA漏电保护器的二次线圈所能承受的最大剩余电流，如果二次线圈因过热而损坏，其后果是人身安全受到严重威胁；又由于接地电流过大，易造成电磁干扰，地电位差大对计算机等设备也不利。
在TT系统中，系统中一点直接接地，设备的外露可导电部分接到与系统无关的接地点。由于单相接地阻抗中有2个独立的大地阻抗，其和往往较大而且难以保证长期稳定。为了实现自身的优点，即有选择性跳闸，因接地电流较小，不能瞬动的各级不得不加许多且分散的剩余电流保护器，依靠时间分割来分励脱扣已接地有低压空气断路器最下级，以上各级作为备保护。因此投资较大，维修较难。
在IT系统中，系统中带电部分不直接或经过一定的阻抗接地。由于单相接地阻抗过大，接地电流过小。首次接地时供电不停，这是IT接地系统的突出优点，即供电可靠性高，但如何尽快找出首次接地的位置并给予消除是IT接地型式的突出不足，为解决这一问题就要增加大量的分散在各处的高灵敏度的剩余电流检测器，其投资比TT接地型式高得多，且维修量也大得多。
根据电力系统接地保护方式设计规范要求，接地保护系统必须要保证有很高的可靠性和抗干扰性、很好的操作性和安全性，虽然上述接地型式各有特点，也能基本满足设计规范要求，但始终缺少一个能综合上述接地型式的优点并能解决上述问题的设计方案。
本发明的发明目的是提供一种对低压配电系统中单项接地故障具有IT系统的可靠性，有TT系统的选择性同时又具备TN系统投资成本低等综合特点的接地保护型式。
为了实现上述目的，本发明提供了一种低压配电系统接地保护方法，从变压器中性点通过电线汇接成一个总中性点N，一个与大地直接相联的负载配电安全保护总线PE，所述总中性点N与所述保护总线PE之间安装有一个阻抗，其特点在于所述阻抗为限流阻抗，所述限流阻抗值是可以调节控制的，通过控制所述限流阻抗可以控制接地电流按预定的设计规律变化。由于该方案可以必变电阻，所以该方案兼顾已有接地型式有优点，使接地故障以最佳方案检测出予以排除，而且该方案投资很小。由于该方案可以实现在首次接地后继续供电继续供电，因此本方案供电可靠性同IT系统。
上述的接地保护方法，其特点在于对所述限流阻抗的控制是采用多个接触器或低压空气断路器，或者多个接触器和低压空气断路器的组合依次短接所述限流阻抗来实现的，所述接地电流被逐渐增加从而使紧接已接地的低压空气断路器跳开，所述接触器或接触器和低压空气断路器的闭合或释放是通过至少一组电路控制器来完成控制的，所述控制器的电源来自接地故障后限流阻抗的两端。
上述的接地保护方法，其特点在于所述控制器安装在所述总中性点N与所述保护总线PE之间，所述控制器的自动控制过程是通过多个接触器或者多个接触器和低压空气断路器的组合、继电器以及相应控制触头的逻缉组合构成的逻辑控制电路来实现的。由于只采用接触器或低压空气断路器、继电器等控制元件，其使用寿命都可达上千万次，所以可靠性和使用寿命是最高的。该方法具有电流、时间双参数保护，故分励时间短。
上述的接地保护方法，其特点在于对所述限流阻抗的控制可采用一套或两套并列运行，或者一套运行另一套维修。一方面该方案在线运行时仍可检测维修，另一方面在无事故时，可随时检测，在发生事故时该方案在IT型式下首次接地允许时间较长，故维修时间可随时进行。
上述的接地保护方法，其特点在于所述控制器的电源为来自接地故障后限流阻抗两端的可控电源。
上述的接地保护方法，其特点在于所述限流阻抗可以适用电抗器、电阻器或电容器。最佳方案是采用电抗器。
本发明的另一个发明目的是提供一种采用上述接地型式的接地保护装置，该装置对低压电力系统中单项接地故障具有较高的供电可靠性、使用安全性和干扰性，易于检测故障首次发生地，且整个装置投资成本低。
为了实现上述目的，本发明提供了一种低压配电系统接地型式中的保护装置，主要由一个与变压器中性点相联的总中性点N、一个与大地直接相联的负载配电安全保护总线PE以及所述中性点N与所述保护总线PE之间安装的一个限流阻抗组成，其特点在于所述限流阻抗为一组中间带有多个抽头的联合阻抗，所述抽头与一个接触器或低压空气断路器或者及其组合的一端相联，所述接触器或低压空气断路器或者及其组合的另一端与所述总中性点N相联，在所述总中性点N与所述保护总线PE之间安装有至少一组控制所述接触器或低压空气断路器或者及其组合的闭合或释放的控制器，所述控制器的电源来自所述限流阻抗的两端。采用带有多个抽头的联合阻抗作为可变限流阻抗可以采用标准元件，提高元件的可靠性和使用寿命，同时可大大降低制造成本。可变限流阻抗可以根据实际现场配电层次需要，相应制成多级结构。
上述的接地型式中的保护装置，其特点在于所述控制器是一个由多个接触器或者多个接触器和低压空气断路器、继电器以及相应控制触头的逻缉组合构成的逻辑控制电路。
上述的接地型式中的保护装置，其特点在于在所述中性点N与所述保护总线PE之间安装有电压继电器JV、继电器J0、警铃L和警铃熔断器RL；所述控制器1K安装在中性电位点N62与保护总线PE之间；在所述限流阻抗与所述总中性点N之间串联安装有多个熔断器且并联有一个警笛，所述熔断器的两端分别与2个接触器或低压空气断路器的端点相联。
上述的接地型式中的保护装置，其特点在于所述限流阻抗为一个电抗器，所述电抗器由一节带铁芯的线圈和带多个抽头的空心线圈组成，所述空心线圈的绕线电线缆直径可在所述空心线圈的不同抽头点段逐渐变大或变小。
上述的接地型式中的保护装置，其特点在于所述抽头还可与一个低压空气开关的一端相联，所述低压空气开关的另一端与所述总中性点N联通；所述控制器中的低压空气断路器带有失压脱扣器本发明的接地型式及其保护装置，具有IT系统的可靠性又解决IT系统致命缺点，即难以检测N线引出后多回路的首次接地。本接地型式运行在N线引出的IT接地型式下，发现有接地时能自动判断。如果是处于消防状态则维持IT型式继续运行；如果不是消防状态则立即进入寻找首次接地故障，这样可以使大于99％的首次接地故障在零点几钞内被找出，而且可以立即切除故障使系统恢复正常，留下小于1％的首次接地故障一般会发生在低压配电室内，采用人工排除在时间上是完全允许的；在采用自动切除的情况下，本保护装置还安装了报警装置，由人工介入进一步处理。由于该装置控制元件少，集中投资少，且控制元件集中维修方便。
下面结合附图进一步说明本发明的实施例
图1是采用本发明所示接地方法的一套保护装置的示意2是本发明所示接地保护方法的两套并行的保护装置示意3是一种采用可变限流电抗器的5级接地保护装置图4是图3中所示控制器的逻辑电路5是一种联合使用接触器和低压空气开关的接地保护装置图6是图5中所示控制器的逻辑电路7是图1所示接地型式现场接地保护系统设计的流程框8是一种在接地保护装置中使用的可变限流电阻器在图1和图7中，该低压配电系统接地保护型式，基本体现了本发明的主要构思。该可变限流阻抗和控制器1K安装在总中性点N和配电安全保护总线PE之间，该可变限流阻抗可以根据现场实设计需要，将阻抗分为1、2、3.....n-1、n段，该阻抗分别联接n个接触器KM1-1、KM1-2、KM1-3、……KM1-(n-1)、KM1-n。控制器1K主要由接触器和继电器组成。在图7中，低压配电现场接地保护系统设计了5级瞬动过电流保护和3级剩余电流保护。其中，16A低压空气断路器、63A低压空气断路器、100A低压空气断路器、225A低压空气断路器、400A低压空气断路器和带有剩余电流保护的630A低压空气断路器、2000A低压空气断路器、4000A低压空气断路器。该阻抗所分别联接的接触器n＝5。起始状态为IT接地型式，该系统可随时检测单项接地故障。
当接地保护型式经常运行在供电可靠性最高的IT接地型式，从而确保首次接地时仍然继续供电，以适应应急电源对可靠性要求。当处于非应急状态时，发生单相接地故障时，产生接地电流，例如，接地电流大于5A时，在该可变限流阻抗上产生接地电压，首先使控制器1K中接触器动作，进而使联接阻抗1两端的自动控制接触器KM1-1闭合，该可变限流阻抗阻抗值变小，单相接地电流增大，当其电流值超过相应级后面已接地的16A低压空气断路器瞬动电流值时，该低压空气断路器瞬动跳闸，切除接地故障；如果不是上述相应级低压空气断路器后面的单相接地故障则阻抗2两端的接触器KM1-2在控制器1K的作用下继续闭合，又使该可变限流阻抗阻抗值变小，单相接地电流增大，当其电流值超过相应级后面已接地的63A低压空气断路器瞬动电流值时，该低压空气断路器瞬动跳闸，切除接地故障；同样重复上述过程，阻抗3、阻抗4、阻抗5两端的接触器KM1-3、KM1-4、KM1-5在控制器1K的作用下继续闭合，继续使该可变限流阻抗阻抗值变小，单相接地电流增大，直至相应的低压空气断路器瞬动跳闸，切除接地故障；如果这时接地故障仍不能消除，单相接地电流超过该低压配电系统所设计的低压空气断路器的最大瞬动电流值，则在控制器1K中的继电器产生动作，相应启动系统设计中的3级剩余电流保护装置，这时检测过程回到起始IT接地型式的状态。由于发生这种情况很少，约只有小于1％，再加上3级剩余电流保护装置的低压空气断路器一般安装在低压配电室，所以一旦发生完全可在规定时间要求内由低压配电值班室的工作人员加以排除，人工检测处理易行。
在图2中，本发明的另一种实施例，接地保护可变限流阻抗调整和控制部分采用了两套并行的保护装置。一套结构同图1中所示，另一套所采用的可变限流阻抗不变，每段阻抗n也分别联接n个接触器KM2-1、KM2-2、KM2-3、……KM2-(n-1)、KM2-n。控制器2K主要由多个接触器和继电器组成。为了保护接触器还在任意两个接触器KM1-n或KM2-n的两端之间安装有熔断器R1-1、R1-2、……R1-(n-1)和R1-n或R2-1、R2-2、……R2-(n-1)和R2-n。采用两套并行的保护装置可大大提高系统的可靠性和易维护性。当然，该方案即可一套使用，又可两套并行使用，或者一套使用，一套维修。
在图3中，本发明的另一种实施例是采用一个可变限流电抗器的5级接地保护装置。该可变限流电抗器为一个联合电抗器，该可变电抗器由带有铁芯的线圈Z1和带有插头的空心线圈Z2、Z3、Z4、Z5、Z6组成。在本实施例中，该电抗器总电抗44Ω，带有铁芯部分的线圈Z1的电抗为42.65Ω。为了降低成本，空心线圈Z2、Z3、Z4、Z5、Z6的绕线线径是逐渐变粗的。同时，为了保护空心线圈Z2、Z3、Z4、Z5、Z6的热稳定性，每段均对应安装有熔断器。即在线圈Z1两端点的总中性线电位点N6、N5之间联接第一个接触器M1的主触头，在中性线电位点N4、N5之间联接有第二个接触器M2的主触头，在中性线电位点N3、N8之间联接有第三个接触器M3的主触头，在中性线电位点N2、N9之间联接有第四个接触器M4的主触头，在总中性线电位点N1、N0之间联接有第五个接触器M5的主触头，在中性线电位点N6、N7之间的接触器M1主触头和接触器M2主触头的两个端点之间安装有一个熔继器R2，在中性线电位点N7、N8之间的接触器M2主触头和接触器M3主触头的两个端点之间安装有一个熔继器R3，在中性线电位点N8、N9之间的接触器M3主触头和接触器M4主触头的两个端点之间安装有一个熔继器R4，在中性线电位点N9、N0之间的接触器M4主触头和接触器M5主触头的两个端点之间安装有一个熔继器R5，在中性线电位点N0、N之间安装有一个熔继器R6。在中性线电位点N6、N10之间安装有一个警笛D，在中性线电位点N10、N之间还安装的一个保护警笛的熔断器。
在图3中，本实施例还增加了报警功能，即在安全保护线PE和中性线电位点N之间安装一个具有高返回系数的电压继电器JV、接点容量大的继电器J0、警铃L和警铃熔断器RL，控制器1K安装在中性线电位点N62和安全保护总线PE之间，该电压继电器JV具有低电压热稳定性好的特点。当存在接地电压时，电压继电器JV动作，随之继电器J0动作，这时控制器1K两端存在电压开始启动，同时警铃L开始报警。
在图3、图4、图7中，控制器1K的逻辑电路主要由接触器M1、M2、M3、M4、M5，继电器J1、J2、J3、J4、J5、J6、J7、J8、J9、消防信号控制开关X、消除记忆按钮A组成，控制器1K通过控制各个接触器和继电器触头的门电路逻辑组合实现对该可变电抗器阻抗值的变化控制。当产生接地电流时，在该可变电抗器上产生接地电压，即中性线电位点N6与安全保护线PE之间产生接地电压，在控制器1K的控制下，接触器M1的主触头首先闭合，如果不是其后的16A低压空气断路器接地，仍还有接地电流，则接触器M2的主触头闭合；如果不是其后的63A低压空气断路器接地，则其后的接触器M3的主触头闭合，同理，接触器M4、M5的主触头可以相继闭合。如果还不是400A低压空气断路器接地，接地故障还没有消除，中性线电位点N6与安全保护线PE之间还有接地电压，则对应的控制器1K中的继电器产生相应的延时动作，并相应启动该接地保护系统设计中的3级剩余电流保护装置，即带有剩余电流保护的630A、2000A、4000A低压空气断路器分别根据实际情况分励脱扣。由于这些故障点是在总开关配电室内，所以消除故障十分方便。由此可见，利用该接地保护系统能够十分方便地找到具体的紧接其后的已接地的低压空气断路器故障地点，并给与消除。在接地故障排除后，没有接地电压时，消除记忆按钮A不起作用，检测过程近回到起始状态。
在图5、图6中，本发明的另一实施例，是一种联合使用接触器和低压空气开关的接地保护装置。该实施例与图3、图4所示实施例的主要区别是接触器M4、M5换为带有失压脱扣器KV4、KV5的低压空气断路器K4、K5。该实施例，采用低压空气断路器K4、K5的目的是提高该接地保护装置的短路通断能力。
在图8中，本发明所示的接地保护装置，也可使用可变限流电阻器。只是由于采用电阻器易产生较大的热能损耗，还要安装一定的散热装置。
总之，本发明所示的接地保护型式符合国家级现行接地保护设计规范GBJ-65-83。同时，兼顾了所有接地型式的优点。本发明所示的接地保护跳闸与TN-S系统基本相同，充分发挥了TN-S系统的瞬动跳闸的优点，克服了TN-S系统的缺点。本发明所示的接地保护跳闸实现选择性且电流较小、接触电压低，充分发挥了TT系统接地型式的优点，克服了TT系统接地型式的缺点。本发明所示的接地保护跳闸电流控制元件较小，其可靠性相当高且要简单地实现两套并列运行，自动诊断和维修简单方便。本发明所示的接地保护型式需要的投资与系统大小关系不大，一般数万元即可，克服了TT系统的投资与系统大小极大的缺点，同等情况下其投资可达20-50万元。
权利要求
1.一种低压配电系统接地保护方法，从变压器中性点通过电线汇接成一个总中性点N，一个与大地直接相联的负载配电安全保护总线PE，所述总中性点N与所述保护总线PE之间安装有一个阻抗，其特征在于所述阻抗为限流阻抗，所述限流阻抗值是可以调节控制的，通过控制所述限流阻抗可以控制接地电流按预定的设计规律变化。
2.根据权利要求1所述的接地保护方法，其特征在于对所述限流阻抗的控制是采用多个接触器或低压空气断路器，或者多个接触器和低压空气断路器的组合依次短接所述限流阻抗来实现的，所述接地电流被逐渐增加从而使紧接已接地的低压空气断路器跳开，所述接触器或接触器和低压空气断路器的闭合或释放是通过至少一组电路控制器来完成控制的，所述控制器的电源为来自接地故障后限流阻抗两端。
3.根据权利要求1、2所述的接地保护方法，其特征在于所述控制器安装在所述总中性点N与所述保护总线PE之间，所述控制器的自动控制过程是通过多个接触器或者多个接触器和低压空气断路器的组合、继电器以及相应控制触头的逻缉组合构成的逻辑控制电路来实现的
4.根据权利要求1所述的接地保护方法，其特征在于对所述限流阻抗的控制可采用一套或两套并列运行，或者一套运行另一套维修。
5.根据权利要求3所述的接地保护方法，其特征在于所述控制器的电源为来自接地故障后限流阻抗两端的可控电源。
6.一种低压配电系统接地型式中的保护装置，主要由一个与变压器中性点相联的总中性点N、一个与大地直接相联的负载配电安全保护总线PE以及所述中性点N与所述保护总线PE之间安装的一个限流阻抗组成，其特征在于所述限流阻抗为一组中间带有多个抽头的联合阻抗，所述抽头与一个接触器或低压空气断路器或者及其组合的一端相联，所述接触器或低压空气断路器或者及其组合的另一端与所述总中性点N相联，在所述总中性点N与所述保护总线PE之间安装有至少一组控制所述接触器或低压空气断路器或者及其组合的闭合或释放的控制器，所述控制器的电源来自所述限流阻抗的两端。
7.根据权利要求6所述的接地型式中的保护装置，其特征在于所述控制器是一个由多个接触器或者多个接触器和低压空气断路器、继电器以及相应控制触头的逻缉组合构成的逻辑控制电路。
8.根据权利要求7所述的接地型式中的保护装置，其特征在于在所述中性点N与所述保护总线PE之间安装有电压继电器JV、继电器J0、警铃L和警铃熔断器RL；所述控制器1K安装在中性电位点N62与保护总线PE之间；在所述限流阻抗与所述总中性点N之间串联安装有多个熔断器且并联有一个警笛D，所述熔断器的两端分别与2个接触器或低压空气断路器的端点相联。
9.根据权利要求1所述的接地型式中的保护装置，其特征在于所述限流阻抗为一个电抗器，所述电抗器由一节带铁芯的线圈和带多个抽头的空心线圈组成，所述空心线圈的绕线电线缆直径可在所述空心线圈的不同抽头段逐渐变大或变小。
10.根据权利要求7或8所述的接地型式中的保护装置，其特征在于所述抽头还可与一个低压空气开关的一端相联，所述低压空气开关的另一端与所述总中性点N联通；所述控制器中的低压空气断路器带有失压脱扣器。
全文摘要
本发明提供了一种低压配电系统接地保护方法及装置,变压器的总中性点N与保护总线PE之间安装有一个限流阻抗,所述限流阻抗值是可以调节控制的,通过控制所述限流阻抗可以控制接地电流按预定的设计规律变化。该方案兼顾已有接地型式有优点,使接地故障以最佳方案检测出予以排除,而且该方案投资很小。
文档编号H02H3/16GK1261733SQ0010074
公开日2000年8月2日 申请日期2000年2月2日 优先权日2000年2月2日
发明者胡国清 申请人:机械工业部设计研究院