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浅谈建筑电气领域低压配电中开关的应用

李红伟

摘要:在低压配电系统中,电气开关、断路器是最常见的设备了。笔者针对三相系统中三极开关和四极开关的应用区别,单相系统中1P、1PN、1P+N和2P断路器的应用区别等问题展开讨论。

关键词:四极开关 三极开关 双极开关 建筑电气 配电形式 TN-C TN-S  TN-C-S  TT  IT

0引言
建筑电气设计当中,很多同行在1P开关和2P开关的选择问题上拿捏不准。现在的市场上,还出现了1P+N和1PN的微型断路器,更是增加了很多设计师的疑虑。遇到三相负荷的时候,什么时候应该选择三级开关,什么时候应该选择四极开关确也不是很清楚明确。四极开关的应用,不是简单的比三级开关多一相那么简单。而是需要用四极开关的时候,必须用四极开关;禁止使用四极开关的时候严格禁止使用四极开关。这里我们就来讨论一下建筑电气领域的低压配电系统中,各种开关的选择和应用。

1 低压配电接地系统
在谈开关的选择应用之前,我们有必要先来认识一下配电系统的接地形式。根据现行的行业标准《民用建筑电气设计规范》(JGJ16-2008)的定义,将低压配电接地系统分为三种,即TN、TT、IT三种形式,其中TN系统又可分为TN-C、TN-S、TN-C-S三种形式。TN-S系统是整个系统的中性导体和保护导体是分开的。TN-C系统是整个系统的中性导体和保护导体是合一的。TN-C-S系统是系统中一部分线路的中性导体和保护导体是合一的。具体来说,是前部分系统的中性导体和保护导体是合一的,后部分的中性导体和保护导体是分开的。低压配电系统分为这几种接地形式,那么这些接地系统分别适用于哪种场合呢?
TN-C系统是将PE线和N线合二为一,叫做PEN线。这样一来,可以省一根导线,节约资源。但是从电气安全的角度看,TN-C系统存在着一些问题。在单相系统中,当PEN线断开,则设备外壳相当于和L线直接相连,就会造成设备外壳对地有220V的电压。触电危险很大。由于TN-C系统会使设备的金属外壳对地产生电位差,可能在爆炸场所产生火花,所以易燃易爆场所是不允许采用TN-C系统的。还有就是因为TN-C系统中的PEN线通过了电流,各点对地的点位也就不同。考虑到各信息技术设备地点位不同会引起干扰,所以也不能用于信息技术系统。
TN-S系统是将PE先河N线严格区分的。正常情况下,PE线是没有电流,对地电压为零的。它只是在系统发生接地故障时才会有故障电流流过的。因此和PE线连接的设备外壳对地是没有电位差的,比较安全。同时因为需要专门敷设PE线,所以在经济方面TN-S系统不占优势。TN-S系统适用于建筑内部设有变电所的建筑物。特别是存在易燃易爆危险和具有大量信息设备的场所,采用TN-S系统可以有效防爆和防止电磁干扰。
TN-C-S系统从电源到另一建筑物配电装置之间,省去了一根专用PE线。在配电装置进线点后,PE线和N线分开。除了配线方式上与TN-S系统稍有差异之外,两个系统的防电击水平是相同的。而且对于信息技术设备的抗共模电压干扰来说,TN-C-S性能更优。所以当建筑物的供电方式为低压供电时,优先考虑TN-C-S系统。
TT系统中的电气设备各有各的接地极和PE线。各个设备的PE线并不联通,也就不存在等电位。这样的系统,就能使各个设备的故障限制在自身范围内,不会通过PE线将故障扩散。所以TT系统比较适用于无需等电位的户外场所,比如农场、施工场地、路灯等户外用电。
IT系统电源端不接地,只是在用电设备处做保护接地。此系统在发生接地故障时,对地故障电压低,不需要也不会切断电源。但IT系统么有中性线,故不能提供220V电源。鉴于它的特点,所以适用于对供电不间断要求很高的场所,如矿井下、钢铁厂等怕停电的场所。

2 三相配电系统的断路器选择及应用
由上述各种接地系统可知,三相配单系统中会采用的配线形式就会有三相三线、三相四线和三相五线几种情况。除三相三线这种情况下肯定是选择3P断路器以外,其他情况是选择3P断路器还是4P断路器呢?接下来,我们根据不同的接地系统的原理和相关标准规范,分析一下4P断路器选择应用需要注意的一些问题。
《低压配电设计规范》(GB50054-2011)3.1.15条有规定,当有中性导体的IT系统与TT系统或TN系统之间需要电源转换时;TT系统中,当负荷侧有中性导体时;IT系统中,当有中性导体时应选用具有断开中性极的开关电器。也就是说,当IT系统(有中性导体)与TT系统(有中性导体)或与TN系统之间,需要做电源切换的时候,由于三个系统电源的中性线电位不一定相同,所以切换前和切换后的中性线也需要跟随系统切换,此时的开关需要选择带有中性极的四极开关。在TT系统中,如果负荷侧有中性导体,也就是说需要TT系统提供中性极,那么中性极需要和相线一起通断,故需要选择四极开关。在IT系统中,一般是没有中性极的,但特殊情况下需要有中性极的,就需要用四极开关
根据《民用建筑电气设计规范》(JGJ16-2008)7.5.2条,三相四线制系统中四极开关的选用,应符合下列规定:
(1)保证电源转换的功能性开关电器应作用于所有带电导体,且不得使这些电源并联;本条规定主要是针对多路电源切换的情况,保证电源转换时所有带电导体断开,以防止使得两路及两路以上电源并联,发生事故。
(2)TN-C-S、TN-S系统中的电源转换开关,应采用切断相导体和中性导体的四极开关;本条规定主要是针对双电源切换装置,要求双电源切换装置应采用四极双电源切换开关。作用与第一条相似。
(3)正常供电电源与备用发电机之间,其电源转换开关应采用四极开关;本条规定强调的是市电与发电机之间。针对双电源切换装置,要求双电源切换装置应采用四极双电源切换开关。作用与前两条相似。
(4)TT系统的电源进线开关应采用四极开关;本条规定的目的是避免电源侧发生故障时,危险电位沿中性导体引入,造成事故。
(5)IT系统中当有中性导体时应采用四极开关。
《住宅建筑电气设计规范》(JGJ242-2011)对家居配电箱有相应的条文,规定家居配电箱的进线开关必须在断开相线的同时,断开中性线。那么,如果在三相配电时,N线要同时断开,就需要选择4P断路器。
另外,发电机应急电源与正常市电电源的转换功能性开关在三相四制系统中宜选用四极开关。这也是考虑到中性极的等电位问题。
再者,选用带有漏电保护功能的开关,由于其漏电保护的原理,所以必须选用四极开关才能达到漏电保护的目的。
以上都是针对哪些情况下,需要选择四极开关而做的一些阐述。接下来我们看一下,四极开关除了可以断开三根相线以外,还可以断开中性线N线,那是否就可以在三相四线系统的工程中大量运用4P断路器了呢?答案是否定的。
在某些场合,使用了4P断路器反而出现了一些问题。比如由于4P断路器的质量问题,断路器中性线触头导电不良,产生了“断零”,导致设备烧毁。所谓“断零”,就是系统中的三根相线接通的情况下,中性线发生故障单独断开。这样的“断零”故障会使系统中的单相用电设备烧毁。而我们的民用建筑的用电设备,特别是办公建筑、商业建筑和住宅建筑大量的用电设备都是单相的。如果大量使用四极开关,就会造成“断零”故障的发生概率大增,从而造成单相设备烧毁的概率大增。
还有,TN系统或者TT系统与不带中性线的IT系统电源转换时,是不需要四极开关的。因为IT系统没有中性线,使用带中性极的四极开关纯属浪费资源。
由上述可知,4P断路器的选择和不选择,都是为了系统的安全运行。大家在选择时应根据具体情况来分析,合理选择三极或者四极开关。

3 单相配电系统的断路器选择及应用
单相配电系统常用的开关,有1P断路器、1PN断路器、1P+N断路器和2P断路器。首先我们需要弄清楚这几种断路器的原理及其区别。比较简单是1P断路器和2P断路器,这两种断路器也是最常见的。1P断路器一般使用在只需要接通或者断开一个接线点的回路上,这种回路一般仅要求能够断开短路电流和过载电流。2P断路器大概分为两大类,一类是只能断开短路电流和过载电流的普通2P开关,另一种是还带有漏电保护功能的2P开关。1PN和1P+N断路器,这两种单级断路器在很多人看来是没有区别的。经笔者调研,这两种断路器一般不会同时出现在同一厂家的设备选型表里,所以在很多时候没有很直观的对比。也有人解释1PN不带N线保护;1P+ N带N线保护。这需要各位同行在选型时,根据具体的品牌和产品,参考厂家选型手册和说明结合自己的项目来具体选择。
查阅目前的相关标准和规范,有明确要求使用双极开关的场所,也就只有住宅建筑单相电源入户时的电源进线开关有要求使用能断开中性极的双极开关。

4 结语
三相系统中,三极开关和四极开关的选择,由于系统的复杂性导致了选择的复杂性。所以就IEC标准也从不简单的通过几个条文来规定什么情况用三极还是四极开关,而是根据具体的情况来具体分析。单相系统相对简单,在保证用户检修安全的情况下,末端配电进线处会要求使用能够断开中性极的2P开关。其他情况看系统设计的功能性需求选择。

参考文献
1. 《民用建筑电气设计规范》(JGJ16-2008)
2.《住宅建筑电气设计规范》(JGJ242-2011)
3.《低压配电设计规范》(GB50054-2011)
4.《建筑物电气装置600问》 王厚余
5.《民用建筑电气设计手册》 (第二版)戴瑜兴、黄铁兵、梁志超
6.《工业与民用配电设计手册》 (第三版)中国航空工业规划设计研究院
7.《全国民用建筑工程设计技术措施 电气》(2009)

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