各种接地系统接地故障电流计算和分析

根据《低压配电设计规范》GB50054-2011要求，低压配电系统有IT系统、TT系统、TN系统三种接地形式。本帖这三种接地系统的接地故障电流计算公式、接地故障电流计算方法和相应保护电器选择。
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1、TN接地系统接地故障电流计算与分析
TN系统在用电端发生接地故障(以下统称故障)时的等效电路图如图1所示。

图1 TN系统故障时等效电路图
说明：Rph为相导体电阻，mΩ；Xph为相导体电抗，mΩ；RPE为PE导体电阻，mΩ；XPE为PE导体电抗，mΩ；RB为变压器中性点接地电阻，mΩ；Rs为变压器低压侧内电阻，mΩ；Xs为变压器低压侧内电抗，mΩ；Id为接地故障电流(交流方均根值)，以下统称故障电流，kA。

TN系统接地故障电流(Id)按以下计算
    .............................公式1
公式1中：Unom为相导体对地标称电压，V；Rph•p为相保回路电阻，mΩ；Xph•p为相保回路电抗，mΩ；为故障回路电阻、为故障回路电抗，包括高压侧系统阻抗(归算到低压侧)及变压器、低压母线、低压线路相保电阻之和、电抗之和，mΩ。

当TN系统故障点离电源点(变压器)距离较长，且PE导体和相导体共处于电缆内或穿于同一导管、线槽内时，可认为Xph•p远小于Rph•p，可以忽略Xph•p，并且忽略变压器低压侧内阻，TN系统接地故障电流计算公式1可简化为公式2：
   ..........................公式2
应指出：
①当TN系统的线路截面积大(如相导体截面积在120mm2及以上)时，其电阻值较小，忽略电抗(X ph•p)将导致较大误差。相导体截面积为 120mm2(PE导体为70mm2)时，忽略电抗，使Id增大了3%-4%；相导体截面积为150mm2时，Id增大了5%-6%；相导体截面积为185mm2时，Id增大了7%-8%。为此，我国电气专家任元会建议对截面积为120mm2及以上的相导体，按公式计算的1d值乘以0.96-0.92的修正系数。
②当TN系统故障点离变压器距离很小(发生的概率很小)，变压器容量小，线路截面积大时，忽略变压器阻抗将导致很大误差，不能用简化公式简化计算，应按公式计算，必须计入变压器阻抗。当故障点离变压器距离较短(如几十米)时，可按公式计算，但应乘以必要的修正系数。
③TN系统故障电流Id的大小，对选择保护电器的参数至关重要。Id值大小取决于线路长度、截面积、敷设方式等因素，其值可达几百至几千安培，甚至更大。更应关注的是，线路很长导致Id值很小时，将使过电流保护电器不能在规定时间内动作，必须进行计算，在《用断路器作故障防护时铜芯电缆最大允许长度》等文章阐述了故障防护要求和简易的计算方法。

2、TT接地系统接地故障电流计算与分析
TT系统发生故障时的等效电路图如图2所示。

图2 TT系统故障时等效电路图(RA为Ⅰ类电气设备和用电设备外露可导电部分的保护接地电阻，Ω)

TT系统接地故障电流(Id)按公式3计算(忽略电源阻抗和线路电抗)：
  ......................公式3
通常，TT系统的(RA+RB)＞＞(Rph+RPE)，公式3可简化为公式4：
  ..............................................公式4
用于TT系统时，公式中RA、RB单位以欧姆(Ω)计，故障电流Id以安培(A)计。

由于RA、RB阻值的限制，TT系统故障电流Id值一般仅为几安培至几十安培，比TN系统的故障电流小得多，一般情况下，使用过电流保护电器无法满足切断电源的要求，TT系统应采用剩余电流动作保护电器(RCD)作故障防护。

3、IT接地系统接地故障电流计算与分析
IT系统第一次故障时的等效电路图如图3所示。

图3 IT系统第一次故障时等效电路图

对于电源中性点不接地的IT系统，第一次故障时，故障电流只能通过非故障相线路和设备的对地电容形成回路，由于容抗大，此故障电流仅为毫安级。

鉴IT系统故障电流很小，IT系统可以“带病”坚持工作，而不切断电流；由于故障电流很小，故障点对地的接触电压很小，没有电击危险。

故障状态继续坚持工作并非正常状态，因此IT系统应装设绝缘监测器发出报警，提示使用、维护人员采取必要措施，以避免在故障状态下“带病”工作中再次发生故障。在此期间一旦再发生第二次异相接地故障，将导致相间(或相对中性导体间)短路，产生同TN系统或TT系统一样的故障电流，此时切断电源是不可避免的。

IT系统不宜配出N导体，即采用三相三线制。当配出N导体时，若发生N导体接地故障，将使IT系统变成TT系统，从而失去IT系统的优势。我国电气专家任元会指出，当采用了N导体接地故障的检测报警装置后，仍然可以采用三线四线制线路，这样有利于为照明、插座回路、小电器提供相对地电压(我国为220V)。

本文对低压配电系统的接地短路电流计算做了简单介绍，掌握这些知识，为电气设计中选择保护电器奠定基础，同时电气设计也离不开高性能电力仪表，欢迎您到昌晖仪表网了解这些产品。