关于三级开关的使用和选择

胡岱

摘要：文章通过对一些特定场合的分析，提出如何正确选择和使用三级开关

关键词：等电位联结共模干扰接地故障

目前我国的三相四线回路中，不论是TN-S系统，还是TN-C-S系统，部分设计人员认为在设计中对于主进开关和母联开关选用四级开关比三级开关安全性要高，所以不考虑场合和实际情况对主进及母联开关均使用四级开关作为保护，笔者认为这存在了一定的误区，本人现以在设计中的点滴感受，抛砖引玉，以供同仁参考。

一、低压配电系统中接地系统的分类

接地系统分类的依据是电源点的对地关系和负荷侧电气装置的外露导电部分的对地关系，接地系统的形式可分为TN，TT，IT三种系统。TN系统按N线（中性线）和PE线（保护线）的组合情况还分为TN-S，TN-C-S，TN-C三种系统。

二、中性线带危险电压的防治措施

在过去人们的意识中，四级开关主要是为了保障电气维修。这是因为中性线有时会带危险的电压，容易引发火灾和电击等事故，造成以上灾害的原因，大概有以下几种：瞬态（雷电）电压沿入户电源的中性线引入；变电所高压侧发生接地故障时，由于综合接地的原因，低压（主要指TN系统）系统的中性点及PEN线产生高电位；本回路正常，由其它故障回路沿电源中性线传导的故障电压。但是以上几种情况在建筑物内作等电位联结后，外露导电部分，装置外可导电部分，PE线，中性线相互连通，没有电位差，电击和火灾事故也就无从发生了。等电位联结是指为达到等电位目的而实施的导体联结。这些导体的联结正常工作时不通过电流，只传递电位，仅在故障时才通过故障电流，等电位联结是防止触电保护的一项重要措施。现从以下几个方面分别阐述三级开关和四级开关的适用原则。

三、变配电室内低压主进开关的选用

当高压配电装置，变压器和低压配电装置在同一建筑物内，由变压器引至低压配电盘多采用TN-S系统。（这是因为如果采用TT系统，在同一个建筑物内作两个完全独立的接地不太容易实现，如果采用TN-C-S系统，则因为PEN母线上带有电压降，使建筑物内配电装置的电位升高，出线对地电压）

当变压器和低压配电装置不在同一建筑物内，由变压器引至低压配电盘多采用TN-C-S系统，（这是因为TN-C-S系统的中性线和PE线是在进入建筑物后才分开的。与TN-S系统相比，他们之间的电位差较小，对信息设备引起的共模干扰也较小，但由于建筑物内设置了总等电位联结，不会出线电位差导致电击伤人，并且节省了一根PE线，比较经济）

当由于空间的限制，变压器和低压配电盘在同一建筑物内而不在同一个房间内布置时，（采用TN系统）由变压器经过穿墙隔板（或变压器套管）引至低压配电装置，如图：

由于自变压器中性点引至低压配电盘的母排为PEN母排，但PEN线是不能用断路器切断的，也就是说，在此种情况下，主进线开关和母联开关是不能用四级开关，而需要用三级开关。当考虑变压器维修时，由于建筑物内已做等电位联结，外露导电部分，装置外可导电部分与PEN线没有电位差，不会电击伤人，所以不必安装四级开关；如果自变压器引至低压配电盘采用封闭母线，则由于中性线母排和PE线母排是分开的，则主进线开关和母联开关可以选用三级开关或四级开关。

此外，还要注意的是，当变压器和低压配电盘在建筑物的同一个房间内布置时，从变压器中性点引出的PEN线（应该绝缘）要求在低压配电盘内一点与PE母排连接，实现系统接地，如果在建筑物内其它处再作接地时，将出现杂散电流。

四、中性线过载情况下主进开关的选用

现在工业厂房内的变频设备和民用建筑的照明设备（电子镇流器）带来了节能的同时，也带来了另一个问题就是谐波，因为谐波是衡量电能质量的一个重要因素。众所周知，当一个三相四线回路中含有基波和三次谐波时，因为基波相位角相差120℃，它在中性线上的相量和为零，但是三次谐波电流在中性线上的相位角是处在同一相位上，它在中性线上的电流不是相互抵消而是相互叠加，于是中性线上的电流不再为零而与相线电流接近甚至超过相线电流，这将造成中性线的严重过载。这就带来了一个误解，就是在这些场合下，防止中性线过载必须采用四级开关，认为三级开关是按相线截面确定过电流防护整定值，当中性线截面小于相线截面或中性线因大量三次谐波电流而过载时，三级开关就不能保护中性线，因此需要在中性线上装设开关触头和过电流检测元件保护中性线，但是这样也增加了“断零”的危险。实际上防止中性线过载只需为中性线设置检测过电流的电流互感器，动作于相线的分断就可以了，而不必用四级开关来保护。

五、双电源情况下主进开关的选用

工业建筑中，根据工艺专业的要求，需要安装柴油发电机作为备用电源，对某些生产线上的设备（例如化工厂房某些生产设备的聚合反应，要求不能断电，电源可靠性高）提供电源，要求变压器与柴油发动机同在一处共用低压配电盘，同时部分用电设备要求设置双电源末端互投装置，此时如果双电源末端互投装置采用三级开关，则中性线电流即可由本回路的中性线返回市电电源，见图中Id1电流回路；也可沿柴油发电机的电源中性线回路返回变压器电源，见图中Id2电流回路；中性线电流Id2通过不正规的并联通路返回了电源，造成了杂散电流，对电气设备的安全运行造成了隐患。所以此时双电源末端互投装置应采用四级开关。

当变压器与柴油发动机不共用低压配电盘，同时部分用电设备要求设置双电源末端互投装置，中性线电流可沿本回路的中性线返回电源，见图中Id3（市电）和Id4（发电机）电流回路。此时双电源末端互投装置可采用三级开关，不会产生杂散电流。

六、爆炸性气体环境和爆炸性粉尘气体环境下开关的选用

有些同仁认为，在爆炸性气体环境1区和爆炸性粉尘气体环境10区内，要求采用4极断路器作为短路保护，但是在《爆炸和火灾危险环境电力装置设计规范》中明确指出，仅要求在单相网络中相线及中性线均应装设短路保护，并使用双极开关同时切断相线及中性线。这与主进线断路器和母联断路器采用三级开关保护并不矛盾。安装了三级开关后，当采用TN-S系统和TN-C-S系统时，在建筑物内外露导电部分，装置外可导电部分与PEN线作总等电位联结后，都处在同一电位水平上，不会存在电位差，不会发生电击事故；也不会出现打出电火花而引起爆炸事故（爆炸性气体环境和爆炸性粉尘气体环境区域内，所有电气设备和金属工艺管道，水暖管道均作防静电接地，实际上也起了作等电位联结的作用）。所以在爆炸性气体环境和爆炸性粉尘气体环境对电气设备使用三级开关是安全可行的。

七、应急备用电源（柴油发动机）主开关的选用

目前，作为应急电源的柴油发电机组的配电回路仍普遍选用TN系统。殊不知，这样作的后果是，为工程带来了隐患。这是因为应急电源主要应用在消防设备。如果当楼内发生火情时，恰巧此时发电机的配电系统（TN系统）发生接地故障时，造成发电机组的主开关跳闸，使应急段电源失电，延误了楼内自救灭火的最佳时机。但如果发电机组采用IT系统的话，第一次接地故障不会造成断电，只是发出报警信号，只有当系统发生第二次接地故障时，保护电器才会动作，切断电源，这样就大大提高了应急电源的供电可靠性。因为IT系统一般情况下，是不引出中性线的，所以柴油发电机组的主开关应选用三级开关为宜。但是IT系统的供电方式在国内应用较少，认知度不高，投资造价高（主要体现在导体的绝缘水平上）给推行起来，带来了一定的难度。不过，随着安全意识的提高，IT系统将得到更广泛的应用。

综上所述，笔者认为，在设计中对四级开关的选用要慎重，要根据实际情况具体分析，以避免造成不必要的浪费。