淺析TN-S系統電機宜用3芯電纜

楊 鵬

（京鼎工程建設有限公司）

0 引言

隨著科技的發展，工業企業規模增大，特別是化工廠規模也不斷擴大。以目前化工廠的規模，從控制中心（MCC）至電動機終端的電纜距離300m極其普遍［1］。隨著配電距離的變長，使得電纜規格變大、電纜根數變多，直接使得銅材增加，成本直接上升。對于低壓電纜來說，電纜的截面及芯數是直接影響電纜成本的因素［2-3］。本文依據規范并結合具體項目，對電纜的這兩方面著手進行分析。

1 選型依據及原則

1.1 電纜選型的六大要素

GB 50054-2011《低壓配電設計規范》第3.2條有明確說明，導體的截面選擇應考慮載流量、線路保護、短路效應、壓降、機械強度要求以及經濟電流密度六大要素［4］。

1.2 電機的保護

依據GB 50055-2011《通用用電設備配電設計規范》2.3.1條以及最新的GB 55024-2022《建筑電氣與智能化通用規范》第4.3.8條，可知交流電動機應裝設短路保護和接地故障保護。短路保護和接地故障保護的實現正是對應了六大因素中線路保護、短路效應兩個因素［5］。

本文先是基于短路保護和接地故障保護的原理說明對電纜的選型條件，然后說明3芯電纜完全滿足要求，最后再結合最新規范對應用3芯電纜的可行性進行說明。

2 短路保護

2.1 規范

GB 50054-2011《低壓配電設計規范》中6.1.1、6.1.2和6.2.3條及GB 55024-2022《建筑電氣與智能化通用規范》中4.3.6條為關于短路保護的說明，里面有關于時間和電纜截面的規定。

2.2 分析

對于持續時間不超過5s的短路，短路電流持續時間t可近似用式（1）表示：

導體截面積S應符合式（2）條件。

其中，t為短路持續時間；S為導體截面積；I為預期短路電流；τ為交流均方根值；K為和導體材料電阻率、溫度系數、熱容量以及相應初始溫度和最終溫度有關的系數。

當短路電流持續時間t＜0.1s時，校驗電線、電纜截面積應計入對短路電流非周期分量的影響。t＜0.1s的情況應用十分廣泛，當前應用最多的斷路器，主要是瞬時過電流脫扣器作短路保護，其動作時間多在10～30ms。持續時間t＜0.1s時，電線、電纜的截面積應符合式（3）：

式中，I2t為保護電氣的允許通過的能量值，簡稱“允通能量”，單位為A2·s。

一般認為式（2）是按配電線路最大的短路電流選擇電纜截面積的，但通常還是不滿足要求。除了校核電纜短路耐受力之外，還必須保證配電線路任意一點發生短路故障時，電纜不會被燒壞，也就是說必須計算短路工況條件下的電纜熱應力參數［6］，即通過計算把電纜產生的焦耳熱轉換成等效的能量I2t。電纜的熱損壞曲線如圖1所示，其中I2t值由制造廠提供。

圖1 斷路器曲線和電纜曲線對比

2.3 斷路器短路保護

選擇型斷路器主要用于配電系統主干線或重要負荷的線路。當短路電流大于其瞬時過電流脫扣器整定值Iset3時，由瞬時脫扣器切斷；當短路電流小于Iset3但大于短延時過電流脫扣器整定電流Iset2時，則由短延時脫扣器切斷，其動作時間為短延時脫扣器設定時間，通常為0.1～0.4s。

電機保護廣泛應用非選擇型斷路器，短路保護是依靠其瞬時脫扣器實現的；當短路電流大時，也是由瞬時脫扣器切斷。以上兩種斷路器瞬時脫扣器的切斷時間大多在10～30ms，都小于0.1s。

2.4 小結

通過結合規范對上述原理進行闡述，發現無論采用4芯電纜還是3芯電纜，只要按照規范選型，都可以滿足短路保護要求。

3 接地故障保護

3.1 概念及規范

電擊防護的保護措施應包含基本防護措施和故障防護措施，在特定情況下還需設置附加防護措施。電氣設備的故障電擊防護措施可采用上述中的一種，也可采用多種電擊防護措施［7］。其中，自動切斷電源是交流低壓系統常用的電擊防護措施，也是應用最廣泛、最有效的防護措施。

接地故障情況下，對于自動切斷電源的時間有明確規定，如TN系統，對地標稱電壓為220V時，不超過5s或0.4s（GB 16895.21-2020《低壓電氣裝置第4-41部分：安全防護電擊防護》中411.3.2條），GB 50054-2011《低壓配電設計規范》以及GB 55024-2022《建筑電氣與智能化通用規范》中對切斷時間有同樣規定。

3.2 說明

接地故障和短路情況是兩種概念。接地故障的切斷時間最大允許值是防電擊所要求的；而短路情況下，對于電纜和絕緣體，則要求短路電流導致的絕緣溫度在上升到不超過其允許限值（見GB／T 16895.5-2012《低壓電氣裝置第4-43部分：安全防護過電流保護》）或GB 50054-2011《低壓配電設計規范》規定的時間內切斷該短路電流，GB／T 16895.5-2012明確規定，對于持續時間不超過5s的短路，短路時間可按前文式（1）計算。對于遠距離配電線路，末端（受電處進線端）短路電流很小，即便是導體截面積足夠大，其切斷時間t也很長，可為幾秒、幾十秒乃至幾十分鐘。

《工業與民用配電設計指南》［8］及國標圖集19DX101-1《建筑電氣常用數據》內，均有斷路器瞬動脫扣器兼接地故障保護能自動切斷的電源相應的公式和計算表格，不再贅述。

3.3 小結

通過結合規范對上述原理進行闡述，可知無論采用4芯電纜還是3芯電纜，只要按照規范選型，都可以滿足短路保護要求。而且在配電距離一定時，4芯電纜中的PE線形同虛設，在滿足一定保護配置條件下，3芯電纜足以夠用。

4 關于保護接地導體（PE）的使用

假設配電距離很短，采用3芯電纜同樣可以使用斷路器兼做接地故障保護，從而自動切斷接地故障電流，此時使用3芯導體＋1根PE導體，這根PE導體的截面可以比4芯同相導體電纜中的PE導體截面小很多。

4.1 原則

PE導體的截面積選型條件是：①當切斷故障時間不超過5s時，PE導體截面積應符合式（2）；當切斷故障時間t＜0.1s時，截面積應符合式（3）。②PE導體截面積SPE可按相導體截面積S的一定比例換算得到，詳見表1。

表1 按相導體截面積S的一定比例確定PE導體的最小截面積S PE

表2 保護裝置不同頻率下差動電流、制動電流測量值

上述內容我們都比較熟悉。下面要借用相關著作觀點來支持使用3芯電纜。

4.2 PE導體截面積選擇的創新

2020年任元會老師在《低壓配電設計解析》［1］中提到關于PE線選型的創新思路，其認為公式法計算量大且費時費力，而查表法選擇簡單但不夠嚴謹且明顯不太合理，造成大量導體材料和電線、電纜的浪費。

任教授依據式（2）和式（3）編制出表格2，供使用。

4.3 小結

在配電距離較短，比如100m以內，可以使用3芯電纜＋1獨立PE導體的配置方式，同時使用斷路器的瞬動功能兼做接地故障保護。這根獨立PE線截面比同樣相線4芯電纜中的PE線截面小很多，可以節約材料，從而降低成本。

5 電力電纜新規范

5.1 規范解讀是否使用PE線

GB 50217-2018《電力工程電纜設計標準》表述如下：3.5.1條1kV及以下電源中性點直接接地時，三相回路的電纜芯數選擇應符合下列規定：第3款TN系統，受電設備外露可導電部位可靠連接至分布在全廠、站內公用接地網時，固定安裝且不需要中性導體的電動機等電氣設備宜選用3芯電纜。

有相關條文說明描述如下：該第3款系新增條款。根據國內工程實踐，全廠、站內電氣接地設計一般都具有分布在全廠、站內同時滿足保護接地、工作接地、防雷防靜電接地要求的完善的公用接地網，電源系統中性點及全廠、站電氣設備外露可導電部位與該公用接地網可靠連接。對于固定安裝且不需要中性導體的電動機等電氣設備，單獨連接的保護導體經選擇計算滿足安全防護要求和電動機單相接地短路故障靈敏度要求時，可以選用3芯電纜代替4芯電纜，以節省電纜內的保護導體。如為滿足電動機單相接地短路保護靈敏度要求而使保護導體界面增加較多，從而導致工程造價升高或不具備公用接地網情況時，需要選用4芯電纜。

目前本人參與的化工廠工程線路的工作接地、保護接地、防雷擊接地（第一類防雷建筑物除外）、防雷電感應接地及防靜電接地合用同一接地裝置，其總接地電阻不大于4Ω，接地網遍布廠區，所有電動機均就近與接地主網可靠相連，滿足上述規范要求，因此均可選用3芯電纜。

條文說明中明確了3芯代替4芯的前提條件是單獨連接用電設備的保護導體PE線選型需滿足電擊防護要求和接地故障電源自動切斷時的靈敏度，也就是獨立于3芯電纜外的這個PE線在接地故障時相保阻抗足夠小，故障電流足夠大。但是大多數情況下通過增大PE線都無法滿足這個要求，因為現在化工廠配電電纜都太長了，至少本人接觸的這近20年的化纖制造業的工廠，平均配電距離均不小于300m。非選擇型的斷路器的短路保護裝置其瞬動脫扣器根本無法滿足接地故障保護要求。

SHT 3038-2017《石油化工裝置電力設計規范》中9.2.2條規定了當配電距離過長而無法使用斷路器兼做接地故障保護時，接地故障的保護要求如下：（1）選用具有單相接地保護功能的低壓斷路器；（2）選用零序過濾器式單相接地保護；（3）選用漏電保護動作斷路器（即RCD）；（4）選用電擊綜合保護器；（5）采用專用的零序電流互感器和電流繼電器組成接地保護。因此，只要電氣開關配置有漏電保護措施，那么即可滿足本條規范要求，故可選用3芯電纜。

相應地，有RCD的安裝規范GB 13955-2017《剩余電流動作保護裝置安裝和運行》中，描述TN系統中必須將TN-C系統改造為TN-C-S、TN-S系統或局部TT系統后，才可安裝使用剩余電流保護裝置。在TN-C-S系統中，剩余電流保護裝置只允許使用在N與PE線分開部分，TN-S系統RCD接線方式如圖2所示。

圖2 TN-S系統RCD接線方式

5.2 規范解讀使用PE線時的敷設方式

3.5.1 條第1款2）TN-S系統，保護導體與中性導體各自獨立時，宜選用5芯電纜；當滿足標準5.1.16條的規定時，也可采用4芯電纜與另外緊靠相導體敷設的保護導體相連。

第5.1.16條規定如下：1kV及以下電源中性點直接接地且配置獨立分開的中性導體和保護導體構成的TN-S系統，采用獨立于相導體和中性導體以外的電纜為保護導體時，同一回路的該兩部分電纜敷設方式應符合下列規定：（1）在爆炸氣體環境中，應敷設在同一路徑的同一結構管、溝或盒中；（2）除本條第1款規定的情況外，宜敷設在同一路徑的同一構筑物中。

第5.1.16條條文說明如下：1kV及以下電源中性點直接接地時，PE導體除可由多芯電纜中的導體構成，還可由下列的一種或多種導體組成：（1）與帶電導體共用外護物的導體；（2）固定安裝的裸露或絕緣的導體；（3）符合《低壓電氣裝置第5.54部分：電氣設備的選擇和安裝接地配置和保護導體》規定條件的金屬電纜護套、電纜屏蔽層、電纜鎧裝、金屬編織物、銅心導體及電纜金屬導管；（4）當過電流保護器用作電擊防護時，保護接地導體應與帶電導體處于同一的布線系統中，或放置在靠它們最近的地方。

第5.1.16條對PE導體的材料要求進行了說明，可以是交聯聚乙烯絕緣線，也可以是熱鍍鋅扁鋼等，必須固定安裝，同時要求PE導體與相導體最大限度地緊鄰敷設。由于電動機配電不需要中性導體，因此本條可理解為當滿足5.1.16條的規定時，電機配線可由3芯電纜與另外緊靠相導體敷設的保護導體組成。工廠主要生產區域多為爆炸危險氣體環境，動力配電在MCC出來后經上管廊通過熱鍍鋅梯級式電纜橋架敷設至電動機附近。獨立的PE導體與3芯相導體均從MCC起一并敷設在電纜橋架中，一直到電纜橋架末端，滿足規范要求。

6 結束語

經本文分析，無論從電機短路保護還是接地故障保護來看，使用3芯電纜均可行。很現實的情況是，鑒于目前工廠的配電電纜長度，基本無可能利用斷路器來兼做接地故障的保護，自動切斷接地故障，所以再使用共用或者獨立PE線完全無意義。即使特定情況下配電距離很短，但如果獨立PE線放置位置不緊鄰相線，那么不穩定或者數值更大的相保阻抗使得這根獨立的PE線仍失去了它在自動切斷電源這個流程中的意義。

此外，近期很多電動機都要求被選型一級能效，一級能效電機的起動電流是額定電流的9倍以上，Iset3一般要2.2×9≈19倍去整定，Iset3值需要更大。單相接地短路電流大于1.3倍的Iset3會更難，斷路器用瞬動來自動切斷接地故障將越發困難。

綜上所述，TN-S系統低壓電機配電宜采用3芯電纜。