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安徽天科电力：临时用电系统的三级配电和二级漏电保护设计
发布时间：2023年04月20日 来源：天科电力 浏览次数：本文主要对施工现场临时用电安全技术规范JGJ46-2005提出的三级配电和两级漏电保护设置方案进行了探讨和相应的改进，希望对临电的设计有所帮助。
1、对临电规范要求的三级配电、二级漏电保护的理解
1.1临电规范规定的三级配电与二级漏电保护
临电规范规定配电系统应设置配电柜或总配电箱、分配电箱、开关箱，实行三级配电。就是配电柜或总配电箱为第一级配电，分配电箱为第二级配电，开关箱为特殊的第三级配电。
临电规范规定的临电系统短路及过载保护有五级，分别是总配电箱内总回路和分回路二级、分配电箱内进线回路和出线回路二级、开关箱内一级。保护电器在一般是采用低压熔断器和低压断路器两类。漏电保护有二级，分别是总配电箱内总回路或分回路一级、开关箱内一级，保护电器一般是带漏电保护的断路器。
从上述可知，临电规范规定的临电系统有三级配电、五级短路及过载保护、二级漏电保护，通称为三级配电二级漏电保护。三级配电包括了五级短路及过载保护。
1.2 临电规范采用三级配电二级漏电保护的原因
(1) 配电级数需要与用电规模、用电特点相适应，三级配电是临电系统较为合适的配电模式
工业配电系统一般采用配电室一级配电，民用建筑则一般采取三级配电，规模特别大的也有四级。工业配电系统负荷较多、功率较大，区域集中，变配电所能深入负荷中心，在配电室内有汇流母线为各个配电柜配电，相当于分成了一个个独立的总配电箱，对于这些负荷采用一级配电就可以了，而对于远离配电室的多个集中负荷，需要采用至少两级配电。
民用建筑中负荷较多、功率较小，区域分散，变配电所虽然也能深入负荷中心，但因负荷相对分散，只能是以小区、住宅楼和楼层、住户分层配电。对于施工现场来说，负荷较多、容量有时相差较大、供电区域也相对分散，至少也要采用两级配电方式，而开关箱这一级，由于临电规范规定临电系统末端采用一机一箱供电方式，这一级实际上实现的不是对电能进行再分配。
而是临电规范为了确保末端设备的安全采取的一种特殊安全保护措施，临电规范规定开关箱距末级用电设备不大于3m，就是对于用电安全的一种强制性措施。由于施工现场用电人员与末级设备接触频繁，用电设备的特殊环境和用电状况的恶劣，使得末级保护在确保安全用电的位置上十分重要的必要的，是必须配置的一级保护。
（2）临电规范要求总配电箱应设在靠近电源的区域，分配电箱应设在用电设备或负荷相对集中的区域，这样至少也需要包括开关箱在内的三级配电才能满足要求。
（3）一般配电规范和设计都没有对配电级数作强制性规定，而临电规范2005对临电系统强制采用三级配电，主要是针对施工现场的特殊性、用电安全的重要性，从技术上对临电设计作了强制性的规定。只有从技术、设计、方案实施上确保临电的安全，才能从根本上通过临电管理等手段实现施工现场的用电安全。
（4）临电规范对三级配电做了详细的规定，设置了五级短路和过载保护，主要原因有：
①施工现场临时用电系统作为一个独立的供配电系统，具有相当的特殊性，总配电箱内必须安装进线总断路器。
②由于施工现场的特殊性，临电规范要求架空线路、室内线路、电缆线路必须有短路保护和过载保护，总配电箱和分配电箱的出线侧需要各安装一级短路和过载保护。
③由于分配电箱回路可能采用树干式供电，总配电箱内的分路断路器或熔断器不能为分配电箱每个出线回路提供可靠的短路和过载保护，从安全角度考虑，分配电箱进线处也需要安装一级短路和过载保护，为分配电箱每个出线回路提供后备保护。
④开关箱内的这一级短路和过载保护是末端设备和线路的主保护，是比一般供电系统多增加的一级特殊保护措施，是也是临电规范提高施工现场用电安全等级的一个安全措施。
⑤ 对于临电的三级配电，五级短路和过载保护可以形成较为完整的保护系统，从末级短路和过载保护保护开始，上一级保护可以做为下一级的后备保护，对提高临电系统短路和过载保护的可靠性十分必要。
（5）临电规范规定施工现场必须采用TN-S系统，漏电保护是与TN-S系统匹配的保护模式，是临电系统必不可少的接地保护系统，对施工现场用电安全至关重要。
在工业项目上短路的过载保护虽可以兼作回路的接地保护，但在临电系统中过载保护提供的接地保护不能满足施工现场用电的要求，漏电保护系统是比过载保护、零序保护灵敏度都高的多的接地保护系统，对施工人员的用电安全能提供可靠的保护，而两级漏电保护能提供更为可靠、有效的漏电保护。
（6）临电设计人员是一般是电气专业工程师及其专业水平不高的人员，有很多电气工程师没有经过专门电气设计培训，他们一般接触最多的是施工规范，对设计规范并不熟悉，需要在规范中确定临电的供电模式和相应细节，临电规范的提供的确定性供电模式确实为临电设计提供了方便，使电气专业水平不高的人员也能设计出符合规定的临电方案。
（7）施工现场所具有的特殊性，用电和管理人员专业性不强或是非专业人员，甚至部分人员根本就没有相应的用电知识。施工现场情况千差万别，为了提高临电系统的安全及管理水平，临电规范的各项规定就比较严格，强制部分相对多，更多的是从安全的角度进行规定，就高不就低。这样临电规范在对具体内容作了严格规定的同时，也使临电设计和实施少了些灵活性。
2、二级漏电保护设计存在的问题
2.1临电规范强制性规定临电系统必须采用二级漏电保护系统，但对二级漏电保护对应的临电规模没有做详细的规定。
也就是说不论临电规模多大，都可能采用的是二级漏电保护系统，如果设计过程中不考虑实际项目的临电规模，盲目按临电规范规定的二级漏电保护模式进行设计，常常导致漏电保护方案与实际的临电规模不匹配
设计的临电系统总漏电保护器保护范围明显过大，就是因为忽略了不同的规模应有不同的分级保护的原理，不论临电规模有多大，都简单照搬临电规范的二级漏电保护系统，导致总漏电保护器动作后影响范围大，施工现场的特殊性又造成总漏电保护器频繁跳闸，这两种情况极大地影响了施工现场的正常施工和用电安全。
2.2设计过程中没有考虑施工现场具有一些特殊性，不能满足施工现场安全用电的目的。
施工现场环境较差，施工设备具有相当大的周转性、移动性和共用性，配电设备、配电线路、用电设备等易受不良环境的侵害，施工用电人员素质较低，管理上常常不到位，末级漏电保护器不能可靠动作或不起作用。
这些特殊性造成了线路和设备漏电机率较高，而末级漏电保护的动作率却不高或就没有末级漏电保护器，这就造成了总漏电保护器的动作机率大增，频繁的跳闸严重影响了正常施工，用电安全状况不容乐观。
2.3在设计方案中不重视形成分级、有效、可靠的漏电保护系统。
我们知道开关箱内的漏电保护器额定漏电动作电流是15～30mA，而较为中型或大型的临电系统总漏电保护器额定漏电动作电流是300～500mA，而且还有0.3～0.5S的时延，总配电箱分路的漏电保护器额定漏电动作电流是200mA左右，首末两端漏电保护器额定漏电动作电流相差较大。
在临电系统大多数设备运行时，由于通电线路和设备较多，系统漏电流也较大，首末两端漏电保护器额定漏电动作电流实际相差不大，总漏电保护能为末级漏电保护提供较为可靠的后备保护，但在用电设备数量较少时，首末两端漏电保护器额定漏电动作电流实际相差会较大，远远超出了15～30mA的漏电电流，如果总漏电保护器不能提供可靠的漏电后备保护，无疑对施工现场用电人员是较为严重的安全隐患。
3、三级配电设计存在的问题
3.1相对于二级漏电保护，短路和过载保护在临电设计和方案实施中不受重视。
3.1.1由于漏电保护器接地保护的灵敏度大大高于过载保护兼接地保护的灵敏度，在临电系统运行过程中，发生的主要是漏电故障，一旦发生漏电故障，漏电保护器首先动作，而短路和过载保护基本上不动作，给人的感觉是短路和过载保护是一个摆设，只要有了漏电保护，短路和过载保护就可有可无了。这样在临电设计和方案实施中对短路和过载保护很不重视。
3.1.2在实际的临电设置中，短路和过载保护常常不按临电设计方案配置，而是沿用上一次临电设计配置的短路和过载保护，常常造成容量较大的断路器控制较小容量的用电设备，实际上存在较大的故障隐患。
3.1.3在临电系统中只重视漏电保护是人们的一个误区，漏电保护只能解决部分接地故障和短路并发接地的故障问题，而过载保护、不并发接地故障的相间或相对零故障则不能得到保护，更重要的是漏电保护器并不是完全可靠的，它可能会因各种各样的原因拒动，短路和过载保护实际上也是漏电保护的后备保护。
二级漏电保护器失效的可能性较小，但一级漏电保护器可能拒动的概率就相对大一些，实际上临电系统开关箱以上的很大的范围内只有一级漏电保护，有一部分开关箱后的设备和线路是没有末级漏电保护的，这些设备也只有一级漏电保护。
如果不重视临电系统的短路和过载保护，临电系统就会存在较大的故障隐患，如果发生短路故障而不能及时切断故障，不仅是设备损毁，对人也是有较大伤害的。
3.2临电方案中不注重短路电流、选择性等计算，设计方案中真正进行保护的短路电流、分级选择性计算比较少。
3.2.1临电方案在选用低压断路器、熔断器时存在不少问题，其中突出的问题是没有进行短路电流计算。配电线路短路保护电器的分断能力应大于安装处的预期短路电流。选择断路器应先计算其出口端的短路电流，但一般的临电方案都没有进行短路电流计算，再加上负荷变动较大，所选的短路器的极限短路分断能力可能不够，不能安全的切断短路故障电流，是安全的隐患。
3.2.2短路和过载保护的短路电流、分级选择性计算对于施工单位的工程师来说是比较难的，只是选择性计算就包括选择型断路器和选择型断路器的级间配合、选择型断路器和非选择型断路器的级间配合、非选择型断路器与熔断器的级间配合、熔断器和熔断器的级间配合、熔断器和非选择型断路器的级间配合等。
当然这一过程可以用软件实现，但至少目前得到普及的较少。目前的大多数临电方案还是比较简单的，相关的计算很少涉及。漏电保护变成了临电系统的主保护，短路和过载保护则不受重视，实际上临电系统没有实现短路和过载保护的安全设计、配置和分级保护。
3.3总配电箱设置在靠近电源的区域的方案不一定是最优方案，有时会加大临电的投入。
3.3.1临电规范规定总配电箱应设在靠近电源的区域，有两个目的：
(1)对进入施工现场的临电电源线路提供短路、过载、漏电保护。
(2)按规范要求形成必须采用的TN-S系统，确保总配电箱PE线、N线分开处的地电位。
3.3.2在实际临电配置中我们认为：不论是施工现场设置变压器，还是从其它电源引入，总配电箱和变压器都应靠近用电设备或负荷相对集中的区域更为合理一些。
3.3.2电源靠近负荷中心设置，这种方案无疑是较经济的，特别是电源中心和负荷中心相对较远的情况下，再加上临电设备的需用系数和同时系数较小，采用这种方案的投入会相对较小。
3.3.3在技术上和方案实施上能确保总配电箱设置在靠近电源的区域的临电系统安全。
（1）总配电箱处PEN线电位升高有两种：一种是外部引入，另一种是临电系统自身引起。外部引入的PEN线电位升高原因：
①高压侧接地故障电流流经变压器侧接地极部分引起，一般这种引入一般只是瞬时存在，时间在5S左右。
②临电系统以外的同一低压TN或TT系统内的接地故障，这种故障持续时间可能较长，主要取决于回路的接地保护动作时间。对这种外部引入的PEN线电位升高的情况，通过总配电箱处的重复接地措施就可以降低至安全电位，比PEN线直接接入变压器接地极时情况好的多。
（2）临电自身引起的PEN线电位升高原因：
①由于临电系统单相220V负荷不平衡或单相220V中存在严重的三次谐波（如果采用△/Y-11变压器，则不存在此问题）或中性线断线和接触不良，220V单相负荷不平衡最严重情况下也不会造成±10%的电压偏差，整个回路分配至电源至总配电箱之间的电压降很小，对总配电箱处的地电位基本没有影响。电源至总配电箱处的中性线断线的几率基本没有，接触不良的机率也相对很小，而其它部位中性线断线不会对总配电箱处电位产生影响。三相和二相380V负荷的不平衡也不会造成PEN线电位升高。
②临电系统内部的接地故障，由于临电系统安装有灵敏度较高的漏电保护器，漏电电流较小，造成PEN线有较大电位升高的情况很少。
③对于临电自身引起的PEN线电位升高，最主要的解决办法是总配电箱处的重复接地，因为PEN线重复接地可以降低PEN线电位升高的危险程度。
（3）总配电箱进线电缆的短路和过载保护可以由临电系统的上级配电系统提供，如同高压电缆出线需要高压配电所提供相应保护一样。只要保护设计得当，应该是可行的。在临电方案实施中对这一段线路的路径、敷设方式进行安全可靠性评估，选出比较安全的方案是可能的。根据临电方案实施和运行实践，这段线路一般是采用电缆进行敷设，受重视程度较高，安全状况比较好，短路和漏电事故故障率很低，对人身安全危胁较小，短路、过载保护兼接地保护就能满足系统保护要求，只要设计和管理得当，是能够满足系统运行要求的。
3.3.4总配电箱设置在靠近负荷中心的方案从技术上是符合临电方案的。
临电规范第5.1.2条的强制性规定为：“采用TN系统做保护接零时，工作零线（N线）必须通过总漏电保护器，保护零线（PE线）必须由电源进线零线重复接地处或总漏电保护器电源侧零线处，引出形成局部TN-S接零保护系统”。临电方案允许在规定条件下形成局部TN-S接零保护系统，则总配电箱在靠近负荷中心设置的方案是可行的。
3.4在用电规模较大的场合，单个总配电箱所带的负荷过多，缺乏设计前的规划。
临电规范没有对一个总配电箱以下的配电规模进行限制，主要是因为采用了配电室供电方式，实际上是是多总配电箱供电方式，但在实际临电方案设计时经常采用的是单总配箱模式，如果施工现场、用电负荷的规模较大而不建集中的配电室，单总配箱模式会使总配以下的配电规模过大，超过了一定的限度，有些是后续项目增加造成的，给临电系统的管理带来了故障范围大、故障频繁、保护误动、管理和维护不便等很多问题。
这就要求我们在临电设计前要对针对施工现场实际情况，作一些可行性分析和规划，是采用配电室供电方式，还是采用多总配的四级配电方式（通过新增一级配电将电能分配至总配电箱上）？，将每个总配回路的规模限定在一定的范围内，如一个总配带3～4个分回路，每个分回路带3个分配电箱，一个总配回路最多带9～12个分配电箱。
如果临电规模超过9～12个分配电箱，就要考虑再增加一个总配电箱。在可能有后续负荷的情况下，还要在临电方案设计中预留相应的回路。在距离比较远不同区域，就要考虑重新布置一套临时配电系统。配电规模较大时，就应采用多总配电箱方式。
3.5对分配电箱供电区域划分不合理
临电规范规定分配电箱应设在用电设备或负荷相对集中的区域，在临电方案实施中发现分配电箱供电区域划分有不合理之处。
3.5.1用电设备或负荷相对集中的区域实际上是有大有小的，有些负荷只在特定的施工阶段使用，有些负荷在某个施工阶段与其它负荷集中出现。在临电设计时，对区域设置几个分配电箱的问题只是进行简单划分，而不是动态的配置，造成了不应有的资源的闲置和资源的过渡紧张状况，不能满足施工对临电系统的阶段性需求。
3.5.2有些负荷的性质不同，负荷相互之间影响较大，如：动力和照明回路，大容量设备（如100KVA的闪光对焊机）和小容量设备等，尽量能按设备和施工需要分开设置，如塔吊要求不能频繁停电，但它本身电机起动、制动以容易影响其它设备，在高层施工中塔吊、人货电梯或龙门架等固定设备应分配在一个分配电箱内，而其它移动设备、容易发生漏电故障和备用回路分配在另一个分配电箱内，这样对施工过程相互影响小，各种保护也容易设置，特别是设置漏电保护器后有助于形成安全可靠的临电系统。
3.6临电设计和系统配置与实际脱节，不能随施工需要动态配置。
临电设计在规划时缺乏调研环节，企图一次将临电配置到位，没有考虑施工现场用电需求发生变化后如何调整。临电方案中的短路和过载保护是按计划投入的临电设备计算的，但在实际运行中施工方案有时会发生变化，有些临电设备就可能与计划投入的临电设备容量相差较大。
随着工程阶段的不同，接入分配电箱的临电设备也有相应的不同，在实际接入的临电设备常常不能和分配电箱回路已有短路和过载保护相匹配，已有的回路和需要使用的临电回路数量也不匹配，在较为严重的情况下，常常造成容量较大的断路器控制较小容量的用电设备，或者是较大容量的临电设备没有多余的回路。短路和过载保护处于失控状态，五级短路和过载保护都不能提供可靠的保护，造成既浪费了资源，还不能形成有效的保护状况。
4、三级配电和二级漏电保护在设计和方案实施中应注意的问题
4.1 临电方案的设计要注重前期规划，只有前期规划做好了，才能有较优的临电方案。
4.1.1临电方案的目标是规划合理、保护有效、经济合理、安全可靠。
4.1.2要注重对施工现场及建筑物情况（特别是地下设施情况）、施工负荷情况的了解，合理配置总配电箱、分配电箱的数量和位置，使临电电源尽量深入负荷中心，选择合适的路径，尽量减少施工对临电系统的影响，充分考虑施工不同阶段，临电系统随施工现场需要变动而重新布置的可能性，使临电系统既能达到安全可靠的目的，以能满足施工对临电的需求。
4.1.3临电方案应经优化比选，方案既要能满足于系统对安全的要求，又要考虑系统投入的合理性，对各种可能的方案要进行比对，不断优化方案。
4.2 漏电保护应形成保护范围适当、有效可靠的二级或多级漏电保护系统。
4.2.1漏电保护设计要考虑临电规模和二级漏电保护的匹配问题，临电规模较大时应把临电系统划分成多个大小合适的临电系统，相当于临电规范规定的多总配模式。同时二级漏电保护的重点应向容易发生漏电的部分和末端用电设备和线路倾斜，适当减少或区分电源侧的漏电保护需求，对漏电机率较小的线路和配电设备考虑风险因素后可以简化或不用漏电保护；而对存在漏电可能性较大的部分则应采用二级或二级以上的多级漏电保护。
4.2.2对于临电规范中的二级漏电保护系统，最有效的办法是根据需要在分配电箱内增加一级漏电保护器，与末端漏电保护器形成有效、可靠的漏电保护。对分配电箱以下漏电范围仍较大和容易漏电的部分，要缩小保护范围和检查是否已组成了局部的有效、可靠的二级漏电保护。
4.3 临电系统的短路和过载保护的重点应放在保护的及时性和可靠性上，选择性则可以放在次要位置上。
漏电保护的灵敏度高，多级漏电保护之间可以具有良好的选择性，但与短路保护之间很难有选择性，正因为漏电保护破坏了与短路保护的选择性，又由于施工现场临电的特殊性，短路保护的上下级之间实际上已失去了选择性，再由于临电的供电等级较低为三级，没有特殊要求，在短路保护上应注重发生故障后的快速动作和可靠动作，因为短路和过载保护很少动作，保护的选择性要求和停电范围相对不是很重要。另一个原因是施工现场安全的需要。施工现场用电安全性、可靠性、快速性要大于选择性。
4.4 根据临电设备的特点，分配电箱采用树干式配电方式较为可行。
临电设备大部分设备容量不是很大，除绝缘问题外没有特殊要求，能承受在一定范围的停电影响，又由于临电设备的需用系数和同时系数较低，在适当范围内对分配电箱采用树干式供电方式能减少临电方案的投入，而对临电系统影响不大。
在实际中采用树干式供电方式，要考虑临电系统的局部变动的影响，因为树干式供电方式对施工现场临电布设的暂时性和可能变动性适应性不好，树干式供电方式在设计和实施时要控制在一定范围内，兼顾系统的灵活性、安全性、变动性、保护可靠性、不利影响性等因素。
4. 5 要认清并重视短路和过载保护在临电系统中的作用，形成有效的保护，而不能因为有漏电保护而忽略系统短路和过载的保护。
4.5.1相间、相对零故障是比较严重的故障，如果不并发接地故障时，漏电保护是不能提供保护的，而短路和过载保护还能提供漏电保护的后备保护，临电设计和系统配置时一定要认识到其重要性。由于施工现场的特殊性，实际上设备和线路的短路故障机率不是很低，而是发生短路的可能性很大。
在临电设计时要重视短路保护的计算，建立一套短路计算的方法，要考虑保护系统如何满足施工对临电需求的问题；系统接入的临电设备是变化的，不仅要考虑保护的范围，还要考虑设备容量有一个变动区间时也能提供有效的保护。
4.5.2 施工现场存在着用电的特殊性，临电规范2005对临电系统采取从严的措施，规定就高不就低，同样对临电系统的正常应有的保护也要本着从严的精神，按要求设计、配置、维护，确实把系统安全的责任放在第一位，从技术层面上把好安全关。不把故障隐患留给施工用电人员，确保用电安全。
4.6 临电系统应重视设计方案的评审，实施后的经验总结及持续改进问题。
临电设计方案完成后，经过专家团队的评审和方案实施后问题的反馈，可以发现方案中存在的问题，减少不必要的投入或降低方案带来的风险。由于施工现场情况的特殊和复杂，不同的规模和环境要求有不同的方案，通过对方案实施效果的验证，可以发现在一般情况下难以发现的问题，获取不同的经验教训，锻炼和提高临电设计水平，达到持续改进的目的，是临电设计中需要非常重视的一个环节。
5、结束语
三级配电二级漏电保护是临电规范2005年的强制性标准，按规范配置的临电系统是建立在有一定技术和管理水平上的。目前的临电方案设计、配置、管理的整体水平还达不到规范的要求，如果不考虑施工现场具有的特殊性，不能深刻理解临电规范的实质精神，不顾现场实际情况，对临电规范死搬硬套，临电方案设计就会出现较多问题。
在临电设计中必须重视对实际问题的灵活解决。有了好的临电设计方案和不断的持续改进，才能有较好的现场实施、管理效果。这样才能真正按施工需求形成有效、安全、可靠的临电系统。
