哪个断路器因子面板接地故障而跳闸?


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我在附属建筑中安装子面板,并了解我需要使用四线进线,并使子面板的接地与中性线分开。我知道那是代码,但我想了解事情的运作方式。我正在尝试概念化附属建筑中的电路的接地故障将如何使断路器跳闸以及该断路器将跳闸。涉及四个断路器。主电源,为子面板供电的断路器,子面板上的“主电源”以及最后的断路器。如果发生接地故障,哪一个会跳闸?为了隔离问题,最终似乎需要这样做。由故障引起的电涌是否通过接地线一直传到主电源,再传回最终断路器?

Answers:


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查看图表通常是理解问题的好方法。下面是显示故障电流路径的简单图表。

故障电流路径

您会看到故障电流将流过所有断路器,并沿着接地导体返回到电源(变压器)。

您可能会倾向于认为故障电流会非常高(数万安培)。但是,由于导线具有电阻,因此电流可能出奇地低。

如果不知道每条导线的确切长度和​​尺寸,就无法估算电阻。如果确实有该信息,则可以计算阻力。这样,可以根据电压和欧姆定律计算出故障电流。

对于此示例,我们假设故障电流小于100安培。

因为电流不超过任何断路器的瞬时跳闸水平,所以断路器的短路保护不会跳闸。但是,断路器还具有热保护功能,该功能可根据电流(过热)引起的过热来断开电路。

每个断路器将根据其跳闸曲线跳闸,该跳闸曲线基于电流超过断路器额定电流的倍数。基本上,随着故障电流的流动,每个断路器中的热保护装置开始加热(连同电路中的所有布线一样)。显然,较大的断路器(图中的100和200)可以处理更多的热量(电流),因此它们将能够处理小于100安培的故障电流。

由于故障电流高于较小断路器的额定电流(图中的20),因此热保护装置将开始过热。如此大的电流流过,该设备很可能会在几秒钟内打开。但是,如果电流较低,则跳闸可能会花费更长的时间(甚至数分钟)。

如果再举一个例子,我们计算出的故障电流为150安培。即使电流现在高于四个断路器中三个断路器的额定电流,较小的断路器也可能仍会首先跳闸。这是因为断路器的热保护跳闸之前的时间取决于故障电流超过额定电流的量。

故障电流仅比较大断路器高1.5倍,但比较小断路器高7.5倍。因此,较小的断路器会更快跳闸。通过这种方式设计热保护功能,以便负载可以吸收额定电流,但只能使用有限的时间。这样可以使电动机启动,而不会使断路器跳闸。

在大多数实际应用中,较小的断路器将首先跳闸。如果故障电路的电阻很低,则故障电流可能会高于所有断路器的瞬时跳闸水平。在这种情况下,第一个断路器(主)可能会首先跳闸。

如果任何断路器是GFCI断路器,并且故障已接地,则GFCI断路器将首先跳闸。


更现实的例子

本示例将使用上面的图表,但将尝试估算更实际的故障电流。我们说3/0 CU有100'。从电线杆到主服务面板接线片的电线。3/0 CU。是0.0000766欧姆/英尺,因此是0.00766欧姆。

0.0000766 * 100' = 0.0076 ohms

接下来是50'的3 AWG CU。从主面板馈线断路器到第二个主面板接线片。#3 CU。是0.000245欧姆/英尺,即0.01225欧姆。

0.000245 * 50' = 0.01225 ohms

接下来是25'的12 AWG CU。从第二个面板断路器一直到故障。#12 CU。为0.00193欧姆/英尺,总计0.04825欧姆。

0.00193 * 25 = 0.4825 ohms

现在我们已经到了故障,电流必须沿着接地导体返回。接地导体由25'的12 AWG CU。,50'的8 AWG CU。和100'的3/0 CU组成。回到极点。

0.00193 * 25' = 0.04825 ohms
0.000764 * 50' = 0.0382 ohms
0.0000766 * 100' = 0.00766 ohms

总结所有电阻,我们得出0.16227欧姆

0.00766 + 0.01225 + 0.04825 + 0.04825 + 0.0382 + 0.00766 = 0.16227

使用欧姆定律,可以使用公式电流=电压/电阻(I = E / R)轻松计算故障电流。

120 volts / 0.16227 ohms = 739.5 amperes

739.5安培的故障电流。

这是200安培断路器的3.695倍,根据我向上看的随机跳闸曲线,它应该在8-25秒之间使断路器跳闸。它是100安培断路器的7.395倍,它将在2到7秒之间跳闸。它约为20安培断路器的37倍,这可能超出瞬时跳闸电流水平。

在此示例中,20安培断路器将首先跳闸(除非其他断路器是GFCI断路器)。


谢谢,这很有意义。我给人的印象是,断路器能像短路一样处理接地故障。因此,我认为接地故障不会使断路器跳闸的速度如此之短?
ETrussell '16

@EmmettTrussell不,这就像一个短裤。从某种意义上说,接地线基本上是备用零线,如果有任何连接,它也会使电流流回电源。在热线和中性线之间会出现短暂的差距。接地故障只是短路的另一个术语,但位于热表面和某些导电表面之间。地面应具有与中性线几乎相同的路径和电阻,因此它们基本上会同时翻转。
TFK

@ Tester101在电气系统的树形图中,线路下的每个部分都有一个较小的断路器(主要作为主干,子作为分支,电路作为分支),最近的断路器(在发生故障之前)不会总是先跳闸,它会有最小的断路器-那么行程最快吗?(我们在这里假设所有的旅行设置都得到协调)
TFK

这看起来不错。我同意这是一个公平的例子。实际上,您对电线很宽容,因为这是一个住宅设备,200安培的馈电将需要2/0,而100安培的将是#4,因此电阻将比您的示例稍高。我正在查看的平方D热磁曲线显示的瞬时跳闸是断路器跳闸额定值的9倍,因此,如果您超过串联的任意两个断路器的瞬时跳闸,则它们中的任何一个都可能跳闸。因此,如果向车库提供40安培和#8的馈电,则360安培的接地故障可能会导致编码问题。
ArchonOSX'2

@ArchonOSX我认为您不能为第二个面板添加#4。旧表310.15(B)(7)仅适用于服务导体,因此不适用于分支馈线。新的措词允许83%的额定值,但仍仅适用于提供“ 与一户住宅相关的全部负载服务导体和馈线。
Tester101 '16

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等等,伙计们。故障可能不在端点。考虑一下子面板内部的故障,即您的L1馈线在子面板外壳上磨损。它在子面板主断路器之前,因此那里没有帮助。如果没有返回主面板的有线接地路径,主面板断路器将不会跳闸,因为没有足够的电流流过。(地球不是很好的导体,所以接地电极锤入大地不会用作大电流接地。)

因此,如果没有有线接地,附属建筑中的“接地”将仅浮动至120v。您将在电线的每个接地引脚和金属部分以及将机箱接地的任何设备上使用120v电压。(中性仍然是中性的-记住它们在子面板中彼此隔离-因此设备仍将正常工作。)

当然,您的附属建筑“地面”(现在很热)会渴望通往主板地面的路径,并且可能会找到一个。只要流量小于100A(即电阻> 1.2欧姆),它就不会使主板跳闸,但会在您可能不希望发热的地方产生热量-高达12,000瓦!

或者它可能正在寻找平行的金属管,并在其中引起电偶腐蚀,并且很可能长时间这样做。弗林特了解到,这可能会使您的饮用水陷入困境。匆忙建造的有轨电车系统过去一直面临着腐蚀平行的燃气和供水总管的大问题,直到他们埋下了自己的“地面馈线”……换句话说,正是我们在这里谈论的内容。

无论如何,为了回答您的问题,电流流经它所经过的所有断路器。故障只是更多的电流流过“热”。理想情况下足以使断路器跳闸,但不一定。我们尝试通过提供可靠的故障路径来帮助实现这一目标。


有一条地面跑回主路。因此,在这种情况下,主馈电中的断路器将首先跳闸。
TFK,2016年

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嗯,如果您采用4线制,则有一条接地线用于故障电流;如果您采用3线制,则该故障电流返回零线。在您的方案中,也必须断开接地才能正常工作,或者在3线设置中将连接螺钉遗漏,但这就是为什么他们取消了3线方法而采用4线的原因。无论哪种方式,接地都是不良导体,因此需要导线型接地导体以促进过度校正设备的作用。
ArchonOSX

OP专门询问了附属建筑中的电路发生接地故障会发生什么情况:“ 我正在尝试概念化附属建筑中的电路的接地故障将如何使断路器跳闸,而哪些会跳闸。 ” 他们还说他们为附属建筑运行了4线馈线,因此面板有一条接地导体。
Tester101 '16

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简短的答案:最快(更灵敏)的断路器将首先跳闸。

这不一定是最小的。这就是为什么代码引用“选择性协调”的原因。请参阅第100条中的定义。

协调(选择性)通过选择和安装过电流保护装置及其额定值或对整个可用过电流范围(从过载到最大可用故障)的设置来实现对过电流状况的局部化,以将中断限制在受影响的电路或设备上当前的租金,以及与这些过度纠正有关的所有过度租金保护设备的开放时间。

50英尺#14仅为.126欧姆,在接地故障或短路期间,在120伏特时,您的短路电流为952安培。如果您有一个200安培的面板,即使200英尺的#14仍然比所有断路器的跳闸额定值还要大238安培。随着导线变大,短路电流仅从那里上升,因为电阻和阻抗下降。


238安培仅为200安培断路器的额定电流的1.19倍,是100安培断路器的2.38倍。这可能远低于瞬时行程额定值。
Tester101 '16

是的,但是在#14的200英尺处,这将是大多数住宅单元的极限。平均数通常会接近50英尺,因此如果是#12导线,则接近1000安培甚至更高。当然,在这些水平上,磁脱扣将在热脱扣之前进入。如果最小的断路器先跳闸,那将是很好的选择,但我不会打赌。
ArchonOSX '16

一个50'的电路距离面板(沿着电线)仅25'。您还必须考虑从主面板到第二个面板再到背面的电路。
Tester101 '16

没错,但是那根电线将变得更大,电阻也要小得多。#4的200'具有0.05欧姆的电阻。考虑到这一点。如果故障发生在馈线中或更靠近子面板,则故障电流会更高。
ArchonOSX '16

我在回答中添加了我认为是相当准确的示例。
Tester101 '16

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最小(安培)和最接近(保护)故障的应首先跳闸。因此,如果是由子电路中的分支电路引起的,则子电路中的断路器会跳闸。

可以想象一下,故障是从主线传回的,是的,但是沿着两条线路-地面和热线都在为它供电。热线将到达最近的断路器并跳闸。

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