民用建筑變電所內(nèi)接地干線截面選擇

葉 興

[同濟(jì)大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院(集團(tuán))有限公司, 上海 200092]

0 引 言

為了防止雜散電流帶來的危害,民用建筑變電所接地方式大多采用“一點(diǎn)接地”。對于“一點(diǎn)接地”的變電所環(huán)形接地干線截面選擇,不少業(yè)內(nèi)的同行還是把其理解同“中性點(diǎn)直接接地”的選擇是一樣的。這其實(shí)存在誤區(qū),因這種接地干線截面在設(shè)計(jì)過程中應(yīng)該基于此處最大容量變壓器接地故障進(jìn)行設(shè)計(jì)[1-2]。本文根據(jù)不同接地方式的變電所接地故障電流流向和計(jì)算來分析環(huán)形接地干線截面選擇的大小。

1 低壓配電系統(tǒng)的兩個(gè)接地方式

配電系統(tǒng)內(nèi)一般都有兩個(gè)接地:電源端導(dǎo)體接地;負(fù)荷端外露導(dǎo)電體接地。在低壓配電系統(tǒng)中,前一種表現(xiàn)為變壓器、發(fā)電機(jī)相關(guān)繞組的接地,后者表現(xiàn)為用電設(shè)備金屬外殼相關(guān)部分的接地,二者的性質(zhì)不同,分別被稱作為系統(tǒng)接地和保護(hù)接地[3-6]。

民用建筑變電所低壓側(cè)電源接地根據(jù)接地位置的不同,可以分為中性點(diǎn)直接接地和在低壓配電柜或總配電屏處與PE線一點(diǎn)接地[7]。

2 電源中性點(diǎn)直接接地方式

2.1 中性點(diǎn)直接接地方式的由來

過去相關(guān)民用建筑變電站二次側(cè)低壓電源中性點(diǎn)在何處接地,并沒有明確規(guī)定,一般情況下選擇中性點(diǎn)直接接地方式。GB 50303—2002《建筑電氣工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范》(目前已作廢)對此明文要求,其第4.1.3條規(guī)定:“變壓器中性點(diǎn)應(yīng)與接地裝置引出干線直接連接,接地裝置的接地電阻值必須符合設(shè)計(jì)要求”,這就是常說的中性點(diǎn)直接接地方式的由來。GB 51348—2019《民用建筑電氣設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》對民用建筑變電所采用中性點(diǎn)直接接地的方式作出規(guī)定和要求,第12.4.11條規(guī)定:對于變電所只有一臺(tái)變壓器時(shí),接地方式可采用“中性點(diǎn)直接接地”和“一點(diǎn)接地”;對于多電源系統(tǒng),可采用上述兩種接地方式,但是對于采用“中性點(diǎn)直接接地”的系統(tǒng),為防止雜散電流的干擾,所有主斷路器與母線聯(lián)結(jié)斷路器,均應(yīng)選用4級斷路器。多電源TN系統(tǒng)采用直接接地的方式如圖1所示。

圖1 多電源TN系統(tǒng)采用直接接地的方式

采用4級斷路器可有效隔斷系統(tǒng)中的雜散電流,但是會(huì)大幅增加回路“斷零”危險(xiǎn),從而影響設(shè)備的正常運(yùn)行。因此,工程設(shè)計(jì)中應(yīng)謹(jǐn)慎采用。

2.2 中性點(diǎn)直接接地的接地故障電流分析

變電所內(nèi)部的PE接地干線應(yīng)按能承受預(yù)期的最大單相接地故障短路電流來選擇。短路點(diǎn)在一般情況下選擇在中性點(diǎn)出口套管處。多電源TN系統(tǒng)采用直接接地,出口處發(fā)生接地故障時(shí)故障電流流向如圖2所示。

圖2 多電源TN系統(tǒng)采用直接接地,出口處發(fā)生接地故障時(shí)故障電流的流向

由圖2可知,故障電流主要是經(jīng)變壓器金屬外殼返回電源端,基本上不經(jīng)過環(huán)形接地干線,此時(shí)接地干線為等電位聯(lián)結(jié)線。等電位聯(lián)結(jié)線在設(shè)計(jì)時(shí)一般選擇40 mm×4 mm熱鍍鋅扁鋼即可。PE接地干線最小截面選擇可按如下公式計(jì)算:

式中:S——截面積;

I——預(yù)期接地故障電流有效值;

t——保護(hù)電器自動(dòng)切斷時(shí)的動(dòng)作時(shí)間;

k——由PE、絕緣和其他部分的材料及初始和最終溫度決定的系數(shù),按國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 50065—2011附錄G規(guī)定取值。

短路分析示意圖如圖3所示。

圖3 短路分析示意圖

考慮一般民用建筑供電電源的短路容量大部分在200 MVA以內(nèi),本文計(jì)算系統(tǒng)短路容量取200 MVA,低壓側(cè)出口母線長度取8 m,單相接地故障切除時(shí)間取0.6 s。

計(jì)算結(jié)果如表1所示,電纜、母線線路阻抗數(shù)據(jù)參考《工業(yè)與民用配電設(shè)計(jì)手冊》[7]。PE接地干線截面選擇如表2所示。

表1 計(jì)算結(jié)果

表2 PE接地干線截面選擇

3 采用“一點(diǎn)接地”

3.1 “一點(diǎn)接地”的由來和做法

GB 51348—2019把“一點(diǎn)接地”的方式納入了規(guī)范,結(jié)合GB/T 16895.1—2008《低壓電氣裝置 第1部分:基本原則、一般特性評估、定義》和IEC 60364-4-44:2007的規(guī)定,采用“接地”的接地方式時(shí),電源中性點(diǎn)引出的PEN線只能在低壓配電柜或總配電屏處與PE線一點(diǎn)接地,在同一建筑物內(nèi)不得在其他處接地。多電源一點(diǎn)接地系統(tǒng)設(shè)置方案如圖4所示。

圖4 多電源一點(diǎn)接地系統(tǒng)設(shè)置方案

接地相關(guān)要求:① 不應(yīng)把變壓器或發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)直接對地連接,即電源的中性點(diǎn)不允許直接接地;② 兩電源中性點(diǎn)對應(yīng)的導(dǎo)線應(yīng)該滿足一定絕緣性要求,其功能和PEN類似,不過不可從其回路連接用電設(shè)備;③ 在進(jìn)行系統(tǒng)接地時(shí)只可以將此連接線和PE進(jìn)行連接,此連接點(diǎn)可在多臺(tái)變壓器的變電所低壓配電盤內(nèi),也可在電氣裝置電源進(jìn)線的總配電箱內(nèi);④ PE線進(jìn)行接地時(shí)可重復(fù)接地。

由圖4可知,電氣設(shè)備處N線電流通過單一途徑回到電源A端,不會(huì)產(chǎn)生雜散電流。需要說明的是,變壓器中性線引出線在建筑物電氣裝置中并非中性線而是PEN線,因而在實(shí)際應(yīng)用過程中應(yīng)對此予以區(qū)分,進(jìn)行更合理連接,滿足應(yīng)用要求。整個(gè)低壓配電系統(tǒng)內(nèi)的正常對地泄漏電流和發(fā)生接地故障時(shí)的對地故障電流都需通過它返回電源端,由于該導(dǎo)體具有中性線和PE線的功能,因而根據(jù)相關(guān)規(guī)范,其嚴(yán)禁斷開PEN線。因此,在變壓器的出線開關(guān)和母線上的聯(lián)絡(luò)開關(guān)不得裝設(shè)4級開關(guān),以此來實(shí)現(xiàn)相應(yīng)保護(hù)目的,滿足長期可靠運(yùn)行相關(guān)要求。

3.2 “一點(diǎn)接地”的接地故障電流分析

當(dāng)變電所內(nèi)采用“一點(diǎn)接地”時(shí),變壓器低壓側(cè)中性點(diǎn)套管出口處發(fā)生單相接地故障。多電源TN系統(tǒng)采用一點(diǎn)接地,出口處發(fā)生接地故障時(shí)故障電流流向如圖5所示,故障電流流經(jīng)變電所內(nèi)環(huán)形接地干線返回電源。發(fā)生單相接地故障時(shí),要及時(shí)切斷短路電流,保證通過故障電流的導(dǎo)體短路時(shí)的動(dòng)熱穩(wěn)定性。因此,應(yīng)按該處最大容量變壓器單相接地故障來選擇變電所內(nèi)設(shè)置的環(huán)形接地和PE干線截面。

圖5 多電源TN系統(tǒng)采用一點(diǎn)接地,出口處發(fā)生接地故障時(shí)故障電流流向

根據(jù)上述分析,PE和環(huán)形接地干線截面選擇如表3所示。

表3 PE和環(huán)形接地干線截面選擇

4 結(jié) 語

(1) 民用建筑變電所內(nèi)低壓電源側(cè)接地方式有“直接接地”及“一點(diǎn)接地”,為防止雜散電流帶來的危害,建議變電所內(nèi)接地方式優(yōu)先選擇“一點(diǎn)接地”。

(2) 當(dāng)變電所內(nèi)的接地方式采用“一點(diǎn)接地”時(shí),變電所內(nèi)環(huán)形接地干線截面應(yīng)按該處最大容量變壓器接地故障來選擇;電源出線的總開關(guān)和聯(lián)絡(luò)開關(guān)應(yīng)選用3級斷路器。

(3) 當(dāng)變電所內(nèi)的接地方式采用中性點(diǎn)直接接地時(shí),變電所內(nèi)的環(huán)形接地干線為等電位聯(lián)結(jié)線,通常選用40 mm×4 mm熱鍍鋅扁鋼即可。