民用建筑配電低壓側(cè)中性點(diǎn)接地位置探討分析

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

關(guān)于民用建筑配電低壓側(cè)中性點(diǎn)在何處接地,國際和國內(nèi)的做法有所區(qū)別。IEC 60364-1:2005[1]中規(guī)定,民用建筑變電所中的低壓側(cè)電源接地只能實(shí)施一點(diǎn)接地。而根據(jù)GB 50303—2002《建筑電氣工程施工標(biāo)準(zhǔn)》第5.1.2條要求:變壓器中性點(diǎn)與環(huán)形接地干線直接連接,不過根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB 50303—2015,這種接地方式和接地電阻值應(yīng)綜合考慮到各方面因素,且滿足設(shè)計(jì)要求。從規(guī)范條文解釋可看出,對多電源TN系統(tǒng),在進(jìn)行接地時(shí)如果選擇的接地方式不合理,中性線電流就可能通過不期望的路徑流通而引起火災(zāi)、腐蝕或電磁干擾?？梢奊B 50303—2015開始關(guān)注中性點(diǎn)的雜散電流所帶來的危害。此外,隨著標(biāo)準(zhǔn)GB 51348—2019《民用建筑電氣設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》(以下簡稱新民規(guī))的實(shí)施,對中性點(diǎn)的接地位置也做了相應(yīng)要求。為避免雜散電流的干擾,結(jié)合IEC標(biāo)準(zhǔn)和新民規(guī),分析民用建筑中不同情況下的電源中性點(diǎn)接地的方式。因單電源TN系統(tǒng),N線無法形成環(huán)路,不會產(chǎn)生雜散電流,可選用電源中性點(diǎn)直接接地或“一點(diǎn)接地”,本文不做討論。

1 配電系統(tǒng)的兩種接地

對于任一電壓的配電系統(tǒng),對應(yīng)接地可劃分為兩部分:電源導(dǎo)體的接地;用戶端設(shè)備外露接地。對低壓配電系統(tǒng)來說,前一種接地一般是指變壓器繞組星形接點(diǎn)對應(yīng)的接地,而后一種則主要是用電設(shè)備的外殼、布線相關(guān)的接地,這兩種性質(zhì)的接地分別稱作為系統(tǒng)接地和保護(hù)接地[2-3]。

2 電源在同一機(jī)房內(nèi)或者相鄰和貼鄰

2.1 采用中性點(diǎn)直接接地方式

根據(jù)新民規(guī)第12.4.11條,TN接地系統(tǒng)中,變電所內(nèi)配電變壓器低壓側(cè)電源中性點(diǎn),可采用直接接地方式。此外條文解釋對采用上述接地方式做了要求:所有的主斷路器和母線聯(lián)絡(luò)斷路器都應(yīng)該選擇4P開關(guān)。從條文解釋可看出新民規(guī)已經(jīng)開始關(guān)注中性點(diǎn)的雜散電流所帶來的危害。本文分析采用3級開關(guān)的中性點(diǎn)直接接地系統(tǒng)雜散電流如何產(chǎn)生以及危害。多電源TN系統(tǒng)直接接地的N線電流流向如圖1所示。

一般,一回路的N線電流在返回電源時(shí)對應(yīng)的路徑為唯一的,也就是在連接過程中一些情況下N線多點(diǎn)接地形成并聯(lián)通路情況下,此回路內(nèi)N線電流將減少,而其他并聯(lián)的線路中可能出現(xiàn)一定大小的分流,稱為雜散電流。由于變壓器中性點(diǎn)直接接地,電氣裝置的N線通過變電所的N線和PE線形成環(huán)路,使得電氣裝置的N線電流除按正規(guī)通路返回供電變壓器A外,還通過另外一臺變壓器B的N線及PE線返回供電變壓器A。該通路中不期望路徑的N線電流的分流稱為雜散電流,可能引起如下電氣危害:① 雜散電流可在一定電磁感應(yīng)基礎(chǔ)上形成雜散電磁場,而對一些敏感設(shè)備的運(yùn)行產(chǎn)生不良影響;② 一些情況下會導(dǎo)致電火花而起火;③ 如果這種電流通過大地回流,則會形成電池,這樣會對電極產(chǎn)生一定腐蝕作用,同時(shí)也導(dǎo)致鋼筋等受到腐蝕,影響接地性能。

雖然能用4級斷路器解決雜散電流的問題,但該措施存在幾個(gè)問題:

(1)當(dāng)變電所數(shù)量較多時(shí),大量的采用四級斷路器,會增加設(shè)備造價(jià)。

(2)不必要的給回路增加了 “斷零”危險(xiǎn),從而影響設(shè)備的正常運(yùn)行。并且IEC標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定不允許這樣。

(3)低壓配電盤內(nèi)未設(shè)置PEN線,這種條件下進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí),無法引出TN-C/TN-C-S系統(tǒng),使系統(tǒng)存在局限性。

2.2 采用“一點(diǎn)接地”做法

隨著進(jìn)入信息時(shí)代后智能建筑的普及,接地不當(dāng)及雜散電磁場等導(dǎo)致的信息系統(tǒng)的干擾引起電氣工作者和設(shè)計(jì)人員的重視。文獻(xiàn)[4-6]中分析了按IEC 60364-1:2005實(shí)施多電源系統(tǒng)一點(diǎn)接地的重要性和必要性。為此,新民規(guī)把“一點(diǎn)接地”的方式也納入了規(guī)范,結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)IEC 60364-1:2005和標(biāo)準(zhǔn)IEC 60364-4-44:2007的規(guī)定,當(dāng)變電所接地方式采用“一點(diǎn)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。

IEC多電源一點(diǎn)接地系統(tǒng)設(shè)置方案如圖2所示。

圖2 IEC多電源一點(diǎn)接地系統(tǒng)設(shè)置方案

圖2中,用①～④標(biāo)記出了系統(tǒng)接地的要求。① 不應(yīng)把變壓器或發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)直接對地連接,即不允許電源中性點(diǎn)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很類似,但不可從其回路連接相應(yīng)設(shè)備。③ 只能在此處將此連接線和PE相連接而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)接地,此連接點(diǎn)可在多臺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。

依據(jù)圖2分析,電氣設(shè)備處N線電流通過單一途徑回到電源A端,不會產(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。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PEN線返回電源端,由于該導(dǎo)體兼具中性線及PE線功能。所以建筑電氣中規(guī)定嚴(yán)禁斷開的是PEN線,而不是N線,因此變壓器的出線開關(guān)和母線上的聯(lián)絡(luò)開關(guān)不得裝設(shè)4級開關(guān)[7-8]。

通過中性點(diǎn)直接接地,或基于IEC 60364-1:2005標(biāo)準(zhǔn)在低壓配電盤或總配電屏做一點(diǎn)接地,系統(tǒng)內(nèi)的任何電氣裝置、導(dǎo)線對地都會產(chǎn)生泄漏電流,此部分雜散電流較小,不足以引起危害,可以忽略不計(jì)。

通過上述分析,對于電源在同一機(jī)房內(nèi)或者相鄰和貼鄰的系統(tǒng),為防止雜散電流和電磁干擾,應(yīng)優(yōu)先選用“一點(diǎn)接地”。

3 電源距離較遠(yuǎn)的情況

民用建筑電氣中,各類建筑種類繁多,由于面積和功能的關(guān)系,不同電源設(shè)置的機(jī)房可能距離較遠(yuǎn)。如會展建筑,電源變電所可能設(shè)置兩端,同時(shí)往中間供電;另外對大型商業(yè)綜合體、超高層、劇院、體育場往往需要設(shè)置柴油發(fā)電機(jī),而柴油發(fā)電機(jī)機(jī)房也有可能離變電所較遠(yuǎn)。需要說明的是,相距較遠(yuǎn)的多電源聯(lián)結(jié)系統(tǒng)聯(lián)絡(luò)線往往過長,阻抗過大。如果系統(tǒng)僅在一處機(jī)房設(shè)置接地,會使長的聯(lián)絡(luò)線過大的阻抗無法滿足保護(hù)電器設(shè)備短路靈敏度的要求。因此,對于相距較遠(yuǎn)的多電源聯(lián)結(jié)系統(tǒng)應(yīng)各自設(shè)置接地系統(tǒng)。

3.1 相距較遠(yuǎn)的2臺聯(lián)結(jié)變壓器

3.1.1 采用中性點(diǎn)直接接地方式

相距較遠(yuǎn)的2臺聯(lián)結(jié)變壓器采用的中性點(diǎn)直接接地方式如圖3所示。

圖3 相距較遠(yuǎn)的2臺聯(lián)結(jié)變壓器采用的中性點(diǎn)直接接地方式

圖3是目前距離較遠(yuǎn)且互相聯(lián)結(jié)的2臺變壓器的常用接地方式,在各自的機(jī)房內(nèi)電源中性點(diǎn)直接接地。由圖3分析,電氣裝置由A路市電變壓器供電,可見N線電流正常流動方向,相應(yīng)的聯(lián)結(jié)和主斷路器在設(shè)計(jì)時(shí)選擇4級ATSE,從而并未形成雜散電流的通路,消除了雜散電流,使得電磁環(huán)境良好。

3.1.2 在各電源處采用“一點(diǎn)接地”的方式

通過分析,在進(jìn)行防雜散電流時(shí),為滿足經(jīng)濟(jì)性和簡易性相關(guān)要求,而選擇“一點(diǎn)接地”方式。但是對于相距較遠(yuǎn)的2臺聯(lián)結(jié)變壓器,不同的電源處都選擇這種接地方式,會產(chǎn)生雜散電流。

相距較遠(yuǎn)的2臺聯(lián)結(jié)變壓器在各電源處采用的“一點(diǎn)接地”方式如圖4所示,可見N線電流流向。

圖4 相距較遠(yuǎn)的2臺聯(lián)結(jié)變壓器在各電源處采用的“一點(diǎn)接地”方式

由圖4分析,電氣裝置由A路市電變壓器供電,可見N線電流流動方向。由于采用3級聯(lián)結(jié)斷路器,電氣裝置的N線通過變電所的N線和PE線形成環(huán)路,使得電氣裝置的N線電流除按正規(guī)通路返回供電變壓器A外,還通過另外一臺變壓器B的PEN線及PE線返回供電變壓器A,使得回路中產(chǎn)生了不期望路徑的N線電流的分流,從而引起雜散電流。

有人認(rèn)為可以采用4級聯(lián)結(jié)斷路器就可以避免雜散電流的產(chǎn)生。其實(shí)當(dāng)接地方式采用“一點(diǎn)接地”時(shí),電源中性點(diǎn)引出的是PEN線,PEN線是嚴(yán)禁斷開的,因此不允許采用4級的聯(lián)結(jié)斷路器。

3.2 變電所和柴油發(fā)電機(jī)房相距較遠(yuǎn)的情況

變電所和柴油發(fā)電機(jī)房相距較遠(yuǎn),采用中性點(diǎn)直接接地時(shí)由市電電源、發(fā)電機(jī)電源供電的N線電流方向分別如圖5、圖6所示;采用“一點(diǎn)接地”時(shí)由市電電源、發(fā)電機(jī)電源供電的N線電流流向分別如圖7、圖8所示。

圖5 采用中性點(diǎn)直接接地時(shí)由市電電源供電的N線電流流向

圖6 采用中性點(diǎn)直接接地時(shí)由發(fā)電機(jī)電源供電的N線電流流向

圖7 采用“一點(diǎn)接地”時(shí)由市電電源供電的N線電流流向

圖8 采用“一點(diǎn)接地”時(shí)由發(fā)電機(jī)電源供電的N線電流流向

由圖5～圖8可知,不管采用中性點(diǎn)直接接地還是“一點(diǎn)接地”,市電或者柴油發(fā)電機(jī)供電的情況,市電與應(yīng)急電源切換需要采用4級的ATSE,阻斷了不期望路徑的N線電流分流,避免了雜散電流的產(chǎn)生。

由分析可知,因切換的ATSE存在,雜散電流的閉合環(huán)路不會產(chǎn)生,變電所和柴油發(fā)電機(jī)房兩種接地方式均可以選擇。此外,新民規(guī)中第12.4.11條第7款要求:低壓柴油發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)的接地方式應(yīng)與變電所內(nèi)配電變壓器低壓側(cè)中性點(diǎn)接地方式一致,目前分析來看,兩處的接地方式相同或不同均不影響供配電系統(tǒng)正常運(yùn)行,且EMC情況良好。

4 按照IEC 60364-1:2005標(biāo)準(zhǔn)作系統(tǒng)接地的是TN-C-S還是TN-S系統(tǒng)

針對多電源TN系統(tǒng)按照IEC 60364-1:2005標(biāo)準(zhǔn)作系統(tǒng)接地是TN-C-S還是TN-S系統(tǒng),很多人認(rèn)為該系統(tǒng)從電源三相套管引出端已是PEN線,設(shè)置在低壓配電盤上方的柜頂母線也為PEN線,因此該系統(tǒng)從嚴(yán)格上不能算做TN-S系統(tǒng),并且不能引出TN-S系統(tǒng)和TT系統(tǒng)。

其實(shí)不存在純粹的或100%的TN-S或TT系統(tǒng)。因?yàn)橹辽僭谧儔浩鲀?nèi)部三相繞組星形連接中性點(diǎn)引至出線套管的一段線上既通過中性線工作電流,也通過所供電氣裝置的對地正常泄漏電流和故障電流,這段線不可避免地已是PEN線。所以任何TN或TT接地系統(tǒng)的電源端必然要出現(xiàn)PEN線。業(yè)內(nèi)專家王厚余老先生曾詢問過IEC各位代表,他們一致認(rèn)為變電所這段PEN線很短,其阻抗和壓降可以忽略不計(jì),因此可將變電所看成一個(gè)“電源點(diǎn)”,而不計(jì)這段PEN線的存在。這樣各類接地的區(qū)分不是從變壓器內(nèi)繞組端點(diǎn)開始,而是從低壓配電盤出線開始。如此處理后,從變電所就可引出除中性點(diǎn)不接地的IT系統(tǒng)外的TT系統(tǒng)和各類TN系統(tǒng),而不局限于某一接地系統(tǒng),從而適應(yīng)現(xiàn)場各種不同需要。按IEC規(guī)定作系統(tǒng)接地，可引出除IT系統(tǒng)外的各種接地系統(tǒng)如圖9所示。

圖9 按IEC規(guī)定作系統(tǒng)接地，可引出除IT系統(tǒng)外的各種接地系統(tǒng)

5 結(jié) 語

民用建筑配電低壓側(cè)中性點(diǎn)接地位置需根據(jù)配電系統(tǒng)電源的位置、低壓出線的接地制式要求以及系統(tǒng)是否會產(chǎn)生雜散電流來進(jìn)行選擇。通過分析,得出結(jié)論:同一變電所內(nèi)的多電源系統(tǒng),為有效地避免雜散電流引發(fā)的干擾,應(yīng)該選擇簡單有效的“一點(diǎn)接地”方式;相距較遠(yuǎn)的2臺聯(lián)結(jié)變壓器,應(yīng)采用中性點(diǎn)直接接地方式,酌情選用4級聯(lián)絡(luò)開關(guān)防止雜散電流和電磁干擾;變電所和柴油發(fā)電機(jī)房相距較遠(yuǎn)的情況,因切換的ATSE存在,變電所和柴油發(fā)電機(jī)房兩種接地方式均可以選擇;需要引出TT和TN-C-S接地制式,應(yīng)采用中性點(diǎn)“一點(diǎn)接地”方式。

此外選用“一點(diǎn)接地”措施,還應(yīng)注意以下問題:機(jī)房內(nèi)的一圈“接地干線”應(yīng)具有足夠的截面,以滿足變電所內(nèi)發(fā)生接地故障時(shí)熱穩(wěn)定的要求;電源出線的總開關(guān)和聯(lián)絡(luò)開關(guān)應(yīng)選用三級斷路器;電源中性點(diǎn)引出的PEN線在進(jìn)行接地時(shí)只可以在總配電屏處與PE線一點(diǎn)接地,且柜內(nèi)PEN線應(yīng)對地絕緣;需要對PEN線與PE線進(jìn)行明確區(qū)分,后者可多次重復(fù)接地,可以大大地降低回路阻抗。