關于通信局樓變壓器接地型式和雙電源開關選型的若干思考

喬迎超

（中國移動通信集團設計院有限公司湖北分公司，湖北 武漢 430000）

0 引 言

由于行業(yè)慣例等多種原因，傳統(tǒng)通信局樓采用多臺變壓器中性點各自獨立的接地型式，新建局樓也仍然延用該接地型式，與現行國標要求不符。為提高末端負載供電可靠性，局方在末端設備前端較多采用雙電源切換開關，并且接入兩套不同的低壓系統(tǒng)。而為了保障通信機房UPS等電源設備的穩(wěn)定運行，避免因中性線意外中斷或切換瞬間造成的“斷零”，這些雙電源開關常選擇三極開關。多臺變壓器的多點接地和三極雙電源開關，均會使供電系統(tǒng)中性線電流產生分流，產生所謂的“雜散電流”。本文將主要從“雜散電流”的角度出發(fā)，對通信局樓多臺變壓器的接地型式和雙電源開關極數選擇進行探討。

1 多臺變壓器接地型式

1.1 多臺變壓器各自獨立接地

在國標GB 50065第7.1.2節(jié)中明確指出“對于具有多電源的TN系統(tǒng)，應避免工作電流流過不期望的路徑”。這里流過不期望路徑的電流可以理解為“雜散電流”，它可能引起電氣災害，比如腐蝕基礎鋼筋和其他接地體，干擾敏感信息設備，因導電不良而打火等。而這個不期望的路徑形成的原因很多，其中之一正是因為變壓器多點接地，具體可見圖1所示。

在圖1中，變壓器T1和變壓器T2分別各自獨立就近接地，且共用變配電室接地母線[1]。在多電源系統(tǒng)中，兩臺變壓器的配電系統(tǒng)之間常設置聯(lián)絡。圖1中兩臺變壓器的進線開關和聯(lián)絡開關均采用三極斷路器，負載三相不平衡電流IN會在兩套低壓系統(tǒng)N線連接處分流為IN1和IN2，其中IN1按正常路徑返回變壓器T1，IN2則沿著變壓器T2的中性點接地點、室內接地母線、變壓器T1的中性點接地點返回變壓器T1，IN2則是該系統(tǒng)中的雜散電流。IN1和IN2兩者之間的大小受各自回路阻抗大小影響，一般來講IN1>>IN2，但仍然不能忽視它的影響，尤其是在負荷電流較大的局樓內。

在解決因變壓器多點接地而產生“雜散電流”問題的方法上，民用行業(yè)中在過去較多采用了四極開關，即進線、聯(lián)絡均采用四極斷路器，這樣就切斷了圖1中“雜散電流”的回流路徑，具體如圖2所示。

圖2中進線開關Q1、Q2和聯(lián)絡開關Q3均采用四極斷路器，盡管T1和T2各自就近接地，但由于兩套低壓配電系統(tǒng)之間的中性線并不直接連通，可以切斷圖1中IN2的路徑，避免“雜散電流”的產生。開關Q1、Q2、Q3從某種意義上來講共同形成了一個雙電源開關，在民用建筑電氣設計規(guī)范中明確規(guī)定“TNC-S、TN-S系統(tǒng)中的電源轉換開關，應采用切斷相導體和中性導體的四極開關”，這樣做的明確目的就是為了切斷中性線分流[2]。同時，規(guī)范中還明確規(guī)定“采用TN-C-S系統(tǒng)時，當保護導體與中性導體從某點分開后不應再合并，且中性導體不應再接地”，其用意也是不允許在PE線上通過期望以外的較大電流。在圖1中由于聯(lián)絡開關和多點接地，使變壓器T1和變壓器T2均存在2個中性導體接地點，在這一點上是明顯與規(guī)范不相符的。

圖1 兩臺變壓器多點接地型式1

圖2 兩臺變壓器多點接地型式2

圖2中采用四極斷路器的方案可以解決一般民用局樓內的“雜散電流”問題，但該方案應用在通信局樓中就會產生另外更為明顯的問題，即UPS設備及其末端負載的“斷零”。這里中性線意外斷開主要有兩種場景：一是單電源場景時，由于觸頭故障導致中性線長時間斷開。二是雙電源場景中切換過程中性線短時或瞬時斷開。在圖2所示的結構中，無論Q1、Q2、Q3這 3個開關之間是采用自動切換還是人工手動切換，在切換的過程中，如果均采用四極斷路器，那么一定會在短時間內，UPS前端中性點處于“懸空”狀態(tài)，這個短時間的過程，就可能造成UPS設備和末端設備故障。因此在通信局樓中，多臺變壓器各自獨立接地時，進線和聯(lián)絡開關較多情況下采用了三極斷路器，其目的還是為了保證中性線的可靠性，但是這種做法顯然忽視了“雜散電流”的影響，存在一定的安全隱患[3]。

1.2 多臺變壓器單點接地

產生“雜散電流”的原因可能很多，但是就變壓器接地型式而言，國標中早已對其作出明確要求。國標GB 50065第7.1.2節(jié)中要求：“不應在變壓器的中性點或發(fā)電機的星形點直接對地連接；電源中性點間相互連接的導體與PE 之間，應只一點連接，并應設置在總配電屏內。” 按照該規(guī)范條文要求，將圖1的兩臺變壓器各自獨立接地改為單點接地，改造后如圖3所示。

圖3 兩臺變壓器單點接地型式

該接地型式中，變壓器T1和變壓器T2的外殼直接就近接地，但是中性點就近均不直接接地，而是在聯(lián)絡柜中單點接地。在該接地型式下，由于在中性點接地之前該系統(tǒng)實際為TN-C系統(tǒng)，而PEN線不允許接入開關，因此兩個進線開關必須采用三極斷路器，同時為了保障聯(lián)絡開關上端和下端PEN線不中斷，聯(lián)絡開關也必須采用三極斷路器[4]。變壓器T1和變壓器T2共用一個中性線接地點，中性線回流無法分流，因為沒有分流路徑可以繞回變壓器中性點，從而避免產生“雜散電流”。由此可以看出，在多電源的TN-S系統(tǒng)中，多個電源的中性線導體僅在電源側有一次電氣連接，負載全部未單電源負載時，整個系統(tǒng)采用單點接地，進線和聯(lián)絡開關全部采用三極開關是較為理想的供電型式。

2 雙電源開關選型

2.1 市電與油機切換開關選型

當變配電室內存在1臺變壓器與1臺固定發(fā)電機組時，發(fā)電機組和變壓器均不直接接地，而是在ATS柜內單點接地，如圖4所示。開關Q3為低壓成套開關柜中市電與油機切換開關，若開關Q3采用三極ATS，根據前文中的分析，系統(tǒng)內仍然不會產生雜散電流，但是卻和傳統(tǒng)的設計和《民用建筑電氣設計規(guī)范》中要求的“正常供電電源與備用發(fā)電機之間，其電源轉換開關應采用四極開關”不符。筆者認為《民用建筑電氣設計規(guī)范》的用意仍然是為了切斷雜散電流通路，因為一般固定發(fā)電機組油機作為備用電源，為了保障系統(tǒng)正常運行，一般都會要求發(fā)電機組中性點就近直接接地。反過來看，如果發(fā)電機組在油機室內直接接地，則成套低壓柜內的ATS開關則必須選用四極ATS，以避免產生“雜散電流”[5]。

圖4 變壓器與發(fā)電機組單點接地

事實上目前絕大多數市電與油機開關均采用四極開關，筆者認為這仍然是行業(yè)慣例和不同行業(yè)屬性造成的問題，畢竟在大多數行業(yè)中沒有不間斷電源設備，不用那么在意相線斷電后的零線通斷。當市電與油機切換開關采用四極ATS后，仍然如前文分析，這里也會產生在ATS開關切換過程中的瞬時“斷零”問題，只不過這個時長要比進線、聯(lián)絡開關切換場景的時長短的多。因此在實際設計過程中，為了避免這個問題，可以選用“帶中性線重疊轉換功能”的ATS開關。對于“重疊轉換”的具體解釋為：在主備電源切換過程中，中性線一直處于連通的狀態(tài)，不能有瞬間斷開的狀態(tài)。如果在三相觸頭切換之前，中性線觸頭先行合上備路，此時中性線觸頭同時連接主路和備路，在三相觸頭切換備用電源完成之后，中性線觸頭再從主路分離。這里需要注意的是，市面上還有“中性線先合后分”的轉換開關，這種開關可能只是在合閘時中性線觸頭較相線觸頭先連接，在分閘時后中性線觸頭較相線觸頭先斷開，本質上還是存在短時間的“斷零”，不能等同于“重疊轉換”[6]。

從實際實施角度來看，油機作為備用電源的供電系統(tǒng)采用單點接地可能面臨幾個問題：一是在油機到ATS開關這一段屬于TN-C系統(tǒng)，這一點可能與許多局方維護人員的傳統(tǒng)認知有差異，甚至認為這不合規(guī)。這一段的中性線實際是PEN線，回路中不能有四極開關且需要特別提醒維護、維修人員與普通的中性線的區(qū)別。當油機在室外時需要特別注意等電位聯(lián)結，以防止TN系統(tǒng)的PEN線導入危險電壓，這里涉及另外的復雜問題，不作詳細分析。二是油機供電系統(tǒng)可能涉及應急油機接入，當應急油機接入時通常做法仍然是就近接地。綜合來看，目前通信局樓內市電與油機切換開關建議采用帶中性線重疊轉換的四極ATS開關，當負載沒有UPS等設備且整體負荷較小時，也可以采用普通四極ATS開關。三是油機沒有就近直接接地，其保護開關可能無法設置帶GFP功能的開關。

2.2 負載雙電源切換開關選型

第2.1節(jié)和第1節(jié)的全部場景分析，其“雜散電流”均存在于變配電室或變配電室與油機室范圍內，即中性線與接地線多點連接的大范圍內。單點接地的本質，其實可以理解為將多個接地點無限靠近，“雜散電流”的范圍就無限縮小，直到匯聚到一點。但是即便是在變配電室內中性線導體做到了單點接地，假設負載側設置了ATS開關，而兩套電源中性線在末端負載側的ATS開關處做了第二次連接，則將可能產生范圍更大的“雜散電流”，如圖5所示。

圖5中上級低壓系統(tǒng)為2臺變壓器1+1使用，并做中性線單點接地，兩套低壓系統(tǒng)設置聯(lián)絡開關，進線和聯(lián)絡開關全部采用三極斷路器，機房負載為一套UPS系統(tǒng)，輸入屏內設置三極ATS開關。結合本文前面章節(jié)的分析方法，很明顯可以看出在UPS前端三極ATS開關處，由于兩套系統(tǒng)的中性線連接，中性線回流IN在該處發(fā)生分流為IN1和IN2，這也是“雜散電流”，該電流可能會引發(fā)一些問題：一是如果UPS上級配電開關設置GFP功能或其他剩余電流檢測裝置，可能會引起該功能或裝置的拒動作或誤動作；二是如果兩個回路的導線來自不同路由，會形成一個大包環(huán)繞，這個環(huán)繞內的磁場可能會對敏感通信設備產生干擾[7]。

圖5 多臺變壓器單點接地有聯(lián)絡，末端裝三極ATS

這里可以與第1節(jié)變配電室內的“雜散電流”做一個對比，由于單點接地和聯(lián)絡母線的存在，使得圖5中的“雜散電流”不會流入接地母線。變配電室內目前的接地母線較多延用行業(yè)通用做法，即多為扁鋼焊接。在施工工藝或材料質量不達標時，可能會有虛接的現象，這種流入接地母線的“雜散電流”可能會在虛接處造成打火等故障，需要引起足夠的重視。圖5中的“雜散電流”主要還是對剩余電流檢測裝置的影響和對設備電磁干擾。

在圖5中，為了解決末端ATS開關產生的“雜散電流”，可以參照圖4中的做法，將末端ATS開關選擇為帶中性線重疊轉換功能的四極ATS，其結構如圖6所示。

在圖6中兩套低壓系統(tǒng)中性線在末端ATS開關處沒有直接連接，中性線上的轉換開關觸頭切斷了中性線電流的分流路徑，同時為了規(guī)避瞬時“斷零”的故障，該ATS采用了具有中性線重疊轉換功能的四極ATS開關。

圖6 多臺變壓器單點接地有聯(lián)絡，末端裝四極ATS

如果僅考慮末端雙電源切換，在一級低壓配電系統(tǒng)處不考慮聯(lián)絡，則還有另外一種結構可以規(guī)避“雜散電流”，如圖7所示。

圖7中兩套低壓系統(tǒng)在同一建筑物內但無聯(lián)絡裝置，盡管兩套低壓系統(tǒng)的中性線在末端三極ATS開關處連接，但整個系統(tǒng)的中性線導體只是在變壓器T1低壓成套配電設備內一點接地，因此不會產生“雜散電流”。但是顯然該系統(tǒng)結構存在幾個明顯問題：一是變壓器T2沒有明確的接地點，局方人員的認知和供電部門驗收檢查可能都存在問題；二是變壓器T2同樣可能無法設置帶GFP功能的開關；三是必須確保該系統(tǒng)的負載全部采用雙電源開關，且全部為三極開關。從這些問題上來看，該系統(tǒng)顯然不太符合實際使用場景需求。

3 結 論

綜合上述分析，通信局樓應當根據具體的供電系統(tǒng)結構和負載特點，選擇合適的變壓器接地型式和雙電源開關，不能簡單地延用慣例或者一概而論，建議：

（1）存在多臺變壓器并設置聯(lián)絡時，變壓器應做單點接地，低壓進線和聯(lián)絡開關均采用三極開關。由于中性線不進開關，可采用外部互感器（CT）設置在中性線上。

（2）低壓油機和市電切換開關采用帶中性線重疊轉換功能的四極ATS，并設置好上級開關GFP功能動作值，規(guī)避中性線短時間重疊對供電系統(tǒng)的影響。

（3）如果多電源系統(tǒng)的中性線在低壓一級配電系統(tǒng)內已經做了連接，無論該系統(tǒng)是否采用單點接地，末端雙電源負載切換開關都應采用四極開關，可根據需要選擇帶中性線重疊轉換功能的四極ATS。

如果現有局樓內多臺變壓器已經采用了多點接地的情況，應從以下幾方面加強防范措施：

（1）盡量減少變配電室內“雜散電流”對接地系統(tǒng)造成的安全隱患，可采取以下措施：

a.將變壓器與接地系統(tǒng)的連接導體采用兩根大截面積的銅芯電纜，該連接處如果是銅與鐵搭接，應采取防電化腐蝕的措施或者采用專用銅鐵轉換件。

b.將多電源系統(tǒng)PE線采用銅條或銅排匯集，且盡可能匯集在一起。

c.聯(lián)絡母線采用三相五線母線。通過上述措施，可以通過降低阻抗的方式將雜散電流不流入建筑鋼筋、扁鐵等設施，控制在“負載中性線電纜-低壓柜N排-聯(lián)絡母線中性線導體-變壓器中性線接地導體-聯(lián)絡母線PE導體-變壓器中性點”的范圍內。

（2）盡量減小“雜散電流”，及其對上級開關GFP功能的影響。圖1場景，進線斷路器的GFP功能采用檢測相線與中性線電流矢量和的方式（即剩余電流方式），將中性線的CT安裝在變壓器中性點的接地導體上。但是此方式只能解決主用變壓器T1的低壓總開關GFP功能的問題，不能解決變壓器T2的低壓總開關GFP功能，因此建議T2作為備用電源使用，其進線開關可不設置GFP功能。在二級配電系統(tǒng)中，如果末端負載已經采用了三極ATS開關，則其前端的配電開關不宜采用帶GFP功能的開關，更不能采用靈敏度更高的漏電保護開關。

（3）盡量減小機房內因“雜散電流”對設備的電磁干擾，必要時采取屏蔽措施。