高鐵牽引變電所交流自用電系統(tǒng)接地方式及0.4 kV開關(guān)柜斷路器極數(shù)選擇

曾 偉

(中鐵第四勘察設(shè)計院集團有限公司, 湖北 武漢 430063)

0 引 言

高鐵牽引變電所交流自用電系統(tǒng)高壓側(cè)接引兩路10 kV進線,一路電源由10 kV電力一級負荷貫通線引至10/0.4 kV自用變壓器(Dyn11),另一路電源由10 kV電力綜合負荷貫通線接引至10/0.4 kV自用變壓器(Dyn11),兩路10 kV電源互為備用。交流自用電低壓側(cè)0.4 kV母線采用單母線分段,低壓母聯(lián)開關(guān)正常合閘運行。牽引變電所交流自用電0.4 kV側(cè)系統(tǒng)接地型式采用TN-S系統(tǒng)。

交流自用電系統(tǒng)是保證變電站安全可靠運行的重要環(huán)節(jié),為所亭內(nèi)通信設(shè)備、控制室、動力照明等設(shè)備提供電源。目前行業(yè)設(shè)計人員對電擊防護較為重視,中國鐵路正在統(tǒng)籌推進智能牽引供電、智能調(diào)度、智能安全保障等系統(tǒng)研發(fā)和建設(shè)。在智能鐵路工程項目建設(shè)中,智能牽引變電所為智能供電系統(tǒng)核心設(shè)施,智能牽引變電所主要技術(shù)是基于網(wǎng)絡(luò)化的廣域測控保護及輔助監(jiān)控系統(tǒng),牽引變電所增加了更多的弱電設(shè)備,這樣對雜散電流引起的電磁干擾就不能忽視了。當選擇變電所自用電配電系統(tǒng)接地方式時,不僅要滿足設(shè)備和安全運營的要求,也要滿足電磁兼容(EMC)、電磁干擾(EMI)可能干擾或損壞信息技術(shù)系統(tǒng)、信息技術(shù)設(shè)備及有電子器件或電路的設(shè)備[1-2]。這是牽引變電所交流自用電低壓配電系統(tǒng)需要解決的問題。

1 多電源采用TN-S接地系統(tǒng)存在EMC問題

因為單電源TN-S系統(tǒng)從變壓器0.4 kV側(cè)中性點開始配出N線和PE線,正常供電時,電流在相線與中性線(N線)之間流動,PE線無電流,所以不會產(chǎn)生雜散電流;當配電系統(tǒng)出現(xiàn)接地故障或絕緣損傷時,PE線才會出現(xiàn)故障電流。但多電源和單電源配電系統(tǒng)的本質(zhì)區(qū)別是,TN-S系統(tǒng)內(nèi)存在EMC的問題,當采用2個變壓器并聯(lián)組成TN-S系統(tǒng),且2臺變壓器共用接地網(wǎng),相當于系統(tǒng)中任意1個設(shè)備外殼同時與2個電源的中性點實現(xiàn)了互聯(lián),則PE線和N線構(gòu)成環(huán)路,芯線周圍產(chǎn)生環(huán)形電磁場干擾電子設(shè)備(如電腦屏幕閃爍、降低數(shù)據(jù)速率及數(shù)據(jù)丟失等)。TN系統(tǒng)EMC結(jié)構(gòu)如圖1所示,從EMC角度來看,需要進行特殊處理。

圖1 TN系統(tǒng)EMC結(jié)構(gòu)

GB/T 16895.10—2021《低壓電氣裝置 第4-44部分:安全防護 電壓騷擾和電磁騷擾防護》中第444.4.6.1條及GB/T 50065—2011《交流電氣裝置的接地設(shè)計規(guī)范》中第7.1.2-2條指出:對于具有多電源的TN系統(tǒng),應(yīng)避免工作電流流過不期望的路徑。(1) 不應(yīng)在變壓器的中性點或發(fā)電機的星形點直接對地連接;(2) 電源中性點間相互連接的導(dǎo)體與PE之間,應(yīng)只有一點連接,并應(yīng)設(shè)置在總配電屏內(nèi)[3]。國標和IEC標準給出多電源TN系統(tǒng)的接地方式,可以解決多電源產(chǎn)生電磁兼容(EMC)的影響。需要注意的是,從變壓器中性點引出的是PEN母線,即N和PE合并的狀態(tài),與3條相母線并列設(shè)置,必須對地絕緣,并在1個低壓主配電柜中實施(集中)一點接地,即用連接板連接PEN與PE母排,再通過系統(tǒng)主接地端子與接地極連接。無論下級采用何種的開關(guān)配置,都不會產(chǎn)生環(huán)流路徑,該方案適用于多電源并聯(lián)供電及單母線分段供電。

2 低壓開關(guān)柜內(nèi)0.4 kV開關(guān)極數(shù)的選擇

2.1 進線、母聯(lián)開關(guān)極數(shù)選擇

建設(shè)單位與運營單位對人員安全非常重視,應(yīng)防止檢修觸電事故發(fā)生。當停電檢修其中一段母線時,采用三極開關(guān)切除3根相線,檢修時還是會發(fā)生電擊傷人的情況。有觀點認為:進線開關(guān)采用四極開關(guān),切除所有帶電回路,防止多電源中性線(N線)不平衡電流電擊傷人,以保障檢修人員的安全。TN-S系統(tǒng)(進線及母聯(lián)開關(guān)選用四極)如圖2所示,能把多電源拆分成各自獨立的電源系統(tǒng),適用于單母線分段,但不適用多電源并聯(lián)供電情況。

圖2 TN-S系統(tǒng)(進線及母聯(lián)開關(guān)選用四極)

實際檢修工作中,往往不可能檢修某個故障回路,將變壓器退出運行,這樣就可能出現(xiàn)《建筑電氣裝置600問》書中16.2節(jié)講到的情況(如果進線開關(guān)斷零),負載側(cè)的中性點O點漂移到O′點,中性線對地電壓高達190 V,在無等電位聯(lián)結(jié)作用的TN系統(tǒng)中,此電壓不會燒損設(shè)備,但可引起電擊事故。進線和母聯(lián)如果采用三極開關(guān),把兩段母線N排貫通,并在1個低壓主配電柜中實施(集中)一點接地,反而可以鉗制N排電位,更有利于檢修的安全。TN-S系統(tǒng)(進線及母聯(lián)開關(guān)選用三極)如圖3所示。

圖3 TN-S系統(tǒng)(進線及母聯(lián)開關(guān)選用三極)

GB 50054—2011《低壓配電設(shè)計規(guī)范》中第5.2.5條及條文說明:當電氣裝置或電氣裝置某一部分發(fā)生接地故障間接接觸的保護電器不能滿足自動切斷電源的要求時,尚應(yīng)在局部范圍內(nèi)將本規(guī)范第5.2.4條第1款所列可導(dǎo)電部分再做一次局部等電位聯(lián)結(jié);亦可將伸臂范圍內(nèi)能同時觸及的兩個可導(dǎo)電部分之間做輔助等電位聯(lián)結(jié)[5]。局部等電位聯(lián)結(jié)或輔助等電位聯(lián)結(jié)的有效性,應(yīng)符合下式的要求:Ia×R≤50 V;(Ia為故障回路動作電流)。目的在于使接觸電壓降低至安全電壓限制50 V以下,保障人員安全。

2.2 雙電源轉(zhuǎn)換開關(guān)極數(shù)選擇

正常工作時,進線、母聯(lián)、雙電源轉(zhuǎn)換開關(guān)若采用三極開關(guān),左邊開關(guān)閉合時,電流經(jīng)左邊線路N線返回;同時在Na點處,將有另一股電流經(jīng)右邊線路N線返回,形成雜散電流;導(dǎo)致左邊線路的相線和N線電流矢量和不等于0,將產(chǎn)生電磁干擾,TN-S系統(tǒng)(雙電源轉(zhuǎn)換開關(guān)選用三極)如圖4所示。

圖4 TN-S系統(tǒng)(雙電源轉(zhuǎn)換開關(guān)選用三極)

GB 51348—2019《民用建筑電氣設(shè)計標準》中第7.5.3-2條規(guī)定:電源轉(zhuǎn)換開關(guān)應(yīng)采用四極開關(guān),若圖4中雙電源轉(zhuǎn)換開關(guān)選用四極開關(guān)時,能夠有效地解決三極開關(guān)產(chǎn)生雜散電流,導(dǎo)致電磁場干擾的影響[6]。

3 結(jié) 語

通過上述幾個方案的接地方式及開關(guān)極數(shù)選擇的分析,牽引變電所生產(chǎn)房屋內(nèi)設(shè)備房間均采用總等電位及輔助等電位聯(lián)結(jié)設(shè)計,不斷中性線可以保障人身安全,且可以防止斷零燒損設(shè)備的情況,應(yīng)改變采用四極開關(guān)保障檢修安全的觀點。

因牽引變電所交流自用電系統(tǒng)在運行中,TN系統(tǒng)多電源產(chǎn)生雜散電流引起電磁干擾及人員安全問題,推薦牽引變電所0.4 kV開關(guān)柜進線和母聯(lián)開關(guān)采用三極開關(guān),需要注意從變壓器中性點引出的是PEN母線,即N和PE合并的狀態(tài),與三條相母線并列設(shè)置,必須對地絕緣,并在1個低壓主配電柜中實施(集中)一點接地,即用連接板連接PEN與PE母排,再通過系統(tǒng)主接地端子與接地極連接。雙電源轉(zhuǎn)換開關(guān)應(yīng)選用四極開關(guān)。