TN配電系統(tǒng)電源側(cè)直接接地和一點接地探討

田 自 龍

(中國電建西北勘測設(shè)計研究院有限公司, 陜西 西安 710065)

0 引 言

GB/T 16895.1—2008/IEC 60364-1:2005《低壓電氣裝置 第1 部分:基本原則、一般特性評估和定義》[1]、GB/T 16895.10—2021/IEC 60364-4-44:2018《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》[2]、GB/T 50065—2011《交流電氣裝置的接地設(shè)計規(guī)范》[3]均要求“多電源TN系統(tǒng)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,在諸電源中性點間相互連接的導體與PE導體之間,應只連接一次,連接應設(shè)置在總配電屏內(nèi)?！盙B 51348—2019《民用建筑電氣設(shè)計標準》[4]第12.4.11.6條則提出了“TN接地系統(tǒng)中,變電所內(nèi)配電變壓器低壓側(cè)中性點,可采用直接接地?！盙B 51348—2019《民用建筑電氣設(shè)計標準》條文說明12.4.11明確了直接接地和在配電柜內(nèi)一點接地的做法都可行,變電所TN配電系統(tǒng)電源側(cè)該如何接地,低壓交流配電系統(tǒng)根據(jù)帶電導體的引出形式分為三相三線制和三相四線制兩種形式,其接地形式分為TN、TT、IT 3種類型[5]。本文針對TN配電系統(tǒng)電源側(cè)一點接地和直接接地進行分析,提出兩種接地的可行方案。

1 單電源TN系統(tǒng)

單電源TN系統(tǒng)由于不存在雜散電流流通回路,不存在電磁兼容(EMC)問題,電源側(cè)接地一般采用直接接地或在低壓柜內(nèi)一點接地。

1.1 單電源TN-S系統(tǒng)

單電源TN-S系統(tǒng)電源側(cè)中性點直接接地做法可分為兩種。單電源TN-S系統(tǒng)電源側(cè)接地(一)如圖1所示。圖1中,由低壓配電柜引出5根母排(三根相線+PE+N),其中PE母排和N母排在中性點連接,三相不平衡電流和諧波電流沿N母排回到電源中性點,短路故障電流沿PE母排流回電源中性點,接至總接地端子的功能性接地導體不承載短路故障電流,僅傳導電位,只需滿足等電位連接線的要求即可[6]。單電源TN-S系統(tǒng)電源側(cè)接地(二)如圖2所示。圖2中,由低壓配電柜引出4根母排(3根相線+N),三相不平衡電流和諧波電流沿N母排回到電源中性點,短路故障電流沿PE母排經(jīng)PE接地干線至總接地端子,由接地端子經(jīng)PE接地干線流回電源中性點。此時,PE干線截面大小要能承受短路故障電流大小,滿足短路時熱穩(wěn)定要求,且PE接地干線需要絕緣,PE接地干線絕緣一般采用單芯電纜穿管敷設(shè),對于容量較大的變壓器,單芯電纜截面難以滿足要求,建議采用第一種接地方式,故障電流沿PE母排流回電源中性點。理論上此接地形式只能引出TN-S系統(tǒng)。如果將配電柜的N母排理解為PEN母排,配出TN-C-S系統(tǒng)也是可行的。

圖1 單電源TN-S系統(tǒng)電源側(cè)接地(一)

圖2 單電源TN-S系統(tǒng)電源側(cè)接地(二)

1.2 單電源TN-C-S系統(tǒng)

單電源TN-C-S系統(tǒng)電源側(cè)中性點直接接地做法可分為兩種。單電源TN-C-S系統(tǒng)電源側(cè)接地(一)如圖3所示。單電源TN-C-S系統(tǒng)電源側(cè)接地(二)如圖4所示。圖3和圖4幾乎無差別,至總接地端子連接線為等電位連接線。此接地形式比較靈活,可以引出TN-S系統(tǒng)、TT系統(tǒng)和TN-C-S系統(tǒng),單電源TN系統(tǒng)建議采用此接地形式。

圖3 單電源TN-C-S系統(tǒng)電源側(cè)接地(一)

圖4 單電源TN-C-S系統(tǒng)電源側(cè)接地(二)

2 多電源TN系統(tǒng)

2.1 多電源側(cè)中性點直接接地

對于多電源TN供電系統(tǒng)中電源中性點如何接地,我國過去沒有具體的規(guī)定,2002年實施的GB 50303—2002《建筑電氣工程施工質(zhì)量驗收規(guī)范》(已廢止)4.1.3條規(guī)定[6]:“變壓器中性點應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)計要求?！盙B/T 16895.1—2008/IEC 60364-1:2005《低壓電氣裝置 第1 部分:基本原則、一般特性評估和定義》、GB/T 50065—2011《交流電氣裝置的接地設(shè)計規(guī)范》、GB/T 50065—2011《交流電氣裝置的接地設(shè)計規(guī)范》和GB/T 16895.10—2021/IEC 60364-4-44:2018《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》等多本國家規(guī)范均要求多電源TN系統(tǒng)接地采用總配電柜內(nèi)一點接地。目的是防止產(chǎn)生雜散電流,避免雜散電流引起火災、腐蝕和電磁干擾。行業(yè)內(nèi)對于多電源TN系統(tǒng)一點接地雖然也達成了共識[7],但大部分的設(shè)計院設(shè)計的變壓器中性點接地形式均為直接接地,并沒有執(zhí)行多電源一點接地的做法。原因是,國家電網(wǎng)和南方電網(wǎng)典型設(shè)計圖紙中變壓器接地均采用中性點直接接地,采用直接接地做法后期電力部門竣工驗收容易通過。以兩個由電力設(shè)計院深化變配電室的項目為例,變壓器兩臺為一組,中間設(shè)置聯(lián)絡,兩臺變壓器低壓主斷路器和母聯(lián)斷路器均采用三極斷路器。多電源TN系統(tǒng)電源側(cè)直接接地(一)如圖5所示。經(jīng)調(diào)研,兩處變電所至今運行正常,但仔細分析該接地形式,用電設(shè)備不平衡電流或諧波電流經(jīng)過2#變壓器的N排、PE排流回1#變壓器的中性點,形成電流環(huán)路,產(chǎn)生類似一單芯電纜產(chǎn)生雜散電磁場,干擾鄰近電子設(shè)備。雜散電流如圖5中虛線所示。

圖5 多電源TN系統(tǒng)電源側(cè)直接接地(一)

針對圖5存在的問題,有人提出將母聯(lián)斷路器更改為四極斷路器切斷雜散電流回路[6]。多電源TN系統(tǒng)電源側(cè)直接接地(二)如圖6所示。正常運行母聯(lián)打開時,雜散電流回路被切斷,EMC環(huán)境友好。但圖6的問題在于,當1#變壓器故障時,母聯(lián)斷路器閉合,用電設(shè)備由2#變壓器供電時,此時雜散電流流經(jīng)1#變壓器N母排、中性點和PE母排返回2#變壓器中性點形成雜散電流,EMC環(huán)境不友好。

圖6 多電源TN系統(tǒng)電源側(cè)直接接地(二)

針對圖6存在的問題,將1#變壓器和2#變壓器的主斷路器和母聯(lián)斷路器均更改為四極斷路器。多電源TN系統(tǒng)電源側(cè)直接接地(三)如圖7所示。雜散電流回路完全被切斷,EMC環(huán)境友好,與GB 51348—2019《民用建筑電氣設(shè)計標準》第14.4.11.6條相關(guān)條文解釋吻合。由于主斷路器和母聯(lián)斷路器采用四極斷路器,此接地形式只能引出TN-S系統(tǒng)。

圖7 多電源TN系統(tǒng)電源側(cè)直接接地(三)

2.2 多電源側(cè)中性點一點接地

多電源TN系統(tǒng)電源側(cè)一點接地如圖8所示。圖中,由變壓器中性點引出PEN母排至低壓配電柜,變壓器中性點不直接接地,低壓配電柜內(nèi)PEN母排和PE母排短接后一點接地,雜散電流無法形成環(huán)路,EMC環(huán)境友好。上述多電源一點接地系統(tǒng)可以引出TN-C-S、TN-S、TT系統(tǒng),方便靈活,且變壓器主斷路器和母聯(lián)斷路器均為三極斷路器,成本較低,在工程中應大力推廣。

圖8 多電源TN系統(tǒng)電源側(cè)一點接地

3 多電源變壓器和發(fā)電機組成的供電系統(tǒng)接地

多電源變壓器和發(fā)電機組成的供電系統(tǒng)接地要根據(jù)變壓器和發(fā)電機之間的距離來確定接地形式。當變電所和發(fā)電機房毗鄰時,可以采用中性點直接接地的做法。變電所和發(fā)電機房毗鄰時電源側(cè)直接接地如圖9所示。變壓器低壓主斷路器和母聯(lián)斷路器均采用四極斷路器,ATS開關(guān)選用四級開關(guān),EMC環(huán)境友好;也可以采用中性點一點接地做法。變電所和發(fā)電機房毗鄰時電源側(cè)一點接地如圖10所示。變壓器低壓主斷路器和母聯(lián)斷路器均采用三極斷路器,ATS開關(guān)選用三極開關(guān),EMC環(huán)境友好。

圖9 變電所和發(fā)電機房毗鄰時電源側(cè)直接接地

圖10 變電所和發(fā)電機房毗鄰時電源側(cè)一點接地

當變電所和發(fā)電機房遠離時,如果此時還采用一點接地做法,變電所和發(fā)電機房遠離時電源側(cè)一點接地(一)如圖11所示。接至發(fā)電機母線段的用電設(shè)備在由發(fā)電機供電時,發(fā)生接地故障時,故障電流需要先流回一點接地處后經(jīng)PE排返回發(fā)電機中性點,故障電流流經(jīng)的回路長度增加了2倍變電所到發(fā)電機房的距離,導致線路阻抗增大,接地故障電流變小,TN系統(tǒng)故障防護靈敏性下降,有可能導致保護拒動,增加電擊風險。為了解決上述問題,在變電所和發(fā)電機房各自設(shè)系統(tǒng)接地,變電所變壓器設(shè)一點接地,低壓主斷路器和母聯(lián)斷路器均采用三極斷路器,發(fā)電機中性點采用直接接地,ATS采用四極斷路器。變電所和發(fā)電機房遠離時變壓器電源側(cè)一點接地且發(fā)電機側(cè)直接接地如圖12所示。正常發(fā)電機不起動時,系統(tǒng)接地為一點接地,變壓器故障停運或檢修發(fā)電機運行時,發(fā)電機接地為直接接地運行方式。變電所和發(fā)電機房遠離時電源側(cè)均直接接地如圖13所示。圖中,變電所主進斷路器和母聯(lián)斷路器均采用四極開關(guān),ATS采用四極開關(guān)。以上兩種接地方案EMC環(huán)境均友好。

圖11 變電所和發(fā)電機房遠離時電源側(cè)一點接地(一)

圖13 變電所和發(fā)電機房遠離時電源側(cè)均直接接地

需要說明的是,上述做法中電源轉(zhuǎn)換開關(guān)采用三極開關(guān)與GB 51348—2019《民用建筑電氣設(shè)計標準》第7.5.3.4條正常供電電源與備用發(fā)電機之間的電源轉(zhuǎn)換開關(guān)應采用四極開關(guān)沖突;變電所與發(fā)電機房采用不同的接地形式與GB 51348—2019《民用建筑電氣設(shè)計標準》第14.4.11.7條沖突,標準上述條文的規(guī)定值得商榷。

4 保護接地中性導體絕緣的要求

GB/T 16895.1—2008/IEC 60364-1:2005《低壓電氣裝置 第1 部分:基本原則、一般特性評估和定義》、GB/T 16895.10—2021/IEC 60364-4-44:2018《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》、GB/T 50065—2011《交流電氣裝置的接地設(shè)計規(guī)范》均要求“變壓器的中性點或發(fā)電機的星形點之間相互連接的導體應是絕緣的,這種導體的功能類似于PEN,然而,不得將其與用電設(shè)備連接”。文獻[8]提出由變壓器的次級至總配電柜的PEN導體,必須全長進行隔離,開關(guān)柜內(nèi)也如此,相關(guān)的配電系統(tǒng)需要增設(shè)一級總配電柜,總配電柜只引出干線不做分配,由二級配電柜實現(xiàn)分配供電。文獻[8]給出了實現(xiàn)PEN絕緣低壓開關(guān)柜布置圖,從文中看出要實現(xiàn)上述目的,變配電室低壓開關(guān)柜布置較常規(guī)布置有較大差別,不易布置且嚴格按照IEC的標準,變壓器的次級至總配電柜的PEN是絕緣的,總配電柜不能直接接用電裝置,顯然跟國內(nèi)常見的低壓配電方式有較大的差別,相關(guān)圖紙幾乎沒有按此執(zhí)行的。PEN線包以絕緣的目的主要有:① PEN有工作電流或故障電流通過,此時接入PEN導體的用電設(shè)備中性線可能出現(xiàn)故障電壓,危及電氣檢修人員的安全;② PEN不對地絕緣會產(chǎn)生雜散電流。變電所內(nèi)開關(guān)柜一般由專業(yè)人員負責檢修,且開關(guān)柜柜頂相線也未要求包以絕緣,單純要求開關(guān)柜內(nèi)PEN包以絕緣欠妥,GB 51348—2019《民用建筑電氣設(shè)計標準》12.4.11.4條要求,“成套開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備內(nèi)部的PEN可不按可遭受的最高電壓設(shè)置絕緣?！盤EN不包以絕緣,對地產(chǎn)生的雜散電流為電容電流,通過計算電容電流一般很小可以視為正常的泄漏電流,可以忽略。

5 結(jié) 語

單電源TN-S配電系統(tǒng)電源側(cè)建議采用中性點直接接地,由低壓柜引出5根母聯(lián),PE母排和N母排在中性點連接。

單電源TN-C-S配電系統(tǒng)電源側(cè)建議采用一點接地,此接地形式靈活,可以引出TN-S、TN-C-S、TT等系統(tǒng)。

多電源TN系統(tǒng)電源側(cè)接地可以采用直接接地或一點接地,直接接地低壓主斷路器和母聯(lián)斷路器均需要采用四極開關(guān),一點接地雙電源開關(guān)可采用三極開關(guān)。

多電源變壓器和發(fā)電機組成的供電系統(tǒng)電源側(cè)接地應考慮變電所和發(fā)電機的位置,當變電所和發(fā)電機房毗鄰時,電源側(cè)接地可以采用直接接地或一點接地;當變電所與發(fā)電機房遠離時,變電所電源側(cè)宜采用一點接地,發(fā)電機電源側(cè)宜采用直接接地。

低壓開關(guān)柜內(nèi)PEN可不按可遭受的最高電壓設(shè)置絕緣,變壓器的次級至低壓配電柜的PEN無須包以絕緣,低壓配電柜可直接接用電裝置。