TN接地系統(tǒng)雜散電流的分析

陶云飛(深圳華森建筑與工程設(shè)計(jì)顧問有限公司，北京100048)

TN接地系統(tǒng)雜散電流的分析

陶云飛(深圳華森建筑與工程設(shè)計(jì)顧問有限公司，北京100048)

0 概述

對(duì)于變電所10/0.4kV變壓器中性點(diǎn)接地的做法，按我國目前的規(guī)范及圖集要求，是在變壓器低壓側(cè)中性點(diǎn)出線端子處直接接地。而對(duì)于由兩臺(tái)變壓器組成的互為備用變壓器組的接地如何實(shí)施則沒有明確交代，目前設(shè)計(jì)行業(yè)做法也不統(tǒng)一。

另外，由于中性點(diǎn)接地采用不合理的接線型式，導(dǎo)致系統(tǒng)運(yùn)行中產(chǎn)生各類雜散電流，造成一些難以預(yù)料的后果。目前有些規(guī)范已根據(jù)IEC最新標(biāo)準(zhǔn)做了調(diào)整，有些仍在修訂中。設(shè)計(jì)行業(yè)應(yīng)盡早對(duì)一些不合理的做法加以改正。

本文針對(duì)TN系統(tǒng)，論述其接地做法及避免雜散電流的措施。

1 單電源TN系統(tǒng)接地做法及雜散電流分析

《交流電氣裝置的接地設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB/T 50065-2011)4.3.7條 “直接接地的變壓器中性點(diǎn)應(yīng)采用專門敷設(shè)的接地導(dǎo)體接地”；7.1.2條 “對(duì)于單電源系統(tǒng)，TN電源系統(tǒng)在電源處應(yīng)有一點(diǎn)直接接地，裝置的外露可導(dǎo)電部分應(yīng)經(jīng)PE接到接地點(diǎn)。”

上述提到了TN系統(tǒng)中應(yīng)設(shè)系統(tǒng)接地及保護(hù)接地。系統(tǒng)接地的作用是使系統(tǒng)取得大地電位為參考電位，降低系統(tǒng)對(duì)地絕緣水平的要求，保證系統(tǒng)的正常和安全運(yùn)行。保護(hù)接地是降低人體接觸裝置外露導(dǎo)電部分的接觸電壓來保證人身安全，也可使防護(hù)電氣快速動(dòng)作而切斷電源，保護(hù)接地對(duì)電氣安全十分重要，任何情況下不允許斷開。

1.1 變壓器中性點(diǎn) “直接接地”

TN系統(tǒng)可按 N和 PE的配置，分為 TN-S、TN-C-S及TN-C三種類型。

以TN-S系統(tǒng)為例，整個(gè)系統(tǒng)將N與PE全部分開，系統(tǒng)的接地通過在電源中性點(diǎn)處的直接接地來實(shí)現(xiàn)，裝置的PE可在配電系統(tǒng)中多處接地來實(shí)現(xiàn)。圖1所示是根據(jù)定義表示的TN-S系統(tǒng)示意圖。

圖1 TN-S系統(tǒng)示意圖

圖2是摘自圖集 “08D800-8/P137”中 “TNS系統(tǒng)變壓器中性點(diǎn)的接地安裝”。該圖按照 “直接接地的變壓器中性點(diǎn)，應(yīng)采用專門敷設(shè)的接地線接地”的原則繪制。低壓配電裝置中的PE母排與N母排不連接，PE母排通過室內(nèi)PE接地干線與接地端子板連接，系統(tǒng)饋出是TN-S系統(tǒng)。

圖2 TN-S系統(tǒng)變壓器中性點(diǎn)的接地安裝

1.2 中性點(diǎn)接地移至 “低壓柜內(nèi)”

為了便于理解，將圖1轉(zhuǎn)換為圖3的形式，變壓器中性點(diǎn)端子處接線如圖4所示。由圖3可見，變壓器的實(shí)際星形節(jié)點(diǎn)到中性點(diǎn)接線端子 “N”點(diǎn)之間導(dǎo)體有一定的距離，該段導(dǎo)體屬性為PEN，應(yīng)有絕緣保護(hù)措施。圖4中接地端子即為變電所內(nèi)總等電位聯(lián)結(jié)端子板，接地裝置首先利用建筑物的自然接地體，當(dāng)接地電阻不滿足要求時(shí)可通過室外增設(shè)接地裝置。

對(duì)原始數(shù)據(jù)列x(1)一次累加，得0.501、0.986、1.478、1.991、2.528、3.085、3.668、4.212、4.73 。

圖3 TN-S系統(tǒng)示意圖 (改進(jìn))

圖4 變壓器中性點(diǎn)接線示意

嚴(yán)格說，變壓器中性點(diǎn)接地線從星形結(jié)點(diǎn)引出才是真正的TN-S系統(tǒng)。但目前普遍認(rèn)為變壓器低壓側(cè)中性線接地端子 “N”就是中性點(diǎn)，直接接地線均從此點(diǎn)引至接地端子，也從此點(diǎn)引出給低壓柜的N母排。“N”點(diǎn)到星形節(jié)點(diǎn)之間的導(dǎo)體由于距離短，可忽略阻抗，即把 “N”看做變壓器的星形節(jié)點(diǎn)。

對(duì)于圖3，如果將中性點(diǎn)接地線從 “N”點(diǎn)移至低壓柜內(nèi)，變換后的接線圖如圖5所示。對(duì)于這個(gè)移動(dòng)距離的具體范圍，規(guī)范原文中只提到 “...對(duì)于單電源系統(tǒng)，TN電源系統(tǒng)在電源處應(yīng)有一點(diǎn)直接接地...”，并沒有指定具體位置，這個(gè)位置應(yīng)根據(jù)接地形式而定，當(dāng)采用TN-C-S時(shí)，在PEN分為N和PE時(shí)做接地。

圖5 TN-S系統(tǒng)接地點(diǎn)移至低壓柜內(nèi)

由變壓器引出的PEN線在低壓柜內(nèi)做一點(diǎn)接地，接地點(diǎn)后面的導(dǎo)體可以叫N也可以叫PEN，應(yīng)根據(jù)配電系統(tǒng)引出的接地型式而定。

1.3 雜散電流的分析

如圖6所示，在變電所內(nèi)，變壓器在配出回路之前就將N與PE線分開，采用TN-S接地系統(tǒng)，由于該系統(tǒng)的N與PE全部分開，PE線正常無電流，系統(tǒng)中無雜散電流，滿足電磁兼容要求。

如圖7所示，變電所低壓配電采用TN-C接地系統(tǒng)，由于該系統(tǒng)PEN既作為保護(hù)線同時(shí)又通過中性線，存在不平衡電流、諧波電流等，這些電流在建筑物鋼筋內(nèi)流動(dòng)，會(huì)引起磁場(chǎng)變化及電磁干擾、火災(zāi)等。現(xiàn)代化的建筑物，里面有許多已知或未知的電子設(shè)備，故不應(yīng)采用這種系統(tǒng)。

圖6 建筑物內(nèi)采用TN-S接地系統(tǒng)

圖7 建筑物內(nèi)采用TN-C接地系統(tǒng)

圖8所示為TN-C-S接地系統(tǒng)示意圖，在低壓柜內(nèi)前半部分PE與N是合一的，并可引出TN-C系統(tǒng)，在N與PE完全分開的下游配電系統(tǒng)則可引出TN-S和TT系統(tǒng)。當(dāng)引出TN-C或TT系統(tǒng)給其他配電裝置供電時(shí)，被供電的配電裝置必須與變電所處于不同的接地系統(tǒng)。

為了防止雜散電流，在變壓器中性點(diǎn)到PEN進(jìn)行功能變換并接地的這一段PEN導(dǎo)體與配電裝置外殼需做好絕緣措施，且不能在進(jìn)線的第一個(gè)低壓柜內(nèi)做電源接地，該系統(tǒng)也具有電磁兼容的功能。

2 雙電源TN系統(tǒng)接地做法及雜散電流分析

在工程中經(jīng)常遇到兩臺(tái)變壓器組成雙電源互為備用系統(tǒng)，平時(shí)兩臺(tái)變壓器分別獨(dú)立運(yùn)行，各帶一段母線，當(dāng)一臺(tái)變壓器故障退出運(yùn)行時(shí)，通過低壓母聯(lián)投入，由另一臺(tái)變壓器給兩段母線供電。下面對(duì)這種供電系統(tǒng)的接地做一些分析。

圖8 建筑物內(nèi)采用TN-C-S接地系統(tǒng)

2.1 兩組單電源構(gòu)成的雙電源互為備用系統(tǒng)

目前國內(nèi)圖集沒有專門針對(duì)這方面的內(nèi)容，大家一般是參照單電源變壓器中性點(diǎn)直接接地的做法。

如圖9所示，采用母聯(lián)將兩組單電源系統(tǒng)組合成互為備用的雙電源供電系統(tǒng)，兩個(gè)單電源系統(tǒng)的N及PE互相連通。由于兩個(gè)接地點(diǎn)，導(dǎo)致N母排與PE母排并聯(lián)構(gòu)成了閉合環(huán)路，設(shè)備中性線電流回流到電源中性點(diǎn)經(jīng)過的路徑不唯一，如圖9中箭頭所示。此閉合環(huán)路中的環(huán)流產(chǎn)生的電磁場(chǎng)將干擾電子設(shè)備，此種系統(tǒng)不具有電磁兼容的功能。

圖9 兩臺(tái)變壓器供電系統(tǒng)示意圖一

2.2 改為具有電磁兼容的雙電源系統(tǒng)

如圖10所示，若低壓配電裝置的進(jìn)線斷路器、聯(lián)絡(luò)斷路器均采用四極開關(guān)，在變壓器單母線分段運(yùn)行或單臺(tái)變壓器帶全部負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，低壓柜內(nèi)N母排與PE母排不會(huì)構(gòu)成閉合環(huán)路，設(shè)備的中性線電流不會(huì)經(jīng)由其他路徑流回電源，故這種兩臺(tái)變壓器兩點(diǎn)接地的系統(tǒng)也具有電磁兼容的特性。

圖10 兩臺(tái)變壓器供電系統(tǒng)示意圖二

2.3 改為一點(diǎn)接地

在圖9中，兩臺(tái)變壓器均在低壓柜內(nèi)做接地，由于兩段N母排連接在一起，故對(duì)于電源系統(tǒng)的接地只要做 “一點(diǎn)接地”即可，同時(shí)也可以將N與PE構(gòu)成的閉合導(dǎo)體回路打開，避免了雜散電流的形成。圖11是按照 “一點(diǎn)接地”構(gòu)成的雙電源互為備用系統(tǒng)，經(jīng)分析也具有電磁兼容功能。

圖11中，連接兩臺(tái)變壓器中性點(diǎn)之間的導(dǎo)體是絕緣的，具有N線功能，又要滿足接地故障時(shí)作為PE故障電流的流回通路，功能類似于PEN線，但與單電源的PEN不同，為了防止多點(diǎn)接地引起雜散電流，不能將其與用電設(shè)備直接連接，它與PE導(dǎo)體之間只能連接一次，這一連接可設(shè)置在總配電屏內(nèi)任意位置。

圖11 兩臺(tái)變壓器供電系統(tǒng)示意圖三

在上述同樣具有電磁兼容的做法中，“一點(diǎn)接地”的做法成本最低，出線最靈活。

3 末端雙電源供電時(shí)雜散電流分析

《低壓配電設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50054-2010)3.1.6 條 “在電路中需防止電流流經(jīng)不期望的路徑時(shí)，可選用具有中性極的開關(guān)電器”。條文說明中的示意圖如圖12所示 (本圖略加修飾)。

圖12說明雙路電源末端互投時(shí)的轉(zhuǎn)換開關(guān)采用4極時(shí)，圖中配電裝置的中性線電流只能沿左側(cè)路線流回電源中性點(diǎn)；若采用3極開關(guān)，部分電流會(huì)沿著右側(cè)線路的N導(dǎo)體流回電源中性點(diǎn)，產(chǎn)生雜散電流。該圖中變電所采用了“低壓柜內(nèi)一點(diǎn)接地”，能有效防止變電所內(nèi)雜散電流的產(chǎn)生。

4 結(jié)束語

圖12 雙電源互投開關(guān)采用4極

綜上所述，變壓器中性點(diǎn)接線端子處直接接地的做法既不經(jīng)濟(jì)，且設(shè)計(jì)及施工的工作量很大，容易產(chǎn)生雜散電流。隨著新版圖集、規(guī)范的出臺(tái)，這些問題應(yīng)該會(huì)逐漸得到解決，當(dāng)前設(shè)計(jì)人員宜盡快采用低壓柜內(nèi) “一點(diǎn)接地”的做法。

以上是本人對(duì)TN系統(tǒng)接地做法及防雜散電流的簡(jiǎn)單認(rèn)識(shí)，有不對(duì)的地方請(qǐng)同仁批評(píng)指正。

[1] 王厚余編著.低壓電氣裝置的設(shè)計(jì)安裝和檢驗(yàn) (第二版) [M].北京:中國電力出版社，2007.

[2] 中華人名共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局，中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì).低壓電氣裝置第1部分:基本原則、一般特性評(píng)估和定義 (GB/T 16985.1-2008/IEC 60364-1: 2005)[S].北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2009.

[3] 中華人名共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局，中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì).低壓電氣裝置 第4-44部分:安全防護(hù)電壓騷擾和電磁騷擾防護(hù) (GB/T 16895.10-2010/IEC 60364-4-44:2007)[S].北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2011.

Analysis of Stray Current in TN Grounding System

Tao Yunfei

分析10/0.4kV變電所低壓側(cè)采用TN接地系統(tǒng)時(shí)中性點(diǎn)的接線型式，比較 “直接接地”與 “一點(diǎn)接地”的優(yōu)缺點(diǎn)，總結(jié)出能避免雜散電流的合理做法。

TN 雜散電流 中性點(diǎn) 一點(diǎn)接地 直接接地

The wiring type of neutral point in TN grounding system of the 10/0.4kV substation voltage low voltage side is analyzed，the advantages and disadvantages of“direct grounding”and“one point grounding”are compared，and the reasonable approaches to avoid stray current are summed up.

TN，stray current，neutral point，one point grounding，directly grounded