石油化工生產(chǎn)裝置低壓系統(tǒng)接線及接地型式

任佩佳，邵文平，姜 旭，董柏屹

(中國寰球工程公司 遼寧分公司，遼寧 撫順 113006 )

石油化工生產(chǎn)裝置低壓系統(tǒng)接線及接地型式

任佩佳，邵文平，姜 旭，董柏屹

(中國寰球工程公司 遼寧分公司，遼寧 撫順 113006 )

簡述低壓系統(tǒng)接地的型式，介紹了石油化工生產(chǎn)裝置低壓系統(tǒng)的接線方式，根據(jù)用電負荷特點及工程實際繪制了石油化工生產(chǎn)裝置低壓系統(tǒng)接線圖，探討關于低壓系統(tǒng)三極、四極斷路器選擇的問題，結(jié)合實際分別闡述電動機配電電纜芯數(shù)選擇問題及變壓器中性點工作接地線截面的確定。

低壓系統(tǒng)接地；低壓系統(tǒng)接線；配電電纜芯數(shù)；斷路器

石油化工生產(chǎn)裝置的供配電有用電負荷等級高、爆炸危險環(huán)境的特點。在國家標準及行業(yè)標準的有關設計規(guī)范中，對石化生產(chǎn)裝置低壓配電系統(tǒng)，接地型式有了較明確的規(guī)定，如：爆炸危險環(huán)境電力裝置設計規(guī)范中規(guī)定：“5.5.1當爆炸性危險環(huán)境電力系統(tǒng)接地設計時，1000 V交流/1 500 V直流以下的電源系統(tǒng)的接地應符合下列規(guī)定[1]:(1) 爆炸性環(huán)境中的 TN系統(tǒng)應采用TN-S型；(2) 危險區(qū)中的TT型電源系統(tǒng)應采用剩余電流動作的保護電器；(3) 爆炸性環(huán)境中的IT型電源系統(tǒng)應設置絕緣檢查裝置。”[2]，石油化工企業(yè)生產(chǎn)裝置電力設計技術(shù)規(guī)范中規(guī)定[3]：“3.3.7石油化工生產(chǎn)裝置0.38/0.22 kV配電系統(tǒng)的接地形式應采用TN-S。” 那么，低壓系統(tǒng)接地型式有哪些？石化生產(chǎn)裝置低壓系統(tǒng)如何設計接線? 本文結(jié)合作者自身工作經(jīng)驗及在工程設計中的具體做法呈獻讀者，希望能對同行們有所幫助和啟示。

1 低壓系統(tǒng)接地的型式

低壓系統(tǒng)接地的型式可分為TN、TT、IT等3種。

1.1 TT系統(tǒng)

電源系統(tǒng)直接接地，配電線路的外露可導電部分通過PE線接到獨立的裝置接地極上[4]。詳見圖1[5]。

1.2 IT系統(tǒng)

系統(tǒng)內(nèi)所有帶電導體均應與地絕緣，或中性點通過阻抗接地。電氣裝置的外露可導電部分通過PE線單獨地或集中地接地[6]。詳見圖2。

圖1 全部裝置都采用分開的中性導體和保護導體的TT系統(tǒng)Fig.1 TT system where all devices are grounded with individual neutral conductor and protective conductor

圖2 將所有的外露可導電部分采用PE相連后集中接地的IT系統(tǒng)Fig.2 IT system where all the exposed conductive parts are connected to PE then centralized grounded

1.3 TN系統(tǒng)

TN系統(tǒng)包括單電源系統(tǒng)和多電源系統(tǒng)兩種。

單電源系統(tǒng)：電力系統(tǒng)的電源有一處直接接地，電氣裝置的外露可導電部分通過PE線與此處連接[7]。按N和PE的配置，TN系統(tǒng)可分為下列類型：

1.3.1 TN-S系統(tǒng)

整個系統(tǒng)應全部采用單獨的PE，裝置的PE也可另外增設接地。詳見圖3。

圖3 全系統(tǒng)將N與PE分開的TN-S系統(tǒng)Fig.3 TN - S system where N is separated from PE in all system

1.3.2 TN-C系統(tǒng)

在全系統(tǒng)中，N線和PE線應是合起來的。裝置的PEN也可另外增設接地。詳見圖4。

圖4 全系統(tǒng)采用將N的功能和PE的功能合并于一根導體的TN-C系統(tǒng)Fig.4 TN-C system where N and PE are merged in one conductor in all system

1.3.3 TN-S-C系統(tǒng)

系統(tǒng)中的一部分，N的功能和PE的功能應合并在一根導體中。詳見圖5。

TN-S-C多電源系統(tǒng)：應避免工作電流流過不期望的路徑。并應滿足下列要求：

①變壓器的中性點或發(fā)電機的星形點不應在直接對地連接[8]；

②不得將變壓器的中性點或發(fā)電機的星形點與用電設備連接[9]，且其之間相互連接的導體應絕緣[10]；

圖5 在裝置非受電點的某處將PEN分離成PE和N的3相4線制的TN-C-S系統(tǒng)Fig.5 TN-C-S system where the PEN is separated into PE and N as three phase and four wires system in unconnected point of the device

③在總配電柜內(nèi)的PE線與電源中性點通過一點相連[11,12]。

④額外設置接地作為裝置的PE。詳見圖6。

圖6 對用電設備采用單獨的PE和N的多電源TN-C-S系統(tǒng)Fig.6 TN-C-S system where the device powered by multi-power supply adopt separated PE and N

2 石油化工生產(chǎn)裝置低壓系統(tǒng)接線

2.1 用電負荷等級劃分

石油化工生產(chǎn)裝置屬于連續(xù)性生產(chǎn)裝置，物料及產(chǎn)品為易燃易爆介質(zhì)，中斷供電將在經(jīng)濟上造成較大損失，且需要較長時間才能恢復正常生產(chǎn)。當中斷部分用電負荷供電時，可能造成重大設備損壞、發(fā)生中毒、造成人員傷亡、爆炸和火災事故。根據(jù)供配電系統(tǒng)設計規(guī)范中對負荷分級的規(guī)定，石油化工生產(chǎn)裝置用電負荷應確定為一級負荷。

2.2 對電源和供配電系統(tǒng)要求

應由雙重電源供電，當其中一電源線路發(fā)生故障時，另一電源線路不應同時受到損壞。配電變壓器低壓側(cè)為單母線分段接線，正常運行時兩段母線分列運行，母聯(lián)斷路器設備用電源自動投入裝置(ATS)； 當其中一臺變壓器 （或一回路線路）故障時，另一臺變壓器（或一回路線路）能為供電范圍內(nèi)的全部負荷供電。配電接地系統(tǒng)形式：應采用TN-S。

2.3 配電變壓器選擇

選用2臺配電變壓器組成一個低壓配電系統(tǒng)，一個生產(chǎn)裝置可有多個低壓配電系統(tǒng)，變壓器負載率為40%～50%。為了抑制各類非線性用電設備所產(chǎn)生的諧波，選用D，yn11 結(jié)線組別的三相配電變壓器。

2.4 低壓系統(tǒng)設計接線

接線圖符合TN-S-C多電源系統(tǒng)要求、具體要求如下：

①變壓器的中性點處不接地；

②變壓器低壓側(cè)與中性點通過封閉母線連接到低壓開關柜；

③PE線與電源中性點通過一點相連，此接點是在低壓配電柜內(nèi)[13]。

④PE母線至接地極采用獨芯電纜連接。

⑤PE母線至生產(chǎn)裝置接地網(wǎng)采用獨芯電纜連接。

⑥配電至二級配電所及配電箱電纜采用5芯電纜。

⑦配電至生產(chǎn)裝置電動機電纜采用3芯電纜。

⑧一級變電所內(nèi)進線、母聯(lián)斷路器采用三極。二級變電所的進線斷路器采用三極，斷路器采用四極。

⑨雙電源單母線不分段的二級配電所進線開關選擇四極互投開關。

3 關于低壓系統(tǒng)三極、四極斷路器選擇問題

近年來，石化行業(yè)電氣專業(yè)對采用三極或四極斷路器有較多的研究和探討，有的項目將低壓進線斷路器、母聯(lián)斷路器等均設計成四極斷路器，雖然不一定造成技術(shù)錯誤，但并不準確并造成投資浪費。

低壓配電設計規(guī)范[14]“3.1.16 在電路中需防止電流流經(jīng)不期望的路徑時，可選用具有斷開中性極的開關電器。” ，該條款在條文說明中有進一步的解釋并用一個錯誤的圖和一個正確的圖進行了說明。由此，應用于石油化工裝置低壓配電系統(tǒng)，低壓進線、母聯(lián)均采用三極斷路器，二級配電所的進線采用三極斷路器，母聯(lián)采用四極斷路器即可滿足要求，沒有必要進線母聯(lián)全部采用四極斷路器。

配出回路是采用三極或四極斷路器呢？爆炸危險環(huán)境電力裝置設計規(guī)范“4.4.2 爆炸性環(huán)境線路的保護應符合下列規(guī)定：在1區(qū)內(nèi)單相網(wǎng)路中的相線及中性線均應設短路保護，并采取適當開關同時斷開相線和中性線。”由此可知，一些工程將配出回路、防爆照明配電箱中的配出斷路器均選用四極斷路器是不準確的。實際上，石油化工生產(chǎn)裝置的防爆區(qū)域基本上為2區(qū)，選用四極斷路器造成一定浪費，應針對不同的防爆區(qū)域選擇三極或四極斷路器才是正確的。

4 電動機配電電纜芯數(shù)選擇問題

在為石油化工生產(chǎn)裝置電動機配電電纜芯數(shù)的問題上是經(jīng)過多次反復的，20世紀80-90年代為電動機配電是采用三芯電纜的，但沒有可靠接地依據(jù)。2000年左右，設計規(guī)范明確規(guī)定了石油化工生產(chǎn)裝置低壓系統(tǒng)接地形式為 TN-S，一些工程均采用了四芯電纜為電動機配電，由于四芯電纜增加了工程造價，也沒有太大的必要，后改為由獨芯電纜作為PE線從變電所引至生產(chǎn)裝置區(qū)設置的多個等電位連接箱，再由等電位連接箱分別引至電動機接地端子的方案。目前，為電動機配電又進一步簡化為采用三芯電纜的方案。那么，采用三芯電纜為電動機配電是否滿足低壓系統(tǒng)接地形式為 TN-S的要求呢？現(xiàn)在采用的三芯電纜為電動機配電的方案與原來的有什么不同呢？詳見圖7。

在圖7中，變電所與生產(chǎn)裝置較遠，變電所與裝置區(qū)接地系統(tǒng)是相互獨立的，如果采用三芯電纜為電動機配電，那么，該接地為 TT系統(tǒng)；即便變電所與生產(chǎn)裝置通過接地線是相連的，由于接地線阻抗較大，也沒有設置有專用的PE線，該接地仍為 TT系統(tǒng)。因此，采用三芯電纜為電動機配電不采取任何措施，該接地為 TT系統(tǒng)，不能滿足規(guī)范要求的 TN-S。如果采用三芯電纜為電動機配電，變電所與生產(chǎn)裝置接地網(wǎng)采用一根或多根獨芯電纜相連，該獨芯電纜作為專用PE線，如圖7所示，該接地即為TN-S系統(tǒng)了，這樣即避免為電動機配電全部四芯電纜造成投資浪費，又符合設計規(guī)范要求。

5 變壓器中性點工作接地線截面的確定

變壓器中性點工作接地線一般采用單芯銅電纜，其截面是按最大單相短路電流作用時間產(chǎn)生的熱效應滿足熱穩(wěn)定條件選擇的。

以1 600 kVA D，yn11 8% 10/0.4 kV變壓器為例，單相接地電流為26.63 kA, 進線斷路三相短路保護兼做單相接地保護，動作時限為 0.8 s，采用單芯銅電纜作為變壓器中性點工作接地線，其熱穩(wěn)定允許的最小截面：

由此，選擇1×185 mm2電纜即可滿足要求。一般情況下，根據(jù)變壓器容量，按表1選擇變壓器中性點工作接地線即可滿足要求。

表1 10/0.4 kV變壓器中性點接地電纜規(guī)格選擇表Table 1 Specification of neutral grounding cable used for transformer of 10/0.4 kV

6 結(jié) 論

本文重點介紹了低壓系統(tǒng)接地的型式，對石油化工生產(chǎn)裝置低壓系統(tǒng)設計中常見問題和錯誤進行了詳細的剖析和論證，澄清了一些易于混淆的問題。并根據(jù)用電負荷特點、有關設計規(guī)范及石油化工生產(chǎn)裝置低壓系統(tǒng)接線圖，為規(guī)范石油化工生產(chǎn)裝置低壓配電系統(tǒng)的設計提供重要借鑒。

［1］ GB 50058-2014. 爆炸危險環(huán)境電力裝置設計規(guī)范[S]. 北京：中國計劃出版社, 2014: 27.

［2］ 郭亞娟. 爆炸危險性氣體環(huán)境內(nèi)的電氣設計[J]. 廣東化工, 2015, 42(15): 164-196.

［3］ SH 3038-2000. 石油化工企業(yè)生產(chǎn)裝置電力設計技術(shù)規(guī)范[S]. 北京：中國石化出版社, 2000: 8.

［4］ 茅圣仁, 吳坤平, 彭宗貴, 顧曉東. TN、TT公用配電系統(tǒng)的接地[J]. 輕工科技, 2016(2): 56-58.

［5］ GB/T 50065-2011. 交流電氣裝置的接地設計規(guī)范[S]. 北京：中國標準出版社, 2011: 21-28.

［6］ 高又炘. 燃氣鍋爐房的電氣與控制[J]. 中小企業(yè)管理與科技(上旬刊), 2016, 5(13): 165-168.

［7］ 陶云飛. TN接地系統(tǒng)雜散電流的分析[J]. 智能建筑電氣技術(shù), 2015, 9(6): 66-69.

［8］ 陶云飛. 工業(yè)廠房接地系統(tǒng)做法分析[J]. 智能建筑電氣技術(shù), 2014, 8(2): 3-7.

［9］ 王穎, 秦元崗. 多電源10/0.4 kV變電所系統(tǒng)接地的實施[J]. 智能建筑電氣技術(shù), 2014, 8(3): 39-42.

［10］ 錢澄清, 張先玉. 論建筑電氣設計規(guī)范異同[J]. 智能建筑電氣技術(shù), 2015, 9(2): 3-9.

［11］ 劉志勇. 如何規(guī)避劇場變配電系統(tǒng)接地中的雜散電流[J]. 科技傳播, 2016, 2: 36-39.

［12］ 劉志勇. 如何規(guī)避劇場變配電系統(tǒng)接地中的雜散電流[J]. 演藝科技, 2016, 2: 36-39.

［13］ 郭東, 陳昊琳. 民用建筑多電源TN系統(tǒng)“一點接地”應用探討[J]. 建筑電氣, 2014, 9(4): 13-17.

［14］ GB 50054-2011. 低壓配電設計規(guī)范[S]. 北京：中國計劃出版社, 2011: 8.

Wiring and Grounding Types of Low Voltage System in Petrochemical Plants

REN Pei-jia，SHAO Wen-ping, JIANG Xu, DONG Bai-yi

（China Huanqiu Contracting & Engineering Corporation Liaoning Company, Liaoning Fushun 113006, China）

Grounding types of low-voltage system were described, wiring of low-voltage system in petrochemical plants was introduced, wiring diagram of low-voltage system in petrochemical plants was drew based on electrical load characteristics and engineering practice, choice of level 3 and level 4 circuit breakers in the low voltage system was discussed. Combined with the actual conditons, selection of the motor power cables was also discussed, and the neutral point grounding wire section of transformer was determined.

low voltage system grounding；low voltage system wiring；cables；circuit breaker

TQ 052

A

1671-0460（2016）11-2642-04

2016-09-07

任佩佳（1983- ），女，遼寧撫順人，工程師，碩士，2014年畢業(yè)于遼寧石油化工大學控制工程專業(yè)，主要從事電氣自動化專業(yè)設計。E-m ail：renpeijia@hqcec.com，Tel: 024-57593659。