民用建筑配電低壓側中性點接地位置探討分析

葉 興

[同濟大學建筑設計研究院(集團)有限公司,上海 200092]

0 引 言

關于民用建筑配電低壓側中性點在何處接地,國際和國內的做法有所區別。IEC 60364-1:2005[1]中規定,民用建筑變電所中的低壓側電源接地只能實施一點接地。而根據GB 50303—2002《建筑電氣工程施工標準》第5.1.2條要求:變壓器中性點與環形接地干線直接連接,不過根據標準GB 50303—2015,這種接地方式和接地電阻值應綜合考慮到各方面因素,且滿足設計要求。從規范條文解釋可看出,對多電源TN系統,在進行接地時如果選擇的接地方式不合理,中性線電流就可能通過不期望的路徑流通而引起火災、腐蝕或電磁干擾。可見GB 50303—2015開始關注中性點的雜散電流所帶來的危害。此外,隨著標準GB 51348—2019《民用建筑電氣設計標準》(以下簡稱新民規)的實施,對中性點的接地位置也做了相應要求。為避免雜散電流的干擾,結合IEC標準和新民規,分析民用建筑中不同情況下的電源中性點接地的方式。因單電源TN系統,N線無法形成環路,不會產生雜散電流,可選用電源中性點直接接地或“一點接地”,本文不做討論。

1 配電系統的兩種接地

對于任一電壓的配電系統,對應接地可劃分為兩部分:電源導體的接地;用戶端設備外露接地。對低壓配電系統來說,前一種接地一般是指變壓器繞組星形接點對應的接地,而后一種則主要是用電設備的外殼、布線相關的接地,這兩種性質的接地分別稱作為系統接地和保護接地[2-3]。

2 電源在同一機房內或者相鄰和貼鄰

2.1 采用中性點直接接地方式

根據新民規第12.4.11條,TN接地系統中,變電所內配電變壓器低壓側電源中性點,可采用直接接地方式。此外條文解釋對采用上述接地方式做了要求:所有的主斷路器和母線聯絡斷路器都應該選擇4P開關。從條文解釋可看出新民規已經開始關注中性點的雜散電流所帶來的危害。本文分析采用3級開關的中性點直接接地系統雜散電流如何產生以及危害。多電源TN系統直接接地的N線電流流向如圖1所示。

一般,一回路的N線電流在返回電源時對應的路徑為唯一的,也就是在連接過程中一些情況下N線多點接地形成并聯通路情況下,此回路內N線電流將減少,而其他并聯的線路中可能出現一定大小的分流,稱為雜散電流。由于變壓器中性點直接接地,電氣裝置的N線通過變電所的N線和PE線形成環路,使得電氣裝置的N線電流除按正規通路返回供電變壓器A外,還通過另外一臺變壓器B的N線及PE線返回供電變壓器A。該通路中不期望路徑的N線電流的分流稱為雜散電流,可能引起如下電氣危害:① 雜散電流可在一定電磁感應基礎上形成雜散電磁場,而對一些敏感設備的運行產生不良影響;② 一些情況下會導致電火花而起火;③ 如果這種電流通過大地回流,則會形成電池,這樣會對電極產生一定腐蝕作用,同時也導致鋼筋等受到腐蝕,影響接地性能。

雖然能用4級斷路器解決雜散電流的問題,但該措施存在幾個問題:

(1)當變電所數量較多時,大量的采用四級斷路器,會增加設備造價。

(2)不必要的給回路增加了 “斷零”危險,從而影響設備的正常運行。并且IEC標準規定不允許這樣。

(3)低壓配電盤內未設置PEN線,這種條件下進行設計時,無法引出TN-C/TN-C-S系統,使系統存在局限性。

2.2 采用“一點接地”做法

隨著進入信息時代后智能建筑的普及,接地不當及雜散電磁場等導致的信息系統的干擾引起電氣工作者和設計人員的重視。文獻[4-6]中分析了按IEC 60364-1:2005實施多電源系統一點接地的重要性和必要性。為此,新民規把“一點接地”的方式也納入了規范,結合標準IEC 60364-1:2005和標準IEC 60364-4-44:2007的規定,當變電所接地方式采用“一點接地”的接地方式時,電源中性點引出的PEN線只能在低壓配電柜或總配電屏處與PE線一點接地,在同一建筑物內不得在其他處接地。

IEC多電源一點接地系統設置方案如圖2所示。

圖2 IEC多電源一點接地系統設置方案

圖2中,用①～④標記出了系統接地的要求。① 不應把變壓器或發電機中性點直接對地連接,即不允許電源中性點直接接地。② 兩電源中性點對應的導線應該滿足一定絕緣性要求,其功能和PEN很類似,但不可從其回路連接相應設備。③ 只能在此處將此連接線和PE相連接而實現系統接地,此連接點可在多臺變壓器的變電所低壓配電盤內,也可在電氣裝置電源進線的總配電箱內。④ PE線進行接地時,可重復接地。

依據圖2分析,電氣設備處N線電流通過單一途徑回到電源A端,不會產生雜散電流。需要說明的是,變壓器中性線引出線在建筑物電氣裝置中并非中性線而是PEN線。整個低壓配電系統內的正常對地泄漏電流和發生接地故障時的對地故障電流都需通過PEN線返回電源端,由于該導體兼具中性線及PE線功能。所以建筑電氣中規定嚴禁斷開的是PEN線,而不是N線,因此變壓器的出線開關和母線上的聯絡開關不得裝設4級開關[7-8]。

通過中性點直接接地,或基于IEC 60364-1:2005標準在低壓配電盤或總配電屏做一點接地,系統內的任何電氣裝置、導線對地都會產生泄漏電流,此部分雜散電流較小,不足以引起危害,可以忽略不計。

通過上述分析,對于電源在同一機房內或者相鄰和貼鄰的系統,為防止雜散電流和電磁干擾,應優先選用“一點接地”。

3 電源距離較遠的情況

民用建筑電氣中,各類建筑種類繁多,由于面積和功能的關系,不同電源設置的機房可能距離較遠。如會展建筑,電源變電所可能設置兩端,同時往中間供電;另外對大型商業綜合體、超高層、劇院、體育場往往需要設置柴油發電機,而柴油發電機機房也有可能離變電所較遠。需要說明的是,相距較遠的多電源聯結系統聯絡線往往過長,阻抗過大。如果系統僅在一處機房設置接地,會使長的聯絡線過大的阻抗無法滿足保護電器設備短路靈敏度的要求。因此,對于相距較遠的多電源聯結系統應各自設置接地系統。

3.1 相距較遠的2臺聯結變壓器

3.1.1 采用中性點直接接地方式

相距較遠的2臺聯結變壓器采用的中性點直接接地方式如圖3所示。

圖3 相距較遠的2臺聯結變壓器采用的中性點直接接地方式

圖3是目前距離較遠且互相聯結的2臺變壓器的常用接地方式,在各自的機房內電源中性點直接接地。由圖3分析,電氣裝置由A路市電變壓器供電,可見N線電流正常流動方向,相應的聯結和主斷路器在設計時選擇4級ATSE,從而并未形成雜散電流的通路,消除了雜散電流,使得電磁環境良好。

3.1.2 在各電源處采用“一點接地”的方式

通過分析,在進行防雜散電流時,為滿足經濟性和簡易性相關要求,而選擇“一點接地”方式。但是對于相距較遠的2臺聯結變壓器,不同的電源處都選擇這種接地方式,會產生雜散電流。

相距較遠的2臺聯結變壓器在各電源處采用的“一點接地”方式如圖4所示,可見N線電流流向。

圖4 相距較遠的2臺聯結變壓器在各電源處采用的“一點接地”方式

由圖4分析,電氣裝置由A路市電變壓器供電,可見N線電流流動方向。由于采用3級聯結斷路器,電氣裝置的N線通過變電所的N線和PE線形成環路,使得電氣裝置的N線電流除按正規通路返回供電變壓器A外,還通過另外一臺變壓器B的PEN線及PE線返回供電變壓器A,使得回路中產生了不期望路徑的N線電流的分流,從而引起雜散電流。

有人認為可以采用4級聯結斷路器就可以避免雜散電流的產生。其實當接地方式采用“一點接地”時,電源中性點引出的是PEN線,PEN線是嚴禁斷開的,因此不允許采用4級的聯結斷路器。

3.2 變電所和柴油發電機房相距較遠的情況

變電所和柴油發電機房相距較遠,采用中性點直接接地時由市電電源、發電機電源供電的N線電流方向分別如圖5、圖6所示;采用“一點接地”時由市電電源、發電機電源供電的N線電流流向分別如圖7、圖8所示。

圖5 采用中性點直接接地時由市電電源供電的N線電流流向

圖6 采用中性點直接接地時由發電機電源供電的N線電流流向

圖7 采用“一點接地”時由市電電源供電的N線電流流向

圖8 采用“一點接地”時由發電機電源供電的N線電流流向

由圖5～圖8可知,不管采用中性點直接接地還是“一點接地”,市電或者柴油發電機供電的情況,市電與應急電源切換需要采用4級的ATSE,阻斷了不期望路徑的N線電流分流,避免了雜散電流的產生。

由分析可知,因切換的ATSE存在,雜散電流的閉合環路不會產生,變電所和柴油發電機房兩種接地方式均可以選擇。此外,新民規中第12.4.11條第7款要求:低壓柴油發電機中性點的接地方式應與變電所內配電變壓器低壓側中性點接地方式一致,目前分析來看,兩處的接地方式相同或不同均不影響供配電系統正常運行,且EMC情況良好。

4 按照IEC 60364-1:2005標準作系統接地的是TN-C-S還是TN-S系統

針對多電源TN系統按照IEC 60364-1:2005標準作系統接地是TN-C-S還是TN-S系統,很多人認為該系統從電源三相套管引出端已是PEN線,設置在低壓配電盤上方的柜頂母線也為PEN線,因此該系統從嚴格上不能算做TN-S系統,并且不能引出TN-S系統和TT系統。

其實不存在純粹的或100%的TN-S或TT系統。因為至少在變壓器內部三相繞組星形連接中性點引至出線套管的一段線上既通過中性線工作電流,也通過所供電氣裝置的對地正常泄漏電流和故障電流,這段線不可避免地已是PEN線。所以任何TN或TT接地系統的電源端必然要出現PEN線。業內專家王厚余老先生曾詢問過IEC各位代表,他們一致認為變電所這段PEN線很短,其阻抗和壓降可以忽略不計,因此可將變電所看成一個“電源點”,而不計這段PEN線的存在。這樣各類接地的區分不是從變壓器內繞組端點開始,而是從低壓配電盤出線開始。如此處理后,從變電所就可引出除中性點不接地的IT系統外的TT系統和各類TN系統,而不局限于某一接地系統,從而適應現場各種不同需要。按IEC規定作系統接地，可引出除IT系統外的各種接地系統如圖9所示。

圖9 按IEC規定作系統接地，可引出除IT系統外的各種接地系統

5 結 語

民用建筑配電低壓側中性點接地位置需根據配電系統電源的位置、低壓出線的接地制式要求以及系統是否會產生雜散電流來進行選擇。通過分析,得出結論:同一變電所內的多電源系統,為有效地避免雜散電流引發的干擾,應該選擇簡單有效的“一點接地”方式;相距較遠的2臺聯結變壓器,應采用中性點直接接地方式,酌情選用4級聯絡開關防止雜散電流和電磁干擾;變電所和柴油發電機房相距較遠的情況,因切換的ATSE存在,變電所和柴油發電機房兩種接地方式均可以選擇;需要引出TT和TN-C-S接地制式,應采用中性點“一點接地”方式。

此外選用“一點接地”措施,還應注意以下問題:機房內的一圈“接地干線”應具有足夠的截面,以滿足變電所內發生接地故障時熱穩定的要求;電源出線的總開關和聯絡開關應選用三級斷路器;電源中性點引出的PEN線在進行接地時只可以在總配電屏處與PE線一點接地,且柜內PEN線應對地絕緣;需要對PEN線與PE線進行明確區分,后者可多次重復接地,可以大大地降低回路阻抗。