地鐵400 V低壓系統斷路器極數選擇及接地優化研究

姜筱靨

0 引言

400 V低壓配電系統作為地鐵機電設備系統的電能來源，其接地系統的安全可靠性與乘客出行安全和機電設備的正常運轉密切相關。為避免用電設備外露導電體在正常運行時產生接觸電壓，對于400 V電源側設備（如配電變壓器和400 V開關柜）的安全接地，應予以格外重視。

針對400 V低壓配電系統的設計方案和技術細則要求，地鐵和民用建筑行業存在諸多不同之處，而且很多工程中配電變壓器和400 V開關柜分屬于不同設計和施工單位，通過工程調研了解到，不同城市以及不同項目之間，由于從業人員對TN-S接地系統的理解不夠深刻，導致400 V開關柜斷路器的極數配置及電源側設備的接地型式不盡相同，如存在不合理之處，將對地鐵的運營造成極大安全隱患。因此，通過制定合理的設計方案以防止用電設備外露可導電體出現威脅人身安全的可持續接觸電壓尤為重要，本文就此展開分析并給出建議。

1 低壓系統接地型式

國家標準GB 50065—2011參照國際電工委員會標準IEC 60364規定了低壓系統接地的型式，分 為TN、TT和IT等3種，其中TN系統又分為TN-C、TN-S、TN-C-S系統[1]。5種接地型式所適用的場合見表1。

表1 TN、TT、IT接地系統適用場合

從產品配套和設計規范等考慮，我國早期建設的北京地鐵1號線和環線工程其低壓配電系統和地面建筑物一致，采用三相四線制接零系統[3]。隨著技術發展和工程不斷摸索驗證，從上海地鐵1號線開始，已嘗試將三相五線制（TN-S）接地系統應用于城軌的低壓供電系統中，后續逐漸在北京地鐵復八線、廣州地鐵1號線等工程[3]應用，近年來國內建設的地鐵工程低壓配電系統也均采用了TN-S接地系統。

根據GB 14050—2008規定，TN系統在電源處應有一點直接接地，裝置的外露可導電部分應經PE線接至接地點：TN-S系統應全部采用單獨的PE線，TN-C-S系統中的一部分將N線和PE線的功能合并在一根導體中，TN-C全系統將N線和PE線的功能合并在一根導體中[4]。其中，TN-S系統原理見圖1。

圖1中，A、B、C為配電變壓器的三相，在電源點處N線和PE線統一接地，其他位置分開。正常運行時，TN-S接地系統的三相不平衡電流僅流過N線，不平衡電流和對地電壓不會在PE線上產生，電器設備的外露可導電部分與PE線連通，安全可靠；發生接地故障時，短路電流流過PE線返回電源側中性點，PE線采用銅質材料，阻抗低至毫歐級，因此短路電流足夠大，可啟動斷路器過電流保護動作而快速切斷故障，起到保護設備和人身安全的作用。

圖1 TN-S系統

2 低壓系統運行方式

地鐵工程中，每座降壓變電所設2臺35/0.4 kV或10/0.4 kV配電變壓器，400 V開關柜設置母聯斷路器。

正常運行方式：配電變壓器分列運行，母聯合閘，負擔供電范圍內的遠期一、二、三級負荷[5]。

故障情況下運行方式（N-1）：一臺配電變壓器退出運行，相應主進線斷路器分閘，母聯合閘，另一臺配電變壓器負擔供電范圍內的遠期一、二級負荷[5]。

3 400 V低壓系統斷路器極數的選擇

3.1 400 V開關柜的進線和母聯開關

3.1.1 進線和母聯均采用3P斷路器

正常運行時，當進線和母聯均采用3P斷路器，其實際接線型式見圖2。

圖2 進線和母聯均采用3P斷路器（正常運行方式）

圖2中，N線和PE線在配電變壓器中性點處通過電纜接至接地母排，接地電纜阻抗分別等效為R4和R5；N線阻抗分別等效為R1和R2；PE線阻抗等效為R3。等效簡化電路如圖3所示。

圖3 等效電路

如圖2接線所示，由于N線和PE線兩點接地，首先導致不平衡電流I（圖中實心箭頭）通過R1流至1#配電變中性點，其次通過R2、R3、R4、R5返至1#配電變中性點，各回路分配的電流大小與阻抗值有關；電流I流經2#配電變的N線和PE線時會產生電磁干擾，存在較大安全隱患。

對于故障情況下的運行方式，原理分析同上。

因此，進線和母聯均采用3P斷路器時，正常運行方式和故障運行方式下不平衡電流均無法按指定的路徑流動。

3.1.2 進線采用3P斷路器，母聯采用4P斷路器

正常運行時，PE線不會有不平衡電流流過。

故障情況下（N-1運行方式），當2#配電變故障退出時，2#進線斷路器分閘，母聯斷路器合閘，其實際接線型式見圖4。

圖4 進線3P，母聯4P斷路器（N-1運行方式）

經分析，PE線仍會有不平衡電流流過。當1#配電變故障退出時，分析同理。

因此，進線采用3P斷路器、母聯采用4P斷路器時，正常運行方式下無影響，故障運行方式下不平衡電流無法按指定的路徑流動。

3.1.3 進線采用4P斷路器，母聯采用3P斷路器

正常運行時，其實際接線型式見圖5，PE線會存在不平衡電流。

圖5 進線4P，母聯3P斷路器（正常運行方式）

故障情況下，PE線不會有不平衡電流流過。

因此，進線采用4P斷路器、母聯采用3P斷路器時，正常運行方式下不平衡電流無法按指定的路徑流動，故障運行方式下無影響。

3.1.4 進線采用4P斷路器，母聯采用4P斷路器

為解決上述3種情況遇到的問題，需將進線和母聯均調整為4P斷路器。

正常運行時，其實際接線型式見圖6。在母聯斷路器處，N線為斷開狀態，按圖中箭頭唯一指向流入1#配電變中性點的不平衡電流是正確合理的，對人身安全不產生威脅。

圖6 進線和母聯均采用4P斷路器（正常運行方式）

故障情況下，當2#配電變故障退出時，2#進線斷路器分閘，母聯斷路器合閘，其實際接線型式見圖7。在2#進線斷路器處，N線為斷開狀態，按圖中箭頭唯一指向流入1#配電變中性點的不平衡電流是正確合理的，對人身安全不產生威脅。當1#配電變故障退出時，分析同理。

圖7 進線和母聯均采用4P斷路器（N-1運行方式）

3.2 400 V開關柜的三級負荷總開關

相對于下級配電系統而言，三級負荷總開關為單電源供電。根據系統特點，僅考慮正常運行方式，按每段的零線路徑依次向配電變中性點流回不平衡電流，PE線不會出現電流。

因此，三級負荷總開關建議采用3P斷路器。

3.3 400 V開關柜的下級ATS開關

若400 V開關柜下級ATS開關選用3P斷路器，正常運行時，母聯斷路器分閘，PE線不會有不平衡電流流過。故障情況下，當2#配電變故障退出時，2#進線斷路器分閘，母聯斷路器合閘，其實際接線型式見圖8。該工況下，兩回電源主進線的零線均會出現不平衡電流，也會在電源側和下級ATS的零線之間出現環流，最終流回1#配電變中性點，電流未按理論分析的指定路線流動。

圖8 下級ATS采用3P斷路器（N-1運行方式）

因此，400 V開關柜下級ATS開關采用4P斷路器可解決上述問題。

3.4 小結

經上文分析知，在400 V低壓系統中選用3P斷路器時存在諸多弊端，若400 V開關柜全部采用4P斷路器，一是4P斷路器較3P斷路器價格高，將大幅增加工程投資；二是采用4P斷路器后N線存在斷點，若觸頭接觸不良，易出現“斷零”，使單相設備承受高于正常相電壓的電壓值，嚴重時可能導致用電設備燒毀。因此，N線上應盡量少設置開關，建議根據系統需要合理配置4P斷路器。

4 400 V低壓系統接地方式優化

發生單相接地短路故障時，短路電流直接通過PE線流到電源中性點，該工況下短路電流值最大，可啟動斷路器跳閘；不宜使短路電流通過其他導體返回中性點，這樣會使回路電阻增大，短路電流減小，斷路器可能不啟動跳閘。

4.1 既有接地方式存在的問題

在實際地鐵工程建設中，發現下述3種接地方式不盡合理，存在安全隱患。

4.1.1 400 V開關柜PE線通過接地支線接地

如圖9所示，配電變N線通過接地電纜接至接地母排，400 V開關柜內的PE線通過接地支線接至接地干線，接地干線再連接至接地母排。

圖9 PE線通過接地支線接地

用電設備發生單相接地短路故障時，短路電流路徑：PE線→接地支線→接地干線→接地母排→1#配電變壓器中性點。由于接地支干線多采用50×5鍍鋅扁鋼，電阻較大，導致短路電流減小，低壓斷路器無法啟動跳閘，故該接地方式不合理。

4.1.2 400 V開關柜PE線通過電纜接地

如圖10所示，配電變N線及400 V開關柜內的PE線均通過接地電纜接至接地母排。

圖10 PE線通過電纜接地

用電設備發生單相接地短路故障時，短路電流路徑：PE線→接地電纜→接地母排→接地電纜→1#配電變壓器中性點。雖然電纜的阻抗較小，可使低壓斷路器跳閘，但短路電流流經兩段電纜返回中性點，該接地方式不合理。

4.1.3 400 V開關柜兩段母線的PE線未連通

400 V開關柜分兩排布置，兩段低壓母線之間通過密集型母線槽連接，但PE線未連通。

正常運行方式下，短路電流通過PE線直接流回電源中性點，可啟動斷路器跳閘。

故障情況下，當2#配電變故障退出時，2#進線斷路器分閘，母聯斷路器合閘，其實際接線型式見圖11。

圖11 兩段母線PE線未連通

PE線在低壓母線之間未連通，發生單相接地短路故障時，用電設備故障產生的短路電流路徑：PE線→接地電纜→接地母排→接地電纜→2#配電變壓器中性點。該情況下短路電流未按指定路徑流回配電變中性點，當1#配電變故障退出時，同理。因此，該接地方式不合理。

4.2 優化后的接地方式

經分析，上述3種接地方式均有存在不合理的情形。根據GB 14050—2008 第5.1.1條款規定[4]并結合理論分析，對接地方式進行優化。

4.2.1 帶電部分接地

帶電部分接地如圖12所示。

圖12 帶電部分接地（推薦）

（1）400 V開關柜內PE線與配電變中性點連接。將400 V開關柜內的PE線引入配電變壓器外殼內后，使配電變N線處引出銅排與PE線連接，再將配電變N線通過接地電纜連接至接地母排。

（2）400 V開關柜內兩段母線之間PE線連通。可通過密集型母線槽實現PE線連通。

（3）工程實例。問題描述：由于配電變壓器和400 V開關柜分屬不同供貨商及不同設計、施工、管理方負責，接口未考慮400 V開關柜PE線和配電變中性點的連接方式；經檢查同時發現，配電變N線引出方式也有誤，不符合TN-S接地系統接線要求。

整改方案：由于低壓開關柜PE線在柜體底部，因此對配電變提出要求，即N線引出銅排至底部再與PE線連接，如圖13所示。

圖13 低壓配電接地整改實例

4.2.2 外露可導電部分接地

外露可導電部分接地如圖14所示。

圖14 外露可導電部分接地（推薦）

對于外露可導電體的接地，具體方法如下：配電變壓器外殼、配電變壓器基礎預埋件、400 V開關柜基礎預埋件通過接地支線接至接地干線；400 V開關柜外殼與PE線連接，將PE線通過接地支線接至接地干線。

5 結語

本文對地鐵變電所TN-S接地系統中三相不平衡電流和單相短路電流在不同運行方式下的流向進行分析，從安全性角度考慮，建議措施如下：

（1）400 V開關柜主進線、母聯、下級ATS開關應采用4P型斷路器，其他開關宜采用3P型斷路器。

（2）配電變壓器應將N線引出分支排至外殼底部，并預留與400 V開關柜PE線連接的條件。

對于上述建議，重點在于專業間配合，方案實施簡單，具有工程可行性，提高了繼電保護靈敏度和接地安全可靠性，為地鐵變電所TN-S接地系統的建設提供參考。