低壓柴油發電機的接地設計

武漢東研智慧設計研究院有限公司南方公司 秦江杰

電氣專業引發的火災占總數的1/3以上，而其中主要原因是電氣短路，約占電氣火災總數的40%以上，數據出自《電力工程電氣設計手冊》（電氣一次部分），導致這些電氣事故的原因部分來自不合理的系統接地的設計。大型公共建筑、民用建筑往往設置了相當數量的消防設備，如排煙風機，消防水泵等，其備用電源大多源自自備低壓（400V，下同）柴油發電機組。另外，一些不允許停電的二級負荷、一級負荷的電源也會引自柴油發電機組[1]。

1 目前低壓柴油發電機組設計中存在的問題

圖1為東莞某工業項目柴油發電房示意圖，由于該項目對備用電源容量要求較大，故設置了7臺1000kW柴油發電機組，其接線示意圖如圖2所示。由圖2可知，7臺發電機組分別以3臺并聯或2臺并聯方式接入電力系統，設計過程中，筆者發現既有常規的做法存在著一些問題，下文以3臺發電機并聯為例，對其接地做法進行探討。

圖1 東莞某項目柴油發電機房布置圖

圖2 東莞某項目柴油發電機系統圖

為便于分析對電流的參考方向作出下列規定：相線（IL1，IL2，IL3）電流從電源側（柴油發電機組）流向負載；零線電流（IN）從負載側流向電源側（柴油發電機組中性點）；地線電流從故障發生點流向電源側（柴油發電機組中性點）。在系統正常運行狀態下，低壓配電系統的中性線中存在的工作電流為三相不平衡負荷電流和零序諧波電流，此電流流向中性點，不會流經接地導體，產生分流。如圖3所示。

圖3 正常工作時電流流向示意圖

發生故障時，因為三相短路或兩相短路所產生的短路故障電流并不會流過接地導體，所以只需要考慮對地短路的情形。如圖4所示，當系統中發生單相接地短路故障時，故障電流經由地線流向中性點。此時，接地線截面積應當滿足短路電流熱穩定要求，接地導體的布置應使故障回路阻抗盡量小，使故障電流滿足過電流保護電器動作靈敏度要求。由圖4中電流流向可知，中性點的接地導體（PE-接地端子）并不會流過故障電流，故其截面不必選太大，按照總等電位聯結導體的最大截面（如40mm×4mm鍍鋅扁鋼）。新版《建筑電氣常用數據》（19DX101-1）將變壓器低壓側中性點接地線選擇刪除很可能也是基于這個原因[2]。

圖4 接地故障時電流流向示意圖

本工程柴油發電機接地系統原做法如圖5所示，3臺柴油發電機系統主開關均采用3極開關，柴油發電機中性點通過接地線直接引至室內接地極。配電室周圍接地干線采用40mm×4mm鍍鋅扁鋼，并且和發電機外殼PE導體進行了連接。

圖5 東莞某項目柴油發電機房接地系統原做法

通過電流路徑分析，可以發現如下問題：發電機在正常運行狀態下時，由于三相負載之間存在不平衡度、有功負載分配的不平衡度、無功負載分配及功率因數的差異程度及諧波的影響，N線可能存在著雜散電流，此電流會通過PE接地線形成環流。當只有柴油發電機1處于正常運行狀態下時，設N線電流經過分流為IN1、IN2，IN2再經過柴油發電機2和柴油發電機3分流為IN21、IN22，且IN2=IN21+IN22，同理經過PE線再次分為：IN21=IN211+IN212，IN22=IN221+IN222。此時，接地干線存在電流IN211+ IN221，有可能造成腐蝕情況，嚴重時甚至可能產生火災事故。

當柴油發電機2或柴油發電機3工作時，同理可得，N線電流同樣會通過不工作的柴油發電機N線及PE線分流，從而致使接地環流存在。同時，當系統發生接地故障時，故障電流主要通過PE線（40mm×4mm鍍鋅扁鋼）流回系統中性點，而在選擇PE線又完全沒有考慮導體的熱穩定的影響，當故障電流過大時，導體的熱穩定無法滿足要求。

根據上述分析，本工程柴油發電機接地系統做法存在著安全隱患，歸結為以下兩個方面：發電機組處于正常運行狀態下時，接地導體中會流過接地環流，而接地導體采用的設施裸露的扁鋼，容易導致腐蝕，干擾的情況出現，嚴重可能引起火災；接地導體在系統發生故障時可能要承載短路電流，但實際設計的接地導體截面積又未考慮短路電流的影響，致使接地導體的截面積無法滿足熱穩定要求。以上問題事關安全，需要找尋合理的做法對其進行修正。

2 目前圖集與實際工程做法分析

根據《柴油發電機組設計與安裝》（15D202-2）內容，低壓柴油發電機組接地示意圖如圖6所示。

圖6 低壓柴油發電機組接地示意圖

同時，《民用建筑電氣設計標準》GB51348-2019第6.1.9條規定1kV及以下發電機中性點接地應符合下列要求：只有單臺機組時，發電機中性點應直接接地，機組的接地形式宜與低壓配電系統接地形式一致；當多臺機組并列運行時，每臺機組的中性點均應經刀開關或接觸器接地。

此條文說明為“當有多臺發電機組并列運行時，每臺機組的中性導體要經刀開關或接觸器直接接地。當各臺機組的中性導體之間存在環流時，應只將其中一臺發電機的中性點接地”，由此可見，刀開關或接觸器應是裝設在中性導體上的（N線）。由此可知，單臺柴油發電機接地直接接地即可，而有多臺柴油發電機并列運行的情況出現時，每臺機組的中性點中性導體要經刀開關或接觸器直接接地。

對此做法進行分析，假設柴油發電機1正常工作，且僅閉合柴油發電機1的中性點開關，將柴油發電機2與柴油發電機3的中性點開關斷開，即只將其中一臺發電機的中性點接地。因為此時因柴油發電機2與柴油發電機3的中性點是處于斷開狀態下的，故IN21與IN22并不會通過PE線流入柴油發電機中性點，也就不存在環流了。此時，柴油發電機室的PE線就不會再承載主要的接地故障電流，綜合考慮到機械強度、短路熱穩定、抗腐蝕以及防雷等要求，其截面可按總等電位聯結導體的最大截面選擇，例如采用40mm×4mm鍍鋅扁鋼。這種做法要求發電機系統應配置接地開關柜，當系統存在接地環流時，應能自動切斷其他中性點接地開關，只保留其中一臺發電機的中性點處于直接接地狀態。

通過翻閱類似項目圖紙，發現低壓400V柴油發電機的接地系統圖紙都沒有設置接地柜的先例。筆者還考察過類似工業項目的柴油發電機房，發現低壓400V柴油發電機房內同樣均無此接地柜，同時還向相關廠家咨詢，得到的結果是柴油發電機廠商并無此接地柜配套。而且接地柜接線較為復雜，如果維護狀態不理想導致接地柜故障，無法通過切斷中性點進而切斷接地環流，則同樣可能造成接地干線腐蝕情況的出現，嚴重時甚至可能產生火災事故。

3 推薦做法

根據分析以上幾種情況可得，系統一般通過N→PE→MEB→PE→中性點，而形成環路。如果柴油發電機系統未設置接地柜，或者在接地柜故障的情況下，環路中就不可避免地產生了環流。但如果切斷在非工作狀態下系統的零線（即使用4極開關），就能很好地解決這一問題。如圖7所示，柴油發電機1正常工作時，由于不工作的柴油發電機2和柴油發電機3的零線被4極開關切斷，N線電流只能流向柴油發電機1，此種情況下，PE線一般不會存在其他電流，也就不存在環流了。

圖7 柴油發電機房接地工程推薦做法

4 結語

綜上所述，多臺低壓柴油發電機組并聯運行時，應注意以下幾點：柴油發電機系統推薦使用4極開關，以防止系統通過未在工作狀態下的N線形成環流；在每臺發電機的中性點引出導體上裝設刀開關或負荷隔離開關，以切斷發電機間可能的諧波電流的環流回路。

在設計過程中對接地系統的重視程度往往不夠，比如多臺柴油發電機的接地往往就沒有專門設置接地柜用以斷開中性點。由于柴油發電機屬于應急電源系統，真正投入使用的情況比較少，時間也比較短，所以即使系統中存在著安全隱患也不容易被察覺，但是潛伏的安全隱患一旦發作，將會對安全產生非常嚴重的影響。柴油發電機組是保證建筑物安全非常重要設備，設計人員在設計過程中對其中性點接地型式的選擇及相關做法應當給予足夠重視，有效地保證柴油發電機系統的可靠性，保護人身和設備的安全，使電力系統長期、安全、可靠、穩定運行。