地铁车站35/0.4 kV变电所接地设计探讨

厉红星， 高　婷

(中铁隧道勘测设计院有限公司， 天津　300133)



地铁车站35/0.4 kV变电所接地设计探讨

厉红星， 高婷

(中铁隧道勘测设计院有限公司， 天津300133)

摘要：为了提高地铁领域中降压变电所接地设计技术水平，符合国际IEC标准及我国国家标准，对目前地铁车站中降压变电所低压侧中性点接地方案进行研究，分析“多点接地”设计方案中存在的问题和“一点接地”设计方案的优点，提出合理的接地方案；通过对35 kV系统接地故障引起0.4 kV系统中的工频过电压、故障电压的分析，以及弱电系统的阻抗分析，得出接地工频电阻值小于1 Ω的要求是不合理的，应充分利用结构钢筋作为自然接地极，不需要设置人工接地网。

关键词：地铁车站； 多点接地； 一点接地； 接地电阻值； 等电位联结

0引言

在电气设计中，接地具有很高的重要性、普遍性和复杂性。在接地技术方面，我国与欧美发达国家相比有较大差距。由于一些历史原因，我国的电气规范深受前苏联影响，尤其是接地设计方面仍停留在较低的水平上；国际上，接地理论和实践方面都有较多创新。我国电气规范中对接地电阻值的规定有许多不合理的要求；在国际IEC标准中，无具体接地电阻值规定，而重视等电位联结。我国电气设计人员应重视接地问题，因为变电所接地涉及杂散电流、杂散电磁场、电磁干扰以及电气安全等复杂问题。

目前地铁工程电气设计中，35/0.4 kV变电所0.4 kV系统普遍采用“多点接地”方式，偏重于对接地电阻值R≤1 Ω的要求和设置人工接地网。国内专家王厚余[1]强调应按IEC标准实施多电源系统一点接地，重视杂散电磁场的危害，并从理论上分析研究低压电气装置接地的合理做法。地铁建设领域中的电气专家黄德胜[2]从实践中验证了地下车站结构钢筋网的接地电阻值。

本文结合地铁车站35/0.4 kV变电所的具体情况，分析“一点接地”方式应用到地铁车站变电所接地设计中的科学合理性，系统性地研究地铁车站接地设计中对接地电阻值的合理要求，论证R≤1 Ω是否必要、合理。地铁车站电气接地设计中，不需要耗费大量的人力和物力设置人工接地网，应利用地下结构钢筋网自然形成的等电位“法拉第笼”作为接地极，为地铁车站的“参考地”。

1地铁车站0.4 kV配电系统接地型式

0.4 kV配电系统接地型式应根据供电连续性、绝缘水平、安全防护、电磁兼容等因素综合考虑确定。

用电设备对电磁兼容性的要求是确定配电系统接地型式的关键因素之一。地铁车站内设置有大量信息技术设备，其对电磁环境的要求比较高。TN-S系统正常工况下，PE线上无电流， EMC环境友好。为降低电磁干扰，地铁车站内的0.4 kV配电系统采用TN-S系统。

地铁车站内的35/0.4 kV变电所需要为地面上的冷却塔等机电设施供电，此时若仍然采用TN-S系统，就存在故障电压传递问题，车站内的故障电压可经PE线传递至地面机电设施的外露可导电部分，增加了电击的概率。考虑到地铁车站一般位于城市繁华区域和人员密集地，为保障人员的生命安全，对地面上的机电设施可采用局部TT系统的配电方式，避免站内故障电压传递至地面。

2变电所低压侧中性点接地方式

0.4 kV侧中性点接地做法需要满足电磁兼容性要求，避免杂散电流电磁场的干扰危害。

地铁车站0.4 kV配电系统中，非线性负荷越来越多。非线性负荷会产生大量的谐波电流，特别是3次谐波电流会在N线上叠加[3]，使N线存在谐波电流；0.4 kV配电系统中接入有大量单相用电负荷，很难做到三相负荷完全平衡，N线存在不平衡电流。因此，N线电流一般比较大。降压变电所0.4 kV侧中性点接地方式关系到N线电流是否会分流，形成杂散电流电磁场干扰问题。

降压变电所0.4 kV侧中性点接地存在“多点接地”和“一点接地”2种方式。

2.1变电所低压侧中性点 “多点接地”

变电所0.4 kV配电系统采用单母线分段的主接线形式，2台变压器分列运行。国内地铁车站降压变电所低压侧中性点接地普遍采用 “多点接地”方式，即2台配电变压器的0.4 kV侧中性点分别就近直接接地。

如上文所述，N线存在不平衡电流和谐波电流。当进线断路器QF1、QF2和母线联络断路器QF3采用3P开关时，N线电流返回变压器T1中性点的路径除了正常路径外，还有另外2条通过N母排、PE母排、接地电缆的路径，形成环流，如图1(a)所示。此杂散电流形成电磁场，会产生电磁干扰，影响电子设备的正常运行。

鉴于上述问题，低压配电柜中的进线断路器QF1、QF2和母线联络断路器QF3均采用4P开关，N线电流只能通过正常路径返回对应配电变压器的中性点，如图1(b)所示。这样可避免形成杂散电流，满足电磁兼容特性要求。

(a)

(b)

Fig. 1Multipoint grounding of 0.4 kV side neutral point in substation

虽然“多点接地”方式可以通过断路器QF1、QF2和QF3均选用4P开关的措施来解决环流问题，但是人为地在N线上增加断点，增加了“断N线”危险。“断N线”存在以下严重问题：

1)在TN-S和TT系统中，中性导体中断时的工频应力电压能高达380 V，额定电压为线导体对中性导体之间电压的基本绝缘、双重绝缘、加强绝缘以及器件可能暂时承受线电压，此过电压可引发设备绝缘表面爬电起火，引起电气火灾。

2)三相负载不平衡时，N线断开，会造成各相电压不平衡。负载小的相电压升高，烧坏单相用电设备；负载大的相电压降低，造成用电设备无法正常工作，如图2所示[4]。

3)单相回路欠压，使电子式RCD拒动，失去其防电击的防护作用[5]。

4)相线、中性线对PE线的电压过高，将烧坏配电线路中防雷的SPD[5]。

另外，当采用“多点接地”方式发生单相接地故障时，接地故障电流分流形成杂散电流，造成电磁场干扰问题，如图3所示。此杂散电流电磁场干扰地铁工程中的弱电系统，严重时会影响电子设备的正常工作，造成不良影响。

图2　三相四线回路“断N线”后三相电压不平衡示例

Fig. 2Example of three-phase unbalanced voltage after N line broken in three-phase four-wire loop

图3　“多点接地”配电系统中的接地故障电流路径图

Fig. 3Current circuit of grounding fault in multipoint grounding distribution system

综上所述，“多点接地”0.4 kV配电系统，虽然可以通过选用4P断路器的方式来解决N线电流环流问题，但是人为地增加低压柜N线导体断点会导致出现“断N线”的电气危害；并且，发生接地故障时，故障电流分流形成杂散电流，产生杂散电流电磁场干扰问题。

2.2变电所低压侧中性点 “一点接地”

在欧美发达国家，变电所多电源系统普遍采用在总配电屏中“一点接地”方式[6]，变电所的低压侧电源总开关和母线联络开关均采用3P开关。国际IEC标准中明确要求多电源系统要采用“一点接地”方式，并且已经转化为我国国家标准[7]。

在低压配电柜内，PEN导体与PE导体只在一点连接。正常情况下，N线上的不平衡电流和谐波电流通过正常路径返回电源点，避免N线电流形成环流，而且不需要选用4P开关，避免 “断N线”的电气危害(如图4所示)，解决了接地故障电流分流问题(如图5所示)。

在电气火灾监测方面，在低压柜中PEN导体与PE导体的唯一连接条上设置1个剩余电流监测报警装置RCM，如图4所示，可以对全所的馈电回路进行全局性监测和报警，简单实用，这也正是“一点接地”的优点之一。

图4　变电所0.4 kV侧中性点“一点接地”示意图

Fig. 4Diagram of one-point grounding of 0.4 kV side neutral point in substation

图5 　“一点接地”配电系统中的接地故障电流路径图

Fig. 5Current circuit of grounding fault in one-point grounding distribution system

目前，地铁设计领域中的电气火灾监控系统设置情况比较复杂，按回路分别设置剩余电流式、感温式等探测器[8]，费用比较高；但是，由于电能质量、用电设备产品标准、线路过载老化、施工质量等方面的原因，电气火灾监控系统误报率很高。各地区地铁工程设计中，行业专家对于是否要设置如此复杂的电气火灾监控系统意见不一。

综上所述，“一点接地”方式有以下优点： 1)可避免N线电流分流成为杂散电流，解决杂散电流电磁场问题；2)进线、母线联络开关均选用3P开关，避免低压柜中“断N线”问题；3)解决接地故障电流分流问题；4)可以在变电所内对电气火灾进行全局性监测和报警。

因此，在地铁车站电气设计中，降压变电所0.4 kV侧中性点接地采用如图4所示的“一点接地”方式，更科学合理。此外，可以考虑在变电所中设置一面专用的接地柜与其他低压开关柜布置在一起，利于“一点接地”的实施，同时也便于运营期间的维护和管理。

3接地电阻值

关于变电所的接地电阻值，IEC和发达国家电气标准都没有规定一个统一值。接地电阻值大小需要根据具体情况来分析确定。确定变电所接地电阻值时，电气设计人员应考虑高压系统中性点对地情况及0.4 kV配电系统接地型式等。

3.1功能性接地对接地电阻值的要求

根据国家标准GB/T 16895.10—2010/IEC 60364-4-44: 2007[9]中442.2条的规定，TN-S系统高低压共用接地装置时，不存在变电所35 kV侧接地故障引起0.4 kV侧工频过电压的危害，如图6所示； TT系统高低压共用接地装置时，需要考虑变电所35 kV侧接地故障引起0.4 kV侧工频过电压问题，如图7所示。地铁车站中0.4 kV配电系统为TN-S接地型式，从工频过电压即绝缘配合方面考虑，对变电所接地电阻值RE无要求。

图6　高压系统与低压TN-S系统共用接地装置

Fig. 6Grounding device shared by high-voltage system and low-voltage TN-S system

图7　高压系统与低压TT系统共用接地装置

Fig. 7Grounding device shared by high-voltage system and low-voltage TT system

为地面机电设施供电采用局部TT接地型式时，根据国家标准GB/T 16895.10—2010/IEC 60364-4-44: 2007[9]中442.2.2条的规定，35 kV系统中性点为低电阻接地系统，35 kV侧接地故障切断时间不大于5 s，变电所接地电阻值应满足RE≤1 200/IE的要求[9]。根据后文的分析结果，35 kV侧发生单相接地故障时，流经变电所接地装置的接地故障电流IE最大为200 A;因此，变电所接地电阻值RE≤6 Ω满足绝缘配合要求，即满足低压电气装置在暂时工频过电压情况下不被击穿的要求。

在国家标准GB 50057—2010《建筑物防雷设计规范》[10]4.2.4条中也有关于弱电系统接地电阻方面的内容： “现代电子系统绝大多数为数字化，其频率为数十乃至数百MHz，接地阻抗和接地线感抗将会增至很大；功能性接地电阻要求很低的工频接地电阻(0.5～1 Ω)是毫无意义的，而且浪费了人力和财力”。这是第一次在国家标准中提及对弱电系统的工频电阻值要求是不合理的，从规范角度论证了弱电系统在功能方面没必要要求工频接地电阻值小于1 Ω。

对于弱电系统，等电位联结才是最重要的，其等电位联结方式应根据电子信息设备易受干扰的频率及电子信息系统机房的等级和规模确定[12]。

综上所述，从功能性接地方面考虑，地铁车站强电及弱电系统的接地电阻值均不必要求小于1 Ω。

3.2保护接地对接地电阻值的要求

地铁全线设置综合接地系统，各站接地网通过接地扁钢、35 kV电力电缆金属屏蔽层及铠装层、接触网架空地线及隧道结构钢筋等互连在一起，如图8所示。

35 kV侧发生单相接地故障时，接地故障电流按图8所示的电流路径返回110/35 kV主变电所。35 kV相导体与电缆铠装层、屏蔽层及接地扁钢空间距离小，回路阻抗小；35 kV相导体与“大地”间的空间距离很大，回路阻抗很大[13]。

因此，接地故障电流主要经过电缆铠装层、屏蔽层、接地扁钢流回变电所，只有少量电流通过接地网回流，流经车站接地网的电流IE远小于单相接地故障电流的1/5，即IE≤1 000×0.2=200 A。引起车站地电位升高，其值为IE×R。

图8　地铁综合接地示意图

地铁车站的建筑主体位于地下，钢筋混凝土结构自然形成一个埋在地下的巨大等电位“法拉第笼”,并且地铁车站内部设置了总等电位联结，所有设备外露可导电部分、外界可导电部分都与接地母排联结;因此，35 kV侧发生接地故障时，整个车站对地电位都上升到同一电位值，对于处于地铁车站内的人来说，电位差基本为0，无电击危险；对地铁地面机电设施配电采用局部TT接地型式时，车站内的故障电压无传递路径至地面，地面机电设施的外露可导电部分对地电位为0，无电击危险。同理，0.4 kV侧配电系统中发生单相接地故障时，不会出现大电位差，也不会引起人身电击事故。

综上所述，从保护接地方面考虑，地铁车站接地网的接地电阻值不必要求小于1 Ω。

3.3人工接地网的设置

目前，国内地铁工程普遍设置人工接地网，人工接地网敷设在车站结构底板垫层下0.8 m处，人工接地网由水平接地极和垂直接地极组成： 水平接地极采用50×5或40×4的紫铜排，垂直接地极采用φ50×4的紫铜管。

人工接地网的接地电阻值和规模与结构底板下水平接地体所处地层的土壤电阻率相关[14]。对于高土壤电阻率，车站人工接地网规模往往很大，并且还要采取施加物理降阻剂和换土措施，造价高，耗费了大量的人力和物力。例如： 深圳市城市轨道交通11号线工程南山站，水平接地体所处地层的土壤电阻率平均为292 Ω·m，为满足接地电阻R≤0.5 Ω的要求，本车站综合接地网面积为5 846 m2，并采取降阻剂和换土的措施。

依据GB 50157—2013《地铁设计规范》[15]第15.7.12条，变电所应利用车站结构钢筋或变电所结构基础钢筋等自然接地极作为接地装置。黄德胜[2]曾在北京地铁1号线和环线做过接地实验和现场测试，得出地下结构钢筋的接地电阻均在0.5 Ω以下，而且很稳定。

根据前文的分析结果： 对于地铁车站，功能性接地、保护接地对车站接地网的接地电阻值均不必要求小于1 Ω; 因此，没有必要设置人工接地网。

前面所述的接地电阻值都是相对于大地而言的。对于地铁工程，把结构钢筋网自然形成的等电位“法拉第笼”作为“参考地”，以钢筋网的电位作为“参考电位”，这样更科学合理。

综上所述，把结构钢筋网作为自然接地极，就可以满足功能及保护接地方面的要求，不需要另外设置人工接地网，应把此“法拉第笼”作为“参考地”。

4结论与建议

本文通过分析和计算，得出以下地铁车站35/0.4 kV变电所接地设计方面的结论。

1)0.4 kV配电系统应采用EMC环境友好的TN-S接地型式；对于地面设备配电，可采用局部TT接地型式，避免故障电压传递至地面低压电气装置的外露可导电部分。

2)变电所0.4 kV侧中性点应采用“一点接地”方式。

3)地铁车站接地网的接地电阻值不必要求小于1 Ω。

4)应利用地下结构钢筋网作为自然接地极，不需要另外设置人工接地网。

将上述结论应用在地铁车站电气设计中，可以提高0.4 kV配电系统的电磁兼容性，减少电击事故，节约工程造价和缩短建设工期。建议在新建工程中研究落实利用结构钢筋网作为接地极形成全线综合接地系统的具体实施方案。

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Study on Grounding Design of 35/0.4 kV Substation in Metro Station

LI Hongxing, GAO Ting

(ChinaRailwayTunnelSurvey&DesignInstituteCo.,Ltd.,Tianjin300133,China)

Abstract:The technical level of grounding design of step-down substation of Metro station in China has to be improved so as to accord with the IEC standards and China-National standards. In this paper, the disadvantages of multipoint grounding and the advantages of one-point grounding are analyzed based on studying the grounding scheme of neutral point in low voltage side of step-down substation of Metro station; and then a rational grounding scheme is proposed. The power frequency overvoltage and fault voltage of 0.4 kV system induced by grounding fault of 35 kV system and the resistance of weak current system are analyzed. It is concluded that the demand of grounding power resistance value of less than 1 Ω is irrational;the structural reinforcing bars should be used as natural grounding electrode; therefore the manual grounding network is not necessary.

Keywords:Metro station; multipoint grounding; one-point grounding; grounding resistance; equipotential bonding

中图分类号：U 453.7

文献标志码：A

文章编号：1672-741X(2016)02-0206-06

DOI:10.3973/j.issn.1672-741X.2016.02.013

作者简介：第一 厉红星(1981—)，男，河南开封人，2006年毕业于辽宁工程技术大学，电气工程及其自动化专业，本科，工程师，现从事供配电专业工程设计工作。E-mail: hongxing.li@163.com。

收稿日期：2015-10-26; 修回日期: 2015-11-26