TN接地系统在化工工程中应用及故障保护的研究

李学栋

（天津渤化工程有限公司，天津300193）

现代化迅速发展的今天，我国由“化工大国”向“化工强国”逐步发展，电能已成为必不可缺的重要能源。众所周知，化工项目中大部分为甲、乙、丙类生产环境，较多变配电站、车间配电站及部分相关公用工程辅助设施，如循环水站、IT 机房、民用办公楼等。在用电中的问题，也对化工企业发展造成了影响，甚至威胁到安全。低压配电系统接地，一个看似简单实则很有难度的工程，它不仅影响配电系统稳定、用电设备运行，更关系到用电安全。

低压配电系统的接地形式分为IT、TT、TN 系统，其中 TN 系统又包含 TN-C、TN-S、TN-C-S 系统。面对具体问题时，选择适合具体情况的低压配电系统，则整个系统的可靠性就能得到一定的保证。但在实际应用中，还是存在选择接地形式原则不明的现象出现，这埋下了很多事故隐患。本文仅对TN 系统几种分支的特点进行简要分析；对其适用化工项目各种生产环境进行简要介绍，分析TN 系统接地故障保护的原理及关键点。

1 TN接地系统

具体来说，TN 系统中性点直接接地，电气设备外露可导电部分通过保护导体与该点连接，我们又把此系统称为保护接零。中性线和保护线有不同的整合方式，按照这种方式，我们可以把TN接地系统分为TN-C 系统、TN-S 系统及TN-C-S系统。

在TN 系统中，发生单相接地故障时故障电流大，可使保护装置动作，切除故障。这是依靠电流作用来设计低压系统的一个重要考察因素[1]。

1.1 TN-C接地系统

原理：此系统中，中性线和保护线共用了一条线（PEN），我们不仅可以把接三相用电设备用到这种系统上，还能把单相用电设备也用上去。

在用电的过程中，若发生断相或三相不平衡，则与PEN 线连接的设备外壳上就会产生较高电压，这种高电压会造成安全隐患。若发生的是单相短路，则与PEN 线连接的设备外壳上会产生较大的故障电流，安全性较低。

应用分析：对于TN-C 系统，如在系统中存在一个单相回路，若PEN 先中断时，设备金属外壳对地有220V 的故障电压，触电危险性较大。220V电压传导路径见图1。

图1

PEN 线有中性线电流产生电压降，使所接设备外壳对地带电位。化工企业中较多为爆炸危险环境，此电位可能在此环境中打火引发火灾爆炸危险。IEC 标准规定易爆场所不允许出现PEN 线和TN-C 系统。考虑以上不安全因素，目前化工项目很少采用TN-C 系统[2]。

1.2 TN-S接地系统

原理：此系统中，中性线和保护线均为单独导体，即在电源中性点处方分开成两条导体。

TN-S 系统无论N 线还是PE 线断线，设备外壳均不会带电。系统三相不平衡时，设备外壳也不会产生高电压，安全性很高[3,4]。

应用分析：变配电室等建筑内可将35～6kV/0.4kV 变压器中性点直接接地后，低压配电系统接地采用TN-S 形式。应用此系统，PE 导体正常没有工作电流通过，也不会带电位，也不会对信息技术设备造成干扰。只有对地故障时PE 线通过故障电流，电气设备的外露导电部分对地正常下几乎没有电位，十分安全可靠，不会引起火花造成火灾爆炸危险，但会在配线回路通长多用一条导线。

特别适用于化工项目中对低压电气设备供电的配电变压器的下列场所：①特别是有爆炸、火灾危险性大的场所；②较多非线性负荷或较大单相负荷的工业厂房；③对防电击或供电连续性要求较高的民用建筑；④电磁兼容性要求较高的办公楼、计算机房等场所。

1.3 TN-C-S接地系统

原理：此系统中，中性线和保护线在低压电气装置电源进线点前共用，在建筑物进线点后分为两根，且这两条线分开之后就不可再次合一，在分开时，须对PEN 线做重复接地处理。

应用分析：对于内部未设置配电变压器的民用建筑、较多非线性负荷和较大单相负荷的工业厂房等化工项目，均适用此系统。此外由于此系统在电源进线点前为PEN 线，则当N 线与PE 线分开后，两者的电压差较TN-S 系统要小，对一些比较敏感的信息设备干扰也较小。此系统兼具TN-C 和TNS 系统的特点，既有不输于TN-S 系统的安全性、还能节约电源进线中的一根PE 线。综上所述,当建筑物低压配电采用TN 系统时宜采用TN-C-S 系统。

2 TN系统的接地故障保护

TN 系统接地故障保护的动作特性满足下面公式要求：

Zs·Ia≤U0

Zs--接地故障回路的阻抗（Ω）；

Ia--保证保护电器在规定的时间内自动切断故障回路的电流（A）；

U0--相线对地标称电压（V）。

一般来说，在TN 系统中发生的不同的接地故障中，金属性短路故障发生的可能性最大。因该种故障产生的电流较大，所以我们必须采用一定的措施来防止故障发生[5]。比如我们在化工项目中用像熔断器、低压断路器、智能马达保护器这种保护电器来防止故障发生，我们又可以把它称为接地故障保护。

相关规范规定：供移动式和手握式设备的末端线路或插座回路，其切断故障回路时间不应大于0.4S；仅供固定式用电设备的末端线路或配电线路，其切断故障回路时间不宜大于5S[6,7]。

3 采用断路器过电流保护兼作接地故障保护不能满足要求时的应对策略[8]

为了能够提高在发生故障的时候，TN 系统接地故障能够快速反应，我们可以从以下2 个角度来思考问题：

3.1 提高接地故障电流值

3.1.1 我们要把原来用的Yyn0 接线组别的变压器换成更为合适的Dyn11 接线组别变压器，这是因为相比较于Dyn11 接线而言，Yyn0 接线零序会发生的阻碍会小的很多。

3.1.2 相导体的截面太小，需要增大截面。

3.1.3 降低线路上的电流，即改变线路的结构。

3.2 降低保护电器的动作电流值

3.2.1 采用熔断器或使用的断路器有短延的作用。

3.2.2 除了谐波电流较大的线路之外，断路器用带零序电流保护的。

3.2.3 除了TN-C 系统之外，用来截断电流的设备可以用带有剩余电流保护。

3.3 实施保护性等电位联结

要想使得接地故障保护能够发生作用时，我们必须实行保护性等电位连结，其包括总等电位联结、辅助等电位联结和局部等电位联结。

假如在配电线路中，已经用了漏电保护器RCD，那么等电位联结就必须存在。因为，在TN系统中，PEN 线发生事故时中性点对地电压会升高，电流会沿PE 线导入到其他设备的保护壳上,导致安全事故的发生。此情况下,即便装设了RCD 也不能产生什么作用。如在TN-C 系统中，PEN 线穿过RCD，会因接地故障电流所产生的磁场在RCD 中相互抵消引起RCD 拒绝动作。

采用等电位联结作用是解决电压超过规定的安全值。在有高压触电危险场所的安全电压为36V，无高压触电危险场所的安全电压为24V。在有导电尘埃、高温、潮湿和金属容器内工作时，安全电压为12V。

至于在化工项目的建、构筑物内实施总等电位联结的好处，我们做了如下总结：①降低估计的接触电压；②建筑物外部无意进入的危险电压导致的风险的概率被大大减低；③有效降低了因为保护电器动作的不可靠因素而带来危险的可能性。

4 结语

综上所述，化工项目中可根据不同的场所选择不同的低压接地方式。低压配电系统的接地是影响化工企业安全生产、平稳运行的较大因素。因为接地故障保护没做好而导致的安全事故不在少数，人们对于他的重视才开始渐渐提高起来。设计过程中，尽可能各种方案配合使用、灵活应用，从而有效的阻止TN 系统接地故障的发生，提高了化工企业的安全生产。