民用建筑配电低压侧中性点接地位置探讨分析

叶 兴

[同济大学建筑设计研究院(集团)有限公司,上海 200092]

0 引 言

关于民用建筑配电低压侧中性点在何处接地,国际和国内的做法有所区别。IEC 60364-1:2005[1]中规定,民用建筑变电所中的低压侧电源接地只能实施一点接地。而根据GB 50303—2002《建筑电气工程施工标准》第5.1.2条要求:变压器中性点与环形接地干线直接连接,不过根据标准GB 50303—2015,这种接地方式和接地电阻值应综合考虑到各方面因素,且满足设计要求。从规范条文解释可看出,对多电源TN系统,在进行接地时如果选择的接地方式不合理,中性线电流就可能通过不期望的路径流通而引起火灾、腐蚀或电磁干扰。可见GB 50303—2015开始关注中性点的杂散电流所带来的危害。此外,随着标准GB 51348—2019《民用建筑电气设计标准》(以下简称新民规)的实施,对中性点的接地位置也做了相应要求。为避免杂散电流的干扰,结合IEC标准和新民规,分析民用建筑中不同情况下的电源中性点接地的方式。因单电源TN系统,N线无法形成环路,不会产生杂散电流,可选用电源中性点直接接地或“一点接地”,本文不做讨论。

1 配电系统的两种接地

对于任一电压的配电系统,对应接地可划分为两部分:电源导体的接地;用户端设备外露接地。对低压配电系统来说,前一种接地一般是指变压器绕组星形接点对应的接地,而后一种则主要是用电设备的外壳、布线相关的接地,这两种性质的接地分别称作为系统接地和保护接地[2-3]。

2 电源在同一机房内或者相邻和贴邻

2.1 采用中性点直接接地方式

根据新民规第12.4.11条,TN接地系统中,变电所内配电变压器低压侧电源中性点,可采用直接接地方式。此外条文解释对采用上述接地方式做了要求:所有的主断路器和母线联络断路器都应该选择4P开关。从条文解释可看出新民规已经开始关注中性点的杂散电流所带来的危害。本文分析采用3级开关的中性点直接接地系统杂散电流如何产生以及危害。多电源TN系统直接接地的N线电流流向如图1所示。

一般,一回路的N线电流在返回电源时对应的路径为唯一的,也就是在连接过程中一些情况下N线多点接地形成并联通路情况下,此回路内N线电流将减少,而其他并联的线路中可能出现一定大小的分流,称为杂散电流。由于变压器中性点直接接地,电气装置的N线通过变电所的N线和PE线形成环路,使得电气装置的N线电流除按正规通路返回供电变压器A外,还通过另外一台变压器B的N线及PE线返回供电变压器A。该通路中不期望路径的N线电流的分流称为杂散电流,可能引起如下电气危害:① 杂散电流可在一定电磁感应基础上形成杂散电磁场,而对一些敏感设备的运行产生不良影响;② 一些情况下会导致电火花而起火;③ 如果这种电流通过大地回流,则会形成电池,这样会对电极产生一定腐蚀作用,同时也导致钢筋等受到腐蚀,影响接地性能。

虽然能用4级断路器解决杂散电流的问题,但该措施存在几个问题:

(1)当变电所数量较多时,大量的采用四级断路器,会增加设备造价。

(2)不必要的给回路增加了 “断零”危险,从而影响设备的正常运行。并且IEC标准规定不允许这样。

(3)低压配电盘内未设置PEN线,这种条件下进行设计时,无法引出TN-C/TN-C-S系统,使系统存在局限性。

2.2 采用“一点接地”做法

随着进入信息时代后智能建筑的普及,接地不当及杂散电磁场等导致的信息系统的干扰引起电气工作者和设计人员的重视。文献[4-6]中分析了按IEC 60364-1:2005实施多电源系统一点接地的重要性和必要性。为此,新民规把“一点接地”的方式也纳入了规范,结合标准IEC 60364-1:2005和标准IEC 60364-4-44:2007的规定,当变电所接地方式采用“一点接地”的接地方式时,电源中性点引出的PEN线只能在低压配电柜或总配电屏处与PE线一点接地,在同一建筑物内不得在其他处接地。

IEC多电源一点接地系统设置方案如图2所示。

图2 IEC多电源一点接地系统设置方案

图2中,用①～④标记出了系统接地的要求。① 不应把变压器或发电机中性点直接对地连接,即不允许电源中性点直接接地。② 两电源中性点对应的导线应该满足一定绝缘性要求,其功能和PEN很类似,但不可从其回路连接相应设备。③ 只能在此处将此连接线和PE相连接而实现系统接地,此连接点可在多台变压器的变电所低压配电盘内,也可在电气装置电源进线的总配电箱内。④ PE线进行接地时,可重复接地。

依据图2分析,电气设备处N线电流通过单一途径回到电源A端,不会产生杂散电流。需要说明的是,变压器中性线引出线在建筑物电气装置中并非中性线而是PEN线。整个低压配电系统内的正常对地泄漏电流和发生接地故障时的对地故障电流都需通过PEN线返回电源端,由于该导体兼具中性线及PE线功能。所以建筑电气中规定严禁断开的是PEN线,而不是N线,因此变压器的出线开关和母线上的联络开关不得装设4级开关[7-8]。

通过中性点直接接地,或基于IEC 60364-1:2005标准在低压配电盘或总配电屏做一点接地,系统内的任何电气装置、导线对地都会产生泄漏电流,此部分杂散电流较小,不足以引起危害,可以忽略不计。

通过上述分析,对于电源在同一机房内或者相邻和贴邻的系统,为防止杂散电流和电磁干扰,应优先选用“一点接地”。

3 电源距离较远的情况

民用建筑电气中,各类建筑种类繁多,由于面积和功能的关系,不同电源设置的机房可能距离较远。如会展建筑,电源变电所可能设置两端,同时往中间供电;另外对大型商业综合体、超高层、剧院、体育场往往需要设置柴油发电机,而柴油发电机机房也有可能离变电所较远。需要说明的是,相距较远的多电源联结系统联络线往往过长,阻抗过大。如果系统仅在一处机房设置接地,会使长的联络线过大的阻抗无法满足保护电器设备短路灵敏度的要求。因此,对于相距较远的多电源联结系统应各自设置接地系统。

3.1 相距较远的2台联结变压器

3.1.1 采用中性点直接接地方式

相距较远的2台联结变压器采用的中性点直接接地方式如图3所示。

图3 相距较远的2台联结变压器采用的中性点直接接地方式

图3是目前距离较远且互相联结的2台变压器的常用接地方式,在各自的机房内电源中性点直接接地。由图3分析,电气装置由A路市电变压器供电,可见N线电流正常流动方向,相应的联结和主断路器在设计时选择4级ATSE,从而并未形成杂散电流的通路,消除了杂散电流,使得电磁环境良好。

3.1.2 在各电源处采用“一点接地”的方式

通过分析,在进行防杂散电流时,为满足经济性和简易性相关要求,而选择“一点接地”方式。但是对于相距较远的2台联结变压器,不同的电源处都选择这种接地方式,会产生杂散电流。

相距较远的2台联结变压器在各电源处采用的“一点接地”方式如图4所示,可见N线电流流向。

图4 相距较远的2台联结变压器在各电源处采用的“一点接地”方式

由图4分析,电气装置由A路市电变压器供电,可见N线电流流动方向。由于采用3级联结断路器,电气装置的N线通过变电所的N线和PE线形成环路,使得电气装置的N线电流除按正规通路返回供电变压器A外,还通过另外一台变压器B的PEN线及PE线返回供电变压器A,使得回路中产生了不期望路径的N线电流的分流,从而引起杂散电流。

有人认为可以采用4级联结断路器就可以避免杂散电流的产生。其实当接地方式采用“一点接地”时,电源中性点引出的是PEN线,PEN线是严禁断开的,因此不允许采用4级的联结断路器。

3.2 变电所和柴油发电机房相距较远的情况

变电所和柴油发电机房相距较远,采用中性点直接接地时由市电电源、发电机电源供电的N线电流方向分别如图5、图6所示;采用“一点接地”时由市电电源、发电机电源供电的N线电流流向分别如图7、图8所示。

图5 采用中性点直接接地时由市电电源供电的N线电流流向

图6 采用中性点直接接地时由发电机电源供电的N线电流流向

图7 采用“一点接地”时由市电电源供电的N线电流流向

图8 采用“一点接地”时由发电机电源供电的N线电流流向

由图5～图8可知,不管采用中性点直接接地还是“一点接地”,市电或者柴油发电机供电的情况,市电与应急电源切换需要采用4级的ATSE,阻断了不期望路径的N线电流分流,避免了杂散电流的产生。

由分析可知,因切换的ATSE存在,杂散电流的闭合环路不会产生,变电所和柴油发电机房两种接地方式均可以选择。此外,新民规中第12.4.11条第7款要求:低压柴油发电机中性点的接地方式应与变电所内配电变压器低压侧中性点接地方式一致,目前分析来看,两处的接地方式相同或不同均不影响供配电系统正常运行,且EMC情况良好。

4 按照IEC 60364-1:2005标准作系统接地的是TN-C-S还是TN-S系统

针对多电源TN系统按照IEC 60364-1:2005标准作系统接地是TN-C-S还是TN-S系统,很多人认为该系统从电源三相套管引出端已是PEN线,设置在低压配电盘上方的柜顶母线也为PEN线,因此该系统从严格上不能算做TN-S系统,并且不能引出TN-S系统和TT系统。

其实不存在纯粹的或100%的TN-S或TT系统。因为至少在变压器内部三相绕组星形连接中性点引至出线套管的一段线上既通过中性线工作电流,也通过所供电气装置的对地正常泄漏电流和故障电流,这段线不可避免地已是PEN线。所以任何TN或TT接地系统的电源端必然要出现PEN线。业内专家王厚余老先生曾询问过IEC各位代表,他们一致认为变电所这段PEN线很短,其阻抗和压降可以忽略不计,因此可将变电所看成一个“电源点”,而不计这段PEN线的存在。这样各类接地的区分不是从变压器内绕组端点开始,而是从低压配电盘出线开始。如此处理后,从变电所就可引出除中性点不接地的IT系统外的TT系统和各类TN系统,而不局限于某一接地系统,从而适应现场各种不同需要。按IEC规定作系统接地，可引出除IT系统外的各种接地系统如图9所示。

图9 按IEC规定作系统接地，可引出除IT系统外的各种接地系统

5 结 语

民用建筑配电低压侧中性点接地位置需根据配电系统电源的位置、低压出线的接地制式要求以及系统是否会产生杂散电流来进行选择。通过分析,得出结论:同一变电所内的多电源系统,为有效地避免杂散电流引发的干扰,应该选择简单有效的“一点接地”方式;相距较远的2台联结变压器,应采用中性点直接接地方式,酌情选用4级联络开关防止杂散电流和电磁干扰;变电所和柴油发电机房相距较远的情况,因切换的ATSE存在,变电所和柴油发电机房两种接地方式均可以选择;需要引出TT和TN-C-S接地制式,应采用中性点“一点接地”方式。

此外选用“一点接地”措施,还应注意以下问题:机房内的一圈“接地干线”应具有足够的截面,以满足变电所内发生接地故障时热稳定的要求;电源出线的总开关和联络开关应选用三级断路器;电源中性点引出的PEN线在进行接地时只可以在总配电屏处与PE线一点接地,且柜内PEN线应对地绝缘;需要对PEN线与PE线进行明确区分,后者可多次重复接地,可以大大地降低回路阻抗。