地铁400 V低压系统断路器极数选择及接地优化研究

姜筱靥

0 引言

400 V低压配电系统作为地铁机电设备系统的电能来源，其接地系统的安全可靠性与乘客出行安全和机电设备的正常运转密切相关。为避免用电设备外露导电体在正常运行时产生接触电压，对于400 V电源侧设备（如配电变压器和400 V开关柜）的安全接地，应予以格外重视。

针对400 V低压配电系统的设计方案和技术细则要求，地铁和民用建筑行业存在诸多不同之处，而且很多工程中配电变压器和400 V开关柜分属于不同设计和施工单位，通过工程调研了解到，不同城市以及不同项目之间，由于从业人员对TN-S接地系统的理解不够深刻，导致400 V开关柜断路器的极数配置及电源侧设备的接地型式不尽相同，如存在不合理之处，将对地铁的运营造成极大安全隐患。因此，通过制定合理的设计方案以防止用电设备外露可导电体出现威胁人身安全的可持续接触电压尤为重要，本文就此展开分析并给出建议。

1 低压系统接地型式

国家标准GB 50065—2011参照国际电工委员会标准IEC 60364规定了低压系统接地的型式，分 为TN、TT和IT等3种，其中TN系统又分为TN-C、TN-S、TN-C-S系统[1]。5种接地型式所适用的场合见表1。

表1 TN、TT、IT接地系统适用场合

从产品配套和设计规范等考虑，我国早期建设的北京地铁1号线和环线工程其低压配电系统和地面建筑物一致，采用三相四线制接零系统[3]。随着技术发展和工程不断摸索验证，从上海地铁1号线开始，已尝试将三相五线制（TN-S）接地系统应用于城轨的低压供电系统中，后续逐渐在北京地铁复八线、广州地铁1号线等工程[3]应用，近年来国内建设的地铁工程低压配电系统也均采用了TN-S接地系统。

根据GB 14050—2008规定，TN系统在电源处应有一点直接接地，装置的外露可导电部分应经PE线接至接地点：TN-S系统应全部采用单独的PE线，TN-C-S系统中的一部分将N线和PE线的功能合并在一根导体中，TN-C全系统将N线和PE线的功能合并在一根导体中[4]。其中，TN-S系统原理见图1。

图1中，A、B、C为配电变压器的三相，在电源点处N线和PE线统一接地，其他位置分开。正常运行时，TN-S接地系统的三相不平衡电流仅流过N线，不平衡电流和对地电压不会在PE线上产生，电器设备的外露可导电部分与PE线连通，安全可靠；发生接地故障时，短路电流流过PE线返回电源侧中性点，PE线采用铜质材料，阻抗低至毫欧级，因此短路电流足够大，可启动断路器过电流保护动作而快速切断故障，起到保护设备和人身安全的作用。

图1 TN-S系统

2 低压系统运行方式

地铁工程中，每座降压变电所设2台35/0.4 kV或10/0.4 kV配电变压器，400 V开关柜设置母联断路器。

正常运行方式：配电变压器分列运行，母联合闸，负担供电范围内的远期一、二、三级负荷[5]。

故障情况下运行方式（N-1）：一台配电变压器退出运行，相应主进线断路器分闸，母联合闸，另一台配电变压器负担供电范围内的远期一、二级负荷[5]。

3 400 V低压系统断路器极数的选择

3.1 400 V开关柜的进线和母联开关

3.1.1 进线和母联均采用3P断路器

正常运行时，当进线和母联均采用3P断路器，其实际接线型式见图2。

图2 进线和母联均采用3P断路器（正常运行方式）

图2中，N线和PE线在配电变压器中性点处通过电缆接至接地母排，接地电缆阻抗分别等效为R4和R5；N线阻抗分别等效为R1和R2；PE线阻抗等效为R3。等效简化电路如图3所示。

图3 等效电路

如图2接线所示，由于N线和PE线两点接地，首先导致不平衡电流I（图中实心箭头）通过R1流至1#配电变中性点，其次通过R2、R3、R4、R5返至1#配电变中性点，各回路分配的电流大小与阻抗值有关；电流I流经2#配电变的N线和PE线时会产生电磁干扰，存在较大安全隐患。

对于故障情况下的运行方式，原理分析同上。

因此，进线和母联均采用3P断路器时，正常运行方式和故障运行方式下不平衡电流均无法按指定的路径流动。

3.1.2 进线采用3P断路器，母联采用4P断路器

正常运行时，PE线不会有不平衡电流流过。

故障情况下（N-1运行方式），当2#配电变故障退出时，2#进线断路器分闸，母联断路器合闸，其实际接线型式见图4。

图4 进线3P，母联4P断路器（N-1运行方式）

经分析，PE线仍会有不平衡电流流过。当1#配电变故障退出时，分析同理。

因此，进线采用3P断路器、母联采用4P断路器时，正常运行方式下无影响，故障运行方式下不平衡电流无法按指定的路径流动。

3.1.3 进线采用4P断路器，母联采用3P断路器

正常运行时，其实际接线型式见图5，PE线会存在不平衡电流。

图5 进线4P，母联3P断路器（正常运行方式）

故障情况下，PE线不会有不平衡电流流过。

因此，进线采用4P断路器、母联采用3P断路器时，正常运行方式下不平衡电流无法按指定的路径流动，故障运行方式下无影响。

3.1.4 进线采用4P断路器，母联采用4P断路器

为解决上述3种情况遇到的问题，需将进线和母联均调整为4P断路器。

正常运行时，其实际接线型式见图6。在母联断路器处，N线为断开状态，按图中箭头唯一指向流入1#配电变中性点的不平衡电流是正确合理的，对人身安全不产生威胁。

图6 进线和母联均采用4P断路器（正常运行方式）

故障情况下，当2#配电变故障退出时，2#进线断路器分闸，母联断路器合闸，其实际接线型式见图7。在2#进线断路器处，N线为断开状态，按图中箭头唯一指向流入1#配电变中性点的不平衡电流是正确合理的，对人身安全不产生威胁。当1#配电变故障退出时，分析同理。

图7 进线和母联均采用4P断路器（N-1运行方式）

3.2 400 V开关柜的三级负荷总开关

相对于下级配电系统而言，三级负荷总开关为单电源供电。根据系统特点，仅考虑正常运行方式，按每段的零线路径依次向配电变中性点流回不平衡电流，PE线不会出现电流。

因此，三级负荷总开关建议采用3P断路器。

3.3 400 V开关柜的下级ATS开关

若400 V开关柜下级ATS开关选用3P断路器，正常运行时，母联断路器分闸，PE线不会有不平衡电流流过。故障情况下，当2#配电变故障退出时，2#进线断路器分闸，母联断路器合闸，其实际接线型式见图8。该工况下，两回电源主进线的零线均会出现不平衡电流，也会在电源侧和下级ATS的零线之间出现环流，最终流回1#配电变中性点，电流未按理论分析的指定路线流动。

图8 下级ATS采用3P断路器（N-1运行方式）

因此，400 V开关柜下级ATS开关采用4P断路器可解决上述问题。

3.4 小结

经上文分析知，在400 V低压系统中选用3P断路器时存在诸多弊端，若400 V开关柜全部采用4P断路器，一是4P断路器较3P断路器价格高，将大幅增加工程投资；二是采用4P断路器后N线存在断点，若触头接触不良，易出现“断零”，使单相设备承受高于正常相电压的电压值，严重时可能导致用电设备烧毁。因此，N线上应尽量少设置开关，建议根据系统需要合理配置4P断路器。

4 400 V低压系统接地方式优化

发生单相接地短路故障时，短路电流直接通过PE线流到电源中性点，该工况下短路电流值最大，可启动断路器跳闸；不宜使短路电流通过其他导体返回中性点，这样会使回路电阻增大，短路电流减小，断路器可能不启动跳闸。

4.1 既有接地方式存在的问题

在实际地铁工程建设中，发现下述3种接地方式不尽合理，存在安全隐患。

4.1.1 400 V开关柜PE线通过接地支线接地

如图9所示，配电变N线通过接地电缆接至接地母排，400 V开关柜内的PE线通过接地支线接至接地干线，接地干线再连接至接地母排。

图9 PE线通过接地支线接地

用电设备发生单相接地短路故障时，短路电流路径：PE线→接地支线→接地干线→接地母排→1#配电变压器中性点。由于接地支干线多采用50×5镀锌扁钢，电阻较大，导致短路电流减小，低压断路器无法启动跳闸，故该接地方式不合理。

4.1.2 400 V开关柜PE线通过电缆接地

如图10所示，配电变N线及400 V开关柜内的PE线均通过接地电缆接至接地母排。

图10 PE线通过电缆接地

用电设备发生单相接地短路故障时，短路电流路径：PE线→接地电缆→接地母排→接地电缆→1#配电变压器中性点。虽然电缆的阻抗较小，可使低压断路器跳闸，但短路电流流经两段电缆返回中性点，该接地方式不合理。

4.1.3 400 V开关柜两段母线的PE线未连通

400 V开关柜分两排布置，两段低压母线之间通过密集型母线槽连接，但PE线未连通。

正常运行方式下，短路电流通过PE线直接流回电源中性点，可启动断路器跳闸。

故障情况下，当2#配电变故障退出时，2#进线断路器分闸，母联断路器合闸，其实际接线型式见图11。

图11 两段母线PE线未连通

PE线在低压母线之间未连通，发生单相接地短路故障时，用电设备故障产生的短路电流路径：PE线→接地电缆→接地母排→接地电缆→2#配电变压器中性点。该情况下短路电流未按指定路径流回配电变中性点，当1#配电变故障退出时，同理。因此，该接地方式不合理。

4.2 优化后的接地方式

经分析，上述3种接地方式均有存在不合理的情形。根据GB 14050—2008 第5.1.1条款规定[4]并结合理论分析，对接地方式进行优化。

4.2.1 带电部分接地

带电部分接地如图12所示。

图12 带电部分接地（推荐）

（1）400 V开关柜内PE线与配电变中性点连接。将400 V开关柜内的PE线引入配电变压器外壳内后，使配电变N线处引出铜排与PE线连接，再将配电变N线通过接地电缆连接至接地母排。

（2）400 V开关柜内两段母线之间PE线连通。可通过密集型母线槽实现PE线连通。

（3）工程实例。问题描述：由于配电变压器和400 V开关柜分属不同供货商及不同设计、施工、管理方负责，接口未考虑400 V开关柜PE线和配电变中性点的连接方式；经检查同时发现，配电变N线引出方式也有误，不符合TN-S接地系统接线要求。

整改方案：由于低压开关柜PE线在柜体底部，因此对配电变提出要求，即N线引出铜排至底部再与PE线连接，如图13所示。

图13 低压配电接地整改实例

4.2.2 外露可导电部分接地

外露可导电部分接地如图14所示。

图14 外露可导电部分接地（推荐）

对于外露可导电体的接地，具体方法如下：配电变压器外壳、配电变压器基础预埋件、400 V开关柜基础预埋件通过接地支线接至接地干线；400 V开关柜外壳与PE线连接，将PE线通过接地支线接至接地干线。

5 结语

本文对地铁变电所TN-S接地系统中三相不平衡电流和单相短路电流在不同运行方式下的流向进行分析，从安全性角度考虑，建议措施如下：

（1）400 V开关柜主进线、母联、下级ATS开关应采用4P型断路器，其他开关宜采用3P型断路器。

（2）配电变压器应将N线引出分支排至外壳底部，并预留与400 V开关柜PE线连接的条件。

对于上述建议，重点在于专业间配合，方案实施简单，具有工程可行性，提高了继电保护灵敏度和接地安全可靠性，为地铁变电所TN-S接地系统的建设提供参考。