高铁牵引变电所交流自用电系统接地方式及0.4 kV开关柜断路器极数选择

曾 伟

(中铁第四勘察设计院集团有限公司, 湖北 武汉 430063)

0 引 言

高铁牵引变电所交流自用电系统高压侧接引两路10 kV进线,一路电源由10 kV电力一级负荷贯通线引至10/0.4 kV自用变压器(Dyn11),另一路电源由10 kV电力综合负荷贯通线接引至10/0.4 kV自用变压器(Dyn11),两路10 kV电源互为备用。交流自用电低压侧0.4 kV母线采用单母线分段,低压母联开关正常合闸运行。牵引变电所交流自用电0.4 kV侧系统接地型式采用TN-S系统。

交流自用电系统是保证变电站安全可靠运行的重要环节,为所亭内通信设备、控制室、动力照明等设备提供电源。目前行业设计人员对电击防护较为重视,中国铁路正在统筹推进智能牵引供电、智能调度、智能安全保障等系统研发和建设。在智能铁路工程项目建设中,智能牵引变电所为智能供电系统核心设施,智能牵引变电所主要技术是基于网络化的广域测控保护及辅助监控系统,牵引变电所增加了更多的弱电设备,这样对杂散电流引起的电磁干扰就不能忽视了。当选择变电所自用电配电系统接地方式时,不仅要满足设备和安全运营的要求,也要满足电磁兼容(EMC)、电磁干扰(EMI)可能干扰或损坏信息技术系统、信息技术设备及有电子器件或电路的设备[1-2]。这是牵引变电所交流自用电低压配电系统需要解决的问题。

1 多电源采用TN-S接地系统存在EMC问题

因为单电源TN-S系统从变压器0.4 kV侧中性点开始配出N线和PE线,正常供电时,电流在相线与中性线(N线)之间流动,PE线无电流,所以不会产生杂散电流;当配电系统出现接地故障或绝缘损伤时,PE线才会出现故障电流。但多电源和单电源配电系统的本质区别是,TN-S系统内存在EMC的问题,当采用2个变压器并联组成TN-S系统,且2台变压器共用接地网,相当于系统中任意1个设备外壳同时与2个电源的中性点实现了互联,则PE线和N线构成环路,芯线周围产生环形电磁场干扰电子设备(如电脑屏幕闪烁、降低数据速率及数据丢失等)。TN系统EMC结构如图1所示,从EMC角度来看,需要进行特殊处理。

图1 TN系统EMC结构

GB/T 16895.10—2021《低压电气装置 第4-44部分:安全防护 电压骚扰和电磁骚扰防护》中第444.4.6.1条及GB/T 50065—2011《交流电气装置的接地设计规范》中第7.1.2-2条指出:对于具有多电源的TN系统,应避免工作电流流过不期望的路径。(1) 不应在变压器的中性点或发电机的星形点直接对地连接;(2) 电源中性点间相互连接的导体与PE之间,应只有一点连接,并应设置在总配电屏内[3]。国标和IEC标准给出多电源TN系统的接地方式,可以解决多电源产生电磁兼容(EMC)的影响。需要注意的是,从变压器中性点引出的是PEN母线,即N和PE合并的状态,与3条相母线并列设置,必须对地绝缘,并在1个低压主配电柜中实施(集中)一点接地,即用连接板连接PEN与PE母排,再通过系统主接地端子与接地极连接。无论下级采用何种的开关配置,都不会产生环流路径,该方案适用于多电源并联供电及单母线分段供电。

2 低压开关柜内0.4 kV开关极数的选择

2.1 进线、母联开关极数选择

建设单位与运营单位对人员安全非常重视,应防止检修触电事故发生。当停电检修其中一段母线时,采用三极开关切除3根相线,检修时还是会发生电击伤人的情况。有观点认为:进线开关采用四极开关,切除所有带电回路,防止多电源中性线(N线)不平衡电流电击伤人,以保障检修人员的安全。TN-S系统(进线及母联开关选用四极)如图2所示,能把多电源拆分成各自独立的电源系统,适用于单母线分段,但不适用多电源并联供电情况。

图2 TN-S系统(进线及母联开关选用四极)

实际检修工作中,往往不可能检修某个故障回路,将变压器退出运行,这样就可能出现《建筑电气装置600问》书中16.2节讲到的情况(如果进线开关断零),负载侧的中性点O点漂移到O′点,中性线对地电压高达190 V,在无等电位联结作用的TN系统中,此电压不会烧损设备,但可引起电击事故。进线和母联如果采用三极开关,把两段母线N排贯通,并在1个低压主配电柜中实施(集中)一点接地,反而可以钳制N排电位,更有利于检修的安全。TN-S系统(进线及母联开关选用三极)如图3所示。

图3 TN-S系统(进线及母联开关选用三极)

GB 50054—2011《低压配电设计规范》中第5.2.5条及条文说明:当电气装置或电气装置某一部分发生接地故障间接接触的保护电器不能满足自动切断电源的要求时,尚应在局部范围内将本规范第5.2.4条第1款所列可导电部分再做一次局部等电位联结;亦可将伸臂范围内能同时触及的两个可导电部分之间做辅助等电位联结[5]。局部等电位联结或辅助等电位联结的有效性,应符合下式的要求:Ia×R≤50 V;(Ia为故障回路动作电流)。目的在于使接触电压降低至安全电压限制50 V以下,保障人员安全。

2.2 双电源转换开关极数选择

正常工作时,进线、母联、双电源转换开关若采用三极开关,左边开关闭合时,电流经左边线路N线返回;同时在Na点处,将有另一股电流经右边线路N线返回,形成杂散电流;导致左边线路的相线和N线电流矢量和不等于0,将产生电磁干扰,TN-S系统(双电源转换开关选用三极)如图4所示。

图4 TN-S系统(双电源转换开关选用三极)

GB 51348—2019《民用建筑电气设计标准》中第7.5.3-2条规定:电源转换开关应采用四极开关,若图4中双电源转换开关选用四极开关时,能够有效地解决三极开关产生杂散电流,导致电磁场干扰的影响[6]。

3 结 语

通过上述几个方案的接地方式及开关极数选择的分析,牵引变电所生产房屋内设备房间均采用总等电位及辅助等电位联结设计,不断中性线可以保障人身安全,且可以防止断零烧损设备的情况,应改变采用四极开关保障检修安全的观点。

因牵引变电所交流自用电系统在运行中,TN系统多电源产生杂散电流引起电磁干扰及人员安全问题,推荐牵引变电所0.4 kV开关柜进线和母联开关采用三极开关,需要注意从变压器中性点引出的是PEN母线,即N和PE合并的状态,与三条相母线并列设置,必须对地绝缘,并在1个低压主配电柜中实施(集中)一点接地,即用连接板连接PEN与PE母排,再通过系统主接地端子与接地极连接。双电源转换开关应选用四极开关。