对通信局楼TN-S系统若干问题的思考

乔迎超

（中国移动通信集团设计院有限公司湖北分公司，湖北 武汉 430000）

0 引 言

现行国家标准要求通信局楼及数据中心均应采用TN-S系统，该系统最大的特点在于“S”，表示低压系统中性导体与保护接地导体（Protective Earthing conductor，PE）是分开的[1]。虽然定义比较清晰明确，但是对于系统中一些看似简单的实施方式并未做出详细说明，如电源中性点接地做法、整个供电回路中PE导体的选型及敷设要求等[2]。目前在工程设计中对于上述细节通常仅用文字或简单系统图示进行要求，缺少对施工的有效指导。针对以上两个问题进行分析探讨，试图寻找更加符合通信局楼的做法。

1 变压器接地

1.1 常见方法

现网通信局楼内变压器接地常见方法有3种，具体如下。

TN-S系统一如图1所示。变压器中性点接线柱并联两根导体，其中一根导体a-b引至变压器本体接地端子，另外一根引至低压进线柜N母排或4P开关的N级上端接线柱。变压器接地端子处再引一根导体b-c至电力室总等电位端子箱，低压柜PE母排引一根或多根导体d-e1至电力室环形接地线。

图1 TN-S系统一

TN-S系统二如图2所示。变压器中性点接线柱并联两根导体，其中一根导体a-d引至总等电位端子箱，另外一根导体引至低压进线柜N母排或4P开关的N级上端接线柱。低压柜PE母排引一根导体e-d至总等电位端子箱，同时可以引一根多根导体e-f至电力室环形接地线。此外，变压器外壳引一根导体b-c至环形接地线。

图2 TN-S系统二

TN-S系统三如图3所示。变压器中性点接线柱并联3根导体，其中一根导体a-d引至电力室总等电位端子箱，另外一根导体引至低压进线柜N母排或4P开关的N级上端接线柱，3根引至低压进线柜PE母排。变压器外壳引一根导体b-c至环形接地线，低压柜PE母排引一根或多根导体f-g至环形接地线。

图3 TN-S系统三

1.2 存在的问题

变压器工作接地和保护接地需要在保证电源系统安全可靠运行的前提下，兼顾经济、施工、维护等方面的问题。

TN-S系统一变压器的工作接地及保护接地合用导体b-c，因此导体a-b-c全程截面积应相同且满足变压器中性点接地导体最小截面积要求。考虑到接地故障电流回流路径，实际做法中低压柜PE母排接地点如果选择e1点，则故障电流会经过e1与e2之间的接地导体，该部分通常为40 mm×4 mm扁钢，需要对其进行相应的计算。因此，建议选择e2点作为低压柜PE母排接地点，同时将导体d-e2截面积与导体a-b-c保持相同。此外，需要额外关注变压器的接地端子b点，不能是简单的外壳铁皮等部件，需要有足够的电流承载能力。TN-S系统二规避了TN-S系统一的部分缺点，但是接地故障电流回流路径仍然需要经过总等电位联结（Main Equipotential Bonding，MEB），且导体a-d与导体d-e需要满足变压器中性点接地导体最小截面积要求。TN-S系统三属于比较理想化的TN-S系统接地方式，即变压器中性点接地后分出N和PE，此时中性点接地导体a-d、低压柜保护接地导体f-g一般情况下不需要承载接地故障电流，因此其截面积相对前面两种方法要小很多，可以考虑40 mm×4 mm扁钢或25 mm2电缆。但是在变压器中性点接线柱处并联3根导体的方法，一方面不太经济，另一方面其物理连接可靠性有待提升[3]。

TN-S系统一与TN-S系统三中，当变压器本体发生接地故障时，外壳保护接地线的设置与导体截面积也需要进行相应计算。TN-S系统一与TN-S系统二中，变压器中性点以及低压柜PE母排接至MEB的导体对于截面积要求较高，不太经济。此外，这3种方法在应对多台变压器时，都会面临电力室范围内局部产生杂散电流、接地故障保护测量误差等问题[4]。

1.3 建议做法

结合上述分析可以发现，变压器中性点接地线需要承载接地故障电流，其导体截面积及连接可靠性非常重要，综合考虑后建议第4种方法，如图4所示。

图4 TN-S系统四

TN-S系统四中，变压器中性点在变压器本体内不直接接地，变压器中性点输出PEN线a-e接至低压进线柜N排，用铜排d-e连接低压柜N排与PE排，PE排再通过导体e-f接至MEB，以此实现变压器中性点接地。此做法有以下优点：一是变压器的中性线接地导体采用铜排硬连接，导体长度短、更加经济且可靠性大于电缆接线端子或扁钢连接，同时不存在铜铁之间的金属化学反应；二是变压器的外壳接地导体b-c、低压柜PE排接地导体e-f不承载接地故障电流，其截面积可以按40 m×4 m扁钢或25 mm2电缆考虑；三是系统接地故障电流不经过MEB或环形接地线，更加合理、安全，便于接地故障电流的检测。

考虑变压器本体内部发生接地故障，需要将变压器外壳接地导体b-c调整为直接与导体a-d-e或低压柜PE排连接，同时在导体d-e上设置相应的检测装置。从实际工程应用情况来看，这种情况发生的概率比较低，是否需要进行这种调整需根据项目实际情况来决定。从保护的角度出发，变压器的PEN线应当优先接在低压柜的PE排上，PE排与N排短接，即PEN线进入低压柜的接触位置为PE排。对于整个系统而言，考虑导体d-e断开后的影响，应当优先保正PE线的连通，然后才是N线。通常低压柜PE排在低压柜下部且截面积小于N排，因此工程实际应用中，当低压柜为母线上进线时，考虑到铜排硬连接的可靠性非常高，其意外断开的可能性极小，PEN线可以先接入柜顶N排，再通过铜排连接N排与PE排。当低压柜为母线侧进线时或下进线时，PEN线可先接入PE排，再通过铜排连接N排与PE排[5]。

2 PE导体形式及敷设

2.1 PE导体形式

相对于民用建筑行业，通信行业在机房中设置较多接地排且比较强调机房内的等电位，通常将配电设备的接地线就近接入机房地排，上级电源仅引入相线和N线，如图5所示。

图5 TN-S系统PE线形式一

系统采用独立的PE线，设备接地故障电流需要经过机房地排（局部等电位装置）、建筑钢筋、电力室MEB、变压器中性点接地导体，最后回到电源。这种情况下需要进行相应计算，核算保护接地导体热稳定以及回路保护装置的设定值、动作时间等。实际上，这种形式中电力室MEB与机房地排之间是依托建筑物钢筋等联合接地装置连接，难以确定导体的热稳定及保护装置的设置是否满足需求。

为了解决上述问题，建议通信局楼TN-S系统中PE导体形式按照图6设置。

图6 TN-S系统PE线形式二

整个供电回路中PE导体采用与相线相同材质的导体全程敷设，同时可在机房内额外设置等电缆连接导体e-f，此时设备接地故障电流通过由电源处引来的PE导体返回，而接至机房地排的导体e-f仅起到等电位作用，可以按25 mm2电缆设置。

2.2 PE导体敷设

TN-S系统中PE导体建议全程由电源处引来，但实际应用中其敷设时仍然存在多种方式，对其中典型的两种方式进行分析。方式一是PE导体全程与相线在一起，例如采用五芯电缆或采用单芯电缆时5根线成一束捆扎。方式二是PE导体全程与相线分开独立敷设，例如在竖井内设置通长铜排作为垂直接地干线，汇集接入每一层的设备接地线。

TN-S系统中常用过电流保护装置（断路器）兼作接地故障保护装置，需要尽可能降低回路阻抗。在线路截面积相同的情况下，回路阻抗取决于回路感抗，而回路感抗与回路电感成正比。回路电感为

式中：L为回路电感，H；μ为空间磁导率，H/m；D为通过往返电流的电导体间的距离，m；l为回路长度；R为回路导体半径，m。PE线与相线的间距越大，线路感抗越大，回路电流越小，从而影响断路器的动作灵敏度。基于此，TN-S系统中PE导体应紧靠相线敷设，采用方式一更加合理。

3 结 论

按照规范要求，数据中心及通信局楼应采用TN-S系统，由于配电系统涉及环节繁多，每一个环节都会影响整个系统的安全性和可靠性，因此需要谨慎对待。变压器的工作接地可以在主进线柜内实施，采用铜排硬连接的方式连通N排与PE排，再与接地系统连接。配电回路中PE导体与相导体全程紧靠敷设，在确保电流保护装置正确动作的同时，可以让接地故障电流不扩散到其他不期望的路径中，从而提升供电安全性和可靠性。