低压柴油发电机的接地设计

武汉东研智慧设计研究院有限公司南方公司 秦江杰

电气专业引发的火灾占总数的1/3以上，而其中主要原因是电气短路，约占电气火灾总数的40%以上，数据出自《电力工程电气设计手册》（电气一次部分），导致这些电气事故的原因部分来自不合理的系统接地的设计。大型公共建筑、民用建筑往往设置了相当数量的消防设备，如排烟风机，消防水泵等，其备用电源大多源自自备低压（400V，下同）柴油发电机组。另外，一些不允许停电的二级负荷、一级负荷的电源也会引自柴油发电机组[1]。

1 目前低压柴油发电机组设计中存在的问题

图1为东莞某工业项目柴油发电房示意图，由于该项目对备用电源容量要求较大，故设置了7台1000kW柴油发电机组，其接线示意图如图2所示。由图2可知，7台发电机组分别以3台并联或2台并联方式接入电力系统，设计过程中，笔者发现既有常规的做法存在着一些问题，下文以3台发电机并联为例，对其接地做法进行探讨。

图1 东莞某项目柴油发电机房布置图

图2 东莞某项目柴油发电机系统图

为便于分析对电流的参考方向作出下列规定：相线（IL1，IL2，IL3）电流从电源侧（柴油发电机组）流向负载；零线电流（IN）从负载侧流向电源侧（柴油发电机组中性点）；地线电流从故障发生点流向电源侧（柴油发电机组中性点）。在系统正常运行状态下，低压配电系统的中性线中存在的工作电流为三相不平衡负荷电流和零序谐波电流，此电流流向中性点，不会流经接地导体，产生分流。如图3所示。

图3 正常工作时电流流向示意图

发生故障时，因为三相短路或两相短路所产生的短路故障电流并不会流过接地导体，所以只需要考虑对地短路的情形。如图4所示，当系统中发生单相接地短路故障时，故障电流经由地线流向中性点。此时，接地线截面积应当满足短路电流热稳定要求，接地导体的布置应使故障回路阻抗尽量小，使故障电流满足过电流保护电器动作灵敏度要求。由图4中电流流向可知，中性点的接地导体（PE-接地端子）并不会流过故障电流，故其截面不必选太大，按照总等电位联结导体的最大截面（如40mm×4mm镀锌扁钢）。新版《建筑电气常用数据》（19DX101-1）将变压器低压侧中性点接地线选择删除很可能也是基于这个原因[2]。

图4 接地故障时电流流向示意图

本工程柴油发电机接地系统原做法如图5所示，3台柴油发电机系统主开关均采用3极开关，柴油发电机中性点通过接地线直接引至室内接地极。配电室周围接地干线采用40mm×4mm镀锌扁钢，并且和发电机外壳PE导体进行了连接。

图5 东莞某项目柴油发电机房接地系统原做法

通过电流路径分析，可以发现如下问题：发电机在正常运行状态下时，由于三相负载之间存在不平衡度、有功负载分配的不平衡度、无功负载分配及功率因数的差异程度及谐波的影响，N线可能存在着杂散电流，此电流会通过PE接地线形成环流。当只有柴油发电机1处于正常运行状态下时，设N线电流经过分流为IN1、IN2，IN2再经过柴油发电机2和柴油发电机3分流为IN21、IN22，且IN2=IN21+IN22，同理经过PE线再次分为：IN21=IN211+IN212，IN22=IN221+IN222。此时，接地干线存在电流IN211+ IN221，有可能造成腐蚀情况，严重时甚至可能产生火灾事故。

当柴油发电机2或柴油发电机3工作时，同理可得，N线电流同样会通过不工作的柴油发电机N线及PE线分流，从而致使接地环流存在。同时，当系统发生接地故障时，故障电流主要通过PE线（40mm×4mm镀锌扁钢）流回系统中性点，而在选择PE线又完全没有考虑导体的热稳定的影响，当故障电流过大时，导体的热稳定无法满足要求。

根据上述分析，本工程柴油发电机接地系统做法存在着安全隐患，归结为以下两个方面：发电机组处于正常运行状态下时，接地导体中会流过接地环流，而接地导体采用的设施裸露的扁钢，容易导致腐蚀，干扰的情况出现，严重可能引起火灾；接地导体在系统发生故障时可能要承载短路电流，但实际设计的接地导体截面积又未考虑短路电流的影响，致使接地导体的截面积无法满足热稳定要求。以上问题事关安全，需要找寻合理的做法对其进行修正。

2 目前图集与实际工程做法分析

根据《柴油发电机组设计与安装》（15D202-2）内容，低压柴油发电机组接地示意图如图6所示。

图6 低压柴油发电机组接地示意图

同时，《民用建筑电气设计标准》GB51348-2019第6.1.9条规定1kV及以下发电机中性点接地应符合下列要求：只有单台机组时，发电机中性点应直接接地，机组的接地形式宜与低压配电系统接地形式一致；当多台机组并列运行时，每台机组的中性点均应经刀开关或接触器接地。

此条文说明为“当有多台发电机组并列运行时，每台机组的中性导体要经刀开关或接触器直接接地。当各台机组的中性导体之间存在环流时，应只将其中一台发电机的中性点接地”，由此可见，刀开关或接触器应是装设在中性导体上的（N线）。由此可知，单台柴油发电机接地直接接地即可，而有多台柴油发电机并列运行的情况出现时，每台机组的中性点中性导体要经刀开关或接触器直接接地。

对此做法进行分析，假设柴油发电机1正常工作，且仅闭合柴油发电机1的中性点开关，将柴油发电机2与柴油发电机3的中性点开关断开，即只将其中一台发电机的中性点接地。因为此时因柴油发电机2与柴油发电机3的中性点是处于断开状态下的，故IN21与IN22并不会通过PE线流入柴油发电机中性点，也就不存在环流了。此时，柴油发电机室的PE线就不会再承载主要的接地故障电流，综合考虑到机械强度、短路热稳定、抗腐蚀以及防雷等要求，其截面可按总等电位联结导体的最大截面选择，例如采用40mm×4mm镀锌扁钢。这种做法要求发电机系统应配置接地开关柜，当系统存在接地环流时，应能自动切断其他中性点接地开关，只保留其中一台发电机的中性点处于直接接地状态。

通过翻阅类似项目图纸，发现低压400V柴油发电机的接地系统图纸都没有设置接地柜的先例。笔者还考察过类似工业项目的柴油发电机房，发现低压400V柴油发电机房内同样均无此接地柜，同时还向相关厂家咨询，得到的结果是柴油发电机厂商并无此接地柜配套。而且接地柜接线较为复杂，如果维护状态不理想导致接地柜故障，无法通过切断中性点进而切断接地环流，则同样可能造成接地干线腐蚀情况的出现，严重时甚至可能产生火灾事故。

3 推荐做法

根据分析以上几种情况可得，系统一般通过N→PE→MEB→PE→中性点，而形成环路。如果柴油发电机系统未设置接地柜，或者在接地柜故障的情况下，环路中就不可避免地产生了环流。但如果切断在非工作状态下系统的零线（即使用4极开关），就能很好地解决这一问题。如图7所示，柴油发电机1正常工作时，由于不工作的柴油发电机2和柴油发电机3的零线被4极开关切断，N线电流只能流向柴油发电机1，此种情况下，PE线一般不会存在其他电流，也就不存在环流了。

图7 柴油发电机房接地工程推荐做法

4 结语

综上所述，多台低压柴油发电机组并联运行时，应注意以下几点：柴油发电机系统推荐使用4极开关，以防止系统通过未在工作状态下的N线形成环流；在每台发电机的中性点引出导体上装设刀开关或负荷隔离开关，以切断发电机间可能的谐波电流的环流回路。

在设计过程中对接地系统的重视程度往往不够，比如多台柴油发电机的接地往往就没有专门设置接地柜用以断开中性点。由于柴油发电机属于应急电源系统，真正投入使用的情况比较少，时间也比较短，所以即使系统中存在着安全隐患也不容易被察觉，但是潜伏的安全隐患一旦发作，将会对安全产生非常严重的影响。柴油发电机组是保证建筑物安全非常重要设备，设计人员在设计过程中对其中性点接地型式的选择及相关做法应当给予足够重视，有效地保证柴油发电机系统的可靠性，保护人身和设备的安全，使电力系统长期、安全、可靠、稳定运行。