楊 濤

(中國(guó)人民解放軍65056部隊(duì), 遼寧 鐵嶺 112000)

0 引 言

在地下工程的設(shè)計(jì)建設(shè)中,通常采用柴油發(fā)電機(jī)組作為備用電源,用于保障消防狀態(tài)下或正常電源中斷后的重要負(fù)荷用電。這就要求柴油發(fā)電機(jī)組供電時(shí)具有很高的供電可靠性和連續(xù)性,而供電的可靠性與多種因素相關(guān),包括機(jī)組本身的可靠性、線路施工質(zhì)量、配電設(shè)施質(zhì)量等。同時(shí),在國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 16895.1—2008《低壓電氣裝置 第1部分:基本原則、一般特性評(píng)估和定義》[1]及國(guó)際電工委員會(huì)IEC 60364-1:2005的“供電連續(xù)性”中指出“系統(tǒng)接地的選擇”是評(píng)估裝置在預(yù)期壽命期間供電連續(xù)性的一項(xiàng)特性。因此,柴油發(fā)電系統(tǒng)的功能接地、保護(hù)接地應(yīng)滿足供電可靠性的要求。

1 柴油發(fā)電機(jī)應(yīng)用IT系統(tǒng)可行性分析

目前,大部分設(shè)計(jì)、施工人員都將柴油發(fā)電機(jī)系統(tǒng)當(dāng)做單純的備用電源。實(shí)際上在一些特殊地下工程中,除少量電熱負(fù)荷外,幾乎所有負(fù)荷都不得中斷才能保證人員正常工作,當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)一般性問(wèn)題時(shí)不允許立即切斷供電。根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) GB/T 2900.71—2008《電工術(shù)語(yǔ) 電氣裝置》[2]和IEC 60050-826:2004,應(yīng)急供電系統(tǒng)是指用來(lái)維持人體和家畜的健康和安全,避免對(duì)環(huán)境或其他設(shè)備造成損失的供電系統(tǒng)。因此,對(duì)于地下工程,柴油發(fā)電機(jī)組實(shí)際上兼具應(yīng)急電源和備用電源的特點(diǎn)。

應(yīng)急電源要求系統(tǒng)具有更高的供電可靠性和連續(xù)性。低壓配電系統(tǒng)的接地型式中,TN系統(tǒng)電源端中性點(diǎn)及外露可導(dǎo)電部分經(jīng)一點(diǎn)接地;TT系統(tǒng)電源端中性點(diǎn)與外露可導(dǎo)電部分單獨(dú)接地;IT系統(tǒng)電源端不接地或通過(guò)足夠大的電阻接地,外露可導(dǎo)電部分經(jīng)一點(diǎn)接地或者單獨(dú)接地。3種接地型式均符合IEC和國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求,但其中IT系統(tǒng)發(fā)生第一次單相接地故障可不停電的特性是其他兩種系統(tǒng)無(wú)法比擬的[3],具有很高的供電可靠性,滿足地下工程供電的需求,特別適合當(dāng)柴油發(fā)電機(jī)組兼具備用電源和應(yīng)急電源特性的場(chǎng)合。另外,國(guó)內(nèi)也有不少專家對(duì)柴油機(jī)發(fā)電系統(tǒng)的接地進(jìn)行研究探討[4-5],IEC 60364-5-56:2008及GB 16895.33—2017中建議在應(yīng)急電源供電系統(tǒng)中采用IT系統(tǒng)[6]。綜上所述,為了進(jìn)一步提高供電的可靠性和連續(xù)性,在地下工程中柴油發(fā)電機(jī)組應(yīng)用IT系統(tǒng)是很有必要的。

2 柴油發(fā)電機(jī)組應(yīng)用IT系統(tǒng)的幾種主接線形式

我國(guó)在地下工程中常用電源的接地型式為TN-S系統(tǒng),作為應(yīng)急備用電源的柴油發(fā)電機(jī)組,其供電范圍也不相同,有的系統(tǒng)中柴油發(fā)電機(jī)組只為消防負(fù)荷及部分重要負(fù)荷供電,有的系統(tǒng)中則為全部負(fù)荷供電。下面針對(duì)這兩種情況進(jìn)行探討。

2.1 柴油發(fā)電機(jī)組供部分負(fù)荷

柴油發(fā)電機(jī)組供部分負(fù)荷主接線1(不配出中性導(dǎo)體)如圖1所示。常用市電電源主變壓器采用TN-S系統(tǒng),在變電所內(nèi)單點(diǎn)接地;柴油發(fā)電機(jī)組采用IT系統(tǒng)且不配出中性導(dǎo)體。設(shè)置兩段母線供電,Ⅰ段母線中接正常負(fù)荷,這些負(fù)荷不在柴油發(fā)電機(jī)組的供電范圍,Ⅱ段母線接消防負(fù)荷以及非消防但需持續(xù)供電的其他重要負(fù)荷。Ⅱ段母線由Ⅰ段母線和柴油發(fā)電機(jī)組通過(guò)自動(dòng)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)(ATS)進(jìn)行供電。由于不配出中性導(dǎo)體,ATS選用三極開(kāi)關(guān)即可。在柴油發(fā)電機(jī)組供電時(shí)需采用絕緣監(jiān)測(cè)裝置(IMD)對(duì)系統(tǒng)絕緣狀況進(jìn)行監(jiān)視,IMD裝設(shè)的位置應(yīng)在柴油發(fā)電機(jī)組出線端。Ⅱ段母線中的消防動(dòng)力設(shè)備和非消防重要?jiǎng)恿υO(shè)備可不依賴N線運(yùn)行,但為了給消防照明及重要單相負(fù)荷等供電,需要裝設(shè)專門的380/220 V降壓隔離變壓器。當(dāng)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換至柴油發(fā)電機(jī)組供電時(shí),Ⅱ段母線變?yōu)椴慌涑鲋行詫?dǎo)體IT系統(tǒng)。

圖1 柴油發(fā)電機(jī)組供部分負(fù)荷主接線1(不配出中性導(dǎo)體)

柴油發(fā)電機(jī)組供部分負(fù)荷主接線2(配出中性導(dǎo)體)如圖2所示。這種接線方式下,Ⅰ段母線工作方式相同,仍為TN-S系統(tǒng),但Ⅱ段母線中由于柴油發(fā)電機(jī)組供電時(shí)配出中性導(dǎo)體,因此ATS應(yīng)選用四極開(kāi)關(guān)。配出中性導(dǎo)體后,Ⅱ段母線中的照明等單相負(fù)荷無(wú)需再通過(guò)隔離變壓器進(jìn)行專門供電。同時(shí)Ⅱ段母線的各支路也應(yīng)采用可斷開(kāi)中性線的4極開(kāi)關(guān)進(jìn)行保護(hù),這樣做的目的是當(dāng)中性線出現(xiàn)接地時(shí)可以斷開(kāi)故障支路保持系統(tǒng)持續(xù)運(yùn)行。

圖2 柴油發(fā)電機(jī)組供部分負(fù)荷主接線2(配出中性導(dǎo)體)

2.2 柴油發(fā)電機(jī)組供全部負(fù)荷

有的地下工程中,當(dāng)市電停電后還需要繼續(xù)保持正常運(yùn)行,并且需要為大部分負(fù)荷進(jìn)行供電,此時(shí)由柴油發(fā)電機(jī)組供電的負(fù)荷為一、二級(jí)負(fù)荷,不應(yīng)隨便切斷供電,而是需要盡量保持供電的連續(xù)性,因此采用配出中性導(dǎo)體的IT系統(tǒng)是最理想的選擇。

柴油發(fā)電機(jī)組供全部負(fù)荷主接線(配出中性導(dǎo)體)如圖3所示。10 kV市電經(jīng)變壓器降壓后與柴油發(fā)電機(jī)組通過(guò)ATS為整個(gè)系統(tǒng)供電,ATS選用4極開(kāi)關(guān)。采用柴油發(fā)電機(jī)組供電時(shí),系統(tǒng)接地型式為配出中性導(dǎo)體IT系統(tǒng),系統(tǒng)內(nèi)的各個(gè)支路采用4極開(kāi)關(guān)進(jìn)行保護(hù),單相負(fù)荷也直接從系統(tǒng)引接N線而無(wú)需使用專門的降壓變壓器。在這種供電方式下,非重要負(fù)荷裝設(shè)失壓脫扣裝置,在系統(tǒng)電源轉(zhuǎn)換時(shí)自動(dòng)切除,切換完成后系統(tǒng)中負(fù)荷均為柴油發(fā)電機(jī)組供電。

圖3 柴油發(fā)電機(jī)組供全部負(fù)荷主接線(配出中性導(dǎo)體)

3 兩種接地型式兼容后的故障保護(hù)方式

在進(jìn)行電源切換前,系統(tǒng)按照TN-S接地型式運(yùn)行,保護(hù)方式也與TN-S系統(tǒng)一致。當(dāng)常用電源停電或出現(xiàn)消防狀態(tài)后,切換到柴油發(fā)電機(jī)組供電時(shí),系統(tǒng)接地型式變?yōu)镮T系統(tǒng),此時(shí)應(yīng)遵循IT系統(tǒng)的保護(hù)原則。IT系統(tǒng)中的相間短路保護(hù)、過(guò)電壓保護(hù)、過(guò)負(fù)荷保護(hù)與其他系統(tǒng)基本一致,本文僅對(duì)單相接地故障的保護(hù)進(jìn)行探討。

3.1 第一次接地故障

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB 50054—2011《低壓配電設(shè)計(jì)規(guī)范》[7],IT系統(tǒng)發(fā)生第一次單相接地故障后,應(yīng)由IMD發(fā)出報(bào)警信號(hào),但無(wú)需直接切斷故障回路,可繼續(xù)保持運(yùn)行一段時(shí)間,在繼續(xù)運(yùn)行的時(shí)間內(nèi)要盡快找出并排除故障。

IMD是IT系統(tǒng)中必不可少的一個(gè)裝置,能及時(shí)發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)出現(xiàn)的第一次單相接地故障(包括中性導(dǎo)體接地故障),并發(fā)出報(bào)警信號(hào)。為了防止再次出現(xiàn)接地故障后系統(tǒng)保護(hù)裝置動(dòng)作,工作人員應(yīng)在最短時(shí)間內(nèi)排除故障,因此兼具選線、選相功能的IMD在實(shí)際運(yùn)行中能夠提供更多信息,大大縮短系統(tǒng)恢復(fù)時(shí)間。

除IMD外,為了保證IT系統(tǒng)發(fā)生第一次單相接地故障后能繼續(xù)保持運(yùn)行,應(yīng)設(shè)置剩余電流動(dòng)作保護(hù)器(RCD)來(lái)進(jìn)行保護(hù)。因?yàn)镮T系統(tǒng)故障后持續(xù)運(yùn)行的前提條件是故障電流滿足RAId≤50 V的要求,其中RA為外露可導(dǎo)電部分的接地電阻和保護(hù)導(dǎo)體電阻之和,該值在系統(tǒng)沒(méi)有出現(xiàn)其他意外情況下基本保持不變;Id為相導(dǎo)體與外露可導(dǎo)電部分之間出現(xiàn)第一次阻抗可以忽略的故障時(shí)的電流,且要考慮泄漏電流和電氣裝置總對(duì)地阻抗。第一次單相接地故障電流示意圖如圖4所示。Id是相導(dǎo)體出現(xiàn)第一次單相金屬性接地(Rf=0)時(shí)故障回路出現(xiàn)的最大剩余電流值,當(dāng)故障不在中性導(dǎo)體上時(shí),Id=U/(Rf+Z3∥Z2)+UN/(Rf+ZN),其值主要包括泄漏電流和電氣裝置總對(duì)地阻抗,不足以引起過(guò)電流動(dòng)作保護(hù)。在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中Id值應(yīng)通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)模擬故障進(jìn)行整定,并作為整定RCD動(dòng)作電流的依據(jù),因?yàn)镮d過(guò)大,系統(tǒng)不在滿足安全運(yùn)行的條件,必須切斷故障回路的供電。

圖4 第一次單相接地故障電流示意圖

3.2 第二次接地故障

當(dāng)IT系統(tǒng)內(nèi)出現(xiàn)第一次單相接地故障后,在故障沒(méi)有排除前再次出現(xiàn)接地故障有兩種情形,一是故障發(fā)生在同一相導(dǎo)體上,二是故障發(fā)生在不同相導(dǎo)體上。

第二次接地故障發(fā)生在不同相導(dǎo)體上時(shí),根據(jù)GB 50054—2011《低壓配電設(shè)計(jì)規(guī)范》[7],保護(hù)方式應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)中外露可導(dǎo)電部分的接地方式確定,當(dāng)外露可導(dǎo)電部分為共同接地,故障回路的切斷應(yīng)符合TN系統(tǒng)自動(dòng)切斷電源的要求,當(dāng)外露可導(dǎo)電部分單獨(dú)或成組地接地,故障回路的切斷應(yīng)符合TT系統(tǒng)自動(dòng)切斷電源的要求。系統(tǒng)切換前運(yùn)行在TN-S下,因此發(fā)生第二次接地故障時(shí)應(yīng)按照TN系統(tǒng)的保護(hù)原則進(jìn)行切斷故障回路,同時(shí)還應(yīng)有過(guò)電流保護(hù)電器或RCD切斷故障回路。不同相導(dǎo)體故障電流示意圖如圖5所示。發(fā)生第二次單相接地故障后,故障回路承受的電壓為線電壓或者相電壓,其他相導(dǎo)體對(duì)地泄漏電流相比故障電流較小,可忽略不計(jì),則故障電流If1=If2=U/(Rf1+Rf2)。當(dāng)接地電阻較小時(shí),故障電流較大,可由過(guò)流保護(hù)電器切斷故障回路;當(dāng)接地電阻較大時(shí),故障電流不足以使過(guò)電流保護(hù)器動(dòng)作,應(yīng)通過(guò)RCD切斷電源。

圖5 不同相導(dǎo)體故障電流示意圖

當(dāng)前后兩次故障發(fā)生在不同回路,且回路截面積相差較大時(shí),故障電流可能不會(huì)使兩個(gè)回路的過(guò)流保護(hù)器同時(shí)動(dòng)作,但是小截面的回路過(guò)流保護(hù)器整定值較小,應(yīng)首先動(dòng)作切斷該回路。此時(shí)即使大截面回路沒(méi)有被切斷,系統(tǒng)回到第一次發(fā)生接地故障的狀態(tài),仍可保持運(yùn)行,只需要進(jìn)行兩處接地故障的排除。

第二次接地故障發(fā)生在相同相導(dǎo)體示意圖如圖6所示,即使2次故障均為金屬性接地,其故障電流值也仍不足以使過(guò)電流保護(hù)器動(dòng)作,必須通過(guò)RCD來(lái)進(jìn)行保護(hù),動(dòng)作電流的整定基本與第一次接地故障保護(hù)一致。

圖6 第二次接地故障發(fā)生在相同相導(dǎo)體示意圖

4 應(yīng)用IT系統(tǒng)過(guò)程中應(yīng)注意事項(xiàng)

柴油發(fā)電機(jī)組使用IT系統(tǒng)供電時(shí)除了要進(jìn)一步確保安全、可靠,還需注意以下事項(xiàng)。

(1) IMD要工作穩(wěn)定、性能優(yōu)良,必須要具備中性導(dǎo)體接地故障報(bào)警能力,最好能夠具備選線選相等故障定位功能,幫助盡快排除第一次接地故障。

(2) 采用配出中性導(dǎo)體IT系統(tǒng)時(shí),支路開(kāi)關(guān)應(yīng)采用4極開(kāi)關(guān),確保發(fā)生中性導(dǎo)體接地故障后也能將故障回路切除,以免擴(kuò)大影響范圍。

(3) IT系統(tǒng)每條支路都應(yīng)裝設(shè)RCD進(jìn)行保護(hù),用于切除接地電阻較大,不足以引起過(guò)電流保護(hù)器動(dòng)作或者剩余電流較大預(yù)期接觸電壓過(guò)高的回路。

(4) 新系統(tǒng)構(gòu)建以及在平時(shí)使用維護(hù)過(guò)程中要注意測(cè)量各回路正常工作時(shí)的泄漏電流值,確保系統(tǒng)滿足RAId≤50 V的要求,否則即便發(fā)生第一次單相接地故障系統(tǒng)也不能持續(xù)運(yùn)行。

(5) 做好局部等電位聯(lián)結(jié),確保人員在操作設(shè)備時(shí)安全。

(6) 柴油機(jī)組發(fā)電與市電切換過(guò)程中使用4極開(kāi)關(guān),因此需要特別注意該開(kāi)關(guān)的通斷性能,并要進(jìn)行定期檢查測(cè)試,防止中性導(dǎo)體切換到市電TN-S系統(tǒng)時(shí)不能正確接地。

(7) IT系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障后,相導(dǎo)體對(duì)地電壓最大幅值可能上升至380 V,對(duì)系統(tǒng)內(nèi)設(shè)備及線路耐壓有一定影響,在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)予以考慮。

5 結(jié) 語(yǔ)

地下工程中的柴油發(fā)電機(jī)組作為備用電源,兼具應(yīng)急電源特性,其能否正常運(yùn)行影響極大。IT系統(tǒng)具有發(fā)生單相接地故障時(shí)滿足條件可持續(xù)運(yùn)行的特點(diǎn),應(yīng)用到地下工程柴油發(fā)電機(jī)組中可提高系統(tǒng)供電的可靠性和穩(wěn)定性。本文對(duì)柴油發(fā)電機(jī)組應(yīng)用IT系統(tǒng)的幾種場(chǎng)景的主接線方式進(jìn)行了探討,并分析了兩種接地型式兼容后的故障保護(hù)方式變化,可供電氣設(shè)計(jì)人員參考。