姜筱靨

0 引言

400 V低壓配電系統(tǒng)作為地鐵機(jī)電設(shè)備系統(tǒng)的電能來(lái)源，其接地系統(tǒng)的安全可靠性與乘客出行安全和機(jī)電設(shè)備的正常運(yùn)轉(zhuǎn)密切相關(guān)。為避免用電設(shè)備外露導(dǎo)電體在正常運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生接觸電壓，對(duì)于400 V電源側(cè)設(shè)備（如配電變壓器和400 V開(kāi)關(guān)柜）的安全接地，應(yīng)予以格外重視。

針對(duì)400 V低壓配電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案和技術(shù)細(xì)則要求，地鐵和民用建筑行業(yè)存在諸多不同之處，而且很多工程中配電變壓器和400 V開(kāi)關(guān)柜分屬于不同設(shè)計(jì)和施工單位，通過(guò)工程調(diào)研了解到，不同城市以及不同項(xiàng)目之間，由于從業(yè)人員對(duì)TN-S接地系統(tǒng)的理解不夠深刻，導(dǎo)致400 V開(kāi)關(guān)柜斷路器的極數(shù)配置及電源側(cè)設(shè)備的接地型式不盡相同，如存在不合理之處，將對(duì)地鐵的運(yùn)營(yíng)造成極大安全隱患。因此，通過(guò)制定合理的設(shè)計(jì)方案以防止用電設(shè)備外露可導(dǎo)電體出現(xiàn)威脅人身安全的可持續(xù)接觸電壓尤為重要，本文就此展開(kāi)分析并給出建議。

1 低壓系統(tǒng)接地型式

國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 50065—2011參照國(guó)際電工委員會(huì)標(biāo)準(zhǔn)IEC 60364規(guī)定了低壓系統(tǒng)接地的型式，分 為T(mén)N、TT和IT等3種，其中TN系統(tǒng)又分為T(mén)N-C、TN-S、TN-C-S系統(tǒng)[1]。5種接地型式所適用的場(chǎng)合見(jiàn)表1。

表1 TN、TT、IT接地系統(tǒng)適用場(chǎng)合

從產(chǎn)品配套和設(shè)計(jì)規(guī)范等考慮，我國(guó)早期建設(shè)的北京地鐵1號(hào)線和環(huán)線工程其低壓配電系統(tǒng)和地面建筑物一致，采用三相四線制接零系統(tǒng)[3]。隨著技術(shù)發(fā)展和工程不斷摸索驗(yàn)證，從上海地鐵1號(hào)線開(kāi)始，已嘗試將三相五線制（TN-S）接地系統(tǒng)應(yīng)用于城軌的低壓供電系統(tǒng)中，后續(xù)逐漸在北京地鐵復(fù)八線、廣州地鐵1號(hào)線等工程[3]應(yīng)用，近年來(lái)國(guó)內(nèi)建設(shè)的地鐵工程低壓配電系統(tǒng)也均采用了TN-S接地系統(tǒng)。

根據(jù)GB 14050—2008規(guī)定，TN系統(tǒng)在電源處應(yīng)有一點(diǎn)直接接地，裝置的外露可導(dǎo)電部分應(yīng)經(jīng)PE線接至接地點(diǎn)：TN-S系統(tǒng)應(yīng)全部采用單獨(dú)的PE線，TN-C-S系統(tǒng)中的一部分將N線和PE線的功能合并在一根導(dǎo)體中，TN-C全系統(tǒng)將N線和PE線的功能合并在一根導(dǎo)體中[4]。其中，TN-S系統(tǒng)原理見(jiàn)圖1。

圖1中，A、B、C為配電變壓器的三相，在電源點(diǎn)處N線和PE線統(tǒng)一接地，其他位置分開(kāi)。正常運(yùn)行時(shí)，TN-S接地系統(tǒng)的三相不平衡電流僅流過(guò)N線，不平衡電流和對(duì)地電壓不會(huì)在PE線上產(chǎn)生，電器設(shè)備的外露可導(dǎo)電部分與PE線連通，安全可靠；發(fā)生接地故障時(shí)，短路電流流過(guò)PE線返回電源側(cè)中性點(diǎn)，PE線采用銅質(zhì)材料，阻抗低至毫歐級(jí)，因此短路電流足夠大，可啟動(dòng)斷路器過(guò)電流保護(hù)動(dòng)作而快速切斷故障，起到保護(hù)設(shè)備和人身安全的作用。

圖1 TN-S系統(tǒng)

2 低壓系統(tǒng)運(yùn)行方式

地鐵工程中，每座降壓變電所設(shè)2臺(tái)35/0.4 kV或10/0.4 kV配電變壓器，400 V開(kāi)關(guān)柜設(shè)置母聯(lián)斷路器。

正常運(yùn)行方式：配電變壓器分列運(yùn)行，母聯(lián)合閘，負(fù)擔(dān)供電范圍內(nèi)的遠(yuǎn)期一、二、三級(jí)負(fù)荷[5]。

故障情況下運(yùn)行方式（N-1）：一臺(tái)配電變壓器退出運(yùn)行，相應(yīng)主進(jìn)線斷路器分閘，母聯(lián)合閘，另一臺(tái)配電變壓器負(fù)擔(dān)供電范圍內(nèi)的遠(yuǎn)期一、二級(jí)負(fù)荷[5]。

3 400 V低壓系統(tǒng)斷路器極數(shù)的選擇

3.1 400 V開(kāi)關(guān)柜的進(jìn)線和母聯(lián)開(kāi)關(guān)

3.1.1 進(jìn)線和母聯(lián)均采用3P斷路器

正常運(yùn)行時(shí)，當(dāng)進(jìn)線和母聯(lián)均采用3P斷路器，其實(shí)際接線型式見(jiàn)圖2。

圖2 進(jìn)線和母聯(lián)均采用3P斷路器（正常運(yùn)行方式）

圖2中，N線和PE線在配電變壓器中性點(diǎn)處通過(guò)電纜接至接地母排，接地電纜阻抗分別等效為R4和R5；N線阻抗分別等效為R1和R2；PE線阻抗等效為R3。等效簡(jiǎn)化電路如圖3所示。

圖3 等效電路

如圖2接線所示，由于N線和PE線兩點(diǎn)接地，首先導(dǎo)致不平衡電流I（圖中實(shí)心箭頭）通過(guò)R1流至1#配電變中性點(diǎn)，其次通過(guò)R2、R3、R4、R5返至1#配電變中性點(diǎn)，各回路分配的電流大小與阻抗值有關(guān)；電流I流經(jīng)2#配電變的N線和PE線時(shí)會(huì)產(chǎn)生電磁干擾，存在較大安全隱患。

對(duì)于故障情況下的運(yùn)行方式，原理分析同上。

因此，進(jìn)線和母聯(lián)均采用3P斷路器時(shí)，正常運(yùn)行方式和故障運(yùn)行方式下不平衡電流均無(wú)法按指定的路徑流動(dòng)。

3.1.2 進(jìn)線采用3P斷路器，母聯(lián)采用4P斷路器

正常運(yùn)行時(shí)，PE線不會(huì)有不平衡電流流過(guò)。

故障情況下（N-1運(yùn)行方式），當(dāng)2#配電變故障退出時(shí)，2#進(jìn)線斷路器分閘，母聯(lián)斷路器合閘，其實(shí)際接線型式見(jiàn)圖4。

圖4 進(jìn)線3P，母聯(lián)4P斷路器（N-1運(yùn)行方式）

經(jīng)分析，PE線仍會(huì)有不平衡電流流過(guò)。當(dāng)1#配電變故障退出時(shí)，分析同理。

因此，進(jìn)線采用3P斷路器、母聯(lián)采用4P斷路器時(shí)，正常運(yùn)行方式下無(wú)影響，故障運(yùn)行方式下不平衡電流無(wú)法按指定的路徑流動(dòng)。

3.1.3 進(jìn)線采用4P斷路器，母聯(lián)采用3P斷路器

正常運(yùn)行時(shí)，其實(shí)際接線型式見(jiàn)圖5，PE線會(huì)存在不平衡電流。

圖5 進(jìn)線4P，母聯(lián)3P斷路器（正常運(yùn)行方式）

故障情況下，PE線不會(huì)有不平衡電流流過(guò)。

因此，進(jìn)線采用4P斷路器、母聯(lián)采用3P斷路器時(shí)，正常運(yùn)行方式下不平衡電流無(wú)法按指定的路徑流動(dòng)，故障運(yùn)行方式下無(wú)影響。

3.1.4 進(jìn)線采用4P斷路器，母聯(lián)采用4P斷路器

為解決上述3種情況遇到的問(wèn)題，需將進(jìn)線和母聯(lián)均調(diào)整為4P斷路器。

正常運(yùn)行時(shí)，其實(shí)際接線型式見(jiàn)圖6。在母聯(lián)斷路器處，N線為斷開(kāi)狀態(tài)，按圖中箭頭唯一指向流入1#配電變中性點(diǎn)的不平衡電流是正確合理的，對(duì)人身安全不產(chǎn)生威脅。

圖6 進(jìn)線和母聯(lián)均采用4P斷路器（正常運(yùn)行方式）

故障情況下，當(dāng)2#配電變故障退出時(shí)，2#進(jìn)線斷路器分閘，母聯(lián)斷路器合閘，其實(shí)際接線型式見(jiàn)圖7。在2#進(jìn)線斷路器處，N線為斷開(kāi)狀態(tài)，按圖中箭頭唯一指向流入1#配電變中性點(diǎn)的不平衡電流是正確合理的，對(duì)人身安全不產(chǎn)生威脅。當(dāng)1#配電變故障退出時(shí)，分析同理。

圖7 進(jìn)線和母聯(lián)均采用4P斷路器（N-1運(yùn)行方式）

3.2 400 V開(kāi)關(guān)柜的三級(jí)負(fù)荷總開(kāi)關(guān)

相對(duì)于下級(jí)配電系統(tǒng)而言，三級(jí)負(fù)荷總開(kāi)關(guān)為單電源供電。根據(jù)系統(tǒng)特點(diǎn)，僅考慮正常運(yùn)行方式，按每段的零線路徑依次向配電變中性點(diǎn)流回不平衡電流，PE線不會(huì)出現(xiàn)電流。

因此，三級(jí)負(fù)荷總開(kāi)關(guān)建議采用3P斷路器。

3.3 400 V開(kāi)關(guān)柜的下級(jí)ATS開(kāi)關(guān)

若400 V開(kāi)關(guān)柜下級(jí)ATS開(kāi)關(guān)選用3P斷路器，正常運(yùn)行時(shí)，母聯(lián)斷路器分閘，PE線不會(huì)有不平衡電流流過(guò)。故障情況下，當(dāng)2#配電變故障退出時(shí)，2#進(jìn)線斷路器分閘，母聯(lián)斷路器合閘，其實(shí)際接線型式見(jiàn)圖8。該工況下，兩回電源主進(jìn)線的零線均會(huì)出現(xiàn)不平衡電流，也會(huì)在電源側(cè)和下級(jí)ATS的零線之間出現(xiàn)環(huán)流，最終流回1#配電變中性點(diǎn)，電流未按理論分析的指定路線流動(dòng)。

圖8 下級(jí)ATS采用3P斷路器（N-1運(yùn)行方式）

因此，400 V開(kāi)關(guān)柜下級(jí)ATS開(kāi)關(guān)采用4P斷路器可解決上述問(wèn)題。

3.4 小結(jié)

經(jīng)上文分析知，在400 V低壓系統(tǒng)中選用3P斷路器時(shí)存在諸多弊端，若400 V開(kāi)關(guān)柜全部采用4P斷路器，一是4P斷路器較3P斷路器價(jià)格高，將大幅增加工程投資；二是采用4P斷路器后N線存在斷點(diǎn)，若觸頭接觸不良，易出現(xiàn)“斷零”，使單相設(shè)備承受高于正常相電壓的電壓值，嚴(yán)重時(shí)可能導(dǎo)致用電設(shè)備燒毀。因此，N線上應(yīng)盡量少設(shè)置開(kāi)關(guān)，建議根據(jù)系統(tǒng)需要合理配置4P斷路器。

4 400 V低壓系統(tǒng)接地方式優(yōu)化

發(fā)生單相接地短路故障時(shí)，短路電流直接通過(guò)PE線流到電源中性點(diǎn)，該工況下短路電流值最大，可啟動(dòng)斷路器跳閘；不宜使短路電流通過(guò)其他導(dǎo)體返回中性點(diǎn)，這樣會(huì)使回路電阻增大，短路電流減小，斷路器可能不啟動(dòng)跳閘。

4.1 既有接地方式存在的問(wèn)題

在實(shí)際地鐵工程建設(shè)中，發(fā)現(xiàn)下述3種接地方式不盡合理，存在安全隱患。

4.1.1 400 V開(kāi)關(guān)柜PE線通過(guò)接地支線接地

如圖9所示，配電變N線通過(guò)接地電纜接至接地母排，400 V開(kāi)關(guān)柜內(nèi)的PE線通過(guò)接地支線接至接地干線，接地干線再連接至接地母排。

圖9 PE線通過(guò)接地支線接地

用電設(shè)備發(fā)生單相接地短路故障時(shí)，短路電流路徑：PE線→接地支線→接地干線→接地母排→1#配電變壓器中性點(diǎn)。由于接地支干線多采用50×5鍍鋅扁鋼，電阻較大，導(dǎo)致短路電流減小，低壓斷路器無(wú)法啟動(dòng)跳閘，故該接地方式不合理。

4.1.2 400 V開(kāi)關(guān)柜PE線通過(guò)電纜接地

如圖10所示，配電變N線及400 V開(kāi)關(guān)柜內(nèi)的PE線均通過(guò)接地電纜接至接地母排。

圖10 PE線通過(guò)電纜接地

用電設(shè)備發(fā)生單相接地短路故障時(shí)，短路電流路徑：PE線→接地電纜→接地母排→接地電纜→1#配電變壓器中性點(diǎn)。雖然電纜的阻抗較小，可使低壓斷路器跳閘，但短路電流流經(jīng)兩段電纜返回中性點(diǎn)，該接地方式不合理。

4.1.3 400 V開(kāi)關(guān)柜兩段母線的PE線未連通

400 V開(kāi)關(guān)柜分兩排布置，兩段低壓母線之間通過(guò)密集型母線槽連接，但PE線未連通。

正常運(yùn)行方式下，短路電流通過(guò)PE線直接流回電源中性點(diǎn)，可啟動(dòng)斷路器跳閘。

故障情況下，當(dāng)2#配電變故障退出時(shí)，2#進(jìn)線斷路器分閘，母聯(lián)斷路器合閘，其實(shí)際接線型式見(jiàn)圖11。

圖11 兩段母線PE線未連通

PE線在低壓母線之間未連通，發(fā)生單相接地短路故障時(shí)，用電設(shè)備故障產(chǎn)生的短路電流路徑：PE線→接地電纜→接地母排→接地電纜→2#配電變壓器中性點(diǎn)。該情況下短路電流未按指定路徑流回配電變中性點(diǎn)，當(dāng)1#配電變故障退出時(shí)，同理。因此，該接地方式不合理。

4.2 優(yōu)化后的接地方式

經(jīng)分析，上述3種接地方式均有存在不合理的情形。根據(jù)GB 14050—2008 第5.1.1條款規(guī)定[4]并結(jié)合理論分析，對(duì)接地方式進(jìn)行優(yōu)化。

4.2.1 帶電部分接地

帶電部分接地如圖12所示。

圖12 帶電部分接地（推薦）

（1）400 V開(kāi)關(guān)柜內(nèi)PE線與配電變中性點(diǎn)連接。將400 V開(kāi)關(guān)柜內(nèi)的PE線引入配電變壓器外殼內(nèi)后，使配電變N線處引出銅排與PE線連接，再將配電變N線通過(guò)接地電纜連接至接地母排。

（2）400 V開(kāi)關(guān)柜內(nèi)兩段母線之間PE線連通?？赏ㄟ^(guò)密集型母線槽實(shí)現(xiàn)PE線連通。

（3）工程實(shí)例。問(wèn)題描述：由于配電變壓器和400 V開(kāi)關(guān)柜分屬不同供貨商及不同設(shè)計(jì)、施工、管理方負(fù)責(zé)，接口未考慮400 V開(kāi)關(guān)柜PE線和配電變中性點(diǎn)的連接方式；經(jīng)檢查同時(shí)發(fā)現(xiàn)，配電變N線引出方式也有誤，不符合TN-S接地系統(tǒng)接線要求。

整改方案：由于低壓開(kāi)關(guān)柜PE線在柜體底部，因此對(duì)配電變提出要求，即N線引出銅排至底部再與PE線連接，如圖13所示。

圖13 低壓配電接地整改實(shí)例

4.2.2 外露可導(dǎo)電部分接地

外露可導(dǎo)電部分接地如圖14所示。

圖14 外露可導(dǎo)電部分接地（推薦）

對(duì)于外露可導(dǎo)電體的接地，具體方法如下：配電變壓器外殼、配電變壓器基礎(chǔ)預(yù)埋件、400 V開(kāi)關(guān)柜基礎(chǔ)預(yù)埋件通過(guò)接地支線接至接地干線；400 V開(kāi)關(guān)柜外殼與PE線連接，將PE線通過(guò)接地支線接至接地干線。

5 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)地鐵變電所TN-S接地系統(tǒng)中三相不平衡電流和單相短路電流在不同運(yùn)行方式下的流向進(jìn)行分析，從安全性角度考慮，建議措施如下：

（1）400 V開(kāi)關(guān)柜主進(jìn)線、母聯(lián)、下級(jí)ATS開(kāi)關(guān)應(yīng)采用4P型斷路器，其他開(kāi)關(guān)宜采用3P型斷路器。

（2）配電變壓器應(yīng)將N線引出分支排至外殼底部，并預(yù)留與400 V開(kāi)關(guān)柜PE線連接的條件。

對(duì)于上述建議，重點(diǎn)在于專業(yè)間配合，方案實(shí)施簡(jiǎn)單，具有工程可行性，提高了繼電保護(hù)靈敏度和接地安全可靠性，為地鐵變電所TN-S接地系統(tǒng)的建設(shè)提供參考。