武漢東研智慧設(shè)計研究院有限公司南方公司 秦江杰

電氣專業(yè)引發(fā)的火災(zāi)占總數(shù)的1/3以上，而其中主要原因是電氣短路，約占電氣火災(zāi)總數(shù)的40%以上，數(shù)據(jù)出自《電力工程電氣設(shè)計手冊》（電氣一次部分），導(dǎo)致這些電氣事故的原因部分來自不合理的系統(tǒng)接地的設(shè)計。大型公共建筑、民用建筑往往設(shè)置了相當(dāng)數(shù)量的消防設(shè)備，如排煙風(fēng)機，消防水泵等，其備用電源大多源自自備低壓（400V，下同）柴油發(fā)電機組。另外，一些不允許停電的二級負(fù)荷、一級負(fù)荷的電源也會引自柴油發(fā)電機組[1]。

1 目前低壓柴油發(fā)電機組設(shè)計中存在的問題

圖1為東莞某工業(yè)項目柴油發(fā)電房示意圖，由于該項目對備用電源容量要求較大，故設(shè)置了7臺1000kW柴油發(fā)電機組，其接線示意圖如圖2所示。由圖2可知，7臺發(fā)電機組分別以3臺并聯(lián)或2臺并聯(lián)方式接入電力系統(tǒng)，設(shè)計過程中，筆者發(fā)現(xiàn)既有常規(guī)的做法存在著一些問題，下文以3臺發(fā)電機并聯(lián)為例，對其接地做法進行探討。

圖1 東莞某項目柴油發(fā)電機房布置圖

圖2 東莞某項目柴油發(fā)電機系統(tǒng)圖

為便于分析對電流的參考方向作出下列規(guī)定：相線（IL1，IL2，IL3）電流從電源側(cè)（柴油發(fā)電機組）流向負(fù)載；零線電流（IN）從負(fù)載側(cè)流向電源側(cè)（柴油發(fā)電機組中性點）；地線電流從故障發(fā)生點流向電源側(cè)（柴油發(fā)電機組中性點）。在系統(tǒng)正常運行狀態(tài)下，低壓配電系統(tǒng)的中性線中存在的工作電流為三相不平衡負(fù)荷電流和零序諧波電流，此電流流向中性點，不會流經(jīng)接地導(dǎo)體，產(chǎn)生分流。如圖3所示。

圖3 正常工作時電流流向示意圖

發(fā)生故障時，因為三相短路或兩相短路所產(chǎn)生的短路故障電流并不會流過接地導(dǎo)體，所以只需要考慮對地短路的情形。如圖4所示，當(dāng)系統(tǒng)中發(fā)生單相接地短路故障時，故障電流經(jīng)由地線流向中性點。此時，接地線截面積應(yīng)當(dāng)滿足短路電流熱穩(wěn)定要求，接地導(dǎo)體的布置應(yīng)使故障回路阻抗盡量小，使故障電流滿足過電流保護電器動作靈敏度要求。由圖4中電流流向可知，中性點的接地導(dǎo)體（PE-接地端子）并不會流過故障電流，故其截面不必選太大，按照總等電位聯(lián)結(jié)導(dǎo)體的最大截面（如40mm×4mm鍍鋅扁鋼）。新版《建筑電氣常用數(shù)據(jù)》（19DX101-1）將變壓器低壓側(cè)中性點接地線選擇刪除很可能也是基于這個原因[2]。

圖4 接地故障時電流流向示意圖

本工程柴油發(fā)電機接地系統(tǒng)原做法如圖5所示，3臺柴油發(fā)電機系統(tǒng)主開關(guān)均采用3極開關(guān)，柴油發(fā)電機中性點通過接地線直接引至室內(nèi)接地極。配電室周圍接地干線采用40mm×4mm鍍鋅扁鋼，并且和發(fā)電機外殼PE導(dǎo)體進行了連接。

圖5 東莞某項目柴油發(fā)電機房接地系統(tǒng)原做法

通過電流路徑分析，可以發(fā)現(xiàn)如下問題：發(fā)電機在正常運行狀態(tài)下時，由于三相負(fù)載之間存在不平衡度、有功負(fù)載分配的不平衡度、無功負(fù)載分配及功率因數(shù)的差異程度及諧波的影響，N線可能存在著雜散電流，此電流會通過PE接地線形成環(huán)流。當(dāng)只有柴油發(fā)電機1處于正常運行狀態(tài)下時，設(shè)N線電流經(jīng)過分流為IN1、IN2，IN2再經(jīng)過柴油發(fā)電機2和柴油發(fā)電機3分流為IN21、IN22，且IN2=IN21+IN22，同理經(jīng)過PE線再次分為：IN21=IN211+IN212，IN22=IN221+IN222。此時，接地干線存在電流IN211+ IN221，有可能造成腐蝕情況，嚴(yán)重時甚至可能產(chǎn)生火災(zāi)事故。

當(dāng)柴油發(fā)電機2或柴油發(fā)電機3工作時，同理可得，N線電流同樣會通過不工作的柴油發(fā)電機N線及PE線分流，從而致使接地環(huán)流存在。同時，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生接地故障時，故障電流主要通過PE線（40mm×4mm鍍鋅扁鋼）流回系統(tǒng)中性點，而在選擇PE線又完全沒有考慮導(dǎo)體的熱穩(wěn)定的影響，當(dāng)故障電流過大時，導(dǎo)體的熱穩(wěn)定無法滿足要求。

根據(jù)上述分析，本工程柴油發(fā)電機接地系統(tǒng)做法存在著安全隱患，歸結(jié)為以下兩個方面：發(fā)電機組處于正常運行狀態(tài)下時，接地導(dǎo)體中會流過接地環(huán)流，而接地導(dǎo)體采用的設(shè)施裸露的扁鋼，容易導(dǎo)致腐蝕，干擾的情況出現(xiàn)，嚴(yán)重可能引起火災(zāi)；接地導(dǎo)體在系統(tǒng)發(fā)生故障時可能要承載短路電流，但實際設(shè)計的接地導(dǎo)體截面積又未考慮短路電流的影響，致使接地導(dǎo)體的截面積無法滿足熱穩(wěn)定要求。以上問題事關(guān)安全，需要找尋合理的做法對其進行修正。

2 目前圖集與實際工程做法分析

根據(jù)《柴油發(fā)電機組設(shè)計與安裝》（15D202-2）內(nèi)容，低壓柴油發(fā)電機組接地示意圖如圖6所示。

圖6 低壓柴油發(fā)電機組接地示意圖

同時，《民用建筑電氣設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》GB51348-2019第6.1.9條規(guī)定1kV及以下發(fā)電機中性點接地應(yīng)符合下列要求：只有單臺機組時，發(fā)電機中性點應(yīng)直接接地，機組的接地形式宜與低壓配電系統(tǒng)接地形式一致；當(dāng)多臺機組并列運行時，每臺機組的中性點均應(yīng)經(jīng)刀開關(guān)或接觸器接地。

此條文說明為“當(dāng)有多臺發(fā)電機組并列運行時，每臺機組的中性導(dǎo)體要經(jīng)刀開關(guān)或接觸器直接接地。當(dāng)各臺機組的中性導(dǎo)體之間存在環(huán)流時，應(yīng)只將其中一臺發(fā)電機的中性點接地”，由此可見，刀開關(guān)或接觸器應(yīng)是裝設(shè)在中性導(dǎo)體上的（N線）。由此可知，單臺柴油發(fā)電機接地直接接地即可，而有多臺柴油發(fā)電機并列運行的情況出現(xiàn)時，每臺機組的中性點中性導(dǎo)體要經(jīng)刀開關(guān)或接觸器直接接地。

對此做法進行分析，假設(shè)柴油發(fā)電機1正常工作，且僅閉合柴油發(fā)電機1的中性點開關(guān)，將柴油發(fā)電機2與柴油發(fā)電機3的中性點開關(guān)斷開，即只將其中一臺發(fā)電機的中性點接地。因為此時因柴油發(fā)電機2與柴油發(fā)電機3的中性點是處于斷開狀態(tài)下的，故IN21與IN22并不會通過PE線流入柴油發(fā)電機中性點，也就不存在環(huán)流了。此時，柴油發(fā)電機室的PE線就不會再承載主要的接地故障電流，綜合考慮到機械強度、短路熱穩(wěn)定、抗腐蝕以及防雷等要求，其截面可按總等電位聯(lián)結(jié)導(dǎo)體的最大截面選擇，例如采用40mm×4mm鍍鋅扁鋼。這種做法要求發(fā)電機系統(tǒng)應(yīng)配置接地開關(guān)柜，當(dāng)系統(tǒng)存在接地環(huán)流時，應(yīng)能自動切斷其他中性點接地開關(guān)，只保留其中一臺發(fā)電機的中性點處于直接接地狀態(tài)。

通過翻閱類似項目圖紙，發(fā)現(xiàn)低壓400V柴油發(fā)電機的接地系統(tǒng)圖紙都沒有設(shè)置接地柜的先例。筆者還考察過類似工業(yè)項目的柴油發(fā)電機房，發(fā)現(xiàn)低壓400V柴油發(fā)電機房內(nèi)同樣均無此接地柜，同時還向相關(guān)廠家咨詢，得到的結(jié)果是柴油發(fā)電機廠商并無此接地柜配套。而且接地柜接線較為復(fù)雜，如果維護狀態(tài)不理想導(dǎo)致接地柜故障，無法通過切斷中性點進而切斷接地環(huán)流，則同樣可能造成接地干線腐蝕情況的出現(xiàn)，嚴(yán)重時甚至可能產(chǎn)生火災(zāi)事故。

3 推薦做法

根據(jù)分析以上幾種情況可得，系統(tǒng)一般通過N→PE→MEB→PE→中性點，而形成環(huán)路。如果柴油發(fā)電機系統(tǒng)未設(shè)置接地柜，或者在接地柜故障的情況下，環(huán)路中就不可避免地產(chǎn)生了環(huán)流。但如果切斷在非工作狀態(tài)下系統(tǒng)的零線（即使用4極開關(guān)），就能很好地解決這一問題。如圖7所示，柴油發(fā)電機1正常工作時，由于不工作的柴油發(fā)電機2和柴油發(fā)電機3的零線被4極開關(guān)切斷，N線電流只能流向柴油發(fā)電機1，此種情況下，PE線一般不會存在其他電流，也就不存在環(huán)流了。

圖7 柴油發(fā)電機房接地工程推薦做法

4 結(jié)語

綜上所述，多臺低壓柴油發(fā)電機組并聯(lián)運行時，應(yīng)注意以下幾點：柴油發(fā)電機系統(tǒng)推薦使用4極開關(guān)，以防止系統(tǒng)通過未在工作狀態(tài)下的N線形成環(huán)流；在每臺發(fā)電機的中性點引出導(dǎo)體上裝設(shè)刀開關(guān)或負(fù)荷隔離開關(guān)，以切斷發(fā)電機間可能的諧波電流的環(huán)流回路。

在設(shè)計過程中對接地系統(tǒng)的重視程度往往不夠，比如多臺柴油發(fā)電機的接地往往就沒有專門設(shè)置接地柜用以斷開中性點。由于柴油發(fā)電機屬于應(yīng)急電源系統(tǒng)，真正投入使用的情況比較少，時間也比較短，所以即使系統(tǒng)中存在著安全隱患也不容易被察覺，但是潛伏的安全隱患一旦發(fā)作，將會對安全產(chǎn)生非常嚴(yán)重的影響。柴油發(fā)電機組是保證建筑物安全非常重要設(shè)備，設(shè)計人員在設(shè)計過程中對其中性點接地型式的選擇及相關(guān)做法應(yīng)當(dāng)給予足夠重視，有效地保證柴油發(fā)電機系統(tǒng)的可靠性，保護人身和設(shè)備的安全，使電力系統(tǒng)長期、安全、可靠、穩(wěn)定運行。