地鐵車站35/0.4 kV變電所接地設計探討

厲紅星， 高　婷

(中鐵隧道勘測設計院有限公司， 天津　300133)

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地鐵車站35/0.4 kV變電所接地設計探討

厲紅星， 高婷

(中鐵隧道勘測設計院有限公司， 天津300133)

摘要：為了提高地鐵領域中降壓變電所接地設計技術水平，符合國際IEC標準及我國國家標準，對目前地鐵車站中降壓變電所低壓側中性點接地方案進行研究，分析“多點接地”設計方案中存在的問題和“一點接地”設計方案的優點，提出合理的接地方案；通過對35 kV系統接地故障引起0.4 kV系統中的工頻過電壓、故障電壓的分析，以及弱電系統的阻抗分析，得出接地工頻電阻值小于1 Ω的要求是不合理的，應充分利用結構鋼筋作為自然接地極，不需要設置人工接地網。

關鍵詞：地鐵車站； 多點接地； 一點接地； 接地電阻值； 等電位聯結

0引言

在電氣設計中，接地具有很高的重要性、普遍性和復雜性。在接地技術方面，我國與歐美發達國家相比有較大差距。由于一些歷史原因，我國的電氣規范深受前蘇聯影響，尤其是接地設計方面仍停留在較低的水平上；國際上，接地理論和實踐方面都有較多創新。我國電氣規范中對接地電阻值的規定有許多不合理的要求；在國際IEC標準中，無具體接地電阻值規定，而重視等電位聯結。我國電氣設計人員應重視接地問題，因為變電所接地涉及雜散電流、雜散電磁場、電磁干擾以及電氣安全等復雜問題。

目前地鐵工程電氣設計中，35/0.4 kV變電所0.4 kV系統普遍采用“多點接地”方式，偏重于對接地電阻值R≤1 Ω的要求和設置人工接地網。國內專家王厚余[1]強調應按IEC標準實施多電源系統一點接地，重視雜散電磁場的危害，并從理論上分析研究低壓電氣裝置接地的合理做法。地鐵建設領域中的電氣專家黃德勝[2]從實踐中驗證了地下車站結構鋼筋網的接地電阻值。

本文結合地鐵車站35/0.4 kV變電所的具體情況，分析“一點接地”方式應用到地鐵車站變電所接地設計中的科學合理性，系統性地研究地鐵車站接地設計中對接地電阻值的合理要求，論證R≤1 Ω是否必要、合理。地鐵車站電氣接地設計中，不需要耗費大量的人力和物力設置人工接地網，應利用地下結構鋼筋網自然形成的等電位“法拉第籠”作為接地極，為地鐵車站的“參考地”。

1地鐵車站0.4 kV配電系統接地型式

0.4 kV配電系統接地型式應根據供電連續性、絕緣水平、安全防護、電磁兼容等因素綜合考慮確定。

用電設備對電磁兼容性的要求是確定配電系統接地型式的關鍵因素之一。地鐵車站內設置有大量信息技術設備，其對電磁環境的要求比較高。TN-S系統正常工況下，PE線上無電流， EMC環境友好。為降低電磁干擾，地鐵車站內的0.4 kV配電系統采用TN-S系統。

地鐵車站內的35/0.4 kV變電所需要為地面上的冷卻塔等機電設施供電，此時若仍然采用TN-S系統，就存在故障電壓傳遞問題，車站內的故障電壓可經PE線傳遞至地面機電設施的外露可導電部分，增加了電擊的概率。考慮到地鐵車站一般位于城市繁華區域和人員密集地，為保障人員的生命安全，對地面上的機電設施可采用局部TT系統的配電方式，避免站內故障電壓傳遞至地面。

2變電所低壓側中性點接地方式

0.4 kV側中性點接地做法需要滿足電磁兼容性要求，避免雜散電流電磁場的干擾危害。

地鐵車站0.4 kV配電系統中，非線性負荷越來越多。非線性負荷會產生大量的諧波電流，特別是3次諧波電流會在N線上疊加[3]，使N線存在諧波電流；0.4 kV配電系統中接入有大量單相用電負荷，很難做到三相負荷完全平衡，N線存在不平衡電流。因此，N線電流一般比較大。降壓變電所0.4 kV側中性點接地方式關系到N線電流是否會分流，形成雜散電流電磁場干擾問題。

降壓變電所0.4 kV側中性點接地存在“多點接地”和“一點接地”2種方式。

2.1變電所低壓側中性點 “多點接地”

變電所0.4 kV配電系統采用單母線分段的主接線形式，2臺變壓器分列運行。國內地鐵車站降壓變電所低壓側中性點接地普遍采用 “多點接地”方式，即2臺配電變壓器的0.4 kV側中性點分別就近直接接地。

如上文所述，N線存在不平衡電流和諧波電流。當進線斷路器QF1、QF2和母線聯絡斷路器QF3采用3P開關時，N線電流返回變壓器T1中性點的路徑除了正常路徑外，還有另外2條通過N母排、PE母排、接地電纜的路徑，形成環流，如圖1(a)所示。此雜散電流形成電磁場，會產生電磁干擾，影響電子設備的正常運行。

鑒于上述問題，低壓配電柜中的進線斷路器QF1、QF2和母線聯絡斷路器QF3均采用4P開關，N線電流只能通過正常路徑返回對應配電變壓器的中性點，如圖1(b)所示。這樣可避免形成雜散電流，滿足電磁兼容特性要求。

(a)

(b)

Fig. 1Multipoint grounding of 0.4 kV side neutral point in substation

雖然“多點接地”方式可以通過斷路器QF1、QF2和QF3均選用4P開關的措施來解決環流問題，但是人為地在N線上增加斷點，增加了“斷N線”危險。“斷N線”存在以下嚴重問題：

1)在TN-S和TT系統中，中性導體中斷時的工頻應力電壓能高達380 V，額定電壓為線導體對中性導體之間電壓的基本絕緣、雙重絕緣、加強絕緣以及器件可能暫時承受線電壓，此過電壓可引發設備絕緣表面爬電起火，引起電氣火災。

2)三相負載不平衡時，N線斷開，會造成各相電壓不平衡。負載小的相電壓升高，燒壞單相用電設備；負載大的相電壓降低，造成用電設備無法正常工作，如圖2所示[4]。

3)單相回路欠壓，使電子式RCD拒動，失去其防電擊的防護作用[5]。

4)相線、中性線對PE線的電壓過高，將燒壞配電線路中防雷的SPD[5]。

另外，當采用“多點接地”方式發生單相接地故障時，接地故障電流分流形成雜散電流，造成電磁場干擾問題，如圖3所示。此雜散電流電磁場干擾地鐵工程中的弱電系統，嚴重時會影響電子設備的正常工作，造成不良影響。

圖2　三相四線回路“斷N線”后三相電壓不平衡示例

Fig. 2Example of three-phase unbalanced voltage after N line broken in three-phase four-wire loop

圖3　“多點接地”配電系統中的接地故障電流路徑圖

Fig. 3Current circuit of grounding fault in multipoint grounding distribution system

綜上所述，“多點接地”0.4 kV配電系統，雖然可以通過選用4P斷路器的方式來解決N線電流環流問題，但是人為地增加低壓柜N線導體斷點會導致出現“斷N線”的電氣危害；并且，發生接地故障時，故障電流分流形成雜散電流，產生雜散電流電磁場干擾問題。

2.2變電所低壓側中性點 “一點接地”

在歐美發達國家，變電所多電源系統普遍采用在總配電屏中“一點接地”方式[6]，變電所的低壓側電源總開關和母線聯絡開關均采用3P開關。國際IEC標準中明確要求多電源系統要采用“一點接地”方式，并且已經轉化為我國國家標準[7]。

在低壓配電柜內，PEN導體與PE導體只在一點連接。正常情況下，N線上的不平衡電流和諧波電流通過正常路徑返回電源點，避免N線電流形成環流，而且不需要選用4P開關，避免 “斷N線”的電氣危害(如圖4所示)，解決了接地故障電流分流問題(如圖5所示)。

在電氣火災監測方面，在低壓柜中PEN導體與PE導體的唯一連接條上設置1個剩余電流監測報警裝置RCM，如圖4所示，可以對全所的饋電回路進行全局性監測和報警，簡單實用，這也正是“一點接地”的優點之一。

圖4　變電所0.4 kV側中性點“一點接地”示意圖

Fig. 4Diagram of one-point grounding of 0.4 kV side neutral point in substation

圖5 　“一點接地”配電系統中的接地故障電流路徑圖

Fig. 5Current circuit of grounding fault in one-point grounding distribution system

目前，地鐵設計領域中的電氣火災監控系統設置情況比較復雜，按回路分別設置剩余電流式、感溫式等探測器[8]，費用比較高；但是，由于電能質量、用電設備產品標準、線路過載老化、施工質量等方面的原因，電氣火災監控系統誤報率很高。各地區地鐵工程設計中，行業專家對于是否要設置如此復雜的電氣火災監控系統意見不一。

綜上所述，“一點接地”方式有以下優點： 1)可避免N線電流分流成為雜散電流，解決雜散電流電磁場問題；2)進線、母線聯絡開關均選用3P開關，避免低壓柜中“斷N線”問題；3)解決接地故障電流分流問題；4)可以在變電所內對電氣火災進行全局性監測和報警。

因此，在地鐵車站電氣設計中，降壓變電所0.4 kV側中性點接地采用如圖4所示的“一點接地”方式，更科學合理。此外，可以考慮在變電所中設置一面專用的接地柜與其他低壓開關柜布置在一起，利于“一點接地”的實施，同時也便于運營期間的維護和管理。

3接地電阻值

關于變電所的接地電阻值，IEC和發達國家電氣標準都沒有規定一個統一值。接地電阻值大小需要根據具體情況來分析確定。確定變電所接地電阻值時，電氣設計人員應考慮高壓系統中性點對地情況及0.4 kV配電系統接地型式等。

3.1功能性接地對接地電阻值的要求

根據國家標準GB/T 16895.10—2010/IEC 60364-4-44: 2007[9]中442.2條的規定，TN-S系統高低壓共用接地裝置時，不存在變電所35 kV側接地故障引起0.4 kV側工頻過電壓的危害，如圖6所示； TT系統高低壓共用接地裝置時，需要考慮變電所35 kV側接地故障引起0.4 kV側工頻過電壓問題，如圖7所示。地鐵車站中0.4 kV配電系統為TN-S接地型式，從工頻過電壓即絕緣配合方面考慮，對變電所接地電阻值RE無要求。

圖6　高壓系統與低壓TN-S系統共用接地裝置

Fig. 6Grounding device shared by high-voltage system and low-voltage TN-S system

圖7　高壓系統與低壓TT系統共用接地裝置

Fig. 7Grounding device shared by high-voltage system and low-voltage TT system

為地面機電設施供電采用局部TT接地型式時，根據國家標準GB/T 16895.10—2010/IEC 60364-4-44: 2007[9]中442.2.2條的規定，35 kV系統中性點為低電阻接地系統，35 kV側接地故障切斷時間不大于5 s，變電所接地電阻值應滿足RE≤1 200/IE的要求[9]。根據后文的分析結果，35 kV側發生單相接地故障時，流經變電所接地裝置的接地故障電流IE最大為200 A;因此，變電所接地電阻值RE≤6 Ω滿足絕緣配合要求，即滿足低壓電氣裝置在暫時工頻過電壓情況下不被擊穿的要求。

在國家標準GB 50057—2010《建筑物防雷設計規范》[10]4.2.4條中也有關于弱電系統接地電阻方面的內容： “現代電子系統絕大多數為數字化，其頻率為數十乃至數百MHz，接地阻抗和接地線感抗將會增至很大；功能性接地電阻要求很低的工頻接地電阻(0.5～1 Ω)是毫無意義的，而且浪費了人力和財力”。這是第一次在國家標準中提及對弱電系統的工頻電阻值要求是不合理的，從規范角度論證了弱電系統在功能方面沒必要要求工頻接地電阻值小于1 Ω。

對于弱電系統，等電位聯結才是最重要的，其等電位聯結方式應根據電子信息設備易受干擾的頻率及電子信息系統機房的等級和規模確定[12]。

綜上所述，從功能性接地方面考慮，地鐵車站強電及弱電系統的接地電阻值均不必要求小于1 Ω。

3.2保護接地對接地電阻值的要求

地鐵全線設置綜合接地系統，各站接地網通過接地扁鋼、35 kV電力電纜金屬屏蔽層及鎧裝層、接觸網架空地線及隧道結構鋼筋等互連在一起，如圖8所示。

35 kV側發生單相接地故障時，接地故障電流按圖8所示的電流路徑返回110/35 kV主變電所。35 kV相導體與電纜鎧裝層、屏蔽層及接地扁鋼空間距離小，回路阻抗小；35 kV相導體與“大地”間的空間距離很大，回路阻抗很大[13]。

因此，接地故障電流主要經過電纜鎧裝層、屏蔽層、接地扁鋼流回變電所，只有少量電流通過接地網回流，流經車站接地網的電流IE遠小于單相接地故障電流的1/5，即IE≤1 000×0.2=200 A。引起車站地電位升高，其值為IE×R。

圖8　地鐵綜合接地示意圖

地鐵車站的建筑主體位于地下，鋼筋混凝土結構自然形成一個埋在地下的巨大等電位“法拉第籠”,并且地鐵車站內部設置了總等電位聯結，所有設備外露可導電部分、外界可導電部分都與接地母排聯結;因此，35 kV側發生接地故障時，整個車站對地電位都上升到同一電位值，對于處于地鐵車站內的人來說，電位差基本為0，無電擊危險；對地鐵地面機電設施配電采用局部TT接地型式時，車站內的故障電壓無傳遞路徑至地面，地面機電設施的外露可導電部分對地電位為0，無電擊危險。同理，0.4 kV側配電系統中發生單相接地故障時，不會出現大電位差，也不會引起人身電擊事故。

綜上所述，從保護接地方面考慮，地鐵車站接地網的接地電阻值不必要求小于1 Ω。

3.3人工接地網的設置

目前，國內地鐵工程普遍設置人工接地網，人工接地網敷設在車站結構底板墊層下0.8 m處，人工接地網由水平接地極和垂直接地極組成： 水平接地極采用50×5或40×4的紫銅排，垂直接地極采用φ50×4的紫銅管。

人工接地網的接地電阻值和規模與結構底板下水平接地體所處地層的土壤電阻率相關[14]。對于高土壤電阻率，車站人工接地網規模往往很大，并且還要采取施加物理降阻劑和換土措施，造價高，耗費了大量的人力和物力。例如： 深圳市城市軌道交通11號線工程南山站，水平接地體所處地層的土壤電阻率平均為292 Ω·m，為滿足接地電阻R≤0.5 Ω的要求，本車站綜合接地網面積為5 846 m2，并采取降阻劑和換土的措施。

依據GB 50157—2013《地鐵設計規范》[15]第15.7.12條，變電所應利用車站結構鋼筋或變電所結構基礎鋼筋等自然接地極作為接地裝置。黃德勝[2]曾在北京地鐵1號線和環線做過接地實驗和現場測試，得出地下結構鋼筋的接地電阻均在0.5 Ω以下，而且很穩定。

根據前文的分析結果： 對于地鐵車站，功能性接地、保護接地對車站接地網的接地電阻值均不必要求小于1 Ω; 因此，沒有必要設置人工接地網。

前面所述的接地電阻值都是相對于大地而言的。對于地鐵工程，把結構鋼筋網自然形成的等電位“法拉第籠”作為“參考地”，以鋼筋網的電位作為“參考電位”，這樣更科學合理。

綜上所述，把結構鋼筋網作為自然接地極，就可以滿足功能及保護接地方面的要求，不需要另外設置人工接地網，應把此“法拉第籠”作為“參考地”。

4結論與建議

本文通過分析和計算，得出以下地鐵車站35/0.4 kV變電所接地設計方面的結論。

1)0.4 kV配電系統應采用EMC環境友好的TN-S接地型式；對于地面設備配電，可采用局部TT接地型式，避免故障電壓傳遞至地面低壓電氣裝置的外露可導電部分。

2)變電所0.4 kV側中性點應采用“一點接地”方式。

3)地鐵車站接地網的接地電阻值不必要求小于1 Ω。

4)應利用地下結構鋼筋網作為自然接地極，不需要另外設置人工接地網。

將上述結論應用在地鐵車站電氣設計中，可以提高0.4 kV配電系統的電磁兼容性，減少電擊事故，節約工程造價和縮短建設工期。建議在新建工程中研究落實利用結構鋼筋網作為接地極形成全線綜合接地系統的具體實施方案。

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[8]火災自動報警系統設計規范: GB 50116—2013[S].北京： 中國計劃出版社，2014.(Code for design of automatic fire alarm system: GB 50116—2013[S].Beijing:China Planning Press,2014. (in Chinese))

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[10]建筑物防雷設計規范: GB 50057—2010[S].北京： 中國計劃出版社，2011.(Code for design protection of structures against lightning: GB 50057—2010 [S].Beijing:China Planning Press,2011. (in Chinese))

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[15]地鐵設計規范: GB 50157—2013[S]. 北京： 中國建筑工業出版社，2014.(Code for design of Metro: GB 50157—2013[S].Beijing: China Architecture & Building Press,2014. (in Chinese))

Study on Grounding Design of 35/0.4 kV Substation in Metro Station

LI Hongxing, GAO Ting

(ChinaRailwayTunnelSurvey&DesignInstituteCo.,Ltd.,Tianjin300133,China)

Abstract:The technical level of grounding design of step-down substation of Metro station in China has to be improved so as to accord with the IEC standards and China-National standards. In this paper, the disadvantages of multipoint grounding and the advantages of one-point grounding are analyzed based on studying the grounding scheme of neutral point in low voltage side of step-down substation of Metro station; and then a rational grounding scheme is proposed. The power frequency overvoltage and fault voltage of 0.4 kV system induced by grounding fault of 35 kV system and the resistance of weak current system are analyzed. It is concluded that the demand of grounding power resistance value of less than 1 Ω is irrational;the structural reinforcing bars should be used as natural grounding electrode; therefore the manual grounding network is not necessary.

Keywords:Metro station; multipoint grounding; one-point grounding; grounding resistance; equipotential bonding

中圖分類號：U 453.7

文獻標志碼：A

文章編號：1672-741X(2016)02-0206-06

DOI:10.3973/j.issn.1672-741X.2016.02.013

作者簡介：第一 厲紅星(1981—)，男，河南開封人，2006年畢業于遼寧工程技術大學，電氣工程及其自動化專業，本科，工程師，現從事供配電專業工程設計工作。E-mail: hongxing.li@163.com。

收稿日期：2015-10-26; 修回日期: 2015-11-26