TN接地系統在化工工程中應用及故障保護的研究

李學棟

（天津渤化工程有限公司，天津300193）

現代化迅速發展的今天，我國由“化工大國”向“化工強國”逐步發展，電能已成為必不可缺的重要能源。眾所周知，化工項目中大部分為甲、乙、丙類生產環境，較多變配電站、車間配電站及部分相關公用工程輔助設施，如循環水站、IT 機房、民用辦公樓等。在用電中的問題，也對化工企業發展造成了影響，甚至威脅到安全。低壓配電系統接地，一個看似簡單實則很有難度的工程，它不僅影響配電系統穩定、用電設備運行，更關系到用電安全。

低壓配電系統的接地形式分為IT、TT、TN 系統，其中 TN 系統又包含 TN-C、TN-S、TN-C-S 系統。面對具體問題時，選擇適合具體情況的低壓配電系統，則整個系統的可靠性就能得到一定的保證。但在實際應用中，還是存在選擇接地形式原則不明的現象出現，這埋下了很多事故隱患。本文僅對TN 系統幾種分支的特點進行簡要分析；對其適用化工項目各種生產環境進行簡要介紹，分析TN 系統接地故障保護的原理及關鍵點。

1 TN接地系統

具體來說，TN 系統中性點直接接地，電氣設備外露可導電部分通過保護導體與該點連接，我們又把此系統稱為保護接零。中性線和保護線有不同的整合方式，按照這種方式，我們可以把TN接地系統分為TN-C 系統、TN-S 系統及TN-C-S系統。

在TN 系統中，發生單相接地故障時故障電流大，可使保護裝置動作，切除故障。這是依靠電流作用來設計低壓系統的一個重要考察因素[1]。

1.1 TN-C接地系統

原理：此系統中，中性線和保護線共用了一條線（PEN），我們不僅可以把接三相用電設備用到這種系統上，還能把單相用電設備也用上去。

在用電的過程中，若發生斷相或三相不平衡，則與PEN 線連接的設備外殼上就會產生較高電壓，這種高電壓會造成安全隱患。若發生的是單相短路，則與PEN 線連接的設備外殼上會產生較大的故障電流，安全性較低。

應用分析：對于TN-C 系統，如在系統中存在一個單相回路，若PEN 先中斷時，設備金屬外殼對地有220V 的故障電壓，觸電危險性較大。220V電壓傳導路徑見圖1。

圖1

PEN 線有中性線電流產生電壓降，使所接設備外殼對地帶電位。化工企業中較多為爆炸危險環境，此電位可能在此環境中打火引發火災爆炸危險。IEC 標準規定易爆場所不允許出現PEN 線和TN-C 系統。考慮以上不安全因素，目前化工項目很少采用TN-C 系統[2]。

1.2 TN-S接地系統

原理：此系統中，中性線和保護線均為單獨導體，即在電源中性點處方分開成兩條導體。

TN-S 系統無論N 線還是PE 線斷線，設備外殼均不會帶電。系統三相不平衡時，設備外殼也不會產生高電壓，安全性很高[3,4]。

應用分析：變配電室等建筑內可將35～6kV/0.4kV 變壓器中性點直接接地后，低壓配電系統接地采用TN-S 形式。應用此系統，PE 導體正常沒有工作電流通過，也不會帶電位，也不會對信息技術設備造成干擾。只有對地故障時PE 線通過故障電流，電氣設備的外露導電部分對地正常下幾乎沒有電位，十分安全可靠，不會引起火花造成火災爆炸危險，但會在配線回路通長多用一條導線。

特別適用于化工項目中對低壓電氣設備供電的配電變壓器的下列場所：①特別是有爆炸、火災危險性大的場所；②較多非線性負荷或較大單相負荷的工業廠房；③對防電擊或供電連續性要求較高的民用建筑；④電磁兼容性要求較高的辦公樓、計算機房等場所。

1.3 TN-C-S接地系統

原理：此系統中，中性線和保護線在低壓電氣裝置電源進線點前共用，在建筑物進線點后分為兩根，且這兩條線分開之后就不可再次合一，在分開時，須對PEN 線做重復接地處理。

應用分析：對于內部未設置配電變壓器的民用建筑、較多非線性負荷和較大單相負荷的工業廠房等化工項目，均適用此系統。此外由于此系統在電源進線點前為PEN 線，則當N 線與PE 線分開后，兩者的電壓差較TN-S 系統要小，對一些比較敏感的信息設備干擾也較小。此系統兼具TN-C 和TNS 系統的特點，既有不輸于TN-S 系統的安全性、還能節約電源進線中的一根PE 線。綜上所述,當建筑物低壓配電采用TN 系統時宜采用TN-C-S 系統。

2 TN系統的接地故障保護

TN 系統接地故障保護的動作特性滿足下面公式要求：

Zs·Ia≤U0

Zs--接地故障回路的阻抗（Ω）；

Ia--保證保護電器在規定的時間內自動切斷故障回路的電流（A）；

U0--相線對地標稱電壓（V）。

一般來說，在TN 系統中發生的不同的接地故障中，金屬性短路故障發生的可能性最大。因該種故障產生的電流較大，所以我們必須采用一定的措施來防止故障發生[5]。比如我們在化工項目中用像熔斷器、低壓斷路器、智能馬達保護器這種保護電器來防止故障發生，我們又可以把它稱為接地故障保護。

相關規范規定：供移動式和手握式設備的末端線路或插座回路，其切斷故障回路時間不應大于0.4S；僅供固定式用電設備的末端線路或配電線路，其切斷故障回路時間不宜大于5S[6,7]。

3 采用斷路器過電流保護兼作接地故障保護不能滿足要求時的應對策略[8]

為了能夠提高在發生故障的時候，TN 系統接地故障能夠快速反應，我們可以從以下2 個角度來思考問題：

3.1 提高接地故障電流值

3.1.1 我們要把原來用的Yyn0 接線組別的變壓器換成更為合適的Dyn11 接線組別變壓器，這是因為相比較于Dyn11 接線而言，Yyn0 接線零序會發生的阻礙會小的很多。

3.1.2 相導體的截面太小，需要增大截面。

3.1.3 降低線路上的電流，即改變線路的結構。

3.2 降低保護電器的動作電流值

3.2.1 采用熔斷器或使用的斷路器有短延的作用。

3.2.2 除了諧波電流較大的線路之外，斷路器用帶零序電流保護的。

3.2.3 除了TN-C 系統之外，用來截斷電流的設備可以用帶有剩余電流保護。

3.3 實施保護性等電位聯結

要想使得接地故障保護能夠發生作用時，我們必須實行保護性等電位連結，其包括總等電位聯結、輔助等電位聯結和局部等電位聯結。

假如在配電線路中，已經用了漏電保護器RCD，那么等電位聯結就必須存在。因為，在TN系統中，PEN 線發生事故時中性點對地電壓會升高，電流會沿PE 線導入到其他設備的保護殼上,導致安全事故的發生。此情況下,即便裝設了RCD 也不能產生什么作用。如在TN-C 系統中，PEN 線穿過RCD，會因接地故障電流所產生的磁場在RCD 中相互抵消引起RCD 拒絕動作。

采用等電位聯結作用是解決電壓超過規定的安全值。在有高壓觸電危險場所的安全電壓為36V，無高壓觸電危險場所的安全電壓為24V。在有導電塵埃、高溫、潮濕和金屬容器內工作時，安全電壓為12V。

至于在化工項目的建、構筑物內實施總等電位聯結的好處，我們做了如下總結：①降低估計的接觸電壓；②建筑物外部無意進入的危險電壓導致的風險的概率被大大減低；③有效降低了因為保護電器動作的不可靠因素而帶來危險的可能性。

4 結語

綜上所述，化工項目中可根據不同的場所選擇不同的低壓接地方式。低壓配電系統的接地是影響化工企業安全生產、平穩運行的較大因素。因為接地故障保護沒做好而導致的安全事故不在少數，人們對于他的重視才開始漸漸提高起來。設計過程中，盡可能各種方案配合使用、靈活應用，從而有效的阻止TN 系統接地故障的發生，提高了化工企業的安全生產。