民用建筑變電所內接地干線截面選擇

葉 興

[同濟大學建筑設計研究院(集團)有限公司, 上海 200092]

0 引 言

為了防止雜散電流帶來的危害,民用建筑變電所接地方式大多采用“一點接地”。對于“一點接地”的變電所環形接地干線截面選擇,不少業內的同行還是把其理解同“中性點直接接地”的選擇是一樣的。這其實存在誤區,因這種接地干線截面在設計過程中應該基于此處最大容量變壓器接地故障進行設計[1-2]。本文根據不同接地方式的變電所接地故障電流流向和計算來分析環形接地干線截面選擇的大小。

1 低壓配電系統的兩個接地方式

配電系統內一般都有兩個接地:電源端導體接地;負荷端外露導電體接地。在低壓配電系統中,前一種表現為變壓器、發電機相關繞組的接地,后者表現為用電設備金屬外殼相關部分的接地,二者的性質不同,分別被稱作為系統接地和保護接地[3-6]。

民用建筑變電所低壓側電源接地根據接地位置的不同,可以分為中性點直接接地和在低壓配電柜或總配電屏處與PE線一點接地[7]。

2 電源中性點直接接地方式

2.1 中性點直接接地方式的由來

過去相關民用建筑變電站二次側低壓電源中性點在何處接地,并沒有明確規定,一般情況下選擇中性點直接接地方式。GB 50303—2002《建筑電氣工程施工質量驗收規范》(目前已作廢)對此明文要求,其第4.1.3條規定:“變壓器中性點應與接地裝置引出干線直接連接,接地裝置的接地電阻值必須符合設計要求”,這就是常說的中性點直接接地方式的由來。GB 51348—2019《民用建筑電氣設計標準》對民用建筑變電所采用中性點直接接地的方式作出規定和要求,第12.4.11條規定:對于變電所只有一臺變壓器時,接地方式可采用“中性點直接接地”和“一點接地”;對于多電源系統,可采用上述兩種接地方式,但是對于采用“中性點直接接地”的系統,為防止雜散電流的干擾,所有主斷路器與母線聯結斷路器,均應選用4級斷路器。多電源TN系統采用直接接地的方式如圖1所示。

圖1 多電源TN系統采用直接接地的方式

采用4級斷路器可有效隔斷系統中的雜散電流,但是會大幅增加回路“斷零”危險,從而影響設備的正常運行。因此,工程設計中應謹慎采用。

2.2 中性點直接接地的接地故障電流分析

變電所內部的PE接地干線應按能承受預期的最大單相接地故障短路電流來選擇。短路點在一般情況下選擇在中性點出口套管處。多電源TN系統采用直接接地,出口處發生接地故障時故障電流流向如圖2所示。

圖2 多電源TN系統采用直接接地,出口處發生接地故障時故障電流的流向

由圖2可知,故障電流主要是經變壓器金屬外殼返回電源端,基本上不經過環形接地干線,此時接地干線為等電位聯結線。等電位聯結線在設計時一般選擇40 mm×4 mm熱鍍鋅扁鋼即可。PE接地干線最小截面選擇可按如下公式計算:

式中:S——截面積;

I——預期接地故障電流有效值;

t——保護電器自動切斷時的動作時間;

k——由PE、絕緣和其他部分的材料及初始和最終溫度決定的系數,按國家標準GB/T 50065—2011附錄G規定取值。

短路分析示意圖如圖3所示。

圖3 短路分析示意圖

考慮一般民用建筑供電電源的短路容量大部分在200 MVA以內,本文計算系統短路容量取200 MVA,低壓側出口母線長度取8 m,單相接地故障切除時間取0.6 s。

計算結果如表1所示,電纜、母線線路阻抗數據參考《工業與民用配電設計手冊》[7]。PE接地干線截面選擇如表2所示。

表1 計算結果

表2 PE接地干線截面選擇

3 采用“一點接地”

3.1 “一點接地”的由來和做法

GB 51348—2019把“一點接地”的方式納入了規范,結合GB/T 16895.1—2008《低壓電氣裝置 第1部分:基本原則、一般特性評估、定義》和IEC 60364-4-44:2007的規定,采用“接地”的接地方式時,電源中性點引出的PEN線只能在低壓配電柜或總配電屏處與PE線一點接地,在同一建筑物內不得在其他處接地。多電源一點接地系統設置方案如圖4所示。

圖4 多電源一點接地系統設置方案

接地相關要求:① 不應把變壓器或發電機中性點直接對地連接,即電源的中性點不允許直接接地;② 兩電源中性點對應的導線應該滿足一定絕緣性要求,其功能和PEN類似,不過不可從其回路連接用電設備;③ 在進行系統接地時只可以將此連接線和PE進行連接,此連接點可在多臺變壓器的變電所低壓配電盤內,也可在電氣裝置電源進線的總配電箱內;④ PE線進行接地時可重復接地。

由圖4可知,電氣設備處N線電流通過單一途徑回到電源A端,不會產生雜散電流。需要說明的是,變壓器中性線引出線在建筑物電氣裝置中并非中性線而是PEN線,因而在實際應用過程中應對此予以區分,進行更合理連接,滿足應用要求。整個低壓配電系統內的正常對地泄漏電流和發生接地故障時的對地故障電流都需通過它返回電源端,由于該導體具有中性線和PE線的功能,因而根據相關規范,其嚴禁斷開PEN線。因此,在變壓器的出線開關和母線上的聯絡開關不得裝設4級開關,以此來實現相應保護目的,滿足長期可靠運行相關要求。

3.2 “一點接地”的接地故障電流分析

當變電所內采用“一點接地”時,變壓器低壓側中性點套管出口處發生單相接地故障。多電源TN系統采用一點接地,出口處發生接地故障時故障電流流向如圖5所示,故障電流流經變電所內環形接地干線返回電源。發生單相接地故障時,要及時切斷短路電流,保證通過故障電流的導體短路時的動熱穩定性。因此,應按該處最大容量變壓器單相接地故障來選擇變電所內設置的環形接地和PE干線截面。

圖5 多電源TN系統采用一點接地,出口處發生接地故障時故障電流流向

根據上述分析,PE和環形接地干線截面選擇如表3所示。

表3 PE和環形接地干線截面選擇

4 結 語

(1) 民用建筑變電所內低壓電源側接地方式有“直接接地”及“一點接地”,為防止雜散電流帶來的危害,建議變電所內接地方式優先選擇“一點接地”。

(2) 當變電所內的接地方式采用“一點接地”時,變電所內環形接地干線截面應按該處最大容量變壓器接地故障來選擇;電源出線的總開關和聯絡開關應選用3級斷路器。

(3) 當變電所內的接地方式采用中性點直接接地時,變電所內的環形接地干線為等電位聯結線,通常選用40 mm×4 mm熱鍍鋅扁鋼即可。