多電源系統(tǒng)一點(diǎn)接地應(yīng)用思路分析

在多電源低壓系統(tǒng)中，為滿足電磁兼容(EMC)要求，不應(yīng)在變壓器或發(fā)電機(jī)的星形點(diǎn)直接對地連接，在諸電源相互連接的導(dǎo)體與PE導(dǎo)體之間，應(yīng)只連接一次，這一連接應(yīng)設(shè)在總配電柜內(nèi)(本文稱為“一點(diǎn)接地方式”)。此規(guī)定最早見于《低壓電氣裝置第1部分：基本原則、一般特性評估和定義》GB/T16895.1-2008(等同采用IEC60364-1:2005)312.2.1.2條,如圖1。在《低壓電氣裝置第4-44部分：安全防護(hù)電壓騷擾和電磁騷擾防護(hù)》GB/T16895.10-2021(等同采用IEC60364-4-44:2018)也有同樣規(guī)定。圖1多電源TN系統(tǒng)一點(diǎn)接地示意圖規(guī)范中強(qiáng)調(diào)了在對電磁兼容有要求的場所，應(yīng)采用一點(diǎn)接地方式，可以有效避免在接地導(dǎo)體中產(chǎn)生雜散電流，并可防止雜散電流引起的接地極腐蝕、火災(zāi)以及電磁干擾。柜內(nèi)一點(diǎn)接地方式不僅適用于多電源系統(tǒng)，也適用于單電源系統(tǒng)。電源中性點(diǎn)采用一點(diǎn)接地方式已經(jīng)逐漸為行業(yè)所接受。國標(biāo)圖集14D504《接地裝置安裝》中給出變壓器采用一點(diǎn)接地的具體做法。南方電網(wǎng)公司已針對多電源一點(diǎn)接地方式制定了典型設(shè)計(jì)方案，很好地推動了行業(yè)技術(shù)發(fā)展。下面對一點(diǎn)接地應(yīng)用中的一些問題進(jìn)行探討。

1對多電源系統(tǒng)的理解及變電室一點(diǎn)接地具體做法多電源系統(tǒng)包括以下兩種情況。(1)并聯(lián)運(yùn)行的多電源系統(tǒng)。例如多臺變壓器并聯(lián)運(yùn)行情況，此種方式國外應(yīng)用較多，國內(nèi)很少采用。隨著“雙碳”目標(biāo)下可再生能源的大力發(fā)展，建筑分布式電源和市電并網(wǎng)運(yùn)行的情況越來越多，例如建筑光伏發(fā)電系統(tǒng)在變壓器低壓側(cè)并網(wǎng)，構(gòu)成并聯(lián)運(yùn)行的多電源系統(tǒng)。此種情況下應(yīng)采用一點(diǎn)接地方式，否則正常運(yùn)行時(shí)會在接地系統(tǒng)中產(chǎn)生雜散電流。(2)非并聯(lián)運(yùn)行的多電源系統(tǒng)。多個(gè)電源平時(shí)分列運(yùn)行，且電源之間存在備用關(guān)系，并在電源端通過母線聯(lián)絡(luò)開關(guān)實(shí)現(xiàn)切換。典型應(yīng)用是兩臺變壓器在低壓側(cè)采用分段單母線主接線，設(shè)置2進(jìn)線1母聯(lián)方式。此種情況下推薦采用一點(diǎn)接地方式，進(jìn)線和母聯(lián)斷路器采用3極開關(guān)，如圖2。變壓器中性點(diǎn)不直接接地，而是通過在低壓柜內(nèi)，連接PEN和PE母排實(shí)現(xiàn)變壓器中性點(diǎn)的一點(diǎn)接地(IEC60364-8-2標(biāo)準(zhǔn)中定義此連接導(dǎo)體為參考導(dǎo)體)，此種方式類似于TN-C-S系統(tǒng)。正常情況下，饋線回路N線工作電流不會在接地導(dǎo)體中產(chǎn)生雜散電流；饋線回路發(fā)生接地故障時(shí)，故障電流流經(jīng)回路PE導(dǎo)體、一點(diǎn)接地連接點(diǎn)和PEN導(dǎo)體返回變壓器中性點(diǎn)，滿足導(dǎo)體熱穩(wěn)定的要求。變壓器外殼應(yīng)通過PE導(dǎo)體和低壓配電柜母排連接。變電室四周可以另敷設(shè)一圈環(huán)形接地導(dǎo)體作為總等電位聯(lián)結(jié)導(dǎo)體，因?yàn)椴皇墙拥毓收蠒r(shí)電流流經(jīng)的主要路徑，其截面最大按25mm2銅導(dǎo)體或具有等效熱穩(wěn)定截面的其他導(dǎo)體選擇，例如40×4鍍鋅扁鋼。變壓器中性點(diǎn)柜內(nèi)一點(diǎn)接地方式在此情況下是最經(jīng)濟(jì)、最合理的方式。圖2

變壓器中性點(diǎn)一點(diǎn)接地方式(兩臺變壓器中間帶母聯(lián))非并聯(lián)運(yùn)行的多電源系統(tǒng)也可采用中性點(diǎn)直接接地方式，如圖3，同樣以兩臺變壓器為例，變壓器中性點(diǎn)分別就近直接接地，從變壓器低壓側(cè)起，N和PE就嚴(yán)格分開，變壓器至低壓柜導(dǎo)體包括相導(dǎo)體、N和PE導(dǎo)體，此種方式可視為一個(gè)“純粹”的TN-S系統(tǒng)。為防止出現(xiàn)雜散電流，進(jìn)線和母聯(lián)斷路器都應(yīng)采用4極開關(guān)，較之一點(diǎn)接地方式成本增加。另外4極開關(guān)的使用也導(dǎo)致無法引出PEN導(dǎo)體，低壓系統(tǒng)無法配出TN-C和TN-C-S系統(tǒng)。圖3

變壓器中性點(diǎn)直接接地方式（兩臺變壓器中間帶母聯(lián)）需要注意的是，如果低壓系統(tǒng)中存在多個(gè)電源，每個(gè)電源供電給一定的范圍，各電源之間不存在聯(lián)絡(luò)或切換關(guān)系，此種情況下應(yīng)視為單電源系統(tǒng)，各電源單獨(dú)接地即可，無需按多電源一點(diǎn)接地方式處理。

2多電源一點(diǎn)接地點(diǎn)的設(shè)置要求多電源一點(diǎn)接地連接點(diǎn)應(yīng)位于總配電柜內(nèi)，連接導(dǎo)體應(yīng)采用母排進(jìn)行固定連接。連接母排需使用專用工具進(jìn)行連接或拆除，并在連接點(diǎn)設(shè)置不允許擅自拆除的警示標(biāo)識。連接母排的截面應(yīng)不小于總配電柜PE導(dǎo)體的截面，為便于今后檢修和維護(hù)，建議將一點(diǎn)接地連接點(diǎn)設(shè)于進(jìn)線柜或母聯(lián)柜內(nèi)。南方電網(wǎng)公司在《10kV及以下業(yè)擴(kuò)受電工程典型設(shè)計(jì)》(2018版)中給出了具體做法，見圖4。圖4中以兩臺變壓器2進(jìn)線1母聯(lián)方案為例，一點(diǎn)接地連接點(diǎn)位于進(jìn)線柜內(nèi)。在柜內(nèi)通過母排連接柜內(nèi)上方的PEN母排與下方的PE母排實(shí)現(xiàn)變壓器中性點(diǎn)的一點(diǎn)接地。進(jìn)線和母聯(lián)斷路器均采用3極開關(guān)。圖4南網(wǎng)典設(shè)中兩臺變壓器柜內(nèi)一點(diǎn)接地做法由于在整個(gè)系統(tǒng)中變壓器只通過此連接點(diǎn)對地連接一次，因此系統(tǒng)中任何一點(diǎn)發(fā)生接地故障或?qū)Φ匦孤╇娏鲿r(shí)，都會在此連接導(dǎo)體中產(chǎn)生電流。因此可在此連接導(dǎo)體上裝設(shè)一個(gè)電流互感器監(jiān)測整個(gè)低壓系統(tǒng)的對地電流(包括正常泄漏電流和接地故障電流)，由于具有特別高的靈敏度，其動作信號不宜直接動作于斷路器跳閘，宜作用于故障報(bào)警，可結(jié)合電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)的剩余電流監(jiān)測電器，共同確定故障情況，減少電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)誤報(bào)和漏報(bào)情況。

3一點(diǎn)接地方式是否要求建筑內(nèi)所有的變壓器都進(jìn)行一點(diǎn)連接？有一種觀點(diǎn)認(rèn)為，既然規(guī)范要求多電源系統(tǒng)采用一點(diǎn)接地方式，當(dāng)建筑物內(nèi)設(shè)有多個(gè)變電室或一個(gè)變電室內(nèi)設(shè)有2臺以上變壓器時(shí)，也要把所有變壓器中性點(diǎn)都連在一起進(jìn)行一點(diǎn)接地，這種做法合理嗎？可以通過分析接地故障電流路徑來判定其合理性。如圖5為4臺變壓器共用一點(diǎn)接地情況，1#和2#變壓器為一組，互為備用，中間設(shè)置母聯(lián)開關(guān)；3#和4#變壓器為另外一組變壓器，一點(diǎn)接地連接點(diǎn)設(shè)在其低壓柜內(nèi)。兩組變壓器分別位于兩個(gè)不同的變電室內(nèi)，兩個(gè)變電室之間距離為L。圖5

多臺變壓器中性點(diǎn)一點(diǎn)接地方式問題分析（4臺變壓器）當(dāng)1#變壓器某饋出回路發(fā)生接地故障時(shí)，故障電流要繞經(jīng)3#和4#變壓器低壓柜中的一點(diǎn)接地連接點(diǎn)才能流回1#變壓器中性點(diǎn)，接地故障回路阻抗大大增加，故障電流變小。當(dāng)兩組變壓器相距較遠(yuǎn)時(shí)，接地故障保護(hù)靈敏度將不能滿足要求，保護(hù)電器不能在規(guī)定時(shí)間內(nèi)切斷電源。從圖5可以看出，多電源一點(diǎn)接地方式不能簡單地理解為把所有變壓器中性點(diǎn)連接在一起進(jìn)行接地。實(shí)際上，只需將具有母聯(lián)關(guān)系的各組變壓器分別進(jìn)行一點(diǎn)接地即可，就可以實(shí)現(xiàn)在接地導(dǎo)體中沒有雜散電流、故障的正常情況下滿足保護(hù)靈敏度的要求。4柴油發(fā)電機(jī)組是否采用一點(diǎn)接地方式？當(dāng)柴發(fā)機(jī)房和變電室貼臨布置時(shí)，柴發(fā)機(jī)組可和變壓器采用一點(diǎn)接地方式，如圖6。圖6中左側(cè)母線段為正常母線段；右側(cè)母線段為應(yīng)急母線段，市電和柴發(fā)電源雙路輸入，并設(shè)置ATSE轉(zhuǎn)換開關(guān)互投。正常情況下應(yīng)急母線段由變壓器供電，應(yīng)急情況下由柴發(fā)機(jī)組供電。柴發(fā)機(jī)組中性點(diǎn)不直接接地，而是通過變電室低壓柜內(nèi)的接地連接點(diǎn)實(shí)現(xiàn)一點(diǎn)接地，連接變壓器中性點(diǎn)和柴發(fā)機(jī)組中性點(diǎn)的導(dǎo)體為PEN導(dǎo)體。在柴發(fā)機(jī)組供電情況下，當(dāng)應(yīng)急母線段出線回路發(fā)生接地故障時(shí)，故障電流要流經(jīng)圖6中的相導(dǎo)體、接地故障點(diǎn)、PE導(dǎo)體、一點(diǎn)接地連接點(diǎn)和PEN導(dǎo)體返回柴發(fā)機(jī)組中性點(diǎn)，變壓器和柴發(fā)機(jī)組的切換開關(guān)應(yīng)為3極開關(guān)。如果采用4極開關(guān)，來自變壓器的PEN導(dǎo)體斷開，故障電流將無法導(dǎo)通，保護(hù)開關(guān)無法動作。圖6柴發(fā)機(jī)組和變壓器采用一點(diǎn)接地方式（轉(zhuǎn)換開關(guān)為3極開關(guān)）《民用建筑電氣設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》GB51348-2019中7.5.3條規(guī)定：正常供電電源與備用發(fā)電機(jī)之間的電源轉(zhuǎn)換開關(guān)應(yīng)釆用4極開關(guān)。該標(biāo)準(zhǔn)未考慮變壓器和柴發(fā)機(jī)組進(jìn)行一點(diǎn)接地的情況。根據(jù)以上的分析，并參考兩臺變壓器一點(diǎn)接地情況，可以看出：(1)當(dāng)柴發(fā)機(jī)房和變電室鄰近布置時(shí)，在滿足故障保護(hù)靈敏度的情況下，正常供電電源與柴油發(fā)電機(jī)組理論上可以采用一點(diǎn)接地方式，電源轉(zhuǎn)換開關(guān)應(yīng)釆用3極開關(guān)。(2)當(dāng)柴油發(fā)電機(jī)和變電室相距較遠(yuǎn)時(shí)，柴發(fā)機(jī)組宜采用就近直接接地方式，如圖7。此種情況下市電和柴發(fā)機(jī)組的切換開關(guān)應(yīng)為4極開關(guān)。在實(shí)際工程中，柴發(fā)機(jī)組通常作為應(yīng)急電源，為保障其作為獨(dú)立電源的可靠性，建議柴發(fā)機(jī)組中性點(diǎn)在發(fā)電機(jī)房直接接地，不和變壓器采用一點(diǎn)接地方式。圖7柴發(fā)機(jī)組就近直接接地方式（轉(zhuǎn)換開關(guān)為4極開關(guān)）(3)當(dāng)柴發(fā)機(jī)房內(nèi)設(shè)有多臺低壓發(fā)電機(jī)組并機(jī)運(yùn)行時(shí)，為防止運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)雜散電流，各臺柴發(fā)機(jī)組中性點(diǎn)不應(yīng)直接接地，而應(yīng)該在并機(jī)配電柜內(nèi)實(shí)施一點(diǎn)接地方式，見圖8。圖8多臺柴發(fā)機(jī)組一點(diǎn)接地示意圖5多電源系統(tǒng)不宜采用一點(diǎn)接地方式的情況在一些供電可靠性要求特別高的特殊場所，為保證不同電源之間的相互獨(dú)立，減少相互影響，不宜采用一點(diǎn)接地方式。例如在A級數(shù)據(jù)中心供配電系統(tǒng)中，根據(jù)《數(shù)據(jù)中心設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50174—2017要求，容錯(cuò)配置的變配電設(shè)備應(yīng)分別布置在不同的物理隔間內(nèi)(圖9)。1#和2#變壓器分別布置在兩個(gè)不同的變電室，如采用一點(diǎn)接地方式，當(dāng)連接點(diǎn)所在的變電室發(fā)生火災(zāi)、爆炸等嚴(yán)重事故時(shí)，可能因配電柜損壞導(dǎo)致一點(diǎn)接地失效，另一個(gè)變電室的變壓器中性點(diǎn)接地同時(shí)失效，系統(tǒng)安全運(yùn)行受到影響。因此一點(diǎn)接地方式不能保證兩個(gè)電源不同時(shí)受影響，同數(shù)據(jù)中心容錯(cuò)配置物理隔離的要求不相匹配。此種情況下建議兩個(gè)變壓器分別就近直接接地，從變壓器出線處開始為TN-S系統(tǒng)，進(jìn)線和母聯(lián)開關(guān)采用4極開關(guān)。當(dāng)一個(gè)變壓器中性點(diǎn)接地失效時(shí)，另一個(gè)變壓器不受影響。需要注意的是，此種方式下，兩個(gè)變電室還應(yīng)分別設(shè)置一個(gè)母聯(lián)開關(guān)，最大限度保證容錯(cuò)配置電源的保護(hù)有效性。柴油發(fā)電機(jī)作為獨(dú)立于市電的電源，在供電可靠性要求高的場所，也不宜和變壓器采用一點(diǎn)接地方式，在此不再贅述。圖9A級數(shù)據(jù)中心變電室接地示意圖6分布式可再生能源需要進(jìn)行一點(diǎn)接地嗎?民用建筑中分布式可再生能源一般和市電并網(wǎng)運(yùn)行(例如光伏發(fā)電)，為避免出現(xiàn)雜散電流，需要進(jìn)行一點(diǎn)接地。由于可再生能源逆變器相對市電變壓器容量較小，而市電變壓器中性點(diǎn)在變電室已經(jīng)進(jìn)行了接地，因此可再生能源的逆變器交流側(cè)中性點(diǎn)接地應(yīng)利用變壓器中性點(diǎn)進(jìn)行接地，兩者之間通過回路導(dǎo)體連接即可。對于平時(shí)并網(wǎng)且可局部孤島運(yùn)行的可再生能源發(fā)電系統(tǒng)，如圖10。正常運(yùn)行時(shí)和市電進(jìn)行一點(diǎn)接地。孤島運(yùn)行時(shí)，4P并網(wǎng)切換開關(guān)斷開至變壓器中性點(diǎn)的連接導(dǎo)體，并通過聯(lián)動閉合N和PE之間的系統(tǒng)接地切換開關(guān)(單極)，實(shí)現(xiàn)可再生能源的系統(tǒng)接地。圖10