TN系统电源中性点接地方式探讨

TN系统电源中性点接地方式探讨

崔宏立

中国空分工程有限公司浙江杭州310051

摘要：本文针对多电源系统的概念理解和两种电源中性点接地做法的优缺点及适用范围进行简要分析，对一些不正确的“一点接地”接线做法进行调整和优化。

关键词：TN系统；单母线分段接线；多电源系统

一、两台变压器单母线分段接线的中性点接地方式

1、多电源系统一点接地接线做法的目的

多电源系统一点接地接线做法的主要目的是应避免工作电流流过不期望的路径，与四极电源转换开关的目的相同：避免中性导体产生分流（包括在中性导体流过的3次谐波及其他高次谐波），这种分流会使线路上的电流矢量和不为零，以致线路周围产生电磁场及电磁干扰。采用四极开关可保证中性导体电流只会流经相应电源开关的中性导体，避免中性导体产生分流和在线路周围产生电磁场及电磁干扰。GB/T16895.1-2008/IEC60364-1：2005《低压电气装置第1部分：基本原则、一般特性评估和定义》指出：对于一个具有多电源的TN系统，在设计不适当的情况下，一些工作电流就可能通过不期望的路径流通，这些电流可能引起火灾、腐蚀、电磁干扰。解决中性导体上产生分流的关键是避免中性导体与保护导体之间形成环路。用电设备的保护导体可以多次接地，因此TN系统中性导体只允许与保护导体在一点连接。图1和图2的两种接线方式均可避免中性导体与保护导体之间形成环路，不会在中性导体上产生分流，两种接线方式均可满足规范功能的要求。

图1单母线分段接线一点接地接线图Ⅰ

图2单母线分段接线直接接地接线图

2、采用三极开关的多电源系统一点接地接线方式

图1为部分业内同行常用的多电源TN系统单母线分段一点接地接线图。图中，PEN导体只在一点（一般在联络开关的配电屏内）与PE导体连接，不会出现工作电流流过不期望的路径的情况。然而，这种接线方式并不能满足GB/T50065-2011《交流电气装置的接地设计规范》中变压器的中性点或发电机的星形点之间相互连接的导体应绝缘，且不得将其与用电设备连接的要求，图中对“总配电屏”的表达也需要斟酌。GB/T16895.10-2010/IEC60364-4-44：2007《低压电气装置第4-44部分：安全防护电压骚扰和电磁骚扰防护》规定：变压器的中性点或发电机的星形点之间相互连接的导体应是绝缘的，这种导体的功能类似于PEN，然而，不得将其与用电设备连接，为此需在其上或其旁设置警示牌。JGJ16-2008《民用建筑电气设计规范》第12.2.2条和第12.2.3条规定：TN系统保护导体或保护接地中性导体应在靠近配电变压器处接地。采用TN-C-S系统时，当保护导体与中性导体从某点分开后不应再合并，且中性导体不应再接地。TN-C-S系统中，PEN导体在第一个接地点分为PE导体和N导体，用电设备应在第一个接地点之后接入配电系统，PEN导体不应与用电设备直接连接。当发生接地故障时，由于PEN导体上流过故障电流，此时接入PEN导体的用电设备的中性线上可能出现危险的故障电压，危及电气检修人员的安全。GB/T50065-2011《交流电气装置的接地设计规范》图7.1.2-8（见图3）中用电设备均不与电源中性点之间相互连接的导体进行连接，且接地点设在靠近电源处的总配电屏内。针对上述存在的问题，为全面满足规范和图示的要求，笔者调整和优化了多电源TN系统单母线分段接线一点接地的接线图（见图4）。图4中，两台变压器的中性点处不直接对地连接；中性点之间相互连接的导体（PEN）为绝缘导体，且不与用电设备直接连接；变压器中性点间相互连接的PEN导体与PE之间，仅在一点连接，此连接点设置在由两台进线开关（QA1、QA2）和联络开关（QA3）组成的总配电屏内；对装置的PE导体可另外增设接地。TN系统的保护导体应在靠近变压器的中性点处接地，针对图4的接线方式，配变电所的设备布置和接地做法推荐采用以下两种方式：

a.低压配电柜采用单排布置时，进线柜与联络柜应相邻布置，且宜布置在单排布置的低压配电柜的中部。变压器的中性点间相互连接的PEN导体在联络柜内与PE导体之间进行一点连接，并与配变电所内等电位联结端子板连接，通过引下线接入建筑接地网。变压器宜单独布置，其位置应尽量靠近低压进线柜，见图5。

b.低压配电柜采用双排布置时，两台进线柜应布置在同侧且满足规范允许的最小间距的要求，联络开关宜设置在其中一台进线柜内。变压器中性点间相互连接的PEN导体与PE导体之间在联络开关所在的进线柜内一点连接，两台进线柜内的PE导体均可与配变电所内等电位联结端子板连接，见图6。图6明确了一个概念：“一点接地”并不是指多电源系统只能有一个接地点，而是指针对构成多电源系统的各个电源，中性点间相互连接的导体与PE导体之间应只一点连接。TN系统中PE导体宜多点接地。

图3多电源系统一点接地示意图

图4单母线分段接线一点接地接线图Ⅱ

图5配变电所平面布置图Ⅰ

图6配变电所平面布置图Ⅱ

3、采用四极开关的电源中性点直接接地接线方式

图2为采用四极开关的电源中性点直接接地接线图。图中，两台进线开关（QA1、QA2）和联络开关（QA3）之间具有最多只允许闭合两台开关的闭锁要求，因此在各种运行的工作状态下，两段母线的N导体与PE导体之间只有一点连接，避免了中性导体产生分流。值得一提的是，当采用此接线方式时，由于变压器中性点接地位置发生变化，四极开关切断的是中性导体N而不是保护接地中性导体PEN。

4、两种接线方式的比较

a.两种接线方式均可满足规范功能的要求。变压器中性点无论采用一点接地的接线方式还是直接接地的接线方式，均可避免中性导体产生分流。变压器中性点接地同时具备保护性接地和功能性接地的作用，TN系统变压器的中性点直接引出PEN导体或PE导体，所有电气设备的外露可导电部分通过PEN导体或PE导体与变压器中性点直接连接，由于PEN导体或PE导体的阻抗远小于接地网阻抗，接地故障电流主要是通过PEN导体或PE导体返回变压器中性点，因此，变压器中性点接地的接线方式不会对保护性接地产生较大的影响。两种接线方式本质上只是接地点位置的不同，变压器中性点与接地网之间通过接地线或PEN导体+接地线进行连接，当满足接地电阻要求时，均可实现功能性接地。

b.一点接地的接线方式安装简单，只需要在总配电柜内采用绝缘导体将保护接地中性导体与PE导体一点连接即可，成本较低。变压器的中性点通过PEN导体与配变电所总等电位端子板相连，在正常工作时，PEN导体上会流过三相不平衡电流、3次谐波电流及其他高次谐波电流，从而导致变压器中性点存在对PE导体的电位差。两台变压器中性线上流过的电流大小不同，变压器中性点与PE导体连接点之间距离也不相同，因此两台变压器中性点之间也存在电位差。一般情况下，同一配变电所内单母线分段接线的两台变压器与低压进线柜为靠近布置，低压配电系统中配电线路上的电压降一般不大于该回路标称电压的5%，而PEN导体上的电压降又仅占线路电压降的一小部分，在正常工作时，上述存在的电位差不会大于接触电压限值给电气检修人员带来潜在的电击危险。

c.直接接地的接线方式本质上是将单母线分段接线转换为单电源系统。在低压进线柜的进线开关的上端必须将保护导体与中性导体分开。由于采用了切断中性导体的四极开关，在较大程度上降低了电气检修人员的电击危险，但成本会有所增加。中性导体上设置开关触头可能引起“断零”，导致烧坏大量单相用电设备的事故。王厚余先生曾经两次撰文《四极开关应慎用》和《再论四极开关的应用》论述了“断零”的危害。单母线分段接线在正常情况下两台变压器分列运行，仅当变压器检修或者一个电源发生故障时，断开检修或故障变压器的低压进线开关，闭合联络开关达到电源转换的目的，进线开关、联络开关动作的次数很少。完善的维护检修措施可以避免“断零”故障的发生，随着断路器制造工艺的发展和四极电源转换开关在工程中的大量使用，对于“断零”故障的解决措施也越来越完善。

d.供配电系统应做到安全可靠、经济合理、技术先进、安装维护方便。综上分析，在同一配变电所内，多电源系统在总配电屏内一点接地是TN系统单母线分段接线的变压器中性点接地方式的优选推荐做法。

二、适用的范围

1、同一配变电所内可以同时存在多电源系统和单电源系统

单母线分段接线可以通过四极开关转换为单电源系统，图2分析表明，两个单电源系统采用直接接地的接线方式，不会在中性导体上产生分流。“多电源系统”仅针对电源中性点接地处母线段上的用电设备而言，与配变电所内总电源数量无关。同一配变电所内，当同时有单母线分段接线的多电源系统和单电源系统时，图7为略去相导体后的接线示意图，用于分析电磁兼容性问题。

图7多电源系统与单电源系统混合接地示意图

由于各台变压器的中性导体N或保护接地中性导体PEN与保护导体PE之间只有一点连接，N导体上工作电流的走向（图中箭头所示）均直接流向变压器中性点，不会产生分流和杂散电流，与总电源的数量以及单母线分段接线的运行方式无关。同理，对于多个单母线分段接线的多电源系统或者多个单电源系统，只需按各自系统的接线方式进行接地，不应将各自系统组合在一起进行一点接地。否则，反而将接地系统接线变得复杂，带来更多的隐患。

2、两座配变电所之间不应采用一点接地的接线方式

两座配变电所向工程项目的一级负荷和二级负荷供电的情况一般有以下3种：①由两座设在工程项目以外，具有独立接地系统的配变电所供电；②由一座设在项目以外的配变电所和一座设在项目内的配变电所供电；③由两座设在项目内的配变电所供电。对于两台距离较远、具有独立接地系统的变压器的中性点而言，无论是采用TN-C-S接地系统或是采用TT接地系统，根据保护接地和功能接地的要求，两台变压器的中性点均应在各自独立的接地系统中直接接地。TT系统的电源进线开关应采用四极开关，当两台变压器分别采用TN-C-S接地系统和TT接地系统时，对于两种不同接地系统间的电源转换开关应采用四极开关。对于项目内采用TN-C-S接地系统且共用接地网的两座配变电所而言，当采用一点接地的接线方式时，变压器的中性点之间相互连接的导体只允许与PE导体一点连接，这必然会导致其中一座配变电所的PEN导体不能在配变电所内与PE导体以及总等电位联结端子板连接。当发生接地故障时，配电回路的故障电流将流经另一座配变电所的PE、PEN导体再返回配电回路所在配变电所的变压器中性点。JGJ16-2008《民用建筑电气设计规范》第12.6.6条规定：总等电位联结端子板应与PE（PEN）干线可靠连接。一点接地的接线方式显然不能满足要求。

结束语：

TN系统电源中性点接地方式应在正确理解多电源系统的概念和适用范围的前提下，对接地方式的接线做法进行分析，确保在任何情况下中性导体与保护导体间只有一点连接。在同一配变电所内，多电源系统在总配电屏内一点接地，是TN系统单母线分段接线的变压器中性点接地方式的优选推荐做法。

参考文献：

［1］中国电力科学研究院.GB/T50065-2011交流电气装置的接地设计规范［S］.北京：中国计划出版社，2012.

［2］中国建筑东北设计研究院.JGJ16-2008民用建筑电气设计规范［S］.北京：中国建筑工业出版社，2008.