变电所的系统接地和杂散电流

BUILDING

ELECTRICITY

摘要变电所变压器中性点出线的系统接地如果设置不当,其杂散电流可能引起电气火灾、地下金属部分被腐蚀、对信息技术设备的干扰、影响安装在配电盘内全面检测接地故障的电流互感器对“漏电火灾”报警的动作有效性等不良后果。本文依据新版国际电工标准对变电所系统(单电源TN 系统、多电源TN 系统)接地的设置和杂散电流的减小进行了简述。

关键词

系统接地

杂散电流

接地系统引出

电磁干扰

大家知道10/0.4kV 变电所内有电气设备外露导电部分的保护接地和低压侧中性点出线的系统接地两个接地。两个接地是合是分需视具体情况而定[1],本

文对此不作讨论。本文拟讨论的是另一个问题,即变压器低压侧中性点出线应是在出线处就地直接接地还

是在低压配电盘处接地。关于这个问题笔者曾依据IEC 603-1文稿(/1259/CD 基本原则、一般特性评价、定义2003)作过介绍[2]。现时对这个问题众

说纷纭,反映了在执行国家规范中难以操作。由于有关此问题的正式标准IEC 603-1(基本原则、一般特性评价、定义2005)已经发布,笔者拟按此正式IEC 标准,就个人理解所及补充一些介绍,供同行参考。

1单电源TN 系统内系统接地的设置

按IEC 603-1新标准的规定,对于单电源供电的TN -S 系统,其系统接地的设置如图1所示。如果此电源(变压器或发电机)经电源线路供其他建筑物的电气装置,则电源线路中的PE 线宜重复作系统接地,使PE 线更接近地电位。

当变电所以TN -C -S 系统给其他建筑物电气装置供电,在电源进线处将PEN 线分为PE 线和中性线时,则如图2所示,IEC 要求在电气装置的进线处需重复设置这一系统接地。

在上述单电源TN 系统内,IEC 603-1新标准

王厚余(中国航空工业规划设计研究院,北京市100011)

Wang Houyu (China Aeronautical Project and Design Institute ,Beijing 100011,China)

变电所的系统接地和杂散电流

Abstract If the system grounding coiled out of the neutral point of the transformer in the substation is installed improperly ,the stray current may arouse the harmful consequences such as electrical fire ,the corrosion on underground part of metals ,interference to information technical equipments and the influence on warning action ’s validity of the “electric leakage fire ”from the current transformer for overall detection of the grounding fault installed on the switchboard.In this paper ,according to new edition standard of IEC ,the system (single power supply TN system and multiple power supply TN system)grounding installation and reduction of the stray current in the substation have been briefly described.

Key words System grounding Stray current Grounding system leading out Electromagnetic inter ⁃

ference

图1单电源TN -S 系统接地的设置

Fig.1The installation of single power supply TN-S

system grounding

System Grounding and Stray Current in Substation

未提及变电所系统接地的具体连接位置。

2多电源TN 系统内系统接地的设置

大型电气装置只由一个电源供电(例如只由一台变压器供电)的情况是不多的,较多的是装用多个电源供电。在多电源的TN 系统中系统接地的设置比较复杂,在IEC 603-1新标准中,一多电源TN 系统的系统接地如图3所示。图中一电气装置由两个电源供电,这两个电源可以是同一个变电所的两台变压器,也可以是分处两地的两个变电所的两台变压器。

注:①不允许电源中性点直接就地接地。

②两电源中性点间的连接线必须加以绝缘,这根线

的作用类同PEN 线,但不得从这根连接线的回路上连接用电设备。

③只能在此处将此连接线和PE 线相连接而实现系统接地,此连接点可在多台变压器的变电所低压配电盘内,也可在电气装置电源进线的总配电箱内。

④电气装置内的PE 线可多次重复接地。

IEC 603-1新标准指出如果这种多电源系统设

计不当,部分中性线电流将流经不期望的途径返回电

源,可能引起电气火灾、地下金属部分被腐蚀以及对信息技术设备的干扰等不良后果。这一不期望的电流被称作杂散电流,如果按图3进行设计,则杂散电流仅限于电气装置的正常对地泄漏电流,其值甚小不足以引起危害。

笔者在文献[2]中引用的IEC 603-1文稿(/

1295/CD )列举的双变压器变电所系统接地的设置方案如图4所示。它与图3在①、②、③、④诸处规定的防止杂散电流的要求都是相同的。所不同的只是图

3的涵盖更广,它既适用于两个电源(变压器或发电机)同处一地的情况,也适用于两电源分处两地供电给一个电气装置的情况。

3杂散电流的产生

我国在电气设计和安装中不甚注意防范杂散电流的产生。变电所系统接地设置不当固然能产生杂散电流,在用户电气装置内设计安装不当也能产生杂散电流。例如在电气装置内将中性线和PE 线接反,中性线被重复接地,以及野蛮施工引起的相线、中性线绝缘破损故障接地等,都可引起杂散电流导致种种不良后果。最明显的不良后果则是漏电保护器RCD

(最多见的是电源进线处的总RCD )合不上闸或报警不止。

上述只是工频配电系统内的杂散电流,在

高频信

图2单电源TN -C -S 系统系统接地的设置Fig.2The installation of single power supply TN -C -S

system

grounding

图3多电源TN -C -S 系统内系统接地的设置Fig.3The installation of multiple power supply

TN -C -S system

grounding 图4IEC 列举的双变压器变电所系统接地的设置方案Fig.4Installation scheme of system grounding in double

transformer substation enumerated by

IEC

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息系统内也存在杂散电流的问题。虽然信息系统内采取了绝缘、隔离等防干扰措施,但在高频条件下不同回路导体间或隔离变压器一、二次绕组间形成的电容耦合仍然能产生高频杂散电流而引起干扰。这种杂散电流属高频电磁干扰范畴,本文不拟讨论,可参阅文献[1]第十四章。

4变电所变压器中性线出线就地直接接地引起的杂散电流

由于我国建筑电气业多年来对外交流沟通不够,技术理论相对滞后于国际上建筑电气技术的发展和进步,现时我国变电所设计中将变压器中性点出线就地直接接地的做法就是一例。我国将变压器中性点出线既在配电盘内接地,又在变压器处就地直接接地,这明显违反IEC 603-1新标准的规定(本文图3和图4①处的规定)而产生杂散电流,最易出现的一个不良后果是影响安装在配电盘内全面检测接地故障的电流互感器(图4③处虚线所示的电流互感器)对“漏电火灾”报警的动作有效性。

关于10/0.4kV 配电变电所低压侧系统接地的连接点,我国过去的电气规范并未作出规定。现时设计中的依据是《建筑电气工程施工质量验收规范》(GB 50303-2002)中的5.1.2条。该条规定如下:“接地装置引出的接地干线与变压器的低压侧中性点直接连接;接地干线与箱式变电所的N 母线和PE 母线直接连接;变压器箱体、干式变压器的支架或外壳应接地(PE )。所有连接应可靠,紧固件及防松零件齐全。”

按该条规定,变电所内系统接地和保护接地的实施当如图5所示。从图5可知变压器中性点出线被多

点接地,其供电范围内的中性线电流可沿多个途径返回电源,自然将引发杂散电流和其不良后果。

有的设计同行认真执行了该5.1.2条规定,认为变电所既然只有N 母线,那就不能引出TN -C -S 系统,所以引出的TN 系统全为五根线的TN-S 系统,造成了不必要的浪费。显然,这是该5.1.2条规定引起的另一误导。

关于GB 50303-2002标准笔者四年前曾献丑过

一篇材料[3],提出该标准存在的一些涉及设计要求的

不妥的规定。建议该标准仿照有关施工检验的

IEC 603-6-61标准,只写入检验施工质量的规定,不宜越俎代庖写入设计规定,以免政出多门,使设计人员无所适从,而不妥的规定则可能误导设计工作。现在看来这个问题是确实存在的。

5自同一变电所可引出除IT 系统外的各种接地系统

如果不按GB 50303-2002规定而按IEC 603-1新标准规定作系统接地,则如图6所示可引出除IT 系统外的各种接地系统。也许有的同行会提出一个问题,图6中变压器引出的已是PEN 线,那就不能引出TN -S 系统和TT 系统。关于这个问题笔者上世纪80年代曾询问过多位IEC 会议各国代表,他们一致

的回答是变电所内这段PEN 线很短,其阻抗和压降可忽略不计,因此可将变电所看成一个“电源点”而不计这段PEN 线的存在。笔者认为世上并不存在纯粹的或100%的TN -S 或T T 系统。因为至少在变压器内部三相绕组星形连接中性点引至出线套管的一段线上就既通过中性线工作电流,也通过所供电气

装置图5变电所多点系统接地产生杂散电流Fig.5Stray current produced by multi ⁃point system

grounding in the

substation

图6

按IEC 规定作系统接地,自同一变电所可引出除

IT 系统外的各种接地系统

Fig.6According to the stipulation of IEC ,various kinds of grounding systems except IT system can be led out from the same substation

在变电所设计中,我们习惯地沿墙脚敷设一圈“接地干线”,它连通配电盘的PE母排和接地极,起到总等电位联结中接地母排的作用。它与变电所内各电气设备外露导电部分就近连通以实现保护接地。这一圈“接地干线”应具有足够的截面以满足变电所内发生接地故障时大接地故障电流热稳定的要求。

6结束语

在本文图3所示的由分散的多电源点供电的TN 系统中,IEC规定电源间中性点的连接线应为PEN 线,且该回路不能接用电设备,这将使该回路经常闲置而不能产生效益。另外,各电源的PE母排需通过与此接地点的连接而接地,当系统内其他电气装置发生接地故障时,PE线上的故障电流将绕经这一系统接地的连接点返回电源,这又将增加故障回路的阻抗。虽然存在这些不足之处,但IEC603-1标准的多次文稿和最后通过的正式标准

603-4-44

(电压扰动和电磁干扰的防护2006)标准内所举都是图3所列的相同的规定,说明这些规定是经IEC多次讨论而慎重确定的。

上述两个IEC标准都提及这些规定是为避免系统接地设置不当,引起杂散电流和它产生的电磁场干扰信息系统而提出的。由于我们对高度敏感的信息系统的抗干扰要求的理论研究和实践经验都较缺乏,这需要我们进一步学习和理解有关IEC标准的规定和编制意图,以正确设置变电所的系统接地,避免杂散电流引起的不良以至严重的后果。

参考文献

1王厚余.低压电气装置的设计安装和检验.第二版.北京:中国电力出版社,2007:5-8,95-104.

2王厚余.TN系统PEN线接地和电源转换开关极数的确定.建筑电气,2004(2):3-5.

3王厚余.试论建筑电气工程施工质量的检验.建筑电气,2003(4):37-40.