低壓柴油發(fā)電機(jī)的接地設(shè)計(jì)

武漢東研智慧設(shè)計(jì)研究院有限公司南方公司 秦江杰

電氣專(zhuān)業(yè)引發(fā)的火災(zāi)占總數(shù)的1/3以上，而其中主要原因是電氣短路，約占電氣火災(zāi)總數(shù)的40%以上，數(shù)據(jù)出自《電力工程電氣設(shè)計(jì)手冊(cè)》（電氣一次部分），導(dǎo)致這些電氣事故的原因部分來(lái)自不合理的系統(tǒng)接地的設(shè)計(jì)。大型公共建筑、民用建筑往往設(shè)置了相當(dāng)數(shù)量的消防設(shè)備，如排煙風(fēng)機(jī)，消防水泵等，其備用電源大多源自自備低壓（400V，下同）柴油發(fā)電機(jī)組。另外，一些不允許停電的二級(jí)負(fù)荷、一級(jí)負(fù)荷的電源也會(huì)引自柴油發(fā)電機(jī)組[1]。

1 目前低壓柴油發(fā)電機(jī)組設(shè)計(jì)中存在的問(wèn)題

圖1為東莞某工業(yè)項(xiàng)目柴油發(fā)電房示意圖，由于該項(xiàng)目對(duì)備用電源容量要求較大，故設(shè)置了7臺(tái)1000kW柴油發(fā)電機(jī)組，其接線(xiàn)示意圖如圖2所示。由圖2可知，7臺(tái)發(fā)電機(jī)組分別以3臺(tái)并聯(lián)或2臺(tái)并聯(lián)方式接入電力系統(tǒng)，設(shè)計(jì)過(guò)程中，筆者發(fā)現(xiàn)既有常規(guī)的做法存在著一些問(wèn)題，下文以3臺(tái)發(fā)電機(jī)并聯(lián)為例，對(duì)其接地做法進(jìn)行探討。

圖1 東莞某項(xiàng)目柴油發(fā)電機(jī)房布置圖

圖2 東莞某項(xiàng)目柴油發(fā)電機(jī)系統(tǒng)圖

為便于分析對(duì)電流的參考方向作出下列規(guī)定：相線(xiàn)（IL1，IL2，IL3）電流從電源側(cè)（柴油發(fā)電機(jī)組）流向負(fù)載；零線(xiàn)電流（IN）從負(fù)載側(cè)流向電源側(cè)（柴油發(fā)電機(jī)組中性點(diǎn)）；地線(xiàn)電流從故障發(fā)生點(diǎn)流向電源側(cè)（柴油發(fā)電機(jī)組中性點(diǎn)）。在系統(tǒng)正常運(yùn)行狀態(tài)下，低壓配電系統(tǒng)的中性線(xiàn)中存在的工作電流為三相不平衡負(fù)荷電流和零序諧波電流，此電流流向中性點(diǎn)，不會(huì)流經(jīng)接地導(dǎo)體，產(chǎn)生分流。如圖3所示。

圖3 正常工作時(shí)電流流向示意圖

發(fā)生故障時(shí)，因?yàn)槿喽搪坊騼上喽搪匪a(chǎn)生的短路故障電流并不會(huì)流過(guò)接地導(dǎo)體，所以只需要考慮對(duì)地短路的情形。如圖4所示，當(dāng)系統(tǒng)中發(fā)生單相接地短路故障時(shí)，故障電流經(jīng)由地線(xiàn)流向中性點(diǎn)。此時(shí)，接地線(xiàn)截面積應(yīng)當(dāng)滿(mǎn)足短路電流熱穩(wěn)定要求，接地導(dǎo)體的布置應(yīng)使故障回路阻抗盡量小，使故障電流滿(mǎn)足過(guò)電流保護(hù)電器動(dòng)作靈敏度要求。由圖4中電流流向可知，中性點(diǎn)的接地導(dǎo)體（PE-接地端子）并不會(huì)流過(guò)故障電流，故其截面不必選太大，按照總等電位聯(lián)結(jié)導(dǎo)體的最大截面（如40mm×4mm鍍鋅扁鋼）。新版《建筑電氣常用數(shù)據(jù)》（19DX101-1）將變壓器低壓側(cè)中性點(diǎn)接地線(xiàn)選擇刪除很可能也是基于這個(gè)原因[2]。

圖4 接地故障時(shí)電流流向示意圖

本工程柴油發(fā)電機(jī)接地系統(tǒng)原做法如圖5所示，3臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)系統(tǒng)主開(kāi)關(guān)均采用3極開(kāi)關(guān)，柴油發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)通過(guò)接地線(xiàn)直接引至室內(nèi)接地極。配電室周?chē)拥馗删€(xiàn)采用40mm×4mm鍍鋅扁鋼，并且和發(fā)電機(jī)外殼PE導(dǎo)體進(jìn)行了連接。

圖5 東莞某項(xiàng)目柴油發(fā)電機(jī)房接地系統(tǒng)原做法

通過(guò)電流路徑分析，可以發(fā)現(xiàn)如下問(wèn)題：發(fā)電機(jī)在正常運(yùn)行狀態(tài)下時(shí)，由于三相負(fù)載之間存在不平衡度、有功負(fù)載分配的不平衡度、無(wú)功負(fù)載分配及功率因數(shù)的差異程度及諧波的影響，N線(xiàn)可能存在著雜散電流，此電流會(huì)通過(guò)PE接地線(xiàn)形成環(huán)流。當(dāng)只有柴油發(fā)電機(jī)1處于正常運(yùn)行狀態(tài)下時(shí)，設(shè)N線(xiàn)電流經(jīng)過(guò)分流為IN1、IN2，IN2再經(jīng)過(guò)柴油發(fā)電機(jī)2和柴油發(fā)電機(jī)3分流為IN21、IN22，且IN2=IN21+IN22，同理經(jīng)過(guò)PE線(xiàn)再次分為：IN21=IN211+IN212，IN22=IN221+IN222。此時(shí)，接地干線(xiàn)存在電流IN211+ IN221，有可能造成腐蝕情況，嚴(yán)重時(shí)甚至可能產(chǎn)生火災(zāi)事故。

當(dāng)柴油發(fā)電機(jī)2或柴油發(fā)電機(jī)3工作時(shí)，同理可得，N線(xiàn)電流同樣會(huì)通過(guò)不工作的柴油發(fā)電機(jī)N線(xiàn)及PE線(xiàn)分流，從而致使接地環(huán)流存在。同時(shí)，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生接地故障時(shí)，故障電流主要通過(guò)PE線(xiàn)（40mm×4mm鍍鋅扁鋼）流回系統(tǒng)中性點(diǎn)，而在選擇PE線(xiàn)又完全沒(méi)有考慮導(dǎo)體的熱穩(wěn)定的影響，當(dāng)故障電流過(guò)大時(shí)，導(dǎo)體的熱穩(wěn)定無(wú)法滿(mǎn)足要求。

根據(jù)上述分析，本工程柴油發(fā)電機(jī)接地系統(tǒng)做法存在著安全隱患，歸結(jié)為以下兩個(gè)方面：發(fā)電機(jī)組處于正常運(yùn)行狀態(tài)下時(shí)，接地導(dǎo)體中會(huì)流過(guò)接地環(huán)流，而接地導(dǎo)體采用的設(shè)施裸露的扁鋼，容易導(dǎo)致腐蝕，干擾的情況出現(xiàn)，嚴(yán)重可能引起火災(zāi)；接地導(dǎo)體在系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)可能要承載短路電流，但實(shí)際設(shè)計(jì)的接地導(dǎo)體截面積又未考慮短路電流的影響，致使接地導(dǎo)體的截面積無(wú)法滿(mǎn)足熱穩(wěn)定要求。以上問(wèn)題事關(guān)安全，需要找尋合理的做法對(duì)其進(jìn)行修正。

2 目前圖集與實(shí)際工程做法分析

根據(jù)《柴油發(fā)電機(jī)組設(shè)計(jì)與安裝》（15D202-2）內(nèi)容，低壓柴油發(fā)電機(jī)組接地示意圖如圖6所示。

圖6 低壓柴油發(fā)電機(jī)組接地示意圖

同時(shí)，《民用建筑電氣設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》GB51348-2019第6.1.9條規(guī)定1kV及以下發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)接地應(yīng)符合下列要求：只有單臺(tái)機(jī)組時(shí)，發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)應(yīng)直接接地，機(jī)組的接地形式宜與低壓配電系統(tǒng)接地形式一致；當(dāng)多臺(tái)機(jī)組并列運(yùn)行時(shí)，每臺(tái)機(jī)組的中性點(diǎn)均應(yīng)經(jīng)刀開(kāi)關(guān)或接觸器接地。

此條文說(shuō)明為“當(dāng)有多臺(tái)發(fā)電機(jī)組并列運(yùn)行時(shí)，每臺(tái)機(jī)組的中性導(dǎo)體要經(jīng)刀開(kāi)關(guān)或接觸器直接接地。當(dāng)各臺(tái)機(jī)組的中性導(dǎo)體之間存在環(huán)流時(shí)，應(yīng)只將其中一臺(tái)發(fā)電機(jī)的中性點(diǎn)接地”，由此可見(jiàn)，刀開(kāi)關(guān)或接觸器應(yīng)是裝設(shè)在中性導(dǎo)體上的（N線(xiàn)）。由此可知，單臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)接地直接接地即可，而有多臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)并列運(yùn)行的情況出現(xiàn)時(shí)，每臺(tái)機(jī)組的中性點(diǎn)中性導(dǎo)體要經(jīng)刀開(kāi)關(guān)或接觸器直接接地。

對(duì)此做法進(jìn)行分析，假設(shè)柴油發(fā)電機(jī)1正常工作，且僅閉合柴油發(fā)電機(jī)1的中性點(diǎn)開(kāi)關(guān)，將柴油發(fā)電機(jī)2與柴油發(fā)電機(jī)3的中性點(diǎn)開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，即只將其中一臺(tái)發(fā)電機(jī)的中性點(diǎn)接地。因?yàn)榇藭r(shí)因柴油發(fā)電機(jī)2與柴油發(fā)電機(jī)3的中性點(diǎn)是處于斷開(kāi)狀態(tài)下的，故IN21與IN22并不會(huì)通過(guò)PE線(xiàn)流入柴油發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)，也就不存在環(huán)流了。此時(shí)，柴油發(fā)電機(jī)室的PE線(xiàn)就不會(huì)再承載主要的接地故障電流，綜合考慮到機(jī)械強(qiáng)度、短路熱穩(wěn)定、抗腐蝕以及防雷等要求，其截面可按總等電位聯(lián)結(jié)導(dǎo)體的最大截面選擇，例如采用40mm×4mm鍍鋅扁鋼。這種做法要求發(fā)電機(jī)系統(tǒng)應(yīng)配置接地開(kāi)關(guān)柜，當(dāng)系統(tǒng)存在接地環(huán)流時(shí)，應(yīng)能自動(dòng)切斷其他中性點(diǎn)接地開(kāi)關(guān)，只保留其中一臺(tái)發(fā)電機(jī)的中性點(diǎn)處于直接接地狀態(tài)。

通過(guò)翻閱類(lèi)似項(xiàng)目圖紙，發(fā)現(xiàn)低壓400V柴油發(fā)電機(jī)的接地系統(tǒng)圖紙都沒(méi)有設(shè)置接地柜的先例。筆者還考察過(guò)類(lèi)似工業(yè)項(xiàng)目的柴油發(fā)電機(jī)房，發(fā)現(xiàn)低壓400V柴油發(fā)電機(jī)房?jī)?nèi)同樣均無(wú)此接地柜，同時(shí)還向相關(guān)廠(chǎng)家咨詢(xún)，得到的結(jié)果是柴油發(fā)電機(jī)廠(chǎng)商并無(wú)此接地柜配套。而且接地柜接線(xiàn)較為復(fù)雜，如果維護(hù)狀態(tài)不理想導(dǎo)致接地柜故障，無(wú)法通過(guò)切斷中性點(diǎn)進(jìn)而切斷接地環(huán)流，則同樣可能造成接地干線(xiàn)腐蝕情況的出現(xiàn)，嚴(yán)重時(shí)甚至可能產(chǎn)生火災(zāi)事故。

3 推薦做法

根據(jù)分析以上幾種情況可得，系統(tǒng)一般通過(guò)N→PE→MEB→PE→中性點(diǎn)，而形成環(huán)路。如果柴油發(fā)電機(jī)系統(tǒng)未設(shè)置接地柜，或者在接地柜故障的情況下，環(huán)路中就不可避免地產(chǎn)生了環(huán)流。但如果切斷在非工作狀態(tài)下系統(tǒng)的零線(xiàn)（即使用4極開(kāi)關(guān)），就能很好地解決這一問(wèn)題。如圖7所示，柴油發(fā)電機(jī)1正常工作時(shí)，由于不工作的柴油發(fā)電機(jī)2和柴油發(fā)電機(jī)3的零線(xiàn)被4極開(kāi)關(guān)切斷，N線(xiàn)電流只能流向柴油發(fā)電機(jī)1，此種情況下，PE線(xiàn)一般不會(huì)存在其他電流，也就不存在環(huán)流了。

圖7 柴油發(fā)電機(jī)房接地工程推薦做法

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，多臺(tái)低壓柴油發(fā)電機(jī)組并聯(lián)運(yùn)行時(shí)，應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：柴油發(fā)電機(jī)系統(tǒng)推薦使用4極開(kāi)關(guān)，以防止系統(tǒng)通過(guò)未在工作狀態(tài)下的N線(xiàn)形成環(huán)流；在每臺(tái)發(fā)電機(jī)的中性點(diǎn)引出導(dǎo)體上裝設(shè)刀開(kāi)關(guān)或負(fù)荷隔離開(kāi)關(guān)，以切斷發(fā)電機(jī)間可能的諧波電流的環(huán)流回路。

在設(shè)計(jì)過(guò)程中對(duì)接地系統(tǒng)的重視程度往往不夠，比如多臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)的接地往往就沒(méi)有專(zhuān)門(mén)設(shè)置接地柜用以斷開(kāi)中性點(diǎn)。由于柴油發(fā)電機(jī)屬于應(yīng)急電源系統(tǒng)，真正投入使用的情況比較少，時(shí)間也比較短，所以即使系統(tǒng)中存在著安全隱患也不容易被察覺(jué)，但是潛伏的安全隱患一旦發(fā)作，將會(huì)對(duì)安全產(chǎn)生非常嚴(yán)重的影響。柴油發(fā)電機(jī)組是保證建筑物安全非常重要設(shè)備，設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)過(guò)程中對(duì)其中性點(diǎn)接地型式的選擇及相關(guān)做法應(yīng)當(dāng)給予足夠重視，有效地保證柴油發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的可靠性，保護(hù)人身和設(shè)備的安全，使電力系統(tǒng)長(zhǎng)期、安全、可靠、穩(wěn)定運(yùn)行。