喬迎超

（中國(guó)移動(dòng)通信集團(tuán)設(shè)計(jì)院有限公司湖北分公司，湖北 武漢 430000）

0 引 言

現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求通信局樓及數(shù)據(jù)中心均應(yīng)采用TN-S系統(tǒng)，該系統(tǒng)最大的特點(diǎn)在于“S”，表示低壓系統(tǒng)中性導(dǎo)體與保護(hù)接地導(dǎo)體（Protective Earthing conductor，PE）是分開的[1]。雖然定義比較清晰明確，但是對(duì)于系統(tǒng)中一些看似簡(jiǎn)單的實(shí)施方式并未做出詳細(xì)說明，如電源中性點(diǎn)接地做法、整個(gè)供電回路中PE導(dǎo)體的選型及敷設(shè)要求等[2]。目前在工程設(shè)計(jì)中對(duì)于上述細(xì)節(jié)通常僅用文字或簡(jiǎn)單系統(tǒng)圖示進(jìn)行要求，缺少對(duì)施工的有效指導(dǎo)。針對(duì)以上兩個(gè)問題進(jìn)行分析探討，試圖尋找更加符合通信局樓的做法。

1 變壓器接地

1.1 常見方法

現(xiàn)網(wǎng)通信局樓內(nèi)變壓器接地常見方法有3種，具體如下。

TN-S系統(tǒng)一如圖1所示。變壓器中性點(diǎn)接線柱并聯(lián)兩根導(dǎo)體，其中一根導(dǎo)體a-b引至變壓器本體接地端子，另外一根引至低壓進(jìn)線柜N母排或4P開關(guān)的N級(jí)上端接線柱。變壓器接地端子處再引一根導(dǎo)體b-c至電力室總等電位端子箱，低壓柜PE母排引一根或多根導(dǎo)體d-e1至電力室環(huán)形接地線。

圖1 TN-S系統(tǒng)一

TN-S系統(tǒng)二如圖2所示。變壓器中性點(diǎn)接線柱并聯(lián)兩根導(dǎo)體，其中一根導(dǎo)體a-d引至總等電位端子箱，另外一根導(dǎo)體引至低壓進(jìn)線柜N母排或4P開關(guān)的N級(jí)上端接線柱。低壓柜PE母排引一根導(dǎo)體e-d至總等電位端子箱，同時(shí)可以引一根多根導(dǎo)體e-f至電力室環(huán)形接地線。此外，變壓器外殼引一根導(dǎo)體b-c至環(huán)形接地線。

圖2 TN-S系統(tǒng)二

TN-S系統(tǒng)三如圖3所示。變壓器中性點(diǎn)接線柱并聯(lián)3根導(dǎo)體，其中一根導(dǎo)體a-d引至電力室總等電位端子箱，另外一根導(dǎo)體引至低壓進(jìn)線柜N母排或4P開關(guān)的N級(jí)上端接線柱，3根引至低壓進(jìn)線柜PE母排。變壓器外殼引一根導(dǎo)體b-c至環(huán)形接地線，低壓柜PE母排引一根或多根導(dǎo)體f-g至環(huán)形接地線。

圖3 TN-S系統(tǒng)三

1.2 存在的問題

變壓器工作接地和保護(hù)接地需要在保證電源系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行的前提下，兼顧經(jīng)濟(jì)、施工、維護(hù)等方面的問題。

TN-S系統(tǒng)一變壓器的工作接地及保護(hù)接地合用導(dǎo)體b-c，因此導(dǎo)體a-b-c全程截面積應(yīng)相同且滿足變壓器中性點(diǎn)接地導(dǎo)體最小截面積要求?？紤]到接地故障電流回流路徑，實(shí)際做法中低壓柜PE母排接地點(diǎn)如果選擇e1點(diǎn)，則故障電流會(huì)經(jīng)過e1與e2之間的接地導(dǎo)體，該部分通常為40 mm×4 mm扁鋼，需要對(duì)其進(jìn)行相應(yīng)的計(jì)算。因此，建議選擇e2點(diǎn)作為低壓柜PE母排接地點(diǎn)，同時(shí)將導(dǎo)體d-e2截面積與導(dǎo)體a-b-c保持相同。此外，需要額外關(guān)注變壓器的接地端子b點(diǎn)，不能是簡(jiǎn)單的外殼鐵皮等部件，需要有足夠的電流承載能力。TN-S系統(tǒng)二規(guī)避了TN-S系統(tǒng)一的部分缺點(diǎn)，但是接地故障電流回流路徑仍然需要經(jīng)過總等電位聯(lián)結(jié)（Main Equipotential Bonding，MEB），且導(dǎo)體a-d與導(dǎo)體d-e需要滿足變壓器中性點(diǎn)接地導(dǎo)體最小截面積要求。TN-S系統(tǒng)三屬于比較理想化的TN-S系統(tǒng)接地方式，即變壓器中性點(diǎn)接地后分出N和PE，此時(shí)中性點(diǎn)接地導(dǎo)體a-d、低壓柜保護(hù)接地導(dǎo)體f-g一般情況下不需要承載接地故障電流，因此其截面積相對(duì)前面兩種方法要小很多，可以考慮40 mm×4 mm扁鋼或25 mm2電纜。但是在變壓器中性點(diǎn)接線柱處并聯(lián)3根導(dǎo)體的方法，一方面不太經(jīng)濟(jì)，另一方面其物理連接可靠性有待提升[3]。

TN-S系統(tǒng)一與TN-S系統(tǒng)三中，當(dāng)變壓器本體發(fā)生接地故障時(shí)，外殼保護(hù)接地線的設(shè)置與導(dǎo)體截面積也需要進(jìn)行相應(yīng)計(jì)算。TN-S系統(tǒng)一與TN-S系統(tǒng)二中，變壓器中性點(diǎn)以及低壓柜PE母排接至MEB的導(dǎo)體對(duì)于截面積要求較高，不太經(jīng)濟(jì)。此外，這3種方法在應(yīng)對(duì)多臺(tái)變壓器時(shí)，都會(huì)面臨電力室范圍內(nèi)局部產(chǎn)生雜散電流、接地故障保護(hù)測(cè)量誤差等問題[4]。

1.3 建議做法

結(jié)合上述分析可以發(fā)現(xiàn)，變壓器中性點(diǎn)接地線需要承載接地故障電流，其導(dǎo)體截面積及連接可靠性非常重要，綜合考慮后建議第4種方法，如圖4所示。

圖4 TN-S系統(tǒng)四

TN-S系統(tǒng)四中，變壓器中性點(diǎn)在變壓器本體內(nèi)不直接接地，變壓器中性點(diǎn)輸出PEN線a-e接至低壓進(jìn)線柜N排，用銅排d-e連接低壓柜N排與PE排，PE排再通過導(dǎo)體e-f接至MEB，以此實(shí)現(xiàn)變壓器中性點(diǎn)接地。此做法有以下優(yōu)點(diǎn)：一是變壓器的中性線接地導(dǎo)體采用銅排硬連接，導(dǎo)體長(zhǎng)度短、更加經(jīng)濟(jì)且可靠性大于電纜接線端子或扁鋼連接，同時(shí)不存在銅鐵之間的金屬化學(xué)反應(yīng)；二是變壓器的外殼接地導(dǎo)體b-c、低壓柜PE排接地導(dǎo)體e-f不承載接地故障電流，其截面積可以按40 m×4 m扁鋼或25 mm2電纜考慮；三是系統(tǒng)接地故障電流不經(jīng)過MEB或環(huán)形接地線，更加合理、安全，便于接地故障電流的檢測(cè)。

考慮變壓器本體內(nèi)部發(fā)生接地故障，需要將變壓器外殼接地導(dǎo)體b-c調(diào)整為直接與導(dǎo)體a-d-e或低壓柜PE排連接，同時(shí)在導(dǎo)體d-e上設(shè)置相應(yīng)的檢測(cè)裝置。從實(shí)際工程應(yīng)用情況來看，這種情況發(fā)生的概率比較低，是否需要進(jìn)行這種調(diào)整需根據(jù)項(xiàng)目實(shí)際情況來決定。從保護(hù)的角度出發(fā)，變壓器的PEN線應(yīng)當(dāng)優(yōu)先接在低壓柜的PE排上，PE排與N排短接，即PEN線進(jìn)入低壓柜的接觸位置為PE排。對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)而言，考慮導(dǎo)體d-e斷開后的影響，應(yīng)當(dāng)優(yōu)先保正PE線的連通，然后才是N線。通常低壓柜PE排在低壓柜下部且截面積小于N排，因此工程實(shí)際應(yīng)用中，當(dāng)?shù)蛪汗駷槟妇€上進(jìn)線時(shí)，考慮到銅排硬連接的可靠性非常高，其意外斷開的可能性極小，PEN線可以先接入柜頂N排，再通過銅排連接N排與PE排。當(dāng)?shù)蛪汗駷槟妇€側(cè)進(jìn)線時(shí)或下進(jìn)線時(shí)，PEN線可先接入PE排，再通過銅排連接N排與PE排[5]。

2 PE導(dǎo)體形式及敷設(shè)

2.1 PE導(dǎo)體形式

相對(duì)于民用建筑行業(yè)，通信行業(yè)在機(jī)房中設(shè)置較多接地排且比較強(qiáng)調(diào)機(jī)房?jī)?nèi)的等電位，通常將配電設(shè)備的接地線就近接入機(jī)房地排，上級(jí)電源僅引入相線和N線，如圖5所示。

圖5 TN-S系統(tǒng)PE線形式一

系統(tǒng)采用獨(dú)立的PE線，設(shè)備接地故障電流需要經(jīng)過機(jī)房地排（局部等電位裝置）、建筑鋼筋、電力室MEB、變壓器中性點(diǎn)接地導(dǎo)體，最后回到電源。這種情況下需要進(jìn)行相應(yīng)計(jì)算，核算保護(hù)接地導(dǎo)體熱穩(wěn)定以及回路保護(hù)裝置的設(shè)定值、動(dòng)作時(shí)間等。實(shí)際上，這種形式中電力室MEB與機(jī)房地排之間是依托建筑物鋼筋等聯(lián)合接地裝置連接，難以確定導(dǎo)體的熱穩(wěn)定及保護(hù)裝置的設(shè)置是否滿足需求。

為了解決上述問題，建議通信局樓TN-S系統(tǒng)中PE導(dǎo)體形式按照?qǐng)D6設(shè)置。

圖6 TN-S系統(tǒng)PE線形式二

整個(gè)供電回路中PE導(dǎo)體采用與相線相同材質(zhì)的導(dǎo)體全程敷設(shè)，同時(shí)可在機(jī)房?jī)?nèi)額外設(shè)置等電纜連接導(dǎo)體e-f，此時(shí)設(shè)備接地故障電流通過由電源處引來的PE導(dǎo)體返回，而接至機(jī)房地排的導(dǎo)體e-f僅起到等電位作用，可以按25 mm2電纜設(shè)置。

2.2 PE導(dǎo)體敷設(shè)

TN-S系統(tǒng)中PE導(dǎo)體建議全程由電源處引來，但實(shí)際應(yīng)用中其敷設(shè)時(shí)仍然存在多種方式，對(duì)其中典型的兩種方式進(jìn)行分析。方式一是PE導(dǎo)體全程與相線在一起，例如采用五芯電纜或采用單芯電纜時(shí)5根線成一束捆扎。方式二是PE導(dǎo)體全程與相線分開獨(dú)立敷設(shè)，例如在豎井內(nèi)設(shè)置通長(zhǎng)銅排作為垂直接地干線，匯集接入每一層的設(shè)備接地線。

TN-S系統(tǒng)中常用過電流保護(hù)裝置（斷路器）兼作接地故障保護(hù)裝置，需要盡可能降低回路阻抗。在線路截面積相同的情況下，回路阻抗取決于回路感抗，而回路感抗與回路電感成正比?；芈冯姼袨?/p>

式中：L為回路電感，H；μ為空間磁導(dǎo)率，H/m；D為通過往返電流的電導(dǎo)體間的距離，m；l為回路長(zhǎng)度；R為回路導(dǎo)體半徑，m。PE線與相線的間距越大，線路感抗越大，回路電流越小，從而影響斷路器的動(dòng)作靈敏度?；诖耍琓N-S系統(tǒng)中PE導(dǎo)體應(yīng)緊靠相線敷設(shè)，采用方式一更加合理。

3 結(jié) 論

按照規(guī)范要求，數(shù)據(jù)中心及通信局樓應(yīng)采用TN-S系統(tǒng)，由于配電系統(tǒng)涉及環(huán)節(jié)繁多，每一個(gè)環(huán)節(jié)都會(huì)影響整個(gè)系統(tǒng)的安全性和可靠性，因此需要謹(jǐn)慎對(duì)待。變壓器的工作接地可以在主進(jìn)線柜內(nèi)實(shí)施，采用銅排硬連接的方式連通N排與PE排，再與接地系統(tǒng)連接。配電回路中PE導(dǎo)體與相導(dǎo)體全程緊靠敷設(shè)，在確保電流保護(hù)裝置正確動(dòng)作的同時(shí)，可以讓接地故障電流不擴(kuò)散到其他不期望的路徑中，從而提升供電安全性和可靠性。