低壓配電TN - EMC系統(tǒng)
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葛大麟
（西門子（中國）有限公司上海分公司，上海市 200082)
摘 要：說明TN系統(tǒng)3種接地制式可能產(chǎn)生雜散電流的路徑，以及由雜散電流產(chǎn)生的電磁干擾和EMC問題；分析多電源設(shè)備（變壓器和發(fā)電機(jī)）的系統(tǒng)不能真正實(shí)施TN -S系統(tǒng)并產(chǎn)生雜散電流的原因。最后介紹西門子提出的EMC環(huán)境友好的TN-EMC低壓配電系統(tǒng)及實(shí)施的具體措施。
關(guān)鍵詞：低壓配電系統(tǒng)；TN系統(tǒng)；雜散電流；電磁干擾(EMI)；電磁兼容性(EMC)；集中一點(diǎn)接地：TN - EMC系統(tǒng)；電擊防護(hù)
中圖分類號(hào)：TU852 doi: 10. 3969／j.issn. 1003 - 8493. 2016. 04. 007
1 概述
當(dāng)前同行對(duì)電擊防護(hù)比較重視，但對(duì)電磁干擾卻有些忽視。以常見重復(fù)接地保護(hù)為例，對(duì)于TN系統(tǒng)，PE線重復(fù)接地不會(huì)引起EMC問題，但PEN線重復(fù)接地會(huì)使一部分電流成為雜散電流，通過電氣裝置的導(dǎo)電體和大地返回電源變壓器的中性點(diǎn)，雜散電流會(huì)引起電磁干擾( EMI)。所以，當(dāng)選擇配電系統(tǒng)接地方式時(shí)，不僅要滿足過流防護(hù)、電擊防護(hù)等基本安全的要求，也要滿足電磁兼容性和抗電磁干擾的要求，這也是現(xiàn)代低壓配電系統(tǒng)必須面對(duì)并要處理好的問題。
2 TN系統(tǒng)電磁干擾問題
我國低壓配電系統(tǒng)一般都采用TN接地系統(tǒng)，包括TN -C、TN-C-S和TN -S 3種制式。
現(xiàn)代自動(dòng)化生產(chǎn)線和數(shù)據(jù)中心等要求配電系統(tǒng)能安全可靠運(yùn)行，對(duì)電能質(zhì)量要求高，還要通過電能管理實(shí)現(xiàn)高效節(jié)能，同時(shí)還要求配電系統(tǒng)具有友好的電磁兼容性環(huán)境。
如圖1所示，TN PC和TN-C-S系統(tǒng)從電源配出PEN線，由于實(shí)施了等電位聯(lián)結(jié)，配電系統(tǒng)正常工作時(shí)，一部分電流通過包括金屬管道等外露可導(dǎo)電體分流到配電系統(tǒng)外，成為雜散電流，在系統(tǒng)外的導(dǎo)電體中流動(dòng)，最終返回電源，這樣的雜散電流會(huì)引起電磁干擾，雜散電流在金屬導(dǎo)體流動(dòng)過程中產(chǎn)生低頻電場，電磁場發(fā)射，成為不友好的電磁干擾環(huán)境，對(duì)信息系統(tǒng)及敏感設(shè)備產(chǎn)生傳導(dǎo)干擾、輻射干擾、感應(yīng)干擾和靜電干擾等，雜散電流也可腐蝕設(shè)備的金屬殼體、PE線、信號(hào)線屏蔽層，甚至電器接點(diǎn)和觸頭。產(chǎn)生雜散電流的另一個(gè)重要原因是用戶電氣裝置PEN線重復(fù)接地，使PEN線和大地構(gòu)成環(huán)路，分流一部分電流，成為雜散電流，經(jīng)大地返回電源。由于TN -C和TN -C-S系統(tǒng)會(huì)出現(xiàn)雜散電流，使它們成為EMC性能不友好的配電系統(tǒng)。
由圖1可以看出：TN -S系統(tǒng)從電源中性點(diǎn)開始配出N線和PE線，正常運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，電流在3根相線和N線之間流動(dòng)，PE線沒有電流，因而不會(huì)出現(xiàn)雜散電流，只有配電系統(tǒng)出現(xiàn)絕緣或接地故障時(shí)．PE線才會(huì)出現(xiàn)電流。從單電源配電的TN系統(tǒng)分析，TN -S系統(tǒng)不會(huì)出現(xiàn)雜散電流，具有EMC性能友好的環(huán)境。
3 多電源TN-S系統(tǒng)的EMC問題
由兩個(gè)單變壓器的TN -S系統(tǒng)并聯(lián)組成的配電系統(tǒng)，并不是一個(gè)滿足EMC要求的TN -S系統(tǒng)。因?yàn)門N -S系統(tǒng)要求從中性點(diǎn)開始，把N線和PE線分開，用兩根導(dǎo)線配送出去。兩臺(tái)變壓器并聯(lián)，并且都從中性點(diǎn)分別引出N線和PE線，則出現(xiàn)了PE線和N線構(gòu)成環(huán)路（或兩根線并行）的情況，正常工作時(shí)，流過N線的電流通過PE線分流，成為雜散電流，如圖2所示。從EMC角度來看，這樣是絕對(duì)不允許的。
設(shè)計(jì)配電系統(tǒng)采用多臺(tái)變壓器并聯(lián)運(yùn)行時(shí)，TN接地系統(tǒng)只有采用一點(diǎn)接地的方法才能避免N線和PE線構(gòu)成環(huán)路。在配電系統(tǒng)集中一點(diǎn)接地的TN系統(tǒng)中，從電源中性點(diǎn)引到集中接地點(diǎn)的這根線不是N線，而是PEN線，與傳統(tǒng)的TN -C和TN -C-S系統(tǒng)不同的是這根PEN線對(duì)地是絕緣的。這根PEN線與PE線在系統(tǒng)的一個(gè)集中接地點(diǎn)處用連接板連接，再通過系統(tǒng)主接地端子與系統(tǒng)的主接地極連接。這樣做的目的是為了使配電系統(tǒng)具有EMC性能友好的環(huán)境，以滿足EMC的要求。從技術(shù)術(shù)語上講，這樣的系統(tǒng)可稱為TN - EMC系統(tǒng)。
4 電源設(shè)備集中布置的TN - EMC系統(tǒng)
多臺(tái)配電變壓器集中安裝在一個(gè)封閉的電氣間中并聯(lián)（或分列）運(yùn)行，這種類型的配電系統(tǒng)適合向小型的電氣裝置供電。當(dāng)今，電源設(shè)備（變壓器、發(fā)電機(jī)）集中安裝布置的TN - EMC配電系統(tǒng)，原則上適合向半導(dǎo)體制造行業(yè)、數(shù)據(jù)處理以及計(jì)算中心等場合配電。因?yàn)檫@類用戶要求EMC性能友好的環(huán)境，能抗擊電磁干擾(EMI)。圖3是兩臺(tái)電源設(shè)備集中布
置的TN - EMC系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)，其中有兩臺(tái)配電變壓器安裝在同一個(gè)電氣間中。按圖3設(shè)計(jì)TN - EMC配電系統(tǒng)時(shí)，需要滿足如下一些條件：
a．所有變壓器的中性點(diǎn)引出PEN線，接到低壓主配電柜的系統(tǒng)PEN母排上，選擇一個(gè)位置實(shí)施配電系統(tǒng)（集中）一點(diǎn)接地。
b．從變壓器中性點(diǎn)引出的PEN線必須對(duì)地絕緣，并在一個(gè)低壓主配電柜中實(shí)施系統(tǒng)（集中）一點(diǎn)接地，即用連接板連接PEN與PE母排，并通過系統(tǒng)主接地端子與主接地極連接。
c．在系統(tǒng)各低壓主配電柜的PEN母排上配出N母排（N線），而不是從PE母排上配出N母排。
d．由于PEN線不能設(shè)斷點(diǎn)或開關(guān)，所以低壓主進(jìn)線柜只能使用3極斷路器。低壓主配電柜的出線柜可選用4極斷路器（保護(hù)電器），當(dāng)采用熔斷器類開關(guān)時(shí)，N極不放置熔斷器。為了確保相電流絕對(duì)不分流到N線，推薦使用4極斷路器（保護(hù)電器），特別是要求雙電源進(jìn)線的分支配電系統(tǒng)。
e． 根據(jù)GB／T 16895.18 - 2010／IEC 60364 -5 - 51: 2005 《建筑物電氣裝置第5 - 51部分：電氣設(shè)備的選擇和安裝通用規(guī)則》，PEN母排上或PEN連接線上的顏色為綠色／黃色標(biāo)記，在端子處為淺藍(lán)色；或整個(gè)長度為淺藍(lán)色，端子處為綠色／黃色。
f． 變壓器的箱體連接低壓主配電柜內(nèi)的綠色／黃色的PE母排，低壓配電柜PE母排截面應(yīng)按預(yù)期的最大短路電流選擇。
g．系統(tǒng)（集中）一點(diǎn)接地的那個(gè)低壓配電柜，絕緣的PEN母排與PE母排的連接板（連接或拆除）只能用專用工具操作。集中一點(diǎn)接地處必須有“不允許拆除該連接板”的警告保護(hù)措施。
多臺(tái)變壓器（或電源設(shè)備）集中布置的TN -EMC系統(tǒng)，還要滿足GB 16895.21
- 2011／IEC 60364 -4 - 41：2005《低壓電氣裝置第4 - 41部分：安全防護(hù)電擊防護(hù)》的有關(guān)要求，采用自動(dòng)切斷電源的方式，防止電擊事故的發(fā)生，確保生命財(cái)產(chǎn)的安全。
5 電源設(shè)備分散布置的TN - EMC系統(tǒng)
電源設(shè)備分散布置是指配電變壓器和發(fā)電機(jī)分散安裝在大型工廠或生產(chǎn)車間的各個(gè)負(fù)荷中心，低壓側(cè)常采用大電流母線槽系統(tǒng)配電。由于現(xiàn)代化工廠的自動(dòng)化程度很高，高技術(shù)電氣裝備對(duì)電磁干擾( EMI)非常敏感，必須考慮系統(tǒng)和設(shè)備處在EMC性能友好的環(huán)境中。為了排除配電系統(tǒng)雜散電流引發(fā)的電磁干擾，考慮采用多電源設(shè)備分散布置的TN - EMC系統(tǒng)。圖4是西門子為汽車制造工業(yè)廠房特殊設(shè)計(jì)的一種TN - EMC系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖。
從電源設(shè)備分散布置的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖中看出，負(fù)荷中心變電站基本上遵循電源設(shè)備集中布置的技術(shù)要求，整個(gè)配電系統(tǒng)實(shí)施（集中）一點(diǎn)接地。該配電系統(tǒng)的集中一點(diǎn)接地點(diǎn)放在1號(hào)負(fù)荷中心變電站的低壓主開關(guān)柜中，并集中檢測(cè)PE線，以及PEN線與PE線連接板的電流。當(dāng)某臺(tái)變壓器的相線與外露導(dǎo)體出現(xiàn)短路時(shí)，短路電流通過該連接板后返回電源，返回
路徑長，即接地故障回路的電阻抗比較高，因此需要驗(yàn)證該故障回路的阻抗是否滿足自動(dòng)切斷電源的條件；同時(shí)還應(yīng)注意變壓器提供的故障電流，是通過PEN線- PE線連接板的間接（無法直接的）路徑，再返回變壓器的中性點(diǎn)。因此各變壓器提供故障電流的路徑是：由變壓器相線到短路故障點(diǎn)至PE線，通過PE線流到PEN線- PE線連接板，從連接板經(jīng)絕緣的PEN線返回到變壓器中性點(diǎn)。
現(xiàn)代汽車工業(yè)的生產(chǎn)車間面積通常按故障電流返回電源的距離考慮。故障電流返回路徑的導(dǎo)線阻抗會(huì)抑制（配電變壓器提供的）故障電流，所以需要按過電流保護(hù)設(shè)備的額定電流(In)和對(duì)應(yīng)動(dòng)作時(shí)間的動(dòng)作電流( I a)計(jì)算允許的故障回路阻抗，再換算成故障回路長度。因而在設(shè)計(jì)電源設(shè)備分散布置的TN - EMC配電系統(tǒng)時(shí)，需要特殊考慮該工況條件，特別要注意確保人身安全�？梢圆捎孟旅娴囊恍└郊哟胧�，保護(hù)生產(chǎn)設(shè)備和財(cái)產(chǎn)免受損失，確保人身安全，使配電系統(tǒng)的安全性處在可持續(xù)的水平上。
a． 根據(jù)GB 19214 - 2008／IEC 62020: 2003《電器附件家用和類似用途剩余電流監(jiān)視器》，可以采用高精度電流互感器和剩余電流監(jiān)視器(RCM)永久性地檢測(cè)PEN - PE連接板的可靠性，還可用RCM附加監(jiān)視PE線上是否出現(xiàn)接地故障電流。
b． 測(cè)量通過連接板的電流IPEN - PE，是多電源系統(tǒng)自動(dòng)切斷電源保護(hù)要求的一個(gè)準(zhǔn)則；大電流母線槽系統(tǒng)出現(xiàn)相線對(duì)地短路或配出線路過電流故障時(shí)，必須切斷電源；采用低壓斷路器中的脫扣器實(shí)現(xiàn)自動(dòng)切斷電源功能。
c．創(chuàng)建等電位保護(hù)系統(tǒng)必須用PE線把電氣設(shè)備外殼或結(jié)構(gòu)件連接到主等電位聯(lián)結(jié)體；負(fù)荷中心變電站的主接地端子與主等電位聯(lián)結(jié)體用PE線連接。
d．PEN線和N導(dǎo)線截面的選擇應(yīng)考慮諧波電流因素，特別是3次諧波電流，PEN線和N導(dǎo)線的截面至少與相線截面相等。
e．驗(yàn)證是否符合自動(dòng)切斷電源的條件，不僅要計(jì)算，也要實(shí)際測(cè)量。為此，負(fù)荷中心變電站必需要知道每一臺(tái)變壓器的回路阻抗，即在系統(tǒng)設(shè)備安裝完畢后進(jìn)行實(shí)際測(cè)量。
德國有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范強(qiáng)調(diào)多電源TN系統(tǒng)集中一點(diǎn)接地；GB 16895. 21 - 2011／IEC60364 -4 - 41:2005《低壓電氣裝置第4- 41部分：安全防護(hù)電擊防護(hù)》強(qiáng)調(diào)TN系統(tǒng)整體的接地可靠性和有效性，不再要求變壓器中性點(diǎn)就地接地，或附近接地。多電源分散布置的TN - EMC系統(tǒng)，滿足了上述標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)要求，也能滿足保護(hù)生命和財(cái)產(chǎn)安全的要求。TN - EMC系統(tǒng)是一種解決方案，用來替代（或改變）工業(yè)領(lǐng)域廣泛使用的多臺(tái)電源設(shè)備傳統(tǒng)分散布置的TN -C系統(tǒng)和TN -C -S系統(tǒng)。
6結(jié)語
我國低壓配電網(wǎng)絡(luò)采用TN接地系統(tǒng)，一些工業(yè)配電系統(tǒng)和民用建筑配電系統(tǒng)由于在設(shè)計(jì)階段未能遵循有關(guān)IEC標(biāo)準(zhǔn)的要求，在系統(tǒng)運(yùn)行中因雜散電流出現(xiàn)了各種各樣的問題。設(shè)計(jì)低壓配電TN接地系統(tǒng)時(shí)要遵循系統(tǒng)集中一點(diǎn)接地，消除雜散電流，校核自動(dòng)切斷電源時(shí)間，就能設(shè)計(jì)成一個(gè)安全可靠、EMC性能友好的低壓配電系統(tǒng)。西門子把這種TN系統(tǒng)稱為
TN - EMC系統(tǒng)，并且被IEC TC64認(rèn)可。
