地铁0.4 kV开关柜接地方式与开关极数选择

王 蛟

地铁0.4 kV开关柜接地方式与开关极数选择

王 蛟

分析了0.4 kV开关柜断零的风险，阐述了变电所不需为检修安全设置四极开关，得出结论：变电所进线、母联和馈线开关应采用三极开关。此外，对国内轨道交通建设中0.4 kV开关柜的各种接线方案进行了分析，指出了各个方案的优缺点。并对较为合理的三极开关+PEN线单点接地方案进行了优化设计，采取合理的方案实现了接地保护的选择性。

城市轨道交通；供电系统；三极开关；四极开关；单点接地；多点接地；接地保护

0 引言

城市轨道交通供电系统 0.4 kV侧一般采用TN-S系统，场段内部分回路采用TN-C-S或TT系统。变电所2台配电变压器高压侧分别接入35 kV两段母线分列运行。低压0.4 kV母线为单母线分段，设置母联断路器。正常运行时，2台进线低压断路器均投入运行，母联断路器处于分闸位置，0.4 kV母线分段运行。当其中的一路电源失去电压时，该进线断路器延时跳闸，母联开关自动投入。

35/0.4 kV配电变电所既是低压配电系统的电源端，也是35 kV高压配电系统的负荷端。因此它既有配电变压器低压侧中性点的系统接地，也有电气设备外露导电部分的保护接地。

0.4 kV开关具有切断电源，保证设备和人员安全的作用。是否需要或者允许配备四极开关切断N线（或PEN线），直接关系到人员安全，需要进行研究。对于0.4 kV开关柜的接地，因其同时具有工作接地和保护接地的需求，直接关系到设备和人员安全，也必须同时考虑。上述2个问题是相互关联的，应综合考虑提出合理解决方案。

1 方案研究关键点

1.1 0.4 kV开关极数的选择

（1）断零的危害。0.4 kV开关极数的选择，实际上就是是否允许或者要求0.4 kV开关柜断N线（或PEN线）。经过大量的工程实际证明，0.4 kV开关柜断N线（或PEN线）后会发生大量烧坏单相设备的事故。

图1中相线L1未带负载，L2带一个150 W白炽灯泡，L3带一个15 W白炽灯泡，三相负载非常不平衡。当中性线未断线，三相电压差异较小，这是因为三相均由220 V绕组电压供电，其电压差在于三相不同负载电流产生不同的线路电压降。当中性线中断，如图1所示，150 W和15 W灯泡串联后接在380 V单相回路中。因白炽灯泡是电阻性负载，阻值R与功率P成反比，假设150 W灯泡的电阻为R，则15 W灯泡的电阻为10R，380 V电压按1∶10的比例在2个灯泡上分配。150 W灯泡上的电压为35 V，而15W灯泡上的电压高达345 V，很快就被烧毁。

此外，断零危害存在隐蔽性。如前文分析，当断零后如果三相负荷是平衡的，系统仍然可正常运行，没有任何表征。当切除部分单相负载导致三相负荷不平衡时，系统电压重新分配，开始烧损设备。

如果配备四极开关，将增大断零的风险。运行证明，如果四极开关有一对触头不导电，这一对触头往往是中性线上的触头。当开关切断负载电流时，触头间会产生电弧，通过电弧能清除触头表面的电阻膜，从而减少接触电阻。对于四极开关为了防止断零风险，分闸时先断开3个相线触头后再断开中性线触头，合闸时先合中性线触头后再合上3个相线触头。分闸时3根相线断开后，中性线上不存在电流，中性线触头不会产生电弧来清除电阻膜，所以中性线触头的接触电阻总是大于相线触头的接触电阻。这正是四极开关易导致断零事故的一个重要原因。

图1 断零的危害分析示意图

（2）为保证检修人员安全，是否需要断零。如停电维修时仅切断3根相线，维修时会发生电击伤人等事故，这是因为回路的带电导体并未做到完全隔离。中性线可能因各种原因对地存在电位差，甚至带危险的电位，因此进行电气维修时不仅应断开相线，还应断开中性线。但是，变电所内如果做有等电位联结，则不论采用的是 TN-C-S系统、TN-S系统还是 TT系统，在变电所内都不需为维修安全装设四极开关。此时，变压器中性点在变电所内直接接地。即使中性线出线上由低压网络内传入故障电压，由于等电位联结的作用，中性线与变电所的地和其他导电部分都升高至同一电位，它们之间不存在电位差，不会对维修人员构成危险。

综上所述，0.4 kV开关柜进线、母联和馈线开关应选择三极开关。

1.2 0.4 kV开关柜的N线必须单点接地

根据IEC标准，不允许在变压器室内将中性点就地接地，且自变压器中性点引出的N线（或PEN线）必须绝缘，只能在低压配电盘内一点与接地的PE母排连接，从而实现系统接地。如N线（或PEN线）和PE线间采用多点连接，将导致N线电流多通道流通，造成保护灵敏度降低和电气火灾隐患。

1.3 0.4 kV进线开关设置接地故障保护的必要性

当0.4 kV馈线距离较长且配备线缆规格较小时，经校验发生单相接地故障短路保护不满足灵敏度要求时，馈线上应装设接地故障保护模块。进线开关作为馈线开关的后备保护也必须设置接地故障保护模块。

因此，如何构建合理方案，实现一段母线和二段母线及其馈线发生单相接地故障时的保护选择性是研究的重点。

2 地铁设计中常见的几个方案

2.1 方案一

进线和母联开关采用四极开关，2台变压器低压侧中性点接地。

（1）方案优点。该方案进线和母联开关采用四极开关，在2台变压器运行和单台变压器带两段母线2种运行方式下，发生单相接地故障时，接地电流均只有一个通路回到变压器的中性点，具体如图2、图3所示。

图2 四极开关接线单相接地故障电流流向图1

图3 四极开关接线单相接地故障电流流向图2

发生一段母线单相接地故障后，通过电流互感器Ta1、Tb1、Tc1和Tn1分别测得Ia、Ib、Ic和In。Ia、Ib、Ic和In的矢量和即为接地故障电流Ig。该方案接地故障电流只有一个通路，接地保护不会误动。

（2）方案缺点。该方案设置了四极开关，存在断零风险。

2.2 方案二

进线和母联开关采用三极开关，2台变压器低压侧中性点接地。各设备接地方式与方案一基本相同，区别为变压器、低压柜一段母线和低压柜二段母线三者之间N线不设置断点。

（1）方案优点。该方案设置了三极开关，不存在断零风险。

（2）方案缺点。该方案进线和母联开关采用三极开关，N线通过PE线间进行了两点接地。

在 2台变压器分列运行发生一段母线单相接地故障时，接地电流同时流过N线上的Tn1和Tn2电流互感器，造成一段母线接地故障保护灵敏度下降和二段母线进线开关接地保护误动。具体如图4所示。

图4 三极开关方案单相接地故障电流流向图1

在单台变压器带两段母线运行方式下，发生二段母线单相接地故障时，部分接地电流也会在 N线中流过，降低了一段母线的接地故障保护的灵敏度。具体如图5所示。

图5 三极开关方案单相接地故障电流流向图2

2.3 方案三

进线开关采用三极开关，母联开关采用四极开关，2台变压器低压侧中性点接地。各设备接地方式与方案二基本相同，区别为0.4 kV开关柜内N线设置了断点。

（1）方案优点。在2台变压器分列运行方式下，发生一段母线单相接地故障时，接地电流只有一个通路回到变压器的中性点，接地故障保护灵敏度较高。具体如图6、图7所示。

图6 三极+四极开关方案单相接地故障电流流向图1

（2）方案缺点。

a.在单台变压器带两段母线运行方式下，发生单相接地故障时，部分接地电流会在N线中流过，降低了一段母线的接地故障保护的灵敏度。

b.母联开关存在断零风险。

图7 三极+四极开关方案单相接地故障电流流向图2

2.4 方案四

进线和母联开关采用三极开关，2台变压器低压侧中性点在低压柜内单点接地。

（1）方案优点。在2台变压器运行和单台变压器带两段母线两种运行方式下，发生单相接地故障时，接地电流均只有一个通路回到变压器的中性点，具体如图8、图9所示。

图8 三极开关+PEN线单点接地方案单相接地故障电流流向图1

（2）方案缺点。图8中，当发生一段或者二段母线（或馈线）单相接地故障时，单相接地电流均流过电流互感器 Tg，无法区分是哪段母线的故障。如果采用Tg的电流用于跳闸，接地保护将失去选择性，变电所任一0.4 kV母线和馈线发生单相接地故障都将导致全所失电，扩大了事故范围。

图9 三极开关+PEN线单点接地方案单相接地故障电流流向图2

3 方案优化研究

根据上述分析，方案设计在“三极开关+PEN线单点接地方案”基础上进行优化。一次接线方案与“三极开关+PEN线单点接地方案”相同，这里不累叙。优化重点在于解决接地故障保护的选择性问题。

接地故障保护可采取3种措施：

（1）采用相线的短路保护兼做接地保护。该方案存在灵敏度不能满足要求的可能，在此不作论述，可根据工程实际情况校核通过后采用。

（2）采用剩余电流保护。研究重点在于采取寻找合适的接地故障电流测量电流互感器Tg的安装位置。

（3）采用零序电流保护。

3.1 采用剩余电流保护

因变电所内采用PEN线单点接PE线后，只能在PEN线和PE线连接点附近测得接地故障电流。接地故障电流测量电流互感器Tg的各种安装方案如下：

（1）在PE线上装设Tg1和Tg2分别用于测量两段母线的接地故障电流，按照理想的接线是可实现的。但是，在实际工程中，0.4 kV馈线中存在大量的一级和二级负荷采用双电源供电，其外壳将两段母线的PE线进行了连通。不管是0.4 kV的哪个位置发生单相接地故障，Tg1和Tg2都将流过故障电流，见图10。

因此在PE线上装设接地故障测量电流互感器是不可行的。

图10 PE线装设流互方案单相接地故障电流流向图

（2）在PEN线上装设Tg1和Tg2分别用于测量两段母线的接地故障电流，当2台变压器分列运行时，不管0.4 kV系统的哪个位置发生单相接地故障，Tg1和Tg2都将流过对应母线的接地故障电流。具体见图 11，一段母线发生单相接地故障，接地故障电流流过Tg1。

图11 PEN线装设流互方案单相接地故障电流流向图1（装设于馈线柜末端）

当变压器1带两段母线时，Tg1和Tg2内会流过二段母线馈线产生的不平衡电流，无法可靠的测得对应两段母线的接地故障电流。如图12所示。

因此，不论电流互感器是装设在 PE线还是PEN线上，均无法准确测得接地故障电流。

图12 PEN线装设流互方案单相接地故障电流流向图2（装设于馈线柜末端）

3.2 采用零序电流保护

通过计算 3个相线电流的矢量和作为零序电流，将零序电流作用于保护跳闸。因系统在正常运行时，三相负载不平衡也会产生零序电流，其值一般小于变压器额定电流的10%，因此作为接地故障保护，其整定应躲过不平衡电流，一般整定为变压器额定电流的20%左右。

因为不论系统在何处发生短路，最终均反映在相线电流的大小上，因此采用一段和二段母线进线的零序电流作为接地故障保护可实现保护选择性。

原理接线图如图13所示。

方案实施要点见表1。

图13 采用零序电流实现接地保护方案原理图

表1 PEN线装设流互方案实施要点表

4 结论

经过多个方案的比选，推荐变电所0.4 kV开关柜采用三极开关+PEN线单点接地方案，并通过零序电流实现单相接地故障保护。采用该方案，避免了断零的风险，保证了设备和人员安全；PEN线单点接地提高了保护灵敏度，也降低了电气火灾的可能；能可靠区分两段母线的接地故障电流，实现单相接地故障保护的选择性。

[1] 王厚余．建筑物电气装置600问[M]. 北京：中国电力出版社，2013.

[2] 庞开阳，何江海. 广州地铁1号线供电系统[J]. 机车电传动，2002，（4）：36-38.

[3] 陈海军. 地铁供电系统的供电方式及其选择[J]. 现代城市轨道交通，2005，（4）：39-40.

[4] 龚孟荣. 地铁供电系统设计及仿真研究[D]. 西南交通大学，2013.

[5] 曾德容. 地铁供电系统可靠性和安全性分析方法研究[D]. 西南交通大学，2008.

[6] 蔡淑玲. 三极开关和四极开关的选用[J]. 电气时代，2002，（5）：45-46.

[7] 张峻领. 地铁供电系统直流侧短路故障研究[D]. 西南交通大学，2011.

[8] 林丽平. 高低压开关柜接地保护装置探析[J]. 机电信息，2012，（12）：87-88.

[9] 王厚余. “断零”的危害和防范[J]. 建筑电气，2013，（12）：3-6.

[10] 汤继东. 低压系统的接地及等电位联结[J]. 电气工程应用，2012，（4）：2-22.

Risk of neutral line broken of 0.4 kV switchgear was analyzed in this paper, and it was expounded that four-pole switch was unnecessary in substation for the sake of maintenance. Finally, conclusion was gained that three-pole switch should be adopted in the incoming lines, bus coupling and feeder line switches in the substation. In addition, various wiring schemes of 0.4 kV switchgear in domestic rail transit construction were analyzed in this paper, and the advantages and disadvantages of each scheme were pointed out. Meanwhile, the comparatively appropriate scheme that three-pole switch + PEN line with single point earthing was optimized, and the selectivity of earthing fault protection was realized by taking proper schemes.

Urban rail transit; power supply system; three-pole switch; four-pole switch; single-point earthing; multipoint earthing; earthing fault protection

U231.8

：B

：1007-936X(2015)04-0036-05

2014-10-23

王 蛟.中铁第四勘察设计院集团有限公司电化处，高级工程师，电话：027-51155312。