王厚余:电磁干扰与电源的系统接地
姑苏才子
姑苏才子 Lv.10
2016年10月18日 14:27:34
只看楼主

信息时代后我国花费大量投资在各地建设了许多智能建筑,但全国普查结果发现这些智能建筑的功能并不理想。一些“智能”并未真正发挥作用,白白浪费了投资。重要原因之一是在建筑电气的设计安装中抗电磁干扰措施不到位,信息技术系统不能正常工作,与发达国家相比差距甚大。 电磁干扰(electromagnetic interference)是个十分复杂的技术问题,不能仅将它局限于电压扰动(voltage disturbance)。在笔者拙作《建筑物电气装置600问》的有关章节中曾有过简略介绍,限于水平,所陈有失浅陋。近阅西门子公司的原文手册资料《Power distribution planning manual Volume 1: Planning principles》,其中提及配电系统内电源侧的系统接地(system earthing)(前苏联称作工作接地)设置不当引起的电磁干扰及其防范措施,所论甚为深入,学习后不无启发。不敢藏拙,愿将点滴体会陈述于下,供同行参考。

信息时代后我国花费大量投资在各地建设了许多智能建筑,但全国普查结果发现这些智能建筑的功能并不理想。一些“智能”并未真正发挥作用,白白浪费了投资。重要原因之一是在建筑电气的设计安装中抗电磁干扰措施不到位,信息技术系统不能正常工作,与发达国家相比差距甚大。

电磁干扰(electromagnetic interference)是个十分复杂的技术问题,不能仅将它局限于电压扰动(voltage disturbance)。在笔者拙作《建筑物电气装置600问》的有关章节中曾有过简略介绍,限于水平,所陈有失浅陋。近阅西门子公司的原文手册资料《Power distribution planning manual Volume 1: Planning principles》,其中提及配电系统内电源侧的系统接地(system earthing)(前苏联称作工作接地)设置不当引起的电磁干扰及其防范措施,所论甚为深入,学习后不无启发。不敢藏拙,愿将点滴体会陈述于下,供同行参考。

1 杂散电流产生杂散电磁场导致电磁干扰
一导体通过电流时其近旁将产生电磁场对敏感的信息技术设备(information technology equipment)引发电磁干扰。为此智能建筑内同一配电回路的诸导体应贴近敷设并处于同一金属外护物内,使其电磁场互相抵消,并将外护物两端接地以实现电磁屏蔽。需加注意的是一个包含多个电源以及多个建筑物的大配电系统内,只允许其某一电源的星形结点(star point)或N点作一点接地。要知一回路的N线电流只能经该N线这唯一通路返回电源,不能另辟它径。如果N线多点接地形成N线并联通路,该回路内N线电流将减少,回路的电流和不等于零,将产生杂散电磁场。其他与该N线并联的通路中不期望的N线电流的分流(被称作杂散电流,stray current)也将产生杂散电磁场。这些杂散电磁场势将对敏感的信息技术设备引起电磁干扰。

我国建筑电气行业如不重视诸如这类杂散电流和杂散电磁场的电磁干扰危害,也不采取有效的防范措施,长此以往,我国智能建筑有名无实的窘境恐是难以摆脱的。

2 共处一地的变电所、发电机站应共用一个系统接地
如图1所示,为精简管理人员常将变电所和发电机站共处一地并共用一组低压配电柜。这时作为电源设备的变压器和发电机可并联运行。所供一般负荷和重要的应急负荷既可由变压器供电也可由发电机供电。为避免上述杂散电流的产生,变压器和发电机的系统接地都不允许分散在电源设备处就地直接接地,而是在低压配电柜内(如图1所示)作一点接地。国际电工委员会IEC / TC 64秘书长Reinhard Petla先生曾一再强调图1的一点接地的系统接地方式是最为经济有效和最为简便的系统接地方式,它对防电磁干扰尤为有利。
11.jpg
需要说明,图1中电源设备第四个套管出线是全配电系统正常的和故障的接地电流返回电源设备的必经之途,它也起PE线的作用。所以该套管的出线并非是N线而是PEN线,因此,它不得串入开关触头,即电源设备总开关和母联开关必须采用三极开关。又因PEN线通过负载电流产生电压降而对地带不同电位,PEN线必须和L线、N线一样包以绝缘。

为防重要智能建筑内N线多点接地产生杂散电流引发重要信息技术系统内的电磁干扰,低压配电柜的出线回路应采用N线对地绝缘的TN - S系统(多用于户内电气装置)或TT系统(多用于户外电气装置)。国际电工委员会和发达国家标准对应急负荷颇多采用不配出N线的IT系统(例如超高层建筑的消防用电负荷),以避免发生一个故障即中断消防供电或发生两个故障时仍不跳闸。因IT系统不配出N线,自然不存在N线多点接地而导致电磁干扰的问题。出线采用IT系统的接线要求见文献《建筑物电气装置600问》内第19章,为节约篇幅,本文内不赘述。低压配电柜出线回路可采用三极开关或四极开关,视具体情况而定,不多述。

与德国的做法相比,我国有些电气设计安装中,不了解也不重视杂散电流的危害,一些做法还违反了电气安全的基本要求。例如,在变电所和发电机站共处一地时误将系统接地多点接地,电源总开关和母联开关错误地选用四极开关等。凡此种种错误,使我国的一些智能建筑难以发挥应有的智能作用,一些电气事故也因之频仍发生,良堪嗟叹。

图1中高低压设备的金属外壳都需与低压配电柜内PE母排连通而实现保护接地(protective earthing)。为简化图面,图中未表示。

3 互相远离的变电所、发电机站应有各自的系统接地
为将变电所和发电机站作成互不影响的两个独立的电源以提高供电不间断性,往往将两者互相远离设置,如图2所示。这时变电所的系统接地仍按图1所示在低压配电柜内作一点接地。当电网发生故障变电所无法供电时由发电机站供电给重要的应急负荷。但由于两者相距甚远,两者间的联络线阻抗甚大,如发电机需绕道经变电所内的一点接地而实现其系统接地,则过大的故障回路阻抗对短路电流的限制将降低发电机站过电流防护动作的灵敏度,这是我们不期望的。为此发电机第四个套管除引出N线外,还需引出发电机作系统接地的就地直接接地的接地线。所以在发电机站内N线和接地线一开始就是分开的,因此,发电机站是以TN - S系统运行的。
12.jpg

这时全配电系统内变电所和发电机站都出现了系统接地,即全系统出现了两个系统接地,无疑将引发杂散电流和电磁干扰。为此发电机站的总开关和它与变电所间联络线的出线开关必须为四极开关,两开关之间必须加以联锁,以保证两开关之一的断开,从而避免了变压器和发电机之间以及两个系统接地之间的并联运行,消除了杂散电流的发生。从图2可知,变电所是可以给应急负荷供电的,而发电机站却不能向一般负荷供电,有些美中不足。但为了满足智能建筑的信息技术设备免受电磁干扰这一基本要求,也只能作些牺牲了。

4 结语
从上文可见西门子手册《Power distribution planning manual Volume 1: Planning principles》内千方百计不遗余力地杜绝智能建筑低压配电系统内杂散电流的发生,而在我国建筑电气的设计安装中对此往往不予重视。这可能是我国智能建筑不能充分发挥功能的重要原因之一。衷心希望我电气同行注意及之。


12.jpg


11.jpg

免费打赏
muyuyao
2016年10月19日 15:44:06
12楼
fitman 发表于 2016-10-19 12:03 王老这文章的发电机站运离设置,实际也就是同一接地网的情况。如果不是同一地网,大地所分流的杂散电流一 …文中并没有说清楚这一点!!!
回复
fitman
2016年10月19日 17:41:32
13楼
muyuyao 发表于 2016-10-19 15:44 文中并没有说清楚这一点!!!如果发电站是独立在建筑物外设置并独立的接地网,则完全可以使用TN-C-S的方式为建筑物供电,这时在建筑物重复接地一次是允许的,也就没有讨论的必要了。另外有一点,王老认为发电站设置距离远了而在配电屏里一点接受地会影响保护灵敏度,对这一点我不太认同。
回复
muyuyao
2016年10月19日 18:39:32
14楼
fitman 发表于 2016-10-19 17:41 如果发电站是独立在建筑物外设置并独立的接地网,则完全可以使用TN-C-S的方式为建筑物供电,这时在建筑物 …愿闻其详!!!
回复
学海一帆
2016年10月19日 19:18:41
15楼
好文章。
但在具体工程中确实需要说明一些问题。例如MUYUyao教授所提出的。一个大底盘住宅区,变电所和柴发机房距离多远算是两个电源点?事实上大底盘的接地网均是通过扁钢连成一体的。有时候柴发和变电所距离有近百米,这时是算一个电源点还是两个电源点?
回复
风平浪静02
2016年10月20日 09:31:16
16楼
fitman 发表于 2016-10-19 17:41 如果发电站是独立在建筑物外设置并独立的接地网,则完全可以使用TN-C-S的方式为建筑物供电,这时在建筑物 …正当大家为多电源配电室,电源中性点是否一点接地问题讨论得难分难解的时候,他又说应该分别接地。尽管两个电源不能并联。大街上临时工程发电机中性点是不是接地呢?我们知道高压发电机中性点一般是不接地,或者经过高阻接地的。因为同步发电机单相短路电流大于三相短路,对发电机运行不利。那既然电源中性点接地以后会有这么多的不利因素,为什么发电机中性点非要接地呢?电磁干扰深深地唬住很多专业人员,但是如何干扰没有下文。我们知道如果以电磁波的形式,像工频那样的低频率的电磁波,没有专门导体是无法传播的。如果是以磁通(磁链)形式,那距离就是其传播的最大障碍。可能地球磁场都要比这种干扰大得多。磁悬浮列车也更本不符合智能化要求了。版主的意思,经过大地为路径的电流非杂散电流不用考虑。不经过中性线,在同一地网流通的电流才是杂散电流的主要因素?那文章作者,造成地下金属构件氧化,易燃易爆物质爆燃,又何从谈起呢?重要的是一点接地,与就近接地和在配电柜下面接地没有关系。就近接一点地有效地保证了低压系统安全,不会增加电磁干扰。配电柜下一点接地也不能减少所谓的杂散电流。
回复
风平浪静02
2016年10月20日 10:13:20
17楼
终于改口了。把界定第四套管引出线由“流过正常时系统对地泄漏电流和接地故障时的故障电流。” 改变到 “第四个套管出线是全配电系统正常的和故障的接地电流返回电源设备的必经之途,它也起PE线的作用。” 它是如何起PE线的作用的呢?没有接地能起PE作用吗?所以起PE作用的关键是接地,没有接地就不会有PE作用。那引出线还没有接地,怎么能认为它就是PEN线呢?我们说第四套管接地以前是N线,N线接地以后才是保护中性线 PEN。第四套管到绕组中性点之间的连线,更不是PEN了。这条导线被严严实实地封闭在变压器里面,如何起到保护作用呢?
回复
风平浪静02
2016年10月20日 10:17:11
18楼
其实, 全配电系统正常的和故障的接地电流返回电源设备的必经之途, 与保护作用的PE没有丝毫关系。
回复
fitman
2016年10月21日 10:15:04
19楼
muyuyao 发表于 2016-10-19 18:39 愿闻其详!!!本人不太认同王老说因配电柜离发电机太远,统一接地会影响保护的灵敏度的说法,原因如下: 为简便,设N线为L线的一半截面,配电柜在线路中部。我们校验保护的灵敏度时,一般以单相接地故障保护来校验,从附图可知:1、当统一在配电柜接地时,由于建筑内部钢筋的分流作用,故障电阻为2R+RRx/(R+Rx);2、当分别在电源和配电柜接地时,故障电阻为R+2RRx/(R+Rx);从上述两组数据可知,两点接地时的回路电阻明显比统一接地时小。从这一点来看,王老的说法似乎是正确的。但实际上我们设计时是不可能知到Rx的值,也就是说我们进行灵敏度校验时,不会考虑(现时规范也不允许)Rx的存在,即我们使用的故障回路电阻是3R。所在无论接地点在那里,我们校验保护灵敏度的结果是一样的,这是我不认同王老观点的原因(除非以后我们可以用实测电阻来校验灵敏度)。 最后还想说一点,从图可知,建筑物的整体接地电阻(对大地),无论是1欧还是4欧,都远大于Rx或R,所以我们在建筑物内部的接地故障保护校验也好,防电击保护也好,一般都不用考虑他的存在。
回复
fitman
2016年10月21日 10:27:50
20楼
风平浪静02 发表于 2016-10-20 10:13 终于改口了。把界定第四套管引出线由“流过正常时系统对地泄漏电流和接地故障时的故障电流。” 改变到 “第 …现在的建筑电气中防电击理论已演化了,有没有接地与PE线是起保护作用是没有必然的联系。请体会一下规范对电击保护名称的演化:漏电保护——接地故障保护——间接接触保护。这三个名称都是除直接接触带电导体的电击防护之外的保护,但内里含义体现了保护内涵的转化。希望建筑电气相关的人员好好体会一下。其他专业的朋友,可以不用太较真,因为从网上的讨论来看,就算是建筑电气设计人员,真正体会名称的真体内涵的朋友并不多。
回复
风平浪静02
2016年10月21日 15:15:48
21楼
fitman 发表于 2016-10-21 10:27 现在的建筑电气中防电击理论已演化了,有没有接地与PE线是起保护作用是没有必然的联系。请体会一下规范 …fitman版主见谅:好像我们没有排斥过漏电保护、接地故障保护、间接接触保护吧。我们只是对600问对保护中性线中的PE界定提出质疑和纠正。如果PE线已经演化到非接地为要素,有没有接地与PE线是起保护作用是没有必然的联系。是不是应该对PE进行重新定义呢?是不是应该把 protective earthin 中的 “earthing” 去掉呢?保护线是不是可以与另一条相线相连接呢?那么,“全配电系统正常的和故障的接地电流返回电源设备的必经之途。”与PE有关系吗?PE是故障电流返回电源的主要通道?回答是否定的。你再演化,最终还不是在防范相-地事故的发生。因为人员在地上活动,系统建立的大地之上。你不防范相-地事故,还能防范什么呢?单相短路、两相短路,600问谈到了吗?电气火灾相-地事故占几成呢?一个漏电监测互感器就可以防范电气火灾了吗?为什么我们老是把道理反过来证明呢?明明是系统接地以后,才使对地电压定格在相电压。为什么是为了得到对地相电压,才搞系统接地呢?对地380V真得很危险吗,真得不能做到绝缘吗?我们是不是也应该采取110V电压才是和国际接轨呢?为什么其他专业的朋友,可以不用太较真呢?有自备电源的,保护中性线上不加四极开关已经严重影响电力工作人员的人身安全。不在变压器旁边搞就近接地,严重威胁低压系统安全。我们想真正需要体会的是TN系统、TT系统为什么需要系统接地。而不是模模糊糊的真体内涵。
回复

相关推荐

APP内打开