选煤厂电气装置接地改造实践

桑立辉

(神华准格尔能源有限责任公司 选煤厂，内蒙古 准格尔旗 010300)

神华准能公司选煤厂一系统采用跳汰洗选工艺，设计洗选能力1 200万t/a，核心设备为4台德国KHD公司生产的BATAC型块煤跳汰机。配套设备有：72台振动给料机、8台原煤分级筛、4台双齿辊破碎机、3台刮板机、4台精煤斗提机、4台中煤斗提机、4台矸石斗提机、4台精煤脱水筛、4台中煤脱水筛、6台鼓风机、3台离心机、2台空压机、33台胶带输送机以及其他辅助生产设备，配套电机约520台。

跳汰洗选电气系统接地采用TN-C型式，接地的目的是为了保证电气设备漏电后能够在规定的时间内使断路器跳闸和限制接触电压，以保证设备安全运行及人身安全，在接地保护完好的情况下，设备漏电不应造成财产损失和人身伤害。

1 系统接地的型式

1.1 TN系统

电源端有一点直接接地，电气装置的外露可导电部分通过保护中性导体或保护导体连接到此接地点。

根据中性导体和保护导体的组合情况，TN系统的型式有以下三种：

(1) TN-C系统:整个系统的中性导体和保护导体是合一的(图1)。

图1 TN-C系统示意

(2) TN-S系统：整个系统的中性导体和保护导体是分开的(图2)。

图2 TN-S系统示意

(3) TN-C-S系统：系统中一部分线路的中性导体和保护导体是合一的(图3)。

图3 TN-C-S系统示意

1.2 TT系统

电源端有一点直接接地，电气装置的外露可导电部分直接接地，此接地点在电气上独立于电源端的接地点(图4)。

图4 TT系统示意

1.3 IT系统

电源端的带电部分不接地或有一点通过阻抗接地，电气装置的外露可导电部分直接接地(图5)。

图5 IT系统示意

2 各型系统接地的特点

2.1 TN-C系统

TN-C系统内PE线和中性线合二为一成为PEN线，PEN线同时具有PE线及中性线的作用，节省材料，经济性强，我国选煤厂过去曾大量使用TN-C系统。但从电气安全角度来说，TN-C系统存在下列问题。

(1)如电气系统为单相回路，当PEN线断线或接触不好时，电气设备外露可导电部位对地电压与相电压相同[2]。对于三相回路，当PEN线断线或接触不好时，则中断处前方的PEN线电压几乎为零，而中断处后方的PEN线电压等于负荷侧三相电压的相量和，特殊情况时，中断处后方的电压等于相电压。发生触电事故时，会造成严重后果。因此TN-C系统的PEN线必须在多处做接地以防止触电事故。

(2)不能安装剩余电流动作保护器，即RCD，因PEN线穿过剩余电流动作保护器的零序电流互感器，接地故障电流同时通过相线和PEN线，故障电流在互感器线圈内产生的磁场相互抵消导致RCD拒动，所以TN-C系统内不能安装RCD作为防电击保护。

(3)在TN-C系统中PEN线同时起到PE线的作用，所以PEN线在任何地方都不能中断，因此在TN-C系统不能安装四极开关对电气维修人员进行保护。

(4)中性线电流通过PEN线导致PEN线产生电压降，致使所接电气设备的外露可导电部位带电，可能会对敏感信息设备产生干扰，在危险爆炸场所中也可能产生火花，引起爆炸。因此在使用敏感信息设备和防爆场所中不得使用PEN线和TN-C系统。

鉴于以上原因，除某些特殊情况外，已经很少采用TN-C系统。

2.2 TN-S系统

在TN-S系统中，PE线和中线各自独立，除非人为错误将中性线和PE线接反或跨接，正常情况下，PE线不通过电流，只有在产生接地故障时通过接地电流，因此电气设备的外露可导电部位正常情况下不带电，即使通过接地电流时，其电位几乎与地电位相同，十分安全，不会对敏感信息设备产生干扰，也不会产生火花，但TN-S系统需额外安装一根导线。

2.3 TN-C-S系统

在建筑内采用TN-C-S系统，使用PEN线的部分是TN-C系统，同样会产生与单独的TN-C系统一样的问题。需要注意的是，如果采用TN-C-S系统，在PE线和中性线分开的电源处PEN线必须先接入PE母排，然后把中性线母排通过导线接到PE母排上。因为如果导线断开或连接不良，中性线断路，电气设备故障可及时发现并进行维修。如PEN线先接中性线母排，如果导线断开或连接不良，这时整个系统中的电气设备都会失去PE线的保护，而中性线仍然导通，设备依然可以正常工作，安全隐患难以发现，对于电气设备和人员都是不利的。

TN-C-S系统中PE线在任何情况下都不得接入剩余电流动作保护器，因为电气设备漏电会导致上级剩余电流动作保护器动作造成大范围停电。PE线除了在总电源母排处必须和N线相接以外，在其他各处PE线均不得再与中性线相连。

2.4 TT系统

在TT系统中，当电气设备发生接地故障时，由于有接地保护，极大地降低了触电的危险性。但是，TT系统中系统接地和电气设备的保护接地是不连通的，因此发生接地故障时，故障回路的阻抗较大，故障电流较小，低压断路器不一定能跳闸。当漏电电流比较小时，即使有熔断器也不一定熔断。因此还需要装设RCD来快速切断电源。TT系统也有自己的优势，TT系统内各个电气设备各有自己的接地极和PE线，因此TT系统供电范围的内接地故障电压不会通过PE线蔓延，导致一处发生接地故障，多处发生电气事故的问题，因此TT系统适用于无等电位连接的户外场所[2]。

2.5 IT系统

IT系统在发生接地故障时，因为故障电流没有返回电源的通路，其故障电流非常小，电气设备外露可导电部分对地电压很低，不至引发电气事故，也不会切断电源而使供电中断，但与TT系统类似，因故障电流太小设备保护装置不一定动作。同时IT系统故障防护和维护管理较为复杂，并且在低压电网遭受雷击时，会因雷电电流难以泄露产生过电压，造成低压电网绝缘击穿。IT系统适用于对供电不间断和防电击要求很高的场所。

3 改造原因及改造选型

3.1 改造原因

(1)选煤厂跳汰洗选系统采用TN-C系统，TN-C系统虽然经济性更好，但是存在很多安全隐患，在PEN线断线或接触不良时，设备外壳将有很高的对地电压，非常危险。同时容易对信息技术设备产生干扰，也可能在爆炸危险场所内产生火花引发爆炸。

(2)为提高选煤厂电气设备安全保护水平，选煤厂计划为部分电机及供电线路(未安装综合保护器的部分)加装综合保护装置，并配备漏电保护功能。现有接地系统已不适合电气保护的要求。

3.2 改造选型

(1)TT系统及IT系统均需为每台电气设备单独接地，需要很大的经济和人力投入；TT系统在设有变压器的厂房内设置在电位上互不影响的系统接地和保护接地是比较麻烦的，即使将变压器中性线的系统接地用绝缘导体引出另做单独的接地极，但其与保护接地PE线连通的户外地下金属管道间的距离非常难满足要求。如上所述，TT系统和IT系统都有各自的局限性不适合选煤厂。

(2)国标《剩余电流动作保护装置安装和运行》(GB 13955-2005)中明确规定：在TN-C-S系统中，必须将TN-C系统改造为TN-C-S、TN-S系统或局部TT系统后，才可安装使用剩余电流保护装置[3]。剩余电流保护装置只允许使用在中性线与PE线分开部分。选择TN-C-S系统将会制约很多设备保护的升级改造。

(3)2014年国标《爆炸危险环境电力装置设计规范》(GB 50058-2014)明确规定爆炸环境中的TN系统应采用TN-S型[4]。

(4)TN-S系统中PE线和中性线分开，PE线不带电位，不会对敏感信息设备产生干扰，不会在爆炸危险场所产生火花引发爆炸；发生接地故障时，设备外露可导电部分电位几乎与地电位相同，不会发生触电危险，同时，故障电流非常大，能够使设备保护装置及时动作切断电源。

鉴于以上原因，将原来的TN-C接地型式改造为TN-S接地型式。

4 改造方案

变压器低压侧电源线进入配电室后分为PE线和中性线，在配电室中新增一根母排作为中性线母排，原PEN母排作为PE线母排。通过更换电缆(四芯电缆更换为五芯电缆)或沿原有电缆敷设单股电缆为电气设备接地。并将配电室接地母排通过镀锌扁钢延伸至厂房内，在厂房内构建接地网，电气设备的金属外壳等需要接地的电气装置各自使用接地线与接地网相连，作为双重接地，以保证设备及人员安全。需要注意的是：PE线上不得安装熔断器和开关，严禁断线；严禁将多台电气设备的接地线串联接地；对于选煤厂来说，胶带输送机机架可作为电气设备接地的接地干线，机架各部分之间必须连成可靠的电气通路，机架之间应用截面积不小于100 mm2的钢材焊接[5]；为统一接地系统标准，电气设备(除照明设备外)接地干线统一选择40×4的镀锌扁钢，照明设备的接地干线选择25×4的镀锌扁钢。

5 结 语

将系统接地改为TN-S型式，有效的解决了TN-C型式一旦PEN线断线将会导致设备外壳产生高电压的安全隐患；避免了TN-C型式PEN线对敏感信息设备的干扰，解决了PEN线在爆炸危险场所产生火花引发爆炸的安全隐患；TN-S型式可以安装剩余电流动作保护器对设备进行保护，提高了设备的安全性。同时为选煤厂电气设备保护的升级改造提供了坚实的保障。