低壓配電網(wǎng)絡(luò)有3種接地方式,即IT系統(tǒng)、TT系統(tǒng)、TN系統(tǒng)。其中,TN系統(tǒng)又可以細(xì)分為TN-S系統(tǒng)、TN-C系統(tǒng)、TN-C-S系統(tǒng)。低壓配電網(wǎng)絡(luò)采用何種接地方式,與低壓配電網(wǎng)絡(luò)的使用場(chǎng)所和負(fù)載配置有關(guān)。
隧道掘進(jìn)機(jī)作為一個(gè)全自動(dòng)化、智能化隧道掘進(jìn)設(shè)備,集機(jī)械、液壓、流體、配電、監(jiān)控系統(tǒng)于一體,具有負(fù)荷種類多、容量大(2~5MW)、負(fù)荷相對(duì)集中等特點(diǎn)。如何選擇集成在隧道掘進(jìn)機(jī)上低壓配電網(wǎng)絡(luò)的接地方式,是掘進(jìn)機(jī)生產(chǎn)廠家需要分析和解決的問題。
本文根據(jù)隧道掘進(jìn)機(jī)設(shè)備低壓配電網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn),綜合分析各類接地方式優(yōu)勢(shì)與缺點(diǎn),選取最適用于掘進(jìn)機(jī)設(shè)備的低壓配電網(wǎng)絡(luò)中性點(diǎn)接地方式。
在低壓配電網(wǎng)絡(luò)的3種接地方式字母代號(hào)中,第一個(gè)字母表示低壓配電網(wǎng)絡(luò)電源端與地的關(guān)系:I指電源中性點(diǎn)經(jīng)高阻抗接地或不接地;T指電源中性點(diǎn)直接接地;第二個(gè)字母表示電氣裝置的外露可導(dǎo)電部分與地的關(guān)系:T指電氣裝置的外露可導(dǎo)電部分直接接地,此接地點(diǎn)在電氣上獨(dú)立于電源端的接地點(diǎn),N指電氣裝置的外露可導(dǎo)電部分與電源端接地點(diǎn)有直接電氣連接。
圖1 IT接地方式
IT接地方式,電源中性點(diǎn)高阻接地或不接地,用電設(shè)備外露可導(dǎo)電部分直接接地;在IT接地系統(tǒng)中,發(fā)生第一次接地故障時(shí),故障點(diǎn)接地電流僅為非故障相對(duì)地電容電流,非故障相對(duì)地電壓上升為相電壓的1.73倍,IT接地方式低壓配電網(wǎng)絡(luò)絕緣需要按線電壓設(shè)計(jì),一般用于要求連續(xù)供電或不允許斷電的場(chǎng)所。
圖2 TT接地方式
TT接地方式,電源中性點(diǎn)直接接地,用電設(shè)備外露可導(dǎo)電部分也直接接地,但電源接地與設(shè)備外露可導(dǎo)電部分接地相互獨(dú)立。在TT接地系統(tǒng)中,如發(fā)生高電壓經(jīng)導(dǎo)體或破損絕緣串入低壓設(shè)備,此接地方式能有效抑制低壓設(shè)備的過電壓,對(duì)低壓設(shè)備的雷擊過電壓也有一定的泄漏能力。
在發(fā)生碰殼故障時(shí),此接地方式亦能有效降低外殼對(duì)地電壓,減輕人體觸電危害,同時(shí),保護(hù)裝置在較大的故障電流作用下可靠動(dòng)作,及時(shí)切斷故障。TT系統(tǒng)需要多處接地,接地裝置復(fù)雜,耗用材料多,不易回收,僅適用于長(zhǎng)期固定工程。
圖3 TN-S接地方式
TN接地方式,電源中性點(diǎn)直接接地,設(shè)備外露可導(dǎo)電部分與電源中性點(diǎn)直接電氣連接。在TN接地系統(tǒng)中,如發(fā)生碰殼故障,故障電流經(jīng)金屬導(dǎo)線構(gòu)成閉合回路,形成金屬性單相短路,產(chǎn)生足夠大的故障電流,驅(qū)動(dòng)過流保護(hù)裝置可靠動(dòng)作,將故障切除。TN系統(tǒng)要求保護(hù)線PE(專用或與N線共用)連接可靠,中間絕對(duì)不允許斷線,也不允許接入開關(guān)設(shè)備。
TN-S系統(tǒng)為TN系統(tǒng)中適用性最好,最安全可靠的接地系統(tǒng),其工作零線(N線)與保護(hù)零線(PE線)完全分離,保護(hù)零線(PE線)專用,沒有負(fù)荷電流或不平衡電流流過,對(duì)地電壓為0。正由于PE線為保護(hù)用專線,較其他接地方式需額外敷設(shè)一條金屬導(dǎo)線回路,需相應(yīng)增加系統(tǒng)資金投入。
隧道掘進(jìn)機(jī)是利用回轉(zhuǎn)刀具開挖,同時(shí)破碎洞內(nèi)圍巖及掘進(jìn),形成整個(gè)隧道斷面的一種新型、先進(jìn)的隧道施工機(jī)械。隧道掘進(jìn)機(jī)主要用于地鐵隧道及公路、鐵路、引水工程長(zhǎng)距離隧道的掘進(jìn)施工作業(yè),施工里程可達(dá)20km以上,整機(jī)裝機(jī)功率最大可到5000kW。
設(shè)備上集成有機(jī)械、液壓、流體等各類裝置與機(jī)構(gòu),配電網(wǎng)絡(luò)具有負(fù)荷功率大,負(fù)載集中(300m范圍內(nèi)),種類復(fù)雜多樣,安全保護(hù)要求高等特點(diǎn)。掘進(jìn)機(jī)采用10kV或20kV高壓電纜引入電源,利用設(shè)備上自帶的箱式變電站轉(zhuǎn)變?yōu)榈蛪弘姾蠊└骷?jí)負(fù)載使用。箱式變電站內(nèi)常規(guī)配置為兩臺(tái)變壓器,一臺(tái)用于掘進(jìn)機(jī)回轉(zhuǎn)刀具機(jī)構(gòu)(刀盤)旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng),一臺(tái)用于除刀盤外其他輔機(jī)負(fù)載供電。
掘進(jìn)機(jī)刀盤旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)用變壓器根據(jù)驅(qū)動(dòng)方式的不同而有區(qū)別。如刀盤驅(qū)動(dòng)采用液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)方式,刀盤變壓器的負(fù)載為三四臺(tái)給液壓馬達(dá)供油的液壓泵定速電動(dòng)機(jī),功率區(qū)間在250~315kW,采用軟起動(dòng)器控制運(yùn)行。
如刀盤驅(qū)動(dòng)采用電動(dòng)機(jī)直接帶減速機(jī)驅(qū)動(dòng)方式,刀盤變壓器的負(fù)載為4~12臺(tái)變頻電動(dòng)機(jī),功率區(qū)間在132~400kW,采用變頻器控制運(yùn)行。刀盤驅(qū)動(dòng)低壓配電網(wǎng)絡(luò)的主要特點(diǎn)是單電動(dòng)機(jī)功率大,電動(dòng)機(jī)數(shù)量相對(duì)穩(wěn)定,電網(wǎng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,配電級(jí)數(shù)只有1級(jí)。
掘進(jìn)機(jī)輔機(jī)供電用變壓器,其負(fù)載主要為各類變頻或非變頻異步電動(dòng)機(jī)、監(jiān)控設(shè)備與照明設(shè)備,負(fù)載數(shù)量多,驅(qū)動(dòng)方式多樣,一般將不同類別的負(fù)載分離,按3級(jí)配電網(wǎng)絡(luò)對(duì)其進(jìn)行配電。
由于隧道掘進(jìn)機(jī)為地下施工設(shè)備,施工場(chǎng)所環(huán)境惡劣,溫濕度高,粉塵大,人員集中,所以對(duì)于掘進(jìn)機(jī)低壓配電網(wǎng)絡(luò)的接地方式與保護(hù)裝置的配置首先要滿足人身保護(hù)與設(shè)備財(cái)產(chǎn)安全的要求,其次要顧及施工設(shè)備穩(wěn)定持續(xù)運(yùn)行的要求,最后還要考慮作為設(shè)備生產(chǎn)廠家的成本控制需要。
低壓配電網(wǎng)絡(luò)中,采用“另起的系統(tǒng)”措施,可以滿足在同一供電范圍,同一建筑物內(nèi)不同接地方式兼容共存。隧道掘進(jìn)機(jī)的低壓配電網(wǎng)絡(luò)可類比于一個(gè)建筑物或變電所,不拘泥于全部采用一種接地方式,通過比較3種接地方式的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行擇優(yōu)選擇。
1)采用IT系統(tǒng),電源中性點(diǎn)不接地,低壓配電網(wǎng)絡(luò)上其他設(shè)備外露可導(dǎo)電部位通過金屬結(jié)構(gòu)件連為一體后連接至接地極接地。低壓配電網(wǎng)絡(luò)上裝設(shè)過流保護(hù)設(shè)備及一個(gè)絕緣監(jiān)測(cè)儀,即能滿足整個(gè)低壓配電系統(tǒng)的保護(hù)要求。絕緣監(jiān)測(cè)儀實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)整個(gè)配電系統(tǒng)對(duì)地絕緣電阻值,在系統(tǒng)任一位置發(fā)生絕緣破損或老化均能通過絕緣電阻值實(shí)時(shí)反饋,在發(fā)生單相接地故障或系統(tǒng)對(duì)地絕緣故障時(shí)還能動(dòng)作于跳閘,跳開全部回路低壓開關(guān),保護(hù)人身與設(shè)備安全。
2)采用TT系統(tǒng),電源中性點(diǎn)需要連接至一個(gè)接地極進(jìn)行接地,低壓配電網(wǎng)絡(luò)上其他設(shè)備外露可導(dǎo)電部位通過金屬結(jié)構(gòu)件連為一體后統(tǒng)一連接至另一個(gè)接地極接地,此兩接地極分開設(shè)置(如不分開則變?yōu)門N系統(tǒng)),且每個(gè)接地極的接地電阻均滿足接地電阻要求。低壓配電網(wǎng)絡(luò)各回路裝設(shè)過流與漏電保護(hù)設(shè)備,在某一回路發(fā)生漏電事故或絕緣破損,動(dòng)作于跳開本回路低壓開關(guān)。其漏電保護(hù)動(dòng)作靈敏性與接地裝置接地電阻有極大關(guān)系。
3)采用TN系統(tǒng),電源中性點(diǎn)需要連接至一個(gè)接地極進(jìn)行接地,低壓配電網(wǎng)絡(luò)上其他設(shè)備外露可導(dǎo)電部位通過銅導(dǎo)線或金屬構(gòu)件做局部等電位連接后,再通過銅導(dǎo)線連接在一起,并通過銅導(dǎo)線直接連接到電源中性點(diǎn)。配電網(wǎng)絡(luò)各回路裝設(shè)過流與漏電保護(hù)設(shè)備,在某一回路發(fā)生漏電事故或絕緣破損,動(dòng)作于跳開本回路低壓開關(guān)。其漏電保護(hù)動(dòng)作靈敏性與保護(hù)零線(PE線)的阻值有極大關(guān)系。
以上3種低壓配電網(wǎng)絡(luò)接地方式的特點(diǎn)見表1。
表1 三種低壓配電網(wǎng)絡(luò)接地方式特點(diǎn)
對(duì)于刀盤旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)配電網(wǎng)絡(luò),采用獨(dú)立的變壓器作為其電源供電,由于其系統(tǒng)簡(jiǎn)單,配電級(jí)數(shù)只有1級(jí),且負(fù)載要求同時(shí)起動(dòng)與停止,比較上述3種接地方式,保護(hù)可靠、無選擇性且價(jià)格較低的IT接地系統(tǒng)能滿足其全部要求,因此選取IT系統(tǒng)作為掘進(jìn)機(jī)刀盤旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)低壓配電網(wǎng)絡(luò)的接地方式。
對(duì)于輔機(jī)供電用變壓器,也有獨(dú)立的變壓器作為其電源供電。此系統(tǒng)相對(duì)復(fù)雜,配電級(jí)數(shù)多,各系統(tǒng)獨(dú)立運(yùn)行,互不關(guān)聯(lián),因此,要求低壓配電網(wǎng)絡(luò)保護(hù)系統(tǒng)除具有可靠性外,還需具有選擇性。對(duì)比具有選擇性的TT與TN接地系統(tǒng),由于地下環(huán)境復(fù)雜,接地裝置具有極大不確定性,所以成本中等、接地裝置少的TN接地系統(tǒng)是掘進(jìn)機(jī)輔機(jī)負(fù)載低壓配電網(wǎng)絡(luò)接地方式的最佳選擇。
根據(jù)隧道掘進(jìn)機(jī)的可移動(dòng)性特性,我司最初采用接地裝置少且應(yīng)用最普遍的TN接地方式作為隧道掘進(jìn)機(jī)整機(jī)低壓配電網(wǎng)絡(luò)的接地方式。但對(duì)于刀盤旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)配電網(wǎng)絡(luò),由于其驅(qū)動(dòng)裝置為變頻器,諧波含量大,電磁干擾強(qiáng),常常導(dǎo)致剩余電流保護(hù)裝置誤動(dòng)作。而若將剩余電流保護(hù)裝置的整定值調(diào)大后(至少1A以上),又起不到應(yīng)有的保護(hù)設(shè)備安全的效果,具有極大的隱患。
自2014年起,我司開始在掘進(jìn)機(jī)設(shè)備刀盤旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)配電網(wǎng)絡(luò)使用IT接地方式,取消原有剩余電流保護(hù)裝置,在變壓器低壓側(cè)裝設(shè)絕緣監(jiān)測(cè)儀,利用絕緣監(jiān)測(cè)儀實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)絕緣,在絕緣電阻低于低限時(shí)及時(shí)報(bào)警,并動(dòng)作于跳開全部低壓配電開關(guān)。
對(duì)于絕緣監(jiān)測(cè)儀采用等幅對(duì)稱方波充電測(cè)量法,通過在電網(wǎng)上疊加兩個(gè)等幅周期可調(diào)的正負(fù)脈沖,利用電網(wǎng)和大地之間的絕緣電阻閉合測(cè)量回路,不僅使刀盤旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)配電網(wǎng)絡(luò)的漏電保護(hù)性能不受變頻器諧波的干擾,同時(shí)還將其保護(hù)范圍拓展到電動(dòng)機(jī)處。此外,刀盤旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)配電網(wǎng)絡(luò)漏電保護(hù)設(shè)備的成本也降低至原有成本的1/2。
通過在我公司生產(chǎn)的掘進(jìn)機(jī)設(shè)備上測(cè)試試驗(yàn)并推廣使用,IT系統(tǒng)作為刀盤旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)低壓配電網(wǎng)絡(luò)接地方式、TN系統(tǒng)作為其他負(fù)載低壓配電網(wǎng)絡(luò)接地方式,已成為我司掘進(jìn)機(jī)設(shè)備低壓配電網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)配置,在各施工項(xiàng)目和工地上廣泛使用。
我司的掘進(jìn)機(jī)設(shè)備,目前為止從未出現(xiàn)過一起由于設(shè)備電氣事故造成人身傷亡或財(cái)產(chǎn)重特大損失的事故,整套系統(tǒng)安全、穩(wěn)定、高效,可操作性強(qiáng),受到客戶的一致好評(píng)。
低壓配電網(wǎng)絡(luò)中性點(diǎn)接地方式,對(duì)掘進(jìn)機(jī)的穩(wěn)定、安全、可靠運(yùn)行起到了關(guān)鍵性的作用。本文中的低壓配電網(wǎng)絡(luò)中性點(diǎn)接地方式經(jīng)過實(shí)踐,適用于各種類型的山嶺、公路、鐵路及地鐵隧道掘進(jìn)機(jī)產(chǎn)品,并可優(yōu)化后推廣應(yīng)用于其他領(lǐng)域的掘進(jìn)機(jī)產(chǎn)品。通過選擇合適的掘進(jìn)機(jī)低壓配電網(wǎng)絡(luò)接地方式,提高了掘進(jìn)機(jī)設(shè)備的安全性,保證了施工單位的可操作性,也獲得了可觀的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。