研究发现，这个低压电网的接地方式，最适合隧道掘进机
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中国铁建重工集团有限公司的研究人员江睿，在2019年第4期《电气技术》杂志上撰文（论文标题为“隧道掘进机低压配电网络中性点接地方式选择”），通过对现有低压配电网络接地方式进行分析比较，结合隧道掘进机低压配电网络的拓扑结构及保护要求，综合考虑使用环境及经济因素，得出最适宜隧道掘进机的低压电网中性点接地方式。通过在我司隧道掘进机上广泛的应用，取得了较好的效果。
低压配电网络有3种接地方式，即IT系统、TT系统、TN系统。其中，TN系统又可以细分为TN-S系统、TN-C系统、TN-C-S系统。低压配电网络采用何种接地方式，与低压配电网络的使用场所和负载配置有关。
隧道掘进机作为一个全自动化、智能化隧道掘进设备，集机械、液压、流体、配电、监控系统于一体，具有负荷种类多、容量大（2～5MW）、负荷相对集中等特点。如何选择集成在隧道掘进机上低压配电网络的接地方式，是掘进机生产厂家需要分析和解决的问题。
本文根据隧道掘进机设备低压配电网络特点，综合分析各类接地方式优势与缺点，选取最适用于掘进机设备的低压配电网络中性点接地方式。
1 低压配电网络接地方式分析
在低压配电网络的3种接地方式字母代号中，第一个字母表示低压配电网络电源端与地的关系：I指电源中性点经高阻抗接地或不接地；T指电源中性点直接接地；第二个字母表示电气装置的外露可导电部分与地的关系：T指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，N指电气装置的外露可导电部分与电源端接地点有直接电气连接。
图1 IT接地方式
IT接地方式，电源中性点高阻接地或不接地，用电设备外露可导电部分直接接地；在IT接地系统中，发生第一次接地故障时，故障点接地电流仅为非故障相对地电容电流，非故障相对地电压上升为相电压的1.73倍，IT接地方式低压配电网络绝缘需要按线电压设计，一般用于要求连续供电或不允许断电的场所。
图2 TT接地方式
TT接地方式，电源中性点直接接地，用电设备外露可导电部分也直接接地，但电源接地与设备外露可导电部分接地相互独立。在TT接地系统中，如发生高电压经导体或破损绝缘串入低压设备，此接地方式能有效抑制低压设备的过电压，对低压设备的雷击过电压也有一定的泄漏能力。
在发生碰壳故障时，此接地方式亦能有效降低外壳对地电压，减轻人体触电危害，同时，保护装置在较大的故障电流作用下可靠动作，及时切断故障。TT系统需要多处接地，接地装置复杂，耗用材料多，不易回收，仅适用于长期固定工程。
图3 TN-S接地方式
TN接地方式，电源中性点直接接地，设备外露可导电部分与电源中性点直接电气连接。在TN接地系统中，如发生碰壳故障，故障电流经金属导线构成闭合回路，形成金属性单相短路，产生足够大的故障电流，驱动过流保护装置可靠动作，将故障切除。TN系统要求保护线PE（专用或与N线共用）连接可靠，中间绝对不允许断线，也不允许接入开关设备。
TN-S系统为TN系统中适用性最好，最安全可靠的接地系统，其工作零线（N线）与保护零线（PE线）完全分离，保护零线（PE线）专用，没有负荷电流或不平衡电流流过，对地电压为0。正由于PE线为保护用专线，较其他接地方式需额外敷设一条金属导线回路，需相应增加系统资金投入。
2 隧道掘进机低压配电网络概述
隧道掘进机是利用回转刀具开挖，同时破碎洞内围岩及掘进，形成整个隧道断面的一种新型、先进的隧道施工机械。隧道掘进机主要用于地铁隧道及公路、铁路、引水工程长距离隧道的掘进施工作业，施工里程可达20km以上，整机装机功率最大可到5000kW。
设备上集成有机械、液压、流体等各类装置与机构，配电网络具有负荷功率大，负载集中（300m范围内），种类复杂多样，安全保护要求高等特点。掘进机采用10kV或20kV高压电缆引入电源，利用设备上自带的箱式变电站转变为低压电后供各级负载使用。箱式变电站内常规配置为两台变压器，一台用于掘进机回转刀具机构（刀盘）旋转驱动，一台用于除刀盘外其他辅机负载供电。
掘进机刀盘旋转驱动用变压器根据驱动方式的不同而有区别。如刀盘驱动采用液压马达驱动方式，刀盘变压器的负载为三四台给液压马达供油的液压泵定速电动机，功率区间在250～315kW，采用软起动器控制运行。
如刀盘驱动采用电动机直接带减速机驱动方式，刀盘变压器的负载为4～12台变频电动机，功率区间在132～400kW，采用变频器控制运行。刀盘驱动低压配电网络的主要特点是单电动机功率大，电动机数量相对稳定，电网结构简单，配电级数只有1级。
掘进机辅机供电用变压器，其负载主要为各类变频或非变频异步电动机、监控设备与照明设备，负载数量多，驱动方式多样，一般将不同类别的负载分离，按3级配电网络对其进行配电。
由于隧道掘进机为地下施工设备，施工场所环境恶劣，温湿度高，粉尘大，人员集中，所以对于掘进机低压配电网络的接地方式与保护装置的配置首先要满足人身保护与设备财产安全的要求，其次要顾及施工设备稳定持续运行的要求，最后还要考虑作为设备生产厂家的成本控制需要。
3 隧道掘进机低压配网中性点接地方式选择及系统保护配置
低压配电网络中，采用“另起的系统”措施，可以满足在同一供电范围，同一建筑物内不同接地方式兼容共存。隧道掘进机的低压配电网络可类比于一个建筑物或变电所，不拘泥于全部采用一种接地方式，通过比较3种接地方式的优缺点进行择优选择。
1）采用IT系统，电源中性点不接地，低压配电网络上其他设备外露可导电部位通过金属结构件连为一体后连接至接地极接地。低压配电网络上装设过流保护设备及一个绝缘监测仪，即能满足整个低压配电系统的保护要求。绝缘监测仪实时监测整个配电系统对地绝缘电阻值，在系统任一位置发生绝缘破损或老化均能通过绝缘电阻值实时反馈，在发生单相接地故障或系统对地绝缘故障时还能动作于跳闸，跳开全部回路低压开关，保护人身与设备安全。
2）采用TT系统，电源中性点需要连接至一个接地极进行接地，低压配电网络上其他设备外露可导电部位通过金属结构件连为一体后统一连接至另一个接地极接地，此两接地极分开设置（如不分开则变为TN系统），且每个接地极的接地电阻均满足接地电阻要求。低压配电网络各回路装设过流与漏电保护设备，在某一回路发生漏电事故或绝缘破损，动作于跳开本回路低压开关。其漏电保护动作灵敏性与接地装置接地电阻有极大关系。
3）采用TN系统，电源中性点需要连接至一个接地极进行接地，低压配电网络上其他设备外露可导电部位通过铜导线或金属构件做局部等电位连接后，再通过铜导线连接在一起，并通过铜导线直接连接到电源中性点。配电网络各回路装设过流与漏电保护设备，在某一回路发生漏电事故或绝缘破损，动作于跳开本回路低压开关。其漏电保护动作灵敏性与保护零线（PE线）的阻值有极大关系。
以上3种低压配电网络接地方式的特点见表1。
表1 三种低压配电网络接地方式特点
对于刀盘旋转驱动配电网络，采用独立的变压器作为其电源供电，由于其系统简单，配电级数只有1级，且负载要求同时起动与停止，比较上述3种接地方式，保护可靠、无选择性且价格较低的IT接地系统能满足其全部要求，因此选取IT系统作为掘进机刀盘旋转驱动低压配电网络的接地方式。
对于辅机供电用变压器，也有独立的变压器作为其电源供电。此系统相对复杂，配电级数多，各系统独立运行，互不关联，因此，要求低压配电网络保护系统除具有可靠性外，还需具有选择性。对比具有选择性的TT与TN接地系统，由于地下环境复杂，接地装置具有极大不确定性，所以成本中等、接地装置少的TN接地系统是掘进机辅机负载低压配电网络接地方式的最佳选择。
根据隧道掘进机的可移动性特性，我司最初采用接地装置少且应用最普遍的TN接地方式作为隧道掘进机整机低压配电网络的接地方式。但对于刀盘旋转驱动配电网络，由于其驱动装置为变频器，谐波含量大，电磁干扰强，常常导致剩余电流保护装置误动作。而若将剩余电流保护装置的整定值调大后（至少1A以上），又起不到应有的保护设备安全的效果，具有极大的隐患。
自2014年起，我司开始在掘进机设备刀盘旋转驱动配电网络使用IT接地方式，取消原有剩余电流保护装置，在变压器低压侧装设绝缘监测仪，利用绝缘监测仪实时监测系统绝缘，在绝缘电阻低于低限时及时报警，并动作于跳开全部低压配电开关。
对于绝缘监测仪采用等幅对称方波充电测量法，通过在电网上叠加两个等幅周期可调的正负脉冲，利用电网和大地之间的绝缘电阻闭合测量回路，不仅使刀盘旋转驱动配电网络的漏电保护性能不受变频器谐波的干扰，同时还将其保护范围拓展到电动机处。此外，刀盘旋转驱动配电网络漏电保护设备的成本也降低至原有成本的1/2。
通过在我公司生产的掘进机设备上测试试验并推广使用，IT系统作为刀盘旋转驱动低压配电网络接地方式、TN系统作为其他负载低压配电网络接地方式，已成为我司掘进机设备低压配电网络的一个标准配置，在各施工项目和工地上广泛使用。
我司的掘进机设备，目前为止从未出现过一起由于设备电气事故造成人身伤亡或财产重特大损失的事故，整套系统安全、稳定、高效，可操作性强，受到客户的一致好评。
低压配电网络中性点接地方式，对掘进机的稳定、安全、可靠运行起到了关键性的作用。本文中的低压配电网络中性点接地方式经过实践，适用于各种类型的山岭、公路、铁路及地铁隧道掘进机产品，并可优化后推广应用于其他领域的掘进机产品。通过选择合适的掘进机低压配电网络接地方式，提高了掘进机设备的安全性，保证了施工单位的可操作性，也获得了可观的社会效益和经济效益。