低压配电TN - EMC系统

葛大麟

（西门子（中国）有限公司上海分公司，上海市  200082)

摘  要：说明TN系统3种接地制式可能产生杂散电流的路径，以及由杂散电流产生的电磁干扰和EMC问题；分析多电源设备（变压器和发电机）的系统不能真正实施TN -S系统并产生杂散电流的原因。最后介绍西门子提出的EMC环境友好的TN-EMC低压配电系统及实施的具体措施。

关键词：低压配电系统；TN系统；杂散电流；电磁干扰(EMI)；电磁兼容性(EMC)；集中一点接地：TN - EMC系统；电击防护

中图分类号：TU852  doi:  10. 3969／j.issn. 1003 - 8493. 2016. 04. 007

 1  概述

 当前同行对电击防护比较重视，但对电磁干扰却有些忽视。以常见重复接地保护为例，对于TN系统，PE线重复接地不会引起EMC问题，但PEN线重复接地会使一部分电流成为杂散电流，通过电气装置的导电体和大地返回电源变压器的中性点，杂散电流会引起电磁干扰( EMI)。所以，当选择配电系统接地方式时，不仅要满足过流防护、电击防护等基本安全的要求，也要满足电磁兼容性和抗电磁干扰的要求，这也是现代低压配电系统必须面对并要处理好的问题。

2 TN系统电磁干扰问题

 我国低压配电系统一般都采用TN接地系统，包括TN -C、TN-C-S和TN -S 3种制式。

 现代自动化生产线和数据中心等要求配电系统能安全可靠运行，对电能质量要求高，还要通过电能管理实现高效节能，同时还要求配电系统具有友好的电磁兼容性环境。

 如图1所示，TN PC和TN-C-S系统从电源配出PEN线，由于实施了等电位联结，配电系统正常工作时，一部分电流通过包括金属管道等外露可导电体分流到配电系统外，成为杂散电流，在系统外的导电体中流动，最终返回电源，这样的杂散电流会引起电磁干扰，杂散电流在金属导体流动过程中产生低频电场，电磁场发射，成为不友好的电磁干扰环境，对信息系统及敏感设备产生传导干扰、辐射干扰、感应干扰和静电干扰等，杂散电流也可腐蚀设备的金属壳体、PE线、信号线屏蔽层，甚至电器接点和触头。产生杂散电流的另一个重要原因是用户电气装置PEN线重复接地，使PEN线和大地构成环路，分流一部分电流，成为杂散电流，经大地返回电源。由于TN -C和TN -C-S系统会出现杂散电流，使它们成为EMC性能不友好的配电系统。

 由图1可以看出：TN -S系统从电源中性点开始配出N线和PE线，正常运转状态，电流在3根相线和N线之间流动，PE线没有电流，因而不会出现杂散电流，只有配电系统出现绝缘或接地故障时．PE线才会出现电流。从单电源配电的TN系统分析，TN -S系统不会出现杂散电流，具有EMC性能友好的环境。

3  多电源TN-S系统的EMC问题

 由两个单变压器的TN -S系统并联组成的配电系统，并不是一个满足EMC要求的TN -S系统。因为TN -S系统要求从中性点开始，把N线和PE线分开，用两根导线配送出去。两台变压器并联，并且都从中性点分别引出N线和PE线，则出现了PE线和N线构成环路（或两根线并行）的情况，正常工作时，流过N线的电流通过PE线分流，成为杂散电流，如图2所示。从EMC角度来看，这样是绝对不允许的。

 设计配电系统采用多台变压器并联运行时，TN接地系统只有采用一点接地的方法才能避免N线和PE线构成环路。在配电系统集中一点接地的TN系统中，从电源中性点引到集中接地点的这根线不是N线，而是PEN线，与传统的TN -C和TN -C-S系统不同的是这根PEN线对地是绝缘的。这根PEN线与PE线在系统的一个集中接地点处用连接板连接，再通过系统主接地端子与系统的主接地极连接。这样做的目的是为了使配电系统具有EMC性能友好的环境，以满足EMC的要求。从技术术语上讲，这样的系统可称为TN - EMC系统。

4  电源设备集中布置的TN - EMC系统

 多台配电变压器集中安装在一个封闭的电气间中并联（或分列）运行，这种类型的配电系统适合向小型的电气装置供电。当今，电源设备（变压器、发电机）集中安装布置的TN - EMC配电系统，原则上适合向半导体制造行业、数据处理以及计算中心等场合配电。因为这类用户要求EMC性能友好的环境，能抗击电磁干扰(EMI)。图3是两台电源设备集中布

置的TN - EMC系统的基本结构，其中有两台配电变压器安装在同一个电气间中。按图3设计TN - EMC配电系统时，需要满足如下一些条件：

 a．所有变压器的中性点引出PEN线，接到低压主配电柜的系统PEN母排上，选择一个位置实施配电系统（集中）一点接地。

 b．从变压器中性点引出的PEN线必须对地绝缘，并在一个低压主配电柜中实施系统（集中）一点接地，即用连接板连接PEN与PE母排，并通过系统主接地端子与主接地极连接。

 c．在系统各低压主配电柜的PEN母排上配出N母排（N线），而不是从PE母排上配出N母排。

 d．由于PEN线不能设断点或开关，所以低压主进线柜只能使用3极断路器。低压主配电柜的出线柜可选用4极断路器（保护电器），当采用熔断器类开关时，N极不放置熔断器。为了确保相电流绝对不分流到N线，推荐使用4极断路器（保护电器），特别是要求双电源进线的分支配电系统。

 e．  根据GB／T 16895.18 - 2010／IEC 60364 -5 - 51:  2005  《建筑物电气装置第5 - 51部分：电气设备的选择和安装通用规则》，PEN母排上或PEN连接线上的颜色为绿色／黄色标记，在端子处为浅蓝色；或整个长度为浅蓝色，端子处为绿色／黄色。

 f．  变压器的箱体连接低压主配电柜内的绿色／黄色的PE母排，低压配电柜PE母排截面应按预期的最大短路电流选择。

 g．系统（集中）一点接地的那个低压配电柜，绝缘的PEN母排与PE母排的连接板（连接或拆除）只能用专用工具操作。集中一点接地处必须有“不允许拆除该连接板”的警告保护措施。

 多台变压器（或电源设备）集中布置的TN -EMC系统，还要满足GB 16895.21

  - 2011／IEC 60364 -4 - 41：2005《低压电气装置第4 - 41部分：安全防护电击防护》的有关要求，采用自动切断电源的方式，防止电击事故的发生，确保生命财产的安全。

5  电源设备分散布置的TN - EMC系统

 电源设备分散布置是指配电变压器和发电机分散安装在大型工厂或生产车间的各个负荷中心，低压侧常采用大电流母线槽系统配电。由于现代化工厂的自动化程度很高，高技术电气装备对电磁干扰( EMI)非常敏感，必须考虑系统和设备处在EMC性能友好的环境中。为了排除配电系统杂散电流引发的电磁干扰，考虑采用多电源设备分散布置的TN - EMC系统。图4是西门子为汽车制造工业厂房特殊设计的一种TN - EMC系统的网络结构图。

 从电源设备分散布置的系统结构图中看出，负荷中心变电站基本上遵循电源设备集中布置的技术要求，整个配电系统实施（集中）一点接地。该配电系统的集中一点接地点放在1号负荷中心变电站的低压主开关柜中，并集中检测PE线，以及PEN线与PE线连接板的电流。当某台变压器的相线与外露导体出现短路时，短路电流通过该连接板后返回电源，返回

路径长，即接地故障回路的电阻抗比较高，因此需要验证该故障回路的阻抗是否满足自动切断电源的条件；同时还应注意变压器提供的故障电流，是通过PEN线- PE线连接板的间接（无法直接的）路径，再返回变压器的中性点。因此各变压器提供故障电流的路径是：由变压器相线到短路故障点至PE线，通过PE线流到PEN线- PE线连接板，从连接板经绝缘的PEN线返回到变压器中性点。

 现代汽车工业的生产车间面积通常按故障电流返回电源的距离考虑。故障电流返回路径的导线阻抗会抑制（配电变压器提供的）故障电流，所以需要按过电流保护设备的额定电流(In)和对应动作时间的动作电流( I a)计算允许的故障回路阻抗，再换算成故障回路长度。因而在设计电源设备分散布置的TN - EMC配电系统时，需要特殊考虑该工况条件，特别要注意确保人身安全。可以采用下面的一些附加措施，保护生产设备和财产免受损失，确保人身安全，使配电系统的安全性处在可持续的水平上。

 a．  根据GB  19214 - 2008／IEC  62020:  2003《电器附件家用和类似用途剩余电流监视器》，可以采用高精度电流互感器和剩余电流监视器(RCM)永久性地检测PEN - PE连接板的可靠性，还可用RCM附加监视PE线上是否出现接地故障电流。

 b．  测量通过连接板的电流IPEN - PE，是多电源系统自动切断电源保护要求的一个准则；大电流母线槽系统出现相线对地短路或配出线路过电流故障时，必须切断电源；采用低压断路器中的脱扣器实现自动切断电源功能。

 c．创建等电位保护系统必须用PE线把电气设备外壳或结构件连接到主等电位联结体；负荷中心变电站的主接地端子与主等电位联结体用PE线连接。

 d．PEN线和N导线截面的选择应考虑谐波电流因素，特别是3次谐波电流，PEN线和N导线的截面至少与相线截面相等。

 e．验证是否符合自动切断电源的条件，不仅要计算，也要实际测量。为此，负荷中心变电站必需要知道每一台变压器的回路阻抗，即在系统设备安装完毕后进行实际测量。

 德国有关标准和规范强调多电源TN系统集中一点接地；GB  16895. 21 - 2011／IEC60364 -4 - 41:2005《低压电气装置第4- 41部分：安全防护电击防护》强调TN系统整体的接地可靠性和有效性，不再要求变压器中性点就地接地，或附近接地。多电源分散布置的TN - EMC系统，满足了上述标准的技术要求，也能满足保护生命和财产安全的要求。TN - EMC系统是一种解决方案，用来替代（或改变）工业领域广泛使用的多台电源设备传统分散布置的TN -C系统和TN -C -S系统。

6结语

 我国低压配电网络采用TN接地系统，一些工业配电系统和民用建筑配电系统由于在设计阶段未能遵循有关IEC标准的要求，在系统运行中因杂散电流出现了各种各样的问题。设计低压配电TN接地系统时要遵循系统集中一点接地，消除杂散电流，校核自动切断电源时间，就能设计成一个安全可靠、EMC性能友好的低压配电系统。西门子把这种TN系统称为

TN - EMC系统，并且被IEC TC64认可。