城市軌道交通照明單相接地故障實(shí)例分析

嵇旺旺 廖大鵬

（中鐵大橋勘測設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司華東分公司，江蘇 南京 210000）

0 引言

在城市軌道交通快速發(fā)展的今天，地鐵作為現(xiàn)代化的交通工具，扮演著不可或缺的角色。電氣照明是地鐵低壓配電設(shè)計(jì)的重要組成部分，新建地鐵站設(shè)計(jì)動(dòng)力與照明時(shí)，電氣設(shè)計(jì)師應(yīng)首先考慮安全、低碳的設(shè)計(jì)原則。

地鐵站內(nèi)電氣照明主要分為公共區(qū)照明及設(shè)備區(qū)照明，其中，公共區(qū)作為地鐵站的人員密集場所，其照明設(shè)計(jì)的安全性尤為重要。GB 50054—2011《低壓配電設(shè)計(jì)規(guī)范》第6.1.1條規(guī)定，“配電線路應(yīng)裝設(shè)短路保護(hù)和過負(fù)荷保護(hù)”[1]；GB 55024—2022《建筑電氣與智能化通用規(guī)范》第4.5.1條規(guī)定，“照明配電終端回路應(yīng)設(shè)短路保護(hù)、過負(fù)荷保護(hù)和接地故障保護(hù)”（強(qiáng)制性條文）[2]。相比于GB 50054—2011，GB 55024—2022中針對照明配電終端回路增加了接地故障保護(hù)。

地鐵公共區(qū)電氣照明設(shè)計(jì)特點(diǎn)如下：線路較長；電纜截面較小；配電系統(tǒng)采用TN-S接地形式；裝修燈具的電壓等級一般采用單相220 V，若發(fā)生故障，即為單相接地故障。本文將通過實(shí)例計(jì)算分析線路較長的情況下，照明配電回路的保護(hù)電器能否滿足接地故障保護(hù)的要求。

1 間接接觸防護(hù)

地鐵站內(nèi)裝修燈具的安裝高度一般都超過2.5 m，該高度已經(jīng)超過人手直接接觸范圍。在其他輔助物（比如金屬梯子、長條形金屬工具等）的幫助下，當(dāng)燈具外殼帶電時(shí)，發(fā)生人身電擊的危險(xiǎn)就會(huì)提高。因此，除了裝修燈具外殼采用絕緣材料作為直接接觸防護(hù)，照明配電線路還應(yīng)采用間接接觸防護(hù)。

1.1 保護(hù)電器的動(dòng)作特性

GB 50054—2011《低壓配電設(shè)計(jì)規(guī)范》第5.2.8條規(guī)定[1]，TN系統(tǒng)中配電線路的間接接觸防護(hù)電器的動(dòng)作特性，應(yīng)符合下式的要求：

式中：ZS為接地故障回路的阻抗；Ia為保證間接接觸保護(hù)電器在規(guī)定時(shí)間內(nèi)切斷故障回路的動(dòng)作電流；U0為相導(dǎo)體對地標(biāo)稱電壓。

接地故障回路的阻抗包括變壓器阻抗、自變壓器至接地故障處相導(dǎo)體、保護(hù)導(dǎo)體或保護(hù)接地中性導(dǎo)體的阻抗、故障點(diǎn)阻抗（TN系統(tǒng)故障電流大，故障點(diǎn)一般被熔焊，可忽略不計(jì)）。

GB 50054—2011《低壓配電設(shè)計(jì)規(guī)范》第6.2.4條規(guī)定[1]，當(dāng)短路保護(hù)電器為斷路器時(shí)，被保護(hù)線路末端的短路電流不應(yīng)小于斷路器瞬時(shí)或短延時(shí)過電流脫扣器整定電流的1.3倍。由式（1）可得保護(hù)電器的動(dòng)作特性和短路電流之間的關(guān)系為：

式中：Id為被保護(hù)線路末端的短路電流；Iset2為斷路器的短延時(shí)過電流脫扣器整定值；Iset3為斷路器的瞬時(shí)過電流脫扣器整定值。

1.2 最小接地故障電流及最大允許電纜長度

當(dāng)配電箱、照明設(shè)施、線路確定好之后，根據(jù)《工業(yè)與民用供配電設(shè)計(jì)手冊》（第四版）可近似計(jì)算出最小接地故障電流[3]：

式中：U0為相導(dǎo)體對地標(biāo)稱電壓；S為相導(dǎo)體截面積；ρ為20 ℃時(shí)的導(dǎo)體電阻率；m為材料相同的每相導(dǎo)體總截面積與PE導(dǎo)體截面積之比；L為電纜長度（本實(shí)例中僅考慮照明配電箱至照明燈具的電纜，不考慮變電所至照明配電箱的距離）；k1為電纜電抗校正系數(shù)；k2為多根相導(dǎo)體并聯(lián)使用的校正系數(shù)。

式（3）經(jīng)過變換后，即可得到最大允許電纜長度：

當(dāng)采用斷路器作為配電線路的保護(hù)電器時(shí)，式（4）中最小接地故障電流Ik須大于斷路器的瞬時(shí)過電流脫扣器整定值Iset3?？紤]斷路器的動(dòng)作誤差系數(shù)krel及動(dòng)作系數(shù)kop后，式（4）可變換為：

確定好斷路器的額定電流In后，根據(jù)所選電纜截面積，即可計(jì)算出照明回路發(fā)生單相接地故障時(shí)，如采用斷路器作為間接接觸防護(hù)，其最大允許的電纜長度值。

2 實(shí)例驗(yàn)證及分析

本實(shí)例以南京地鐵某站臺為參考，具體設(shè)計(jì)相關(guān)數(shù)據(jù)如下：站廳層照明配電室內(nèi)照明配電箱至車站有效站臺中心里程處燈具距離約為100 m，敷設(shè)的導(dǎo)線為WDZB1-BYJ-3×2.5 mm2。該條照明配電回路中，設(shè)計(jì)人員采用的保護(hù)電器為不帶剩余電流保護(hù)的C16A的微斷，瞬時(shí)過電流脫扣器整定值Iset3為10倍In。地鐵站變電所內(nèi)變壓器為SCB13-1000 kVA，Dyn11，10/0.4 kV，Uk=6%。變電所至照明配電室的距離為50 m，照明配電箱進(jìn)線電纜為WDZB1-YJY-4×25+1×16 mm2。變壓器高壓側(cè)系統(tǒng)最大短路容量為100 MVA。

2.1 最大電纜長度驗(yàn)證

首先驗(yàn)證照明配電線路的最大允許長度。電源側(cè)阻抗系數(shù)取0.9，發(fā)生單相接地故障時(shí)，U0為220 V，銅導(dǎo)體電阻率ρ為0.0184 Ω·mm2/m，斷路器的瞬時(shí)過電流脫扣器整定值Iset3取160 A，動(dòng)作誤差系數(shù)krel取1.2，動(dòng)作系數(shù)kop取1.1，電纜電抗校正系數(shù)k1取1，并聯(lián)導(dǎo)體的校正系數(shù)k2取1。將設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)代入式（5）后，計(jì)算可得照明配電線路最大電纜長度L為42.46 m＜100 m。

由以上計(jì)算可以看出，當(dāng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，若斷路器和導(dǎo)線截面積的規(guī)格固定，配電線路允許的最大長度遠(yuǎn)小于配電線路的實(shí)際長度。在這種情況下，根據(jù)GB 55024—2022《建筑電氣與智能化通用規(guī)范》4.5.1條文說明[2]，應(yīng)校驗(yàn)斷路器的接地故障保護(hù)的靈敏度。

2.2 接地故障靈敏度校驗(yàn)

照明配電線路末端單相接地故障電流采用《工業(yè)與民用供配電設(shè)計(jì)手冊》（第四版）中方法[3]計(jì)算：

式中：c為電壓系數(shù)；Un為標(biāo)稱線電壓；Zphp為接地故障回路的總相保阻抗；Rphp.s、Xphp.s為高壓側(cè)系統(tǒng)相保電阻及相保電抗；Rphp.T、Xphp.T為變壓器相保電阻及相保電抗；Rphp.m、Xphp.m為變壓器低壓側(cè)母排相保電阻及相保電抗（一般較小，忽略不計(jì)）；Rphp.L、Xphp.L為低壓配電線路相保電阻及相保電抗。

照明配電線路發(fā)生單相接地故障時(shí)，故障回路所涉及的系統(tǒng)、變壓器、母線、低壓線路的相保電阻及相保電抗示意如圖1所示。

圖1 照明配電線路相關(guān)的相保電阻和相保電抗

本實(shí)例中，電壓系數(shù)c取1，Un取380 V，Rphp.s取0.11 mΩ，Xphp.s取1.06 mΩ，Rphp.T取1.4 mΩ，Xphp.T取9.1 mΩ，變壓器至照明配電箱Rphp.L1取2.699×50=134.95 mΩ，Xphp.L1取0.201×50=10.05 mΩ，照明配電箱至照明燈具Rphp.L2取20.64×100=2064 mΩ，Xphp.L2取0.2×100=20 mΩ。將數(shù)據(jù)代入式（6）后，計(jì)算可得Zphp為2.2 Ω，Id為99.72 A。

由以上計(jì)算可以看出，當(dāng)照明配電線路采用C16A的微斷時(shí)，Id＜1.3Iset3=208 A，由式（2）可知，當(dāng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，若斷路器和導(dǎo)線截面積的規(guī)格固定，斷路器的靈敏度達(dá)不到要求，不能夠起到保護(hù)作用。

2.3 改進(jìn)措施

地鐵站臺內(nèi)裝修燈具、照明配電箱、電纜橋架位置確定后，電纜長度已基本確定，很難再做更改。由式（3）可以看出，若要提高最小接地故障電流，可以做的調(diào)整為增加相導(dǎo)體截面積S、減小斷路器的瞬時(shí)過電流脫扣器整定值Iset3。

除此之外，GB 50054—2011《低壓配電設(shè)計(jì)規(guī)范》第5.2.13條規(guī)定[1]，“TN系統(tǒng)中，配電線路采用過電流保護(hù)電器兼作間接接觸防護(hù)電器時(shí)，其動(dòng)作特性應(yīng)符合本規(guī)范第5.2.8條的規(guī)定；當(dāng)不符合規(guī)定時(shí)，應(yīng)采用剩余電流動(dòng)作保護(hù)電器”。

下面分別驗(yàn)證這三種情況的改進(jìn)措施是否可行。

2.3.1 增加相導(dǎo)體截面積S

由式（5）可變換出相導(dǎo)體截面積S的公式為：

根據(jù)前述計(jì)算條件，當(dāng)導(dǎo)線長度為100 m時(shí)，最小電纜截面積為5.9 mm2。由常用線纜規(guī)格可知，采用的最小截面積導(dǎo)線應(yīng)為WDZB1-BYJ-3×6 mm2。因地鐵照明設(shè)計(jì)中，照明回路較多，增大銅導(dǎo)體截面積會(huì)大幅度提高工程的經(jīng)濟(jì)預(yù)算，故此方法理論可行，但實(shí)施可能性不大。

2.3.2 減小斷路器瞬時(shí)過電流脫扣器整定值Iset3

由式（5）可變換出斷路器瞬時(shí)過電流脫扣器整定值Iset3的公式為：

根據(jù)前述計(jì)算條件，當(dāng)導(dǎo)線截面積為2.5 mm2時(shí)，最大斷路器瞬時(shí)過電流脫扣器整定值Iset3為67.9 A。當(dāng)采用C型脫扣曲線的斷路器，脫扣倍數(shù)為10In時(shí)，斷路器的額定電流可選用1、2、3、4、6 A；當(dāng)采用B型脫扣曲線的斷路器，脫扣倍數(shù)為5In時(shí)，斷路器的額定電流可選用1、2、3、4、6、10、13 A。此方法可實(shí)施，但選用斷路器的額定電流In時(shí)，還應(yīng)考慮照明配電電路的計(jì)算電流Ic和導(dǎo)線的載流量Iz，須保證Iz≥In≥Ic。

2.3.3 采用剩余電流動(dòng)作保護(hù)電器

GB 55024—2022《建筑電氣與智能化通用規(guī)范》第4.6.5條規(guī)定[2]：當(dāng)采用剩余電流動(dòng)作保護(hù)電器作為電擊防護(hù)附加防護(hù)措施時(shí)，額定剩余電流動(dòng)作值不應(yīng)大于30 mA。

根據(jù)前述計(jì)算條件，由2.2計(jì)算可知，發(fā)生單相接地故障時(shí)，故障回路的阻抗Zphp保持不變，仍為2.2 Ω，剩余電流動(dòng)作保護(hù)電器的動(dòng)作電流Ia取值為30 mA，接觸電壓Uf取值為不大于50 V。計(jì)算可得Zs×Ia=2.2×0.03=0.066 V，由式（1）可知0.066 V＜50 V，當(dāng)采用帶剩余電流動(dòng)作保護(hù)的斷路器時(shí)，完全能夠滿足間接接觸防護(hù)的要求。

3 城市軌道交通照明配電探討

從上述實(shí)例驗(yàn)證及分析可以看出，當(dāng)配電線路較長，接地故障電流較小，間接接觸防護(hù)電器難以滿足接地故障保護(hù)靈敏度的要求時(shí)，可以采用兩種思路解決：一是提高最小接地故障電流，二是采用帶接地故障保護(hù)的電器。

提高最小接地故障電流的方法中加大相導(dǎo)體及保護(hù)接地導(dǎo)體的截面積，或?qū)⒈Ｗo(hù)接地導(dǎo)體的截面調(diào)整為與相導(dǎo)體截面一致[4]，對于截面積較小的電纜和穿管絕緣線，該措施可行，但會(huì)增加電纜投資。另一種是減小斷路器瞬時(shí)過電流脫扣器整定值，在滿足計(jì)算電流和導(dǎo)線載流量的情況下，可以采用B型脫扣曲線的斷路器或減小斷路器額定電流值。

接地故障保護(hù)并不一定要采用帶剩余電流動(dòng)作保護(hù)的電器，斷路器在其接地故障允許保護(hù)線路最大長度內(nèi)是可以兼任短路保護(hù)、過負(fù)荷保護(hù)和接地故障保護(hù)功能的。但如果斷路器保護(hù)線路長度大于其接地故障允許的最大長度，則應(yīng)校驗(yàn)斷路器接地故障保護(hù)的靈敏度，靈敏度不夠時(shí)，可采用剩余電流動(dòng)作保護(hù)電器作接地故障保護(hù)[2]。照明配電線路的剩余電流值建議選擇30 mA[5]。

4 結(jié)束語

地鐵裝修照明配電設(shè)計(jì)的時(shí)間節(jié)點(diǎn)一般會(huì)早于裝修單位照明燈具深化設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)人員在前期考慮大功率燈具的情況下，會(huì)提高斷路器的額定電流值。因此在裝修單位提供照明深化圖之后，設(shè)計(jì)人員應(yīng)根據(jù)燈具至照明配電箱的線路長度，驗(yàn)證保護(hù)電器單相接地故障的靈敏度，以決定是否采用剩余電流動(dòng)作保護(hù)。

照明電氣設(shè)計(jì)的安全性是新規(guī)范GB 55024—2022《建筑電氣與智能化通用規(guī)范》實(shí)施以來的首要考慮因素[2]，設(shè)計(jì)人員應(yīng)本著嚴(yán)謹(jǐn)?shù)脑O(shè)計(jì)態(tài)度，嚴(yán)格執(zhí)行規(guī)范，以確保人員的生命、財(cái)產(chǎn)安全。