城市軌道交通照明單相接地故障實例分析

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)計的重要組成部分，新建地鐵站設(shè)計動力與照明時，電氣設(shè)計師應(yīng)首先考慮安全、低碳的設(shè)計原則。

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)計的安全性尤為重要。GB 50054—2011《低壓配電設(shè)計規(guī)范》第6.1.1條規(guī)定，“配電線路應(yīng)裝設(shè)短路保護和過負荷保護”[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、過負荷保護和接地故障保護”（強制性條文）[2]。相比于GB 50054—2011，GB55024—2022中針對照明配電終端回路增加了接地故障保護。

地鐵公共區(qū)電氣照明設(shè)計特點如下：線路較長；電纜截面較?。慌潆娤到y(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。本文將通過實例計算分析線路較長的情況下，照明配電回路的保護電器能否滿足接地故障保護的要求。

1間接接觸防護

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，當燈具外殼帶電時，發(fā)生人身電擊的危險就會提高。因此，除了裝修燈具外殼采用絕緣材料作為直接接觸防護，照明配電線路還應(yīng)采用間接接觸防護。

1.1保護電器的動作特性

GB 50054—2011《低壓配電設(shè)計規(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電器的動作特性，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電器在規(guī)定時間內(nèi)切斷故障回路的動作電流；U0為相導(dǎo)體對地標稱電壓。

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、保護導(dǎo)體或保護接地中性導(dǎo)體的阻抗、故障點阻抗（TN系統(tǒng)故障電流大，故障點一般被熔焊，可忽略不計）。

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

式中：I_d為被保護線路末端的短路電流；I_set2為斷路器的短延時過電流脫扣器整定值；I_set3為斷路器的瞬時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)計手冊》（第四版）可近似計算出最小接地故障電流[3]：

式中：U₀為相導(dǎo)體對地標稱電壓；S為相導(dǎo)體截面積；p為20節(jié)時的導(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：

當采用斷路器作為配電線路的保護電器時，式（4）中最小接地故障電流I_k須大于斷路器的瞬時過電流脫扣器整定值I_set3?？紤]斷路器的動作誤差系數(shù)k_rel及動作系數(shù)k_op后，式（4）可變換為：

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

2實例驗證及分析

本實例以南京地鐵某站臺為參考，具體設(shè)計相關(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。該條照明配電回路中，設(shè)計人員采用的保護電器為不帶剩余電流保護的C16A的微斷，瞬時過電流脫扣器整定值I_set3為10倍In。

2.1最大電纜長度驗證

首先驗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，U0為220 V，銅導(dǎo)體電阻率p為0.018 4Ω.mm2，斷路器的瞬時過電流脫扣器整定值Iset3取160 A，動作誤差系數(shù)krel取1.2，動作系數(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)計數(shù)據(jù)代入式（5）后，計算可得照明配電線路最大電纜長度L為42.46 m<100 m。

由以上計算可以看出，當發(fā)生單相接地故障時，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小于配電線路的實際長度。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)校驗斷路器的接地故障保護的靈敏度。

2.2接地故障靈敏度校驗

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)計手冊》（第四版）中方法計算：

式中：c為電壓系數(shù)；U_n為標稱線電壓；Z_php為接地故障回路的總相保阻抗；R_php.s、X_php.s為高壓側(cè)系統(tǒng)相保電阻及相保電抗；R_php.T、X_php.T為變壓器相保電阻及相保電抗；R_php.m、x_php.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）；R_php.L、X_php.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，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。

本實例中，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=2 064 mΩ,xphp.L2取0.2,100=20 mΩ。將數(shù)據(jù)代入式（6）后，計算可得zphp為2.2Ω,Id為99.72 A。

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

2.3改進措施

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、減小斷路器的瞬時過電流脫扣器整定值Iset3。

除此之外，GB 50054—2011《低壓配電設(shè)計規(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電器兼作間接接觸防護電器時，其動作特性應(yīng)符合本規(guī)范第5.2.8條的規(guī)定；當不符合規(guī)定時，應(yīng)采用剩余電流動作保護電器”。

下面分別驗證這三種情況的改進措施是否可行。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)前述計算條件，當導(dǎo)線長度為100 m時，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-3X6 mm2。因地鐵照明設(shè)計中，照明回路較多，增大銅導(dǎo)體截面積會大幅度提高工程的經(jīng)濟預(yù)算，故此方法理論可行，但實施可能性不大。

2.3.2減小斷路器瞬時過電流脫扣器整定值I_set3

由式（5）可變換出斷路器瞬時過電流脫扣器整定值Iset3的公式為：

根據(jù)前述計算條件，當導(dǎo)線截面積為2.5 mm2時，最大斷路器瞬時過電流脫扣器整定值Iset3為67.9 A。當采用C型脫扣曲線的斷路器，脫扣倍數(shù)為10In時，斷路器的額定電流可選用1、2、3、4、6 A；當采用B型脫扣曲線的斷路器，脫扣倍數(shù)為5In時，斷路器的額定電流可選用1、2、3、4、6、10、13 A。此方法可實施，但選用斷路器的額定電流In時，還應(yīng)考慮照明配電電路的計算電流Ic和導(dǎo)線的載流量Iz，須保證Iz二In二Ic。

2.3.3采用剩余電流動作保護電器

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]：當采用剩余電流動作保護電器作為電擊防護附加防護措施時，額定剩余電流動作值不應(yīng)大于30 mA。

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

3城市軌道交通照明配電探討

從上述實例驗證及分析可以看出，當配電線路較長，接地故障電流較小，間接接觸防護電器難以滿足接地故障保護靈敏度的要求時，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)體及保護接地導(dǎo)體的截面積，或?qū)⒈Ｗo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，但會增加電纜投資。另一種是減小斷路器瞬時過電流脫扣器整定值，在滿足計算電流和導(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。

接地故障保護并不一定要采用帶剩余電流動作保護的電器，斷路器在其接地故障允許保護線路最大長度內(nèi)是可以兼任短路保護、過負荷保護和接地故障保護功能的。但如果斷路器保護線路長度大于其接地故障允許的最大長度，則應(yīng)校驗斷路器接地故障保護的靈敏度，靈敏度不夠時，可采用剩余電流動作保護電器作接地故障保護[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)計的時間節(jié)點一般會早于裝修單位照明燈具深化設(shè)計，設(shè)計人員在前期考慮大功率燈具的情況下，會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)計人員應(yīng)根據(jù)燈具至照明配電箱的線路長度，驗證保護電器單相接地故障的靈敏度，以決定是否采用剩余電流動作保護。

照明電氣設(shè)計的安全性是新規(guī)范GB 55024—2022《建筑電氣與智能化通用規(guī)范》實施以來的首要考慮因素[2]，設(shè)計人員應(yīng)本著嚴謹?shù)脑O(shè)計態(tài)度，嚴格執(zhí)行規(guī)范，以確保人員的生命、財產(chǎn)安全。