城際鐵路長(zhǎng)大區(qū)間低壓系統(tǒng)單相短路保護(hù)及間接接觸防護(hù)探討

潘元欣

(中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢(xún)集團(tuán)有限公司，北京 100055)

1 概述

在民建供配電設(shè)計(jì)中供電半徑通常較短，TN系統(tǒng)配電系統(tǒng)中電源接地和保護(hù)接地共用接地裝置其單相及接地故障電流回到變壓器中性點(diǎn)的阻抗較小，采用D，yn11連接的配電變壓器，一般情況下采用過(guò)電流保護(hù)電器基本能夠滿(mǎn)足電擊防護(hù)的要求，但在城際軌道交通項(xiàng)目中，特別是長(zhǎng)大區(qū)間的長(zhǎng)度有時(shí)有數(shù)公里之多，以區(qū)間中點(diǎn)為界，分別由地下相鄰車(chē)站供電半徑也會(huì)超過(guò)1 500 m，由于區(qū)間中的多個(gè)低壓用電設(shè)備距離車(chē)站較遠(yuǎn)，各設(shè)備電源就近引自與區(qū)間風(fēng)井合設(shè)的跟隨所或區(qū)間箱式變電站，以某區(qū)間內(nèi)一級(jí)負(fù)荷專(zhuān)用通信設(shè)備(2.0 kW/220 V)為例，該專(zhuān)用通信設(shè)備設(shè)置在通信綜合洞室內(nèi)，距區(qū)間風(fēng)井跟隨所810 m，通過(guò)對(duì)各短路點(diǎn)的短路電流計(jì)算，就線(xiàn)路末端設(shè)備發(fā)生單相短路時(shí)的保護(hù)及接地故障時(shí)的間接接觸防護(hù)措施加以討論［1］。

2 低壓系統(tǒng)短路電流計(jì)算

區(qū)間跟隨所負(fù)荷統(tǒng)計(jì)表如表1所示。

跟隨所變壓器容量擬選擇2×500 kVA，同時(shí)為了全面監(jiān)控和預(yù)防電氣火災(zāi)的發(fā)生，擬在跟隨所設(shè)置了防火剩余電流動(dòng)作報(bào)警系統(tǒng)，各出線(xiàn)回路均設(shè)置漏電電流監(jiān)控裝置。采用TN系統(tǒng)供電，末端設(shè)通信直放站雙電源切換箱［2］，供電距離為810 m時(shí)，兩路電源的供電電纜選擇WDZN-YJY22-1kV-5x16，到末端的專(zhuān)用通信設(shè)備的供電電纜選擇WDZN-YJY-1kV-3x4，經(jīng)計(jì)算均基本滿(mǎn)足電壓降及熱穩(wěn)定度要求［1］。TN系統(tǒng)低壓網(wǎng)絡(luò)短路電流計(jì)算電路如圖1所示。

表1 區(qū)間跟隨所負(fù)荷統(tǒng)計(jì)

圖1 TN系統(tǒng)低壓網(wǎng)絡(luò)短路電流計(jì)算電路

通信直放站雙電源切換箱如圖2所示，通信直放站雙電源切換箱雙切機(jī)構(gòu)為PC級(jí)［5］，到專(zhuān)網(wǎng)通信設(shè)備的斷路器選擇配電型斷路器，整定值為16 A，為滿(mǎn)足選擇性，由跟隨所放射式供電到通信直放站雙電源切換箱的2路電源饋出斷路器選用整定值為25 A的配電型斷路器。由表2看出K3點(diǎn)發(fā)生三相短路故障時(shí)，I″=257，KLZ3=257/250=1.03＜1.3;K3 點(diǎn)發(fā)生接地故障時(shí)，Id=82 A，KLZd=82/250=0.328＜1.3，動(dòng)作靈敏系數(shù)均不滿(mǎn)足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) GB50054—2011中第6.2.4條的要求。降低斷路器間的選擇性，跟隨所饋出斷路器整定值下調(diào)為20 A，KLZ3=257/200=1.285＜1.3，KLZd=82/200=0.410＜1.3，動(dòng)作靈敏系數(shù)仍不滿(mǎn)足要求［5，7，10］。

為適當(dāng)增加短路電流值，放大一級(jí)供電電纜，電纜采用WDZN-YJY22-1kV-3x25+2x16，重新計(jì)算如表3所示。

圖2 通信直放站雙電源切換箱

表2 低壓三相和單相接地故障電流計(jì)算(變壓器高壓側(cè)系統(tǒng)短路容量:200 MVA)(一)

表3 低壓三相和單相接地故障電流計(jì)算(變壓器高壓側(cè)系統(tǒng)短路容量:200 MVA)(二)

跟隨所的斷路器整定值仍按20 A設(shè)定，K3點(diǎn)發(fā)生三相短路時(shí)KLZ3=398.3/200=1.99＞1.3滿(mǎn)足要求，但K3點(diǎn)發(fā)生單相接地故障時(shí)的KLZd=99.8/200=0.499＜1.3仍不滿(mǎn)足要求，故存在單相短路、接地故障時(shí)的保護(hù)盲區(qū)，只能由過(guò)載保護(hù)做近后備保護(hù)，對(duì)供電安全性極為不利。為滿(mǎn)足動(dòng)作靈敏系數(shù)要求，增加電纜截面降低回路阻抗，特別是長(zhǎng)大區(qū)間內(nèi)供電半徑偏大，必然會(huì)增加電纜的投資［7］。但正常情況下作為一級(jí)負(fù)荷專(zhuān)網(wǎng)通信設(shè)備［2］，當(dāng)線(xiàn)路末端和設(shè)備末端出現(xiàn)接地故障時(shí)宜按《低壓配電設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50054—2011)第5.2.13所述的采用剩余電流動(dòng)作保護(hù)電器保護(hù)做間接接觸的防護(hù)電器方式來(lái)切斷電源，同時(shí)也需按照該規(guī)范第5.2.5的要求在末端局部范圍內(nèi)可導(dǎo)電部分做好局部等電位聯(lián)接，確保通信直放站內(nèi)局部等電位或輔助等電位聯(lián)結(jié)的有效性，并符合下式的要求

式中 R——可同時(shí)觸及的外露可導(dǎo)電部分和裝置外可導(dǎo)電部分之間，故障電流產(chǎn)生的電壓降引起接觸電壓的一段線(xiàn)段的電阻，Ω;

Ia——保證間接接觸保護(hù)電氣在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)切斷故障回路的動(dòng)作電流，A。

但由于供電半徑過(guò)大，在發(fā)生單相短路時(shí)電流值過(guò)小，不足以通過(guò)電路上級(jí)斷路器的瞬時(shí)整定實(shí)現(xiàn)脫扣來(lái)切斷單相短路電流，單相短路電流持續(xù)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，回路導(dǎo)體產(chǎn)生的異常高溫沿供電回路路徑烤燃可燃物而引起的電氣火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)勢(shì)必增加，下面分別就該設(shè)備采用TN系統(tǒng)供電發(fā)生單相短路的保護(hù)及接地故障時(shí)的間接接觸防護(hù)、TT系統(tǒng)發(fā)生接地故障時(shí)的間接接觸防護(hù)加以討論［6，9］。

3 TN系統(tǒng)發(fā)生單相短路及接地故障

3.1 TN系統(tǒng)發(fā)生單相短路

對(duì)于單相短路故障，即便在線(xiàn)路始端安裝了剩余電流保護(hù)器，由于相線(xiàn)與N線(xiàn)同時(shí)穿過(guò)剩余電流保護(hù)器的電流互感器，該單相短路電流無(wú)法被剩余電流保護(hù)器檢測(cè)到并動(dòng)作于跳閘來(lái)切斷電源，單相短路電流將持續(xù)存在，如果周?chē)锌扇嘉锊⒁蚨搪冯娏鞔嬖诙罘e的熱量勢(shì)必會(huì)引起火災(zāi)的發(fā)生。在TN-S系統(tǒng)中，如L3相發(fā)生單相短路時(shí)，該相電壓將降低，L1、L2相電壓升高，短路電流Id在流經(jīng)一段中性線(xiàn)上的電壓降ΔUN=Id×ZN，相電壓從原來(lái)的˙U0升高為˙U0+Δ˙UN，L1與L3間的˙U0與Δ˙UN相位角為120°，由余弦定理可知，過(guò)電壓˙UTOV當(dāng)中性線(xiàn)截面為相線(xiàn)截面的1/2時(shí)，˙UTOV值為1.45Uo;當(dāng)中性線(xiàn)截面與相線(xiàn)截面相等時(shí)，˙UTOV值為1.32Uo，該過(guò)電壓的長(zhǎng)期存在同樣容易導(dǎo)致爬電故障而引發(fā)電氣火災(zāi)［9］。

因此，在設(shè)計(jì)過(guò)程中根據(jù)負(fù)荷類(lèi)型及配電回路條件計(jì)算確定設(shè)備配電回路末端的短路電流，在躲過(guò)該設(shè)備起動(dòng)電流的情況下，合理選擇不同瞬動(dòng)倍數(shù)曲線(xiàn)的斷路器并校驗(yàn)保護(hù)的靈敏度，在保證設(shè)備正常情況下可靠供電的同時(shí)，可以考慮通過(guò)適當(dāng)減小瞬動(dòng)整定倍數(shù)，如選擇瞬動(dòng)倍數(shù)為2～4倍的G型曲線(xiàn)的斷路器來(lái)做單相短路保護(hù)時(shí)，KLZd=99.8/3×25=1.33＞1.3，動(dòng)作靈敏系數(shù)基本滿(mǎn)足要求［3，8］。

3.2 TN系統(tǒng)發(fā)生接地故障

根據(jù)規(guī)范GB50054—2011第5.2.13條，TN系統(tǒng)中，配電線(xiàn)路采用過(guò)電流保護(hù)電器兼做間接接觸防護(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)，采用剩余電流保護(hù)器最為有效，但都需設(shè)PE線(xiàn)。由表1可以看出，發(fā)生接地故障動(dòng)作靈敏度不滿(mǎn)足要求時(shí)，采用剩余電流保護(hù)器來(lái)切斷故障回路仍是較為理想的保護(hù)措施。

4 TT系統(tǒng)發(fā)生接地故障

如果該專(zhuān)用通信設(shè)備采用TT系統(tǒng)供電時(shí)，由圖3可知，當(dāng)通信直放站雙電源切換箱進(jìn)線(xiàn)處A相發(fā)生接地故障，由于TT系統(tǒng)接地故障電流是通過(guò)故障點(diǎn)的接地電阻RE和系統(tǒng)接地的接地電阻RB返回電源的，回路阻抗大，使得Id較小，如果線(xiàn)路首端設(shè)普通配電型斷路器，同樣會(huì)出現(xiàn)斷路器無(wú)法可靠動(dòng)作切斷故障回路使得故障長(zhǎng)期存在。

圖3 TT系統(tǒng)接地故障電壓分布

由于RE的阻值的不確定性，如圖4所示，回路計(jì)算條件暫按RB=0.3RE，系統(tǒng)中性點(diǎn)由圖中的O點(diǎn)轉(zhuǎn)移到O'，A相對(duì)地電壓降低，B相、C相對(duì)地電壓升高，設(shè)備的絕緣因B相、C相對(duì)地電壓升高而長(zhǎng)期承受過(guò)電壓，會(huì)導(dǎo)致絕緣表面擊穿產(chǎn)生爬電事故，在這類(lèi)故障情況下回路電源的線(xiàn)電壓和相電壓仍然維持在380 V和220 V不變，設(shè)備仍然正常工作直到TT系統(tǒng)中其他單相設(shè)備發(fā)生B相、C相接地故障轉(zhuǎn)化為兩相短路時(shí)才可被線(xiàn)路首端的斷路器切斷電源。從Uf=RB·Uo/(RE+RB)來(lái)看，RB越小越好。實(shí)際上，由于RE的阻值難以確定，很難保證保護(hù)導(dǎo)體和與之連接的外露導(dǎo)電部分的對(duì)地電壓不超過(guò)50 V，采用TT系統(tǒng)或局部TT系統(tǒng)以避免PE線(xiàn)傳導(dǎo)故障電壓造成電擊事故［9］。該接地故障可以通過(guò)線(xiàn)路首端在跟隨所內(nèi)饋出回路斷路器采用RCD，可有效地切除故障回路，通信直放站雙電源切換箱中的配電回路設(shè)置RCD可以有效地切斷發(fā)生故障回路，縮小停電范圍，作為間接接觸防護(hù)的RCD設(shè)置同樣需考慮上下級(jí)保護(hù)電器之間的選擇性［3］。

圖4 TT系統(tǒng)接地故障電壓矢量

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)以上分析可以看出，自動(dòng)切斷電源是間接接觸防護(hù)的措施之一，特別是發(fā)生接地故障動(dòng)作靈敏度不滿(mǎn)足要求時(shí)，采用剩余電流保護(hù)器來(lái)切斷故障回路仍是較為理想的保護(hù)方式。

對(duì)于區(qū)間內(nèi)的設(shè)備由于供電半徑偏大，單相短路電流較小不滿(mǎn)足靈敏性時(shí)，除了考慮加大供電電纜截面降低阻抗提高接地故障電流使其滿(mǎn)足靈敏度校驗(yàn)外，還可以考慮線(xiàn)路首端斷路器選擇較小瞬動(dòng)倍數(shù)曲線(xiàn)的斷路器來(lái)滿(mǎn)足靈敏度要求，但此類(lèi)選擇會(huì)降低保護(hù)的選擇性。若在配電回路中有電動(dòng)機(jī)類(lèi)負(fù)荷，還應(yīng)進(jìn)一步核算瞬時(shí)整定值應(yīng)躲過(guò)電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)電流［4］。

針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際負(fù)荷的分類(lèi)情況選擇不同接地系統(tǒng)，根據(jù)TN系統(tǒng)及TT系統(tǒng)末端發(fā)生單相短路及接地故障時(shí)，故障相與正常兩相電壓變化的特點(diǎn)，可通過(guò)模擬計(jì)算發(fā)生故障的各回路短路電流以及各相電壓值的變化，在配電回路首端增加探測(cè)器，利用防火剩余電流動(dòng)作報(bào)警系統(tǒng)中的過(guò)流保護(hù)功能來(lái)監(jiān)測(cè)各回路的單相短路及接地故障情況，對(duì)不同類(lèi)型的負(fù)荷實(shí)現(xiàn)正常情況下與火災(zāi)情況下的脫扣與報(bào)警，以提高供電的可靠性和靈敏性。

［1］GB50157—2003 地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［2］TB10008—2006 鐵路電路設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［3］GB50054—2011 低壓配電設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［4］GB50055—2011 通用用電設(shè)備配電設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［5］JGJ16—2008 民用建筑電氣設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［6］GB/T50065—2011 交流電氣裝置的接地設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［7］中國(guó)航空工業(yè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院.工業(yè)與民用配電設(shè)計(jì)手冊(cè)［M］.北京:中國(guó)電力出版社，2005.

［8］《鋼鐵企業(yè)電力設(shè)計(jì)手冊(cè)》編委會(huì).鋼鐵企業(yè)電力設(shè)計(jì)手冊(cè)［M］.北京:冶金工業(yè)出版社，1996.

［9］王厚余.低壓電氣裝置的設(shè)計(jì)安裝和檢驗(yàn)［M］.2版.北京:中國(guó)電力出版社，2007.

［10］住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部工程質(zhì)量安全監(jiān)管司，中國(guó)建筑標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)研究院.2009JSCS—5全國(guó)民用建筑工程設(shè)計(jì)技術(shù)措施·電氣［Z］.北京:2009.