劉 藝

(中鐵第六勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司， 天津 300308)

0 引言

目前，我國(guó)的城市軌道交通正處于快速發(fā)展階段。在地鐵工程的供配電設(shè)計(jì)中，低壓配電設(shè)計(jì)的質(zhì)量關(guān)系到機(jī)電設(shè)備能否安全、可靠地運(yùn)行。

我國(guó)的電氣規(guī)范比較多，既有國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，又有行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、地方標(biāo)準(zhǔn)，并且規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)之間存在不一致的情況比較常見(jiàn)。地鐵電氣設(shè)計(jì)人員在工作中對(duì)規(guī)范條文的理解及執(zhí)行情況有較大差別，導(dǎo)致國(guó)內(nèi)地鐵低壓配電設(shè)計(jì)方案不統(tǒng)一，不同地區(qū)的項(xiàng)目或不同設(shè)計(jì)院的人員在設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)方面差別比較大。許多設(shè)計(jì)人員進(jìn)行等電位聯(lián)結(jié)設(shè)計(jì)時(shí)，沒(méi)有把握住其設(shè)計(jì)要點(diǎn)“等電位”，將不同區(qū)域的局部等電位聯(lián)結(jié)板(LEB)互聯(lián)在一起并敷設(shè)接地電纜至接地母排，把與車(chē)站接地裝置的可靠連接作為局部等電位聯(lián)結(jié)的設(shè)計(jì)關(guān)鍵點(diǎn)；進(jìn)行安全特低電壓(SELV)照明配電設(shè)計(jì)時(shí)，沒(méi)有考慮地鐵工程中管線(xiàn)數(shù)量多、安裝空間非常有限的特點(diǎn)，不合理地選用可導(dǎo)電的金屬型線(xiàn)路保護(hù)管；進(jìn)行電涌保護(hù)設(shè)計(jì)時(shí)，沒(méi)有掌握電涌保護(hù)的基礎(chǔ)理論知識(shí)，電涌保護(hù)器(SPD)的試驗(yàn)類(lèi)別及脫離器的選擇不合理；配電箱的進(jìn)線(xiàn)開(kāi)關(guān)習(xí)慣性地選用斷路器，不重視隔離開(kāi)關(guān)的應(yīng)用，增加了投資，劣化了配電系統(tǒng)的保護(hù)性能，并降低了隔離功能；在進(jìn)行長(zhǎng)大地鐵區(qū)間配電設(shè)計(jì)時(shí)，經(jīng)常存在保護(hù)電器的設(shè)置問(wèn)題，配電回路的接地故障保護(hù)靈敏度不滿(mǎn)足規(guī)范要求，存在電氣安全問(wèn)題。筆者結(jié)合自己多年的工作經(jīng)驗(yàn)，依據(jù)中國(guó)、歐洲的電氣標(biāo)準(zhǔn)，針對(duì)這些典型問(wèn)題案例進(jìn)行研究，提出相應(yīng)的解決方案，以期為同行提供參考，進(jìn)一步提高地鐵工程設(shè)計(jì)中的低壓配電設(shè)計(jì)技術(shù)水平。

1 地鐵車(chē)站等電位聯(lián)結(jié)設(shè)計(jì)問(wèn)題

地鐵工程中，等電位聯(lián)結(jié)設(shè)計(jì)方面目前主要存在以下2個(gè)問(wèn)題。

1.1 不同區(qū)域內(nèi)的LEB互聯(lián)

在地鐵機(jī)電接地設(shè)計(jì)圖中，經(jīng)常人為地將各個(gè)設(shè)備房間內(nèi)的LEB互聯(lián)在一起，如圖1所示。

圖1 LEB互聯(lián)示意圖

此方法存在故障電壓傳遞問(wèn)題，即當(dāng)其中一個(gè)房間內(nèi)的配電線(xiàn)路發(fā)生接地故障，出現(xiàn)對(duì)地故障電壓時(shí)，該故障電壓可以沿LEB之間的互聯(lián)線(xiàn)路傳遞至其他房間內(nèi)。例如： 圖1中配電室內(nèi)的某個(gè)配電線(xiàn)路發(fā)生接地故障時(shí)，配電室LEB的對(duì)地電位Uf很可能大于A(yíng)C50 V(圖1中的LEB未連接結(jié)構(gòu)鋼筋)，水泵房LEB、風(fēng)機(jī)房LEB、洗手間LEB等的對(duì)地電位也為Uf，并且此故障電壓會(huì)沿風(fēng)管、水管等的外露可導(dǎo)電部分傳遞至公共區(qū)內(nèi)。在水泵房、風(fēng)機(jī)房、洗手間等房間內(nèi)，即使沒(méi)有發(fā)生配電線(xiàn)路接地故障，人一旦接觸這些區(qū)域內(nèi)的外露可導(dǎo)電部分仍然存在被電擊的可能。因此，該局部等電位聯(lián)結(jié)方法人為地增加了電擊事件出現(xiàn)的概率。

局部等電位聯(lián)結(jié)需要按區(qū)域設(shè)置[1]。對(duì)于地鐵工程，水泵房、風(fēng)機(jī)房、配電室等設(shè)備房間內(nèi)應(yīng)分別設(shè)置相對(duì)獨(dú)立的LEB，不需要人為地將LEB互聯(lián)在一起，如圖2所示。此方法既能實(shí)現(xiàn)局部等電位聯(lián)結(jié)的作用，又能避免故障電壓傳遞問(wèn)題。

圖2 LEB獨(dú)立設(shè)置示意圖

1.2 LEB未與結(jié)構(gòu)鋼筋連接

局部等電位聯(lián)結(jié)的另一個(gè)常見(jiàn)問(wèn)題是LEB連接至接地母排，沒(méi)有就地連接結(jié)構(gòu)鋼筋，如圖1所示。設(shè)計(jì)人員經(jīng)常誤認(rèn)為與接地網(wǎng)連接，就能實(shí)現(xiàn)LEB的對(duì)地電位保持為零電位。但發(fā)生接地故障時(shí)，LEB的對(duì)地電位并不是零電位，往往是超過(guò)50 V的危險(xiǎn)電位。因此，LEB連接至接地母排PSCE的電纜實(shí)際作用很小。

某個(gè)回路(該回路的PE線(xiàn)與LEB聯(lián)結(jié))發(fā)生單相接地故障時(shí)，距離LEB與結(jié)構(gòu)鋼筋連接點(diǎn)的位置越遠(yuǎn)，地電位就越小，如圖3所示。LEB只有就近與結(jié)構(gòu)鋼筋聯(lián)接，才能可靠地實(shí)現(xiàn)電擊防護(hù)的作用。

O為L(zhǎng)EB與結(jié)構(gòu)鋼筋連接點(diǎn)；l為人站立處與O點(diǎn)之間的水平距離，l3>l2>l1;U為人站立處的地電位，U3

圖3接地故障時(shí)的地電位分布示意圖

Fig. 3 Sketch of ground potential distribution in case of ground fault

2 安全特低電壓(SELV)照明線(xiàn)路保護(hù)管選用問(wèn)題

地鐵工程中站臺(tái)板下層或電纜夾層內(nèi)照明燈的配電回路一般采用AC36 V或AC24 V的SELV回路[2]，并在SELV[3]照明配電箱中設(shè)置安全隔離變壓器。在一些地鐵車(chē)站照明施工圖設(shè)計(jì)中，存在SELV回路線(xiàn)路保護(hù)管選用金屬管的不合理做法，如圖4所示(圖4中SELV回路線(xiàn)路穿鍍鋅鋼管SC25敷設(shè))。

圖4 SELV照明配電箱

依據(jù)GB/T 16895.21—2011《低壓電氣裝置第4-41部分： 安全防護(hù) 電擊防護(hù)》[4]中的414.4.4條款，SELV回路內(nèi)的外露可導(dǎo)電部分不得與地、保護(hù)導(dǎo)體以及其他回路的外露可導(dǎo)電部分作電氣連接。地鐵車(chē)站管線(xiàn)種類(lèi)及數(shù)量很多，并且管線(xiàn)安裝空間非常有限，很難避免SELV回路線(xiàn)路保護(hù)管與地或其他管線(xiàn)接觸。因此，圖4中的穿鋼管敷設(shè)方式存在電氣安全問(wèn)題。

在地鐵工程中，SELV回路線(xiàn)路應(yīng)穿絕緣管(如阻燃型PE管等)敷設(shè)，以避免此類(lèi)問(wèn)題，可靠地實(shí)現(xiàn)SELV保護(hù)的作用。

3 配電箱進(jìn)線(xiàn)開(kāi)關(guān)電器的選型問(wèn)題

在城市軌道交通設(shè)計(jì)行業(yè)，“抄圖”現(xiàn)象普遍存在，設(shè)計(jì)人員在“具體問(wèn)題具體分析”方面做得還不夠好，在配電箱進(jìn)線(xiàn)開(kāi)關(guān)電器選型方面存在以下常見(jiàn)問(wèn)題。

3.1 不重視隔離開(kāi)關(guān)的應(yīng)用

對(duì)末端配電箱的進(jìn)線(xiàn)開(kāi)關(guān)電器選型時(shí)，設(shè)計(jì)人員習(xí)慣性地選用斷路器，如圖5所示。

圖5 配電箱(選用斷路器)

地鐵工程中，低壓配電以放射式配電方式為主。圖5中的進(jìn)線(xiàn)開(kāi)關(guān)電器選用斷路器，人為地增加了保護(hù)層級(jí)，并導(dǎo)致配電電纜截面積較大；另外，低壓開(kāi)關(guān)柜中的斷路器保護(hù)靈敏度較低(見(jiàn)表1)。

當(dāng)進(jìn)線(xiàn)開(kāi)關(guān)電器選用隔離開(kāi)關(guān)[5]時(shí)(見(jiàn)圖6)，可以減少保護(hù)層級(jí)，從而降低投資；同時(shí)，可以提高上級(jí)斷路器的保護(hù)靈敏度(見(jiàn)表1)。因此，末端配電箱的進(jìn)線(xiàn)開(kāi)關(guān)電器選用隔離開(kāi)關(guān)是非常合理的。

表1 斷路器方案與隔離開(kāi)關(guān)方案對(duì)比

注： 三相短路點(diǎn)和接地故障點(diǎn)均按在配電箱進(jìn)線(xiàn)處考慮。

圖6 配電箱(選用隔離開(kāi)關(guān))

3.2 斷路器的極數(shù)選擇問(wèn)題

在地鐵車(chē)站低壓配電設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)人員經(jīng)常不合理地選用斷路器的極數(shù)(3P或4P)。

1)需要選用3P型斷路器的情況，卻選用4P型斷路器。例如： 車(chē)站內(nèi)雙電源切換箱的進(jìn)線(xiàn)斷路器選用4P型，如圖7所示。

圖7 雙電源切換箱(選用4P型斷路器)

2)需要選用4P型斷路器時(shí)，卻選用3P型斷路器。例如： 區(qū)間或地面配電箱的進(jìn)線(xiàn)斷路器選用3P型，如圖8所示。

上述2種情況的斷路器極數(shù)選擇均不合理，會(huì)增加斷零風(fēng)險(xiǎn)[7]或存在電氣安全問(wèn)題。斷路器極數(shù)的選擇不僅與0.4 kV系統(tǒng)的接地型式有關(guān)，而且與使用環(huán)境場(chǎng)所密切相關(guān)，需要具體問(wèn)題具體分析，不能一概而論。

圖8 地面建筑配電箱(選用3P型斷路器)

地鐵工程中，高壓、低壓共用接地裝置[8](見(jiàn)圖9)，35 kV系統(tǒng)為小電阻接地系統(tǒng)，0.4 kV配電系統(tǒng)為T(mén)N-S系統(tǒng)；地鐵車(chē)站內(nèi)，設(shè)置總等電位聯(lián)結(jié)。

圖9 高壓系統(tǒng)與低壓TN-S系統(tǒng)共用接地裝置

由圖9可知，當(dāng)35 kV系統(tǒng)發(fā)生接地故障時(shí)，0.4 kV系統(tǒng)中的N導(dǎo)體對(duì)地電位為Uf；由于地鐵車(chē)站內(nèi)設(shè)置了總等電位聯(lián)結(jié)，地鐵車(chē)站結(jié)構(gòu)鋼筋網(wǎng)的對(duì)地電位也為Uf，N導(dǎo)體與結(jié)構(gòu)鋼筋網(wǎng)之間的電位差為0。0.4 kV配電系統(tǒng)內(nèi)部發(fā)生接地故障時(shí)，N導(dǎo)體與結(jié)構(gòu)鋼筋網(wǎng)之間的電位差幾乎為0；當(dāng)發(fā)生直接雷擊時(shí)，N導(dǎo)體與結(jié)構(gòu)鋼筋網(wǎng)之間的電位差為0。另外，當(dāng)相導(dǎo)體被斷開(kāi)時(shí)，N導(dǎo)體中也就不存在負(fù)荷電流了。

綜上所述，設(shè)置在車(chē)站內(nèi)的配電箱進(jìn)線(xiàn)斷路器選用3P型就能滿(mǎn)足安全要求，不需要選用4P型；對(duì)于地面上或區(qū)間內(nèi)的場(chǎng)所，由于35 kV系統(tǒng)發(fā)生接地故障或發(fā)生直接雷擊時(shí)，0.4 kV系統(tǒng)中的N導(dǎo)體與人所在位置地面的電位差比較大(超過(guò)安全電壓AC50 V)，設(shè)置在地面或區(qū)間內(nèi)的配電箱進(jìn)線(xiàn)斷路器需要選用4P型以確保檢修人員的安全。

4 電涌保護(hù)器(SPD)的應(yīng)用問(wèn)題

低壓配電設(shè)計(jì)圖中，設(shè)計(jì)人員對(duì)低壓SPD的應(yīng)用方面存在以下2個(gè)問(wèn)題，嚴(yán)重降低了SPD的保護(hù)效果。

4.1 SPD的試驗(yàn)類(lèi)別選擇問(wèn)題

在配電箱設(shè)計(jì)圖中，經(jīng)常存在SPD的試驗(yàn)類(lèi)別或試驗(yàn)波形選擇不合理的情況，如圖10所示。

圖10 照明配電箱

由圖10可知，此照明配電箱中設(shè)置有地徽、站名牌等室外設(shè)施的配電回路，但是SPD選用的是T2試驗(yàn)類(lèi)別。依據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)[9]，選擇SPD 時(shí)，對(duì)電阻性耦合(即接地電阻上的反擊)雷電流波形應(yīng)按10/350 μs 波形考驗(yàn)，對(duì)電感性耦合(如近處落雷引起的電磁感應(yīng))應(yīng)按8/20 μs 波形考驗(yàn)。波形為10/350 μs 的脈沖電流一般用在SPD的Ⅰ級(jí)分類(lèi)試驗(yàn)(脈沖電流)，波形為8/20 μs 的脈沖電流一般用在SPD 的Ⅰ、Ⅱ級(jí)分類(lèi)試驗(yàn)(額定放電電流、最大放電電流)[10]。圖10中的地徽、站名牌等室外設(shè)施位于LPZ0區(qū)，存在遭受直擊雷的可能性，SPD需要選用的試驗(yàn)波形為10/350 μs，即T1級(jí)試驗(yàn)類(lèi)別。

4.2 SPD脫離器選用問(wèn)題

地鐵低壓配電設(shè)計(jì)圖中，SPD脫離器[11]選用4P型斷路器，用于SPD的失效保護(hù)，如圖10所示。此設(shè)計(jì)存在以下弊端： 當(dāng)斷路器被錯(cuò)誤地?cái)嚅_(kāi)時(shí)，配電系統(tǒng)就失去SPD的電涌保護(hù)；斷路器用于短路保護(hù)的電磁脫扣器為有若干匝數(shù)的電感線(xiàn)圈，其串聯(lián)在回路中，增大了有效電壓保護(hù)值Up/f。

為解決此問(wèn)題，在低電涌電流沖擊時(shí)，SPD脫離器選用熔斷器或?qū)Ｓ肧CB保護(hù)；在高電涌電流沖擊時(shí)，SPD脫離器選用專(zhuān)用SCB保護(hù)。

5 長(zhǎng)大區(qū)間配電回路接地故障保護(hù)問(wèn)題

地鐵車(chē)站兩端區(qū)間內(nèi)用電設(shè)備的配電電源引自車(chē)站35/0.4 kV變電所的0.4 kV開(kāi)關(guān)柜。區(qū)間配電線(xiàn)路的接地故障保護(hù)靈敏度校驗(yàn)是一項(xiàng)非常必要的工作，但是設(shè)計(jì)人員經(jīng)常不重視這一點(diǎn)。對(duì)于較長(zhǎng)區(qū)間，0.4 kV開(kāi)關(guān)柜饋電斷路器的脫扣器選用普通熱磁型時(shí)，接地故障保護(hù)靈敏度很難滿(mǎn)足規(guī)范[12]要求，無(wú)法保證保護(hù)電器在規(guī)定時(shí)間內(nèi)可靠動(dòng)作，不能確保電氣安全。對(duì)于此類(lèi)情況，饋電斷路器可以選用帶接地故障保護(hù)的斷路器[13]，提高接地故障保護(hù)靈敏度，滿(mǎn)足規(guī)范要求。2種斷路器方案對(duì)比見(jiàn)表2。

表2 2種斷路器方案對(duì)比

6 結(jié)論與建議

本文通過(guò)對(duì)一些地鐵低壓配電設(shè)計(jì)典型問(wèn)題進(jìn)行研究，得出以下結(jié)論。

1)應(yīng)相對(duì)獨(dú)立地按區(qū)域設(shè)置局部等電位聯(lián)結(jié)板(LEB)，不應(yīng)人為地將不同區(qū)域內(nèi)的LEB互聯(lián)在一起，LEB應(yīng)就地連接結(jié)構(gòu)鋼筋。

2)在地鐵工程中，安全特低電壓(SELV)照明線(xiàn)路保護(hù)管應(yīng)選用絕緣型。

3)在選用配電箱進(jìn)線(xiàn)開(kāi)關(guān)電器時(shí)，應(yīng)重視隔離開(kāi)關(guān)的合理選用；應(yīng)根據(jù)使用場(chǎng)所的具體情況，合理地選擇斷路器的極數(shù)。

4)負(fù)責(zé)給室外設(shè)施配電的配電箱中，電涌保護(hù)器(SPD)應(yīng)選用T1試驗(yàn)類(lèi)別；SPD脫離器應(yīng)選用熔斷器或?qū)Ｓ肧CB保護(hù)。

5)對(duì)于較長(zhǎng)區(qū)間配電回路的饋電斷路器，選用帶接地故障保護(hù)功能的斷路器可以提高接地故障保護(hù)靈敏度。

將上述結(jié)論應(yīng)用在地鐵工程中，可以提高低壓配電設(shè)計(jì)的電氣安全性、可靠性，減少電擊事故，并且可以降低工程造價(jià)。建議在今后地鐵工程設(shè)計(jì)中進(jìn)一步完善低壓配電設(shè)計(jì)，合理地選用開(kāi)關(guān)電器，重點(diǎn)校驗(yàn)長(zhǎng)距離配電回路的接地故障保護(hù)靈敏度。