王 哲

(中鐵二院華東勘察設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司,杭州 310004)

0 引言

地鐵低壓配電系統(tǒng)承擔(dān)了為所有低壓負(fù)荷(除電動(dòng)車(chē)組以外)提供電能的重要任務(wù)，并保證動(dòng)力照明設(shè)備配電的安全、可靠、合理、經(jīng)濟(jì)。地鐵設(shè)備系統(tǒng)較多，運(yùn)行工況各不相同，尤其在區(qū)間隧道或出入段線(xiàn)區(qū)域，設(shè)備分散且配電距離長(zhǎng)，部分設(shè)備配電半徑長(zhǎng)達(dá)1 000m甚至更遠(yuǎn)。遠(yuǎn)距離配電設(shè)備除照明燈具及檢修設(shè)備外，還有很多電動(dòng)機(jī)設(shè)備(如區(qū)間水泵、射流風(fēng)機(jī)等)，此類(lèi)設(shè)備為一級(jí)負(fù)荷，一組設(shè)備包含兩臺(tái)或多臺(tái)水泵或風(fēng)機(jī)，并根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)工況采取單臺(tái)或多臺(tái)運(yùn)行的方式。

由于設(shè)備遠(yuǎn)離變電所，配電距離長(zhǎng)，此類(lèi)設(shè)備的配電要綜合考慮線(xiàn)路電壓損失、短路保護(hù)電器分段能力及保護(hù)靈敏度等因素，從而確定合理的配電方案。圖1所示為地鐵配電系統(tǒng)中區(qū)間低壓三相電動(dòng)機(jī)配電系統(tǒng)圖，接地型式采用TN-S系統(tǒng)，設(shè)備采用直接啟動(dòng)方式，控制柜靠設(shè)備末端就地設(shè)置。

圖1 典型籠型低壓三相電動(dòng)機(jī)配電系統(tǒng)圖

1 配電線(xiàn)路電壓損失校驗(yàn)

對(duì)于電動(dòng)機(jī)負(fù)載來(lái)說(shuō)，JGJ 6-2008《民用建筑電氣設(shè)計(jì)規(guī)范》3.4.5條及GB 0052-2009《供配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》5.0.4條規(guī)定：正常運(yùn)行情況下，用電設(shè)備端子處的電壓偏差允許值宜符合偏差±5%的要求；GB 0055-2011《通用用電設(shè)備配電設(shè)計(jì)規(guī)范》2.2.2條及JGJ 6-2008《民用建筑電氣設(shè)計(jì)規(guī)范》9.2.2條規(guī)定，電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)應(yīng)符合如下要求：電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)其端子電壓應(yīng)保證機(jī)械要求的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩，且在配電系統(tǒng)中引起的電壓波動(dòng)不應(yīng)妨礙其他用電設(shè)備的工作；電動(dòng)機(jī)頻繁啟動(dòng)時(shí)，其配電母線(xiàn)上的電壓不宜低于額定電壓的90%；電動(dòng)機(jī)不頻繁啟動(dòng)時(shí)，其配電母線(xiàn)上的電壓不宜低于額定電壓的85%。

對(duì)于圖1所示系統(tǒng)，為滿(mǎn)足電動(dòng)機(jī)正常啟動(dòng)和運(yùn)行的需求，首先應(yīng)考慮線(xiàn)路末端的電壓偏差。在正常穩(wěn)定運(yùn)行狀況下(交聯(lián)聚乙烯電纜導(dǎo)體的允許長(zhǎng)期工作最高溫度為90℃)，線(xiàn)路電壓損失按照不超過(guò)5%核算，即：

U%=ua%IL≤5%

(1)

ua%≤0.24

式中，ua為每A·km線(xiàn)路的電壓損失百分比，%/A·km；I為負(fù)荷計(jì)算電流，A；L為線(xiàn)路長(zhǎng)度，km；電纜規(guī)格至少應(yīng)采用WDZAN-YJY23-0.6/1kV-3×35+2×16mm2。

由于區(qū)間廢水泵及射流風(fēng)機(jī)均為不頻繁啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)，其配電母線(xiàn)上的電壓不宜低于額定電壓的85%。通常只要電動(dòng)機(jī)額定功率不超過(guò)電源變壓器額定容量的30%即可全壓?jiǎn)?dòng)，滿(mǎn)足啟動(dòng)要求。為減少末端設(shè)備的電壓偏差，在供配電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中可采用增加配電線(xiàn)路電纜的截面或采取就地?zé)o功補(bǔ)償?shù)拇胧┯枰越鉀Q。

2 電動(dòng)機(jī)主回路保護(hù)電器的選擇

圖1所示配電系統(tǒng)主回路中，變電所側(cè)斷路器用作電動(dòng)機(jī)過(guò)載保護(hù)時(shí)長(zhǎng)延時(shí)脫扣器，整定值Iset1取50A，其瞬時(shí)整定值應(yīng)為電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)電流2～2.5倍，取其值Iset3=12Iset1=600A。對(duì)短路保護(hù)電器的長(zhǎng)延時(shí)及瞬時(shí)值做出整定后，還應(yīng)計(jì)算配電回路的預(yù)期最大短路電流(即三相短路電流)Ik、最小短路電流(即末端單相接地故障電流)Ik1。其中，最大短路電流用于校驗(yàn)電氣設(shè)備的動(dòng)穩(wěn)定、熱穩(wěn)定及分?jǐn)嗄芰?，整定繼電保護(hù)裝置。最小短路電流用于選擇熔斷器、設(shè)定保護(hù)定值或作為校驗(yàn)繼電保護(hù)裝置靈敏度和校驗(yàn)感應(yīng)電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)的依據(jù)。

2.1 短路電流計(jì)算及短路保護(hù)電器分?jǐn)嗄芰πｒ?yàn)

對(duì)于圖1所示的配電系統(tǒng)，K1點(diǎn)的三相短路電流為：

(2)

式中，Un為系統(tǒng)標(biāo)稱(chēng)電壓，220/380V；RT=Ra+Rtr+Rm，XT=Xa+Xtr+Xm；RT、XT為短路電路的總電阻、總電抗，Ω；Ra、Xa為變壓器低壓側(cè)的中壓系統(tǒng)電阻、電抗，Ω，Xa≈10Ra；Rtr、Xtr為變壓器的電阻、電抗，Ω；Rm、Xm為低壓側(cè)母線(xiàn)段的電阻、電抗，Ω。母線(xiàn)電阻通常可忽略不計(jì)，電抗約為0.17mΩ/m。

比較各電氣元件阻抗可知，變壓器阻抗遠(yuǎn)大于系統(tǒng)阻抗和母線(xiàn)阻抗，在工程計(jì)算中可忽略系統(tǒng)阻抗、母線(xiàn)阻抗進(jìn)行簡(jiǎn)化計(jì)算，則

(3)

因此，K1點(diǎn)的三相短路電流Ik約為30kA。

同理，對(duì)于K2點(diǎn)的三相短路電流，由于低壓配電線(xiàn)路長(zhǎng)度較長(zhǎng)，其線(xiàn)路阻抗遠(yuǎn)大于系統(tǒng)阻抗、變壓器阻抗和母線(xiàn)阻抗。由于電纜線(xiàn)路電抗值約為0.08mΩ/m，對(duì)于長(zhǎng)度>100m、截面積<50mm2的電纜，其電抗值相對(duì)于總阻抗可忽略不計(jì)。因此，K2點(diǎn)的三相短路電流計(jì)算可簡(jiǎn)化為：

(4)

式中，RL為線(xiàn)路電阻，Ω；ρ為20℃時(shí)導(dǎo)體溫度的電阻系數(shù)常數(shù)，其值為0.0185Ωmm2/m；L為導(dǎo)體的長(zhǎng)度，km；S為導(dǎo)體的截面積，mm2。

因此，K2點(diǎn)的三相短路電流Ik2約為868A。

K1、K2點(diǎn)的實(shí)際三相短路電流一定不大于式(2)～(3)簡(jiǎn)化后的計(jì)算值，因此可知，K1、K2點(diǎn)斷路器的分?jǐn)嗄芰χ灰恍∮?0kA、868A，則一定可以滿(mǎn)足實(shí)際工程的要求。

2.2 單相接地故障電流計(jì)算及保護(hù)電器短路保護(hù)靈敏度校驗(yàn)

對(duì)于圖1所示的配電系統(tǒng)，K2點(diǎn)單相接地故障電流Ik1為：

(5)

式中，Rphp、Xphp分別為短路電路的相線(xiàn)-保護(hù)線(xiàn)回路總電阻、相線(xiàn)-保護(hù)線(xiàn)回路總電抗，Ω。

比較各電氣元件相保阻抗可知，系統(tǒng)相保阻抗、變壓器相保阻抗、母線(xiàn)相保阻抗和配電電纜相保阻抗中，配電電纜相保阻抗值最大，對(duì)于電纜截面≤185mm2的線(xiàn)路，其電抗相比于總阻抗可忽略不計(jì)。因此，在工程計(jì)算中可忽略系統(tǒng)相保阻抗、變壓器相保阻抗、母線(xiàn)相保阻抗和電纜相保電抗，則末端K2點(diǎn)單相接地故障電流Ik1可簡(jiǎn)化為:

Ik1=0.95Un/Rphp’L

(6)

式中，Rphp’L為短路電路的電纜相保電阻，Ω。在單相接地故障電流計(jì)算中，線(xiàn)路電阻RL應(yīng)采用較高溫度下的數(shù)值，與RL20的關(guān)系由式(3)[5]確定。

RL=[1+0.004(θc-20℃)]RL20

(7)

式中，RL20為導(dǎo)線(xiàn)在20℃時(shí)的阻值，Ω；θc為短路結(jié)束時(shí)的導(dǎo)線(xiàn)溫度，℃。

對(duì)于交聯(lián)聚乙烯電纜，短路時(shí)(最長(zhǎng)持續(xù)時(shí)間不超過(guò)5s)導(dǎo)體允許最高溫度為250℃。以《工業(yè)與民用供配電設(shè)計(jì)手冊(cè)》(第三版)中提供的相保電阻為例，對(duì)于圖1所示系統(tǒng)，電纜單位長(zhǎng)度相保電阻值為2.397mΩ，則K2點(diǎn)的單相接地故障電流Ik1為174A。

假如短路點(diǎn)K2在就地設(shè)備控制柜的斷路器進(jìn)線(xiàn)側(cè)，主回路短路保護(hù)電器為斷路器時(shí)，K2點(diǎn)的單相接地故障電流應(yīng)≥斷路器瞬時(shí)或短延時(shí)過(guò)電流脫扣器整定電流的1.3倍，即Ik1≥1.3Iset3。對(duì)圖1所示系統(tǒng)，單相接地故障電流應(yīng)≥780A，不能滿(mǎn)足靈敏度校驗(yàn)的要求。

3 配電線(xiàn)路單相接地故障保護(hù)的解決措施

通過(guò)上述計(jì)算分析可見(jiàn)，對(duì)于地鐵工程中長(zhǎng)距離設(shè)備配電系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，雖然按照電壓損失校驗(yàn)選擇了電纜截面，但是由于單相接地故障電流較小，靠過(guò)流保護(hù)電器兼作接地保護(hù)時(shí)很難通過(guò)校驗(yàn)。當(dāng)配電線(xiàn)路較長(zhǎng)、保護(hù)電器難以滿(mǎn)足接地故障保護(hù)靈敏度的要求時(shí)，可采取以下措施。

(1)采用降壓?jiǎn)?dòng)或軟啟動(dòng)方式，降低電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)電流。軟啟動(dòng)時(shí)，啟動(dòng)電流一般為額定電流的2～3倍。由于軟啟動(dòng)器屬于電力電子設(shè)備，受環(huán)境溫濕度影響較大，應(yīng)定期檢查軟啟動(dòng)器的環(huán)境條件及運(yùn)行情況，以避免設(shè)備故障、漏電或短路事故的發(fā)生。

(2)加大電纜相導(dǎo)體及保護(hù)接地導(dǎo)體截面積，以提高短路點(diǎn)的接地故障電流。對(duì)于圖1所示的配電系統(tǒng)，若要靠加大電纜截面來(lái)滿(mǎn)足K2點(diǎn)單相接地故障電流靈敏度校驗(yàn)的要求，需將電纜截面加大至150mm2。工程成本增加非常多，明顯不合理。

根據(jù)《工業(yè)與民用供配電設(shè)計(jì)手冊(cè)》(第三版)中提供的相保電阻可知，電纜規(guī)格為35mm2的四芯電纜，其單位長(zhǎng)度相保電阻值為1.503mΩ。因此可在適當(dāng)提高相線(xiàn)截面的情況下，采用提高PE線(xiàn)截面的方式，以節(jié)省投資。對(duì)于地鐵區(qū)間中射流風(fēng)機(jī)、水泵等負(fù)荷來(lái)說(shuō)，還可以利用區(qū)間電纜支架上貫通敷設(shè)的接地扁鋼以進(jìn)一步降低阻抗。

(3)采用帶短延時(shí)過(guò)電流脫扣器的斷路器。對(duì)于同一斷路器，由于短延時(shí)過(guò)電流脫扣器整定電流值Iset2通常只有瞬時(shí)過(guò)電流脫扣器整定電流值Iset3的20%～30%，所以當(dāng)斷路器的瞬時(shí)過(guò)電流脫扣器不能滿(mǎn)足接地故障要求時(shí)，可采用帶短延時(shí)過(guò)電流脫扣器的斷路器進(jìn)行保護(hù)，其靈敏性更容易滿(mǎn)足。

(4)選擇熔斷器作為保護(hù)電器。電動(dòng)機(jī)的短路和接地故障保護(hù)電器應(yīng)優(yōu)先選用aM型熔斷器，熔斷器額定電流Ir為50A。對(duì)圖1所示系統(tǒng)，則要求K2點(diǎn)單相接地故障電流Ik1≥5.50=275A。此時(shí)，可再適當(dāng)加大一級(jí)電纜截面積即可滿(mǎn)足要求，相對(duì)較為經(jīng)濟(jì)合理?？梢?jiàn)，熔斷器比斷路器更容易滿(mǎn)足接地故障保護(hù)的要求。

(5)采用帶接地故障保護(hù)的斷路器。接地故障保護(hù)分為三相不平衡電流保護(hù)和剩余電流保護(hù)兩種。采用三相不平衡電流保護(hù)時(shí)，保護(hù)整定值Iset0應(yīng)大于正常運(yùn)行時(shí)N導(dǎo)體中流過(guò)的最大三相不平衡電流、諧波電流、正常泄漏電流之和，而在發(fā)生接地故障時(shí)必須動(dòng)作。因此三相不平衡電流保護(hù)整定值Iset0應(yīng)符合：

Iset0≥2.0IN及Ik1≥1.3Iset0

(8)

式中，Iset0為三相不平衡電流保護(hù)整定值，A；IN為三相不平衡電流，A。

配電干線(xiàn)正常運(yùn)行時(shí)的三相不平衡電流值IN通常不超過(guò)設(shè)備計(jì)算電流的20%～25%，三相不平衡電流保護(hù)整定值Iset0以整定為斷路器長(zhǎng)延時(shí)脫扣器電流Iset1的50%～60%為宜?？梢?jiàn)，三相不平衡電流保護(hù)整定值Iset0比短延時(shí)整定值Iset2小得多，更易于滿(mǎn)足保護(hù)靈敏度的要求。在滿(mǎn)足動(dòng)作靈敏度要求的前提下，Iset0整定值應(yīng)大一些，延時(shí)時(shí)間盡量長(zhǎng)一些。

采用剩余電流動(dòng)作保護(hù)裝置(RCD)作接地故障保護(hù)時(shí)，保護(hù)整定值Iset4應(yīng)大于正常運(yùn)行時(shí)線(xiàn)路和設(shè)備的泄露電流總和的2.5～4倍，同時(shí)Iset4的1.3倍應(yīng)不大于接地故障時(shí)流過(guò)線(xiàn)路PE線(xiàn)的故障電流。通常，35mm2交聯(lián)聚乙烯電纜泄漏電流為70mA/km，22kW電動(dòng)機(jī)正常運(yùn)行的泄漏電流為0.72mA[2]，RCD額定動(dòng)作電流的選擇要充分考慮電氣線(xiàn)路和設(shè)備的對(duì)地泄露電流值，必要時(shí)可通過(guò)實(shí)際測(cè)量取得被保護(hù)線(xiàn)路或設(shè)備的對(duì)地泄露電流。一般取Iset4整定值為300mA或500mA。剩余電流保護(hù)整定電流比三相不平衡電流保護(hù)的電流更小，動(dòng)作靈敏度更高。對(duì)于地鐵中供電可靠性要求高的負(fù)載，該接地故障保護(hù)可不切斷電路而只發(fā)出報(bào)警信號(hào)。

此時(shí)，為滿(mǎn)足間接接觸電擊事故防護(hù)的要求，可采用局部等電位聯(lián)結(jié)或輔助等電位聯(lián)結(jié)來(lái)降低接觸電壓，如果設(shè)備在無(wú)等電位聯(lián)結(jié)的戶(hù)外，可將電氣設(shè)備改為局部TT系統(tǒng)。故當(dāng)接地型式采用TT系統(tǒng)時(shí)，采用RCD作為接地故障保護(hù)，應(yīng)滿(mǎn)足：

RΔIΔn≤50V

(9)

式中，RΔ為電氣裝置外露可導(dǎo)電部分的接地極和PE導(dǎo)體的電阻之和，Ω；IΔn為RCD在規(guī)定時(shí)間內(nèi)的額定動(dòng)作電流，A。

接地電阻的要求TT系統(tǒng)相對(duì)于TN系統(tǒng)，更容易滿(mǎn)足，從電擊安全性、保護(hù)可靠性及成本等方面考慮也更優(yōu)。

4 結(jié)束語(yǔ)