丁建興，馮 偉

對(duì)《干船塢設(shè)計(jì)規(guī)范》電氣部分條款的探討

丁建興，馮 偉

（中國人民解放軍92942部隊(duì)，北京 100161）

結(jié)合干船塢電氣使用場(chǎng)景和特點(diǎn)，從電氣安全的角度，對(duì)目前《干船塢設(shè)計(jì)規(guī)范》中部分條款展開討論，并對(duì)規(guī)范提出修改建議。

干船塢 電氣系統(tǒng) 規(guī)范 TN系統(tǒng) TT系統(tǒng) 接地故障

0 引言

造船和修船離不開干船塢，干船塢作為修造船的重要設(shè)施，電氣系統(tǒng)的安全可靠有著重要意義。設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)工程安全有著重要的規(guī)范作用，因此標(biāo)準(zhǔn)的合理性和適用性對(duì)設(shè)計(jì)起著至關(guān)重用的指導(dǎo)意義。

干船塢由于地處沿江（海）室外，電氣設(shè)備受高溫、高濕、高鹽和強(qiáng)輻照的影響，工作環(huán)境較普通室內(nèi)場(chǎng)所惡劣得多，且施工現(xiàn)場(chǎng)不具備等電位聯(lián)結(jié)條件，電擊危險(xiǎn)性高，這些與普通室內(nèi)民用建筑有著很大的差別。設(shè)計(jì)中應(yīng)根據(jù)不同的場(chǎng)景、負(fù)荷選擇相應(yīng)合理的電氣系統(tǒng)，現(xiàn)有《干船塢設(shè)計(jì)規(guī)范》CB/T 8524-2011中涉及配電的部分條款筆者認(rèn)為有待商榷，以下筆者結(jié)合設(shè)計(jì)體會(huì)談?wù)勛约旱囊娊?，以期拋磚引玉。

1 規(guī)范中有待商榷部分

現(xiàn)行《干船塢設(shè)計(jì)規(guī)范》中筆者認(rèn)為有待商榷的主要有以下幾條（以下簡(jiǎn)稱“船塢規(guī)范”）：

1）第10.4.1條，電源接電箱的電源為380 V/220 V時(shí)，開關(guān)應(yīng)采用三極開關(guān)；

2）第10.4.4條，電焊機(jī)電源接電箱當(dāng)容量滿足時(shí)，宜兼作50 Hz船用電接電箱用；

3）第10.5.3條，船塢上沿照明燈具的安裝應(yīng)便于檢修，離最高水位應(yīng)不小于500 mm，且應(yīng)加PE線。外露可導(dǎo)電部分應(yīng)可靠接地；

4）第10.6.1條，低壓接地系統(tǒng)宜采用TN-C-S制。

可以看出，以上各條款均是基于干船塢低壓接地系統(tǒng)推薦采用TN型式的前提進(jìn)行規(guī)定的，而對(duì)于船塢這種無等電位聯(lián)結(jié)的戶外工程，筆者認(rèn)為容易引發(fā)一些不明原因的電擊事故。本文從干船塢工程用電特點(diǎn)著手，從用電安全角度出發(fā)，對(duì)干船塢接地系統(tǒng)型式進(jìn)行探討。

2 采用TN接地系統(tǒng)問題

設(shè)計(jì)人員對(duì)TN系統(tǒng)比較熟悉，一般室內(nèi)民用建筑供電大都采用TN系統(tǒng)(主要為TN-C-S和TN-S系統(tǒng))，應(yīng)用起來得心應(yīng)手。其優(yōu)點(diǎn)一是因?yàn)橄到y(tǒng)變壓器中性點(diǎn)接地，可限制中性點(diǎn)電位漂移，二是能方便地引出380/220 V電源，可滿足絕大多數(shù)低壓負(fù)載對(duì)電源電壓的要求?，F(xiàn)行船塢規(guī)范也規(guī)定低壓接地系統(tǒng)宜采用TN-C-S制，但對(duì)于干船塢這種具有大量室外設(shè)備配電工程而言，采用TN系統(tǒng)則存在大的電擊風(fēng)險(xiǎn)，舉例分析如下。

2.1 設(shè)備發(fā)生接地故障條件下

變電所通過電纜給船塢延邊的絞盤及接電箱供電，按照船塢功能需求總體規(guī)劃，從船塢邊往外的變配電設(shè)施依次為接電箱、門機(jī)軌道、絞盤、變電所。變電所對(duì)絞盤采用鏈?zhǔn)焦╇?，線路約百米。變電所至塢邊大部分屬于回填區(qū)，地面設(shè)置連鎖塊體，室外設(shè)備均處于無等電位聯(lián)結(jié)場(chǎng)所，如圖1所示。

圖1 地面設(shè)置聯(lián)鎖塊，干船塢屬無等電位聯(lián)結(jié)場(chǎng)所

絞盤控制箱為室外固定設(shè)施，受太陽輻照、鹽霧腐蝕、高溫潮濕等各種因素影響，設(shè)備絕緣下降發(fā)生相線接外露導(dǎo)電部分故障。接地故障電流經(jīng)PE線或PEN線金屬通路返回電源。由于線路較長，絞盤對(duì)地故障電壓為U通常大于50 V，U沿著系統(tǒng)內(nèi)PE線（虛線所示）傳導(dǎo)至手持設(shè)備，如圖5所示。此時(shí)由于拿手持設(shè)備的人處于室外場(chǎng)所，且不具備等電位聯(lián)結(jié)，其對(duì)地電壓U＞50 V。該故障電壓通過PE線傳導(dǎo)至手持設(shè)備回路，雖然手持設(shè)備回路上裝有RCD，但此回路本身并未發(fā)生接地故障，RCD不會(huì)動(dòng)作。按照要求在TN系統(tǒng)內(nèi)固定設(shè)備發(fā)生接地故障時(shí)，故障切斷時(shí)間要求是不大于5 s，而手持和移動(dòng)式設(shè)備的切斷時(shí)間要求是不大于0.4 s，但=0.4 s是對(duì)干燥場(chǎng)所而言，若為潮濕環(huán)境，預(yù)期接觸電壓應(yīng)按25 V，=0.25 s考慮。即使固定設(shè)備可以在5 s內(nèi)切斷電源，但在此過高的接觸電壓和過長的人體通電時(shí)間作用下，在干船塢這種潮濕環(huán)境下，使用手持設(shè)備的人極有可能遭受電擊且不能擺脫設(shè)備而導(dǎo)致傷亡。

圖2 設(shè)備發(fā)生接地故障帶來轉(zhuǎn)移過電壓

理論上，上述情況下故障電流幅值較大，可使過電流防護(hù)電器迅速切斷電源。但實(shí)際上隨著時(shí)間的推移，PE線中的連接接頭的接觸電阻由于種種原因而增大且不易被發(fā)現(xiàn)，它可限制故障電流從而妨礙過電流保護(hù)電器的及時(shí)動(dòng)作，此時(shí)帶來對(duì)人員的危害更是不言而喻。

2.2 線路發(fā)生接地故障條件下

電纜由于地處高溫、潮濕環(huán)境，線路絕緣下降快，且電纜隧道（溝）內(nèi)鼠害、蟻害多，易發(fā)生單相接地短路故障。如當(dāng)絞盤控制箱供電電纜由于絕緣破損，發(fā)生相線接地故障。接地故障電流I經(jīng)R、R返回電源，受兩個(gè)電阻阻值的限制Id不會(huì)很大，假設(shè)為20 A，不足使回路首端防護(hù)電器動(dòng)作。設(shè)R=4 Ω，絞盤對(duì)地故障電壓為U=80 V，同理，U沿著PE線傳導(dǎo)至手持焊機(jī)，焊機(jī)對(duì)地電壓U=80 V。手持設(shè)備回路本身因未發(fā)生接地故障，RCD不會(huì)動(dòng)作，使用手持設(shè)備的人極有可能遭受電擊且不能擺脫設(shè)備而導(dǎo)致傷亡，如圖3所示。

2.3 高壓側(cè)發(fā)生接地故障條件下

過去我國10 kV電網(wǎng)采用不接地系統(tǒng)，即便發(fā)生10 kV側(cè)接地故障，故障電流Id值也不會(huì)很大，按照我國電力部門要求，該值不大于20 A。隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展，城市電網(wǎng)負(fù)荷急劇增長，10 kV電網(wǎng)大多已改用低電阻接地系統(tǒng)，其接地故障電流可高達(dá)千安。如發(fā)生電擊危險(xiǎn)，易在低壓側(cè)造成嚴(yán)重危害。

10/0.4 kV變電所既是10 kV系統(tǒng)的負(fù)荷端，同時(shí)也是低壓系統(tǒng)的電源端。當(dāng)10/0.4 kV變電所內(nèi)高壓側(cè)（包括高壓開關(guān)柜、高壓線路、變壓器等）發(fā)生接地故障時(shí)，如低壓側(cè)為TN系統(tǒng)，將因接地系統(tǒng)連接方式的不同，低壓系統(tǒng)內(nèi)出現(xiàn)不同的工頻應(yīng)力電壓和工頻故障電壓。其中工頻故障電壓U指低壓系統(tǒng)在故障持續(xù)時(shí)間內(nèi)工頻故障電壓；工頻應(yīng)力電壓1為變電所內(nèi)低壓配電裝置帶電導(dǎo)體與裝置外殼之間的電壓。工頻應(yīng)力電壓2指的是變電所外低壓裝置、用電設(shè)備帶電導(dǎo)體與裝置外殼導(dǎo)電部分之間的電壓。

圖3 TN系統(tǒng)中線路故障電壓傳導(dǎo)引起電擊事故

2.3.1 高低壓側(cè)接地共用時(shí)

如圖4所示，10 kV側(cè)發(fā)生接地故障，高壓側(cè)裝置外殼電壓升高，由于高壓側(cè)接地電阻R與低壓側(cè)接地電阻RB相連，變電所內(nèi)低壓側(cè)中性點(diǎn)及PEN線、PE線對(duì)地電位同時(shí)升高，不存在電位差，因此工頻應(yīng)力電壓1和2都維持在U0，低壓電氣裝置外殼工頻故障電壓U=R×I，由于I可達(dá)千安，因此U也可能達(dá)數(shù)千伏。

圖4 高低壓采用共用接地條件下TN系統(tǒng)的電擊危險(xiǎn)

當(dāng)?shù)蛪弘姎庋b置位于建筑物內(nèi)，因有等電位聯(lián)結(jié)，不論工頻故障電壓U值有多高，建筑物內(nèi)人體可同時(shí)觸及的導(dǎo)電部分都處于同一U電位水平上，電位差為零，自然也不至于引起人身電擊事故，設(shè)備和線路絕緣也不會(huì)因過電壓沖擊而造成損壞。

但如果給室外無等電位聯(lián)結(jié)的設(shè)施供電，由于人體站立的戶外地面為0電位，當(dāng)接觸到這高達(dá)數(shù)千伏的接觸電壓時(shí)，在干船塢這種潮濕場(chǎng)所，人身電擊致死的危險(xiǎn)性極大。問題還在于一旦發(fā)生電擊事故，事故的原因還很難查清。因變電所10 kV側(cè)接地故障電流很大，事故發(fā)生后10 kV故障回路的繼電保護(hù)迅速動(dòng)作切斷電源，電擊部位也不再呈現(xiàn)U電壓，這樣就無法查清溯源總結(jié)教訓(xùn)了。

2.3.2 高低壓側(cè)接地分隔時(shí)

如圖5所示，10 kV側(cè)發(fā)生接地故障，高壓側(cè)裝置外殼電壓升高，由于高壓側(cè)接地電阻R與低壓側(cè)接地電阻R分設(shè)，變電所內(nèi)低壓側(cè)中性點(diǎn)及PEN線、PE線對(duì)地電位并不升高，因此工頻應(yīng)力電壓1=R×I+0、2=0，低壓電氣裝置外殼工頻故障電壓U=0。這種情況下，變電所高壓側(cè)故障產(chǎn)生的工頻故障過電壓U不會(huì)傳導(dǎo)到低壓電器裝置的外露導(dǎo)電部分上而引起電擊事故，但卻存在電氣裝置內(nèi)電氣設(shè)備和線路的對(duì)地絕緣被應(yīng)力電壓1擊穿的危險(xiǎn)，從而引起設(shè)備損壞和電氣短路火災(zāi)，特別是電弧性接地故障火災(zāi)。

圖5高低壓分別采用接地條件下TN系統(tǒng)的電擊危險(xiǎn)

為避免以上事故，如切斷電源時(shí)間能控制在5s內(nèi)時(shí)，就應(yīng)控制I和R乘積不大于1200 V。一般說來，如利用變電所所在建筑物內(nèi)的總等電位聯(lián)結(jié)的基礎(chǔ)鋼筋、金屬管道、電纜金屬護(hù)套等自然接地體作接地極，R不難達(dá)到1 Ω甚至0.5 Ω。IEC標(biāo)準(zhǔn)曾規(guī)定，如R為1 Ω或變電所接埋地的高低壓電纜總長度超過1 km，利用其金屬護(hù)套作接地極，I和R乘積不大于1200 V就可滿足。因此，這種情況下，只需對(duì)系統(tǒng)設(shè)備及線路的絕緣進(jìn)行持續(xù)的關(guān)注即可。

需要注意的是高低壓側(cè)兩個(gè)獨(dú)立的接地極的設(shè)置方法，此時(shí)應(yīng)從變壓器中性點(diǎn)套管引出的PEN線包以絕緣，從低壓配電柜內(nèi)與框架絕緣的PEN線母排引出一單芯絕緣電纜作為接地線在戶外距變電所設(shè)備外殼的保護(hù)接地R至少20 m處另打變電所低壓側(cè)系統(tǒng)接地極R，以實(shí)現(xiàn)變電所電氣上互不影響的兩個(gè)獨(dú)立的接地[3]。

2.4 小結(jié)

從以上分析可以看出，干船塢由于無法實(shí)現(xiàn)等電位聯(lián)結(jié)，設(shè)計(jì)中采用TN系統(tǒng)，高低壓側(cè)如接地共用時(shí)，高壓側(cè)發(fā)生接地故障引起的工頻故障電壓易帶來嚴(yán)重的過電壓危害。高低壓側(cè)如接地分隔時(shí)，雖不至給低壓側(cè)帶來過電壓等傷害，但對(duì)于低壓側(cè)而言，始終存在故障電壓串?dāng)_至非故障回路引起的電擊隱患。

因此《干船塢設(shè)計(jì)規(guī)范》第10.6.1條低壓接地系統(tǒng)宜采用TN-C-S制，和第10.5.3條要求船塢上沿照明燈具加PE線都是欠妥當(dāng)?shù)摹Ｍ瑫r(shí)，該設(shè)計(jì)規(guī)范第10.6.3條還規(guī)定高桿燈應(yīng)單獨(dú)設(shè)接地裝置，這就推薦同屬低壓配電的高桿燈采用TT接地形式，這又與該規(guī)范要求采用TN系統(tǒng)也是相矛盾的。

3 開關(guān)極數(shù)的設(shè)置問題

在TN-C-S系統(tǒng)中，故障情況下戶外傳導(dǎo)電壓進(jìn)入建筑物后，由于等電位聯(lián)結(jié)的作用，建筑物內(nèi)實(shí)施了總等電位聯(lián)結(jié)使金屬結(jié)構(gòu)、管道等與PE線互相連通，N線又與PE線連接，因此都處于同一Uf電壓水平上，維修人員觸及中性線時(shí)不存在電位差，不可能發(fā)生電擊事故。因此在具備總等電位聯(lián)結(jié)作用下的TN-C-S或者TN-S系統(tǒng)內(nèi)采用三極開關(guān)就可以了。但對(duì)于如干船塢這種戶外未實(shí)施等電位的情況下發(fā)生故障，如圖6所示。因系統(tǒng)中性點(diǎn)升高I×R，理由同PE線，N線也將傳導(dǎo)U高電位，而此時(shí)操作人員處于0電位，這種傳導(dǎo)電壓將對(duì)人造成傷害。所以在無總等電位聯(lián)結(jié)場(chǎng)所為保護(hù)維修人員的人身安全是需要裝設(shè)四極開關(guān)的，因此，《干船塢設(shè)計(jì)規(guī)范》中第10.4.1條強(qiáng)調(diào)采用三極開關(guān)也是不合適的。

圖6戶外無總等電位聯(lián)結(jié)場(chǎng)所應(yīng)采用四極開關(guān)

4 系統(tǒng)兼容性的問題

為滿足其自身高安全、連續(xù)、可靠供電的特點(diǎn)，船舶及浮塢門內(nèi)供電采用三相三線不接地型式，設(shè)備設(shè)置絕緣監(jiān)視裝置，自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)絕緣水平險(xiǎn)情并及時(shí)發(fā)出報(bào)警信號(hào)。船舶及浮塢門取外殼的電位為參考電位，外殼與海水接觸再和大地相連，這樣既實(shí)現(xiàn)了船體的等電位聯(lián)結(jié)也實(shí)現(xiàn)了保護(hù)接地。因此，為保證電氣系統(tǒng)安全，對(duì)船舶及浮塢門岸基必須采取IT系統(tǒng)供電。同時(shí)由于船舶負(fù)荷變化懸殊，岸電需要采取有載調(diào)壓變壓器供電[1～2]。而考慮供電安全性和可靠性，IT系統(tǒng)在無法監(jiān)測(cè)中性導(dǎo)體接地故障的條件下一般不配出中性線，但許多電焊機(jī)取電卻需要使用中性導(dǎo)體，因此第10.4.4條規(guī)定電焊機(jī)電源自船用電接電箱引接是不合理的。

5 結(jié)語

干船塢由于其工藝特點(diǎn)，負(fù)荷種類復(fù)雜，用電安全性和可靠性高，屬于難以實(shí)施等電位聯(lián)結(jié)的室外場(chǎng)所。采用TN系統(tǒng)供電時(shí)，高低壓側(cè)絕緣破損、單相短路等故障容易引入工頻過電壓，導(dǎo)致設(shè)備線路絕緣擊穿、人身電擊傷害等事故。為保證用電安全和供電可靠，對(duì)于船塢規(guī)范建議修改如下：

1) 第10.4.1條，“電源接電箱的電源為380 V/220 V時(shí)，開關(guān)應(yīng)采用三極開關(guān)”予以刪除；

2) 第10.4.4條，“電焊機(jī)電源接電箱當(dāng)容量滿足時(shí)，宜兼作50 Hz船用電接電箱用”應(yīng)調(diào)整為“電焊機(jī)電源接電箱不應(yīng)與船用電接電箱共用”；

3) 第10.5.3條中刪除“且應(yīng)加PE線” ；

4) 第10.6.1條，“低壓接地系統(tǒng)宜采用TN-C-S制”調(diào)整為“低壓接地系統(tǒng)的選擇應(yīng)考慮工頻故障電壓的防護(hù)”。

世界上沒有十全十美的電氣系統(tǒng),在設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)結(jié)合工程工藝特點(diǎn)、地理環(huán)境、使用方式、負(fù)荷類別進(jìn)行認(rèn)真分析，確定技術(shù)經(jīng)濟(jì)比高的電氣設(shè)計(jì)方案。

[1] 楊金成, 徐正喜. 艦船交流岸電電源剖析[J]. 中國造船, 2005 (3): 50-55.

[2] 鄭永高. 港口碼頭岸電系統(tǒng)設(shè)計(jì)探討[J]. 建筑電氣, 2021.

[3] 王厚余. 低壓電氣裝置的.設(shè)計(jì)安裝和檢驗(yàn).北京：中國電力出版社, 2020.

Discussion on Electrical Clauses in

Ding Jianxing, Feng Wei

(PLA Unit of 92942, Beijing 100161, China )

U673

A

1003-4862（2021）11-0053-04

2021-08-19

丁建興（1975-），男，高級(jí)工程師。研究方向：電氣工程。Email：dingjianxing@sina.com