劉勇健 王秀英

（1.四川省公路規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川 成都 610041；2.四川交投設(shè)計(jì)咨詢研究院有限責(zé)任公司，四川 成都 610041）

0 引言

隧道機(jī)電設(shè)施絕大部分是Ⅰ類設(shè)備，當(dāng)其絕緣損壞或失效發(fā)生接地故障時(shí)，不帶電的電氣設(shè)備的外露可導(dǎo)電部分會(huì)對(duì)地有故障電壓，人接觸此故障電壓就可能遭受電擊，發(fā)生心室纖維性顫動(dòng)導(dǎo)致電擊死亡。設(shè)計(jì)中一般采用變電所低壓配電柜上或隧道配電箱的斷路器的過(guò)電流保護(hù)器兼作接地故障防護(hù)，須在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)切斷電源，保護(hù)操作人員的安全，防止配電線路和電氣設(shè)備過(guò)熱而引發(fā)電氣火災(zāi)。

隧道機(jī)電接地系統(tǒng)由隧道洞口變電所的接地系統(tǒng)和隧道內(nèi)接地系統(tǒng)組成。當(dāng)變電所各饋線回路均采用多芯電中的一芯線作為PE導(dǎo)體時(shí)，此時(shí)隧道機(jī)電接地為TN-S系統(tǒng)。當(dāng)變電所各饋線回路從變電所到隧道內(nèi)配電箱用電纜護(hù)套、電纜鎧裝托金屬外護(hù)物或框架作PE導(dǎo)體時(shí)，需要滿足文獻(xiàn)[1]中543.2條相關(guān)要求，首先保證電氣連續(xù)性，其次PE導(dǎo)體最小截面滿足要求。當(dāng)滿足上述要求時(shí)為TN-S系統(tǒng)；當(dāng)不能滿足要求或未采用PE導(dǎo)體時(shí)，此時(shí)變電所接地網(wǎng)與隧道接地網(wǎng)無(wú)電氣聯(lián)系，此時(shí)為TT系統(tǒng)。

隧道機(jī)電負(fù)載特征為回路負(fù)荷容量較小，電纜較長(zhǎng)。本文給出隧道機(jī)電配電系統(tǒng)實(shí)際典型工程案例，效驗(yàn)電纜遠(yuǎn)端發(fā)生接地故障時(shí)過(guò)電流保護(hù)器的靈敏度，當(dāng)不能滿足要求時(shí)，應(yīng)采取何種措施，保證人身安全和防止電氣火災(zāi)的發(fā)生。

1 接地故障等值模型

當(dāng)某回路發(fā)生相線與設(shè)備外露可導(dǎo)電部分或相線與PE線之間發(fā)生短路，TN-S系統(tǒng)、TT系統(tǒng)故障電流的流向分別見圖1、圖2所示。

圖1 TN-S系統(tǒng)接地故障回路示意圖

圖2 TT系統(tǒng)接地故障回路示意圖

由回路中的保護(hù)電器切斷電源提供該回路的防電擊保護(hù)，其動(dòng)作特性應(yīng)滿足式（1）要求。

式中：

Zs——故障回路的阻抗（Ω），包括電源、電源至故障點(diǎn)相導(dǎo)體、故障點(diǎn)至電源PE導(dǎo)體的阻抗；

Ia——保護(hù)電器在規(guī)定時(shí)間內(nèi)切斷電源的動(dòng)作電流，A；

U0——相線對(duì)地標(biāo)稱電壓，V。

TN-S系統(tǒng)中發(fā)生接地故障時(shí)，故障回路阻抗為

式中：

ZT——低電源系統(tǒng)和變壓器阻抗；

Zab——低壓配電柜至隧道洞口相線阻抗；

Zbc——隧道洞口至配電箱相線阻抗；

Zcd——配電箱至設(shè)備相線阻抗；

Zde——設(shè)備至配電箱PE線阻抗；

Zef——配電箱至隧道洞口PE線阻抗；

Zfg——隧道洞口至變電所PE線阻抗；

RA——隧道接地電阻；

RB——變電所接地電阻。

TN-S系統(tǒng)PE線和相線同路徑敷設(shè)，電纜截面較小，可以忽略電抗，只計(jì)入回路中的電阻。

TT系統(tǒng)中發(fā)生接地故障時(shí)，故障回路阻抗為：

TT系統(tǒng)中多回路采用扁鋼作為共用PE導(dǎo)體時(shí)，回路阻抗需要計(jì)算扁鋼的零序電阻和零序電抗，電感計(jì)算式：

式中：

L——回路電感，H；

μ0——空間磁導(dǎo)率，H∕m；

D——扁鋼與回路導(dǎo)體間的距離，m；

l——扁鋼長(zhǎng)度；

R——扁鋼斷面等效半徑。

2 TN-S系統(tǒng)接地故障分析

2.1 TN-S系統(tǒng)典型案例

典型照明和通風(fēng)回路功率、電纜長(zhǎng)度、電纜截面見表1。

表1 典型電纜選擇表

2.2 TN-S系統(tǒng)接地故障電流計(jì)算

本案例故障點(diǎn)遠(yuǎn)離配電變壓器，線路截面較小，電源側(cè)阻抗系數(shù)取0.95，最小故障電流Id近似式為：

電壓取相對(duì)地標(biāo)稱電壓220V。

表2給出典型案例中線路末端發(fā)生接地故障時(shí)的故障電流值。

表2 線路末端接地故障電流 A

2.2 TN-S系統(tǒng)接地故障靈敏度分析

當(dāng)采用斷路器的瞬時(shí)脫扣電流作防護(hù)時(shí)，需要考慮可靠動(dòng)作系數(shù)取1.3。表3給出典型案例中斷路器可靠動(dòng)作電流。

表3 斷路器整定電流和可靠動(dòng)作電流 A

風(fēng)機(jī)回路采用變電所配電柜上斷路器QF1作保護(hù)，37kW風(fēng)機(jī)瞬動(dòng)電流整定為1000A，斷路器作接地故障保護(hù)時(shí)，可靠動(dòng)作電流需要1300A，所有風(fēng)機(jī)回路均不能滿足用斷路器瞬動(dòng)作電纜末端接地故障靈敏度要求。

照明回路采用隧道內(nèi)配電箱微斷QF3作保護(hù)，采用微型斷路器進(jìn)行分析。照明回路1能滿足用斷路器瞬動(dòng)作電纜末端接地故障靈敏度要求。照明回路2不能滿足用斷路器瞬動(dòng)作電纜末端接地故障靈敏度要求。

2.3 TN-S系統(tǒng)共用PE線

隧道照明回路在隧道內(nèi)通常采用橋架和線槽敷設(shè)，并靠近安裝，采用同路徑中最大PE線作為共同保護(hù)接地導(dǎo)體。

為簡(jiǎn)化計(jì)算，根據(jù)文獻(xiàn)[2]中公式（11.2-7），將計(jì)算接地故障電流轉(zhuǎn)化為計(jì)算電纜長(zhǎng)度，表4給出典型案例用斷路器作間接接觸防護(hù)時(shí)銅芯電纜最大允許長(zhǎng)度。

表4 TN-S系統(tǒng)銅芯電纜最大允許長(zhǎng)度 m

從表4可看出，通過(guò)采用增大截面的方法提高接地故障靈敏度，經(jīng)濟(jì)性不佳。

在文獻(xiàn)[3]的5.2.13條規(guī)定，TN系統(tǒng)中，當(dāng)采用配電線路的過(guò)電流保護(hù)器兼作間接接觸防護(hù)，其動(dòng)作特性不滿足靈敏度要求時(shí)，應(yīng)采用剩余電流動(dòng)作保護(hù)。

3 TT系統(tǒng)接地故障分析

圖3中若采用TT系統(tǒng)，發(fā)生接地故障時(shí)，故障電流途徑為低壓柜相線導(dǎo)體至設(shè)備，又從設(shè)備處的共用PE導(dǎo)體回到洞口，經(jīng)洞口重復(fù)接地電阻RA和電源端接地電阻RB回到電源端。通常采用RCD作防護(hù)，滿足下式：

式中：

RC——外露可導(dǎo)電部分接地極和保護(hù)導(dǎo)體的電阻之和，Ω；

IΔn——RCD的額定剩余動(dòng)作電流，A；

若使用多級(jí)RCD作保護(hù)時(shí)，要做好RCD的動(dòng)作電流和動(dòng)作時(shí)間的配合。

4 剩余電流保護(hù)器

當(dāng)RCD整定為300mA時(shí)，RC包括隧道重復(fù)接地電阻和隧道PE線電阻值，很容易滿足式（6）。

RCD有很高的接地故障防護(hù)靈敏度，但其應(yīng)用也有局限性。RCD由于種種原因可能拒動(dòng)，需要實(shí)施局部等電位聯(lián)結(jié)作附加防護(hù)。為避免停電造成大的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡，如隧道內(nèi)應(yīng)急照明、消防風(fēng)機(jī)等負(fù)荷，應(yīng)裝設(shè)報(bào)警式RCD，為了保證人身安全，需要減少接觸電壓，應(yīng)輔以接地和等電位聯(lián)結(jié)，才可以收到更好的防電擊效果。

5 等電位聯(lián)結(jié)

文獻(xiàn)[4]表2c給出了流過(guò)人體交流電流（50∕60HZ）發(fā)生心室纖維顫動(dòng)的長(zhǎng)持續(xù)時(shí)間的交流接觸電壓閾值，考慮到隧道有可能是潮濕環(huán)境，本文中取25V作為安全接觸電壓。

式中：

R——可同時(shí)接觸的外露可導(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路的電阻；

Ia——保證間接接觸保護(hù)電器在規(guī)定時(shí)間內(nèi)切除故障回路的工作電流，取瞬動(dòng)工作電流的1.3倍。

當(dāng)線路末端設(shè)備發(fā)生接地故障時(shí)，故障電流從相線到設(shè)備，再沿PE線回到配電箱。當(dāng)設(shè)備上的接觸電壓大于25V時(shí)，需要將回路的PE線與等電位聯(lián)結(jié)扁鋼作聯(lián)結(jié)，降低接觸電壓。表5給出用斷路器瞬動(dòng)電流作間接接觸防護(hù)PE線的最大允許長(zhǎng)度，表中截面為銅線，若為扁鋼時(shí)，需要將截面換算為銅芯截面。

表5 等電位聯(lián)結(jié)后PE導(dǎo)體最大長(zhǎng)度 m

當(dāng)線路長(zhǎng)度超過(guò)表5中要求時(shí)，需要作重復(fù)接地，降低接觸電壓。

6 結(jié)束語(yǔ)

在TN-S和TT系統(tǒng)中，隧道機(jī)電設(shè)施采用變電所低壓配電柜斷路器或隧道內(nèi)配電箱中的微型斷路器作接地故障保護(hù)時(shí)，需要根據(jù)電纜相線截面和PE導(dǎo)體截面計(jì)算線路末端短路時(shí)的故障電流，當(dāng)斷路器靈敏度不滿足要求時(shí)，可以加大相線和PE導(dǎo)體截面，減少接地故障回路電阻，可以增大接地故障電流。當(dāng)采用加大截面的經(jīng)濟(jì)性較差時(shí)，應(yīng)增加剩余電流保護(hù)RCD。由于種種原因RCD拒動(dòng)，應(yīng)同時(shí)輔以等電位聯(lián)結(jié)減小接觸電壓至安全電壓。PE導(dǎo)體截面選擇兼顧接地故障靈敏度、等電位聯(lián)結(jié)和重復(fù)接地，達(dá)到最佳性價(jià)比。