地鐵低壓配電設(shè)計問題研究

劉 藝

(中鐵第六勘察設(shè)計院集團有限公司， 天津 300308)

0 引言

目前，我國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)計中，低壓配電設(shè)計的質(zhì)量關(guān)系到機電設(shè)備能否安全、可靠地運行。

我國的電氣規(guī)范比較多，既有國家標準，又有行業(yè)標準、地方標準，并且規(guī)范標準之間存在不一致的情況比較常見。地鐵電氣設(shè)計人員在工作中對規(guī)范條文的理解及執(zhí)行情況有較大差別，導致國內(nèi)地鐵低壓配電設(shè)計方案不統(tǒng)一，不同地區(qū)的項目或不同設(shè)計院的人員在設(shè)計細節(jié)方面差別比較大。許多設(shè)計人員進行等電位聯(lián)結(jié)設(shè)計時，沒有把握住其設(shè)計要點“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)計關(guān)鍵點；進行安全特低電壓(SELV)照明配電設(shè)計時，沒有考慮地鐵工程中管線數(shù)量多、安裝空間非常有限的特點，不合理地選用可導電的金屬型線路保護管；進行電涌保護設(shè)計時，沒有掌握電涌保護的基礎(chǔ)理論知識，電涌保護器(SPD)的試驗類別及脫離器的選擇不合理；配電箱的進線開關(guān)習慣性地選用斷路器，不重視隔離開關(guān)的應(yīng)用，增加了投資，劣化了配電系統(tǒng)的保護性能，并降低了隔離功能；在進行長大地鐵區(qū)間配電設(shè)計時，經(jīng)常存在保護電器的設(shè)置問題，配電回路的接地故障保護靈敏度不滿足規(guī)范要求，存在電氣安全問題。筆者結(jié)合自己多年的工作經(jīng)驗，依據(jù)中國、歐洲的電氣標準，針對這些典型問題案例進行研究，提出相應(yīng)的解決方案，以期為同行提供參考，進一步提高地鐵工程設(shè)計中的低壓配電設(shè)計技術(shù)水平。

1 地鐵車站等電位聯(lián)結(jié)設(shè)計問題

地鐵工程中，等電位聯(lián)結(jié)設(shè)計方面目前主要存在以下2個問題。

1.1 不同區(qū)域內(nèi)的LEB互聯(lián)

在地鐵機電接地設(shè)計圖中，經(jīng)常人為地將各個設(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題，即當其中一個房間內(nèi)的配電線路發(fā)生接地故障，出現(xiàn)對地故障電壓時，該故障電壓可以沿LEB之間的互聯(lián)線路傳遞至其他房間內(nèi)。例如： 圖1中配電室內(nèi)的某個配電線路發(fā)生接地故障時，配電室LEB的對地電位Uf很可能大于AC50 V(圖1中的LEB未連接結(jié)構(gòu)鋼筋)，水泵房LEB、風機房LEB、洗手間LEB等的對地電位也為Uf，并且此故障電壓會沿風管、水管等的外露可導電部分傳遞至公共區(qū)內(nèi)。在水泵房、風機房、洗手間等房間內(nèi)，即使沒有發(fā)生配電線路接地故障，人一旦接觸這些區(qū)域內(nèi)的外露可導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]。對于地鐵工程，水泵房、風機房、配電室等設(shè)備房間內(nèi)應(yīng)分別設(shè)置相對獨立的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題。

圖2 LEB獨立設(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)的另一個常見問題是LEB連接至接地母排，沒有就地連接結(jié)構(gòu)鋼筋，如圖1所示。設(shè)計人員經(jīng)常誤認為與接地網(wǎng)連接，就能實現(xiàn)LEB的對地電位保持為零電位。但發(fā)生接地故障時，LEB的對地電位并不是零電位，往往是超過50 V的危險電位。因此，LEB連接至接地母排PSCE的電纜實際作用很小。

某個回路(該回路的PE線與LEB聯(lián)結(jié))發(fā)生單相接地故障時，距離LEB與結(jié)構(gòu)鋼筋連接點的位置越遠，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，才能可靠地實現(xiàn)電擊防護的作用。

O為LEB與結(jié)構(gòu)鋼筋連接點；l為人站立處與O點之間的水平距離，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)照明線路保護管選用問題

地鐵工程中站臺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。在一些地鐵車站照明施工圖設(shè)計中，存在SELV回路線路保護管選用金屬管的不合理做法，如圖4所示(圖4中SELV回路線路穿鍍鋅鋼管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 電擊防護》[4]中的414.4.4條款，SELV回路內(nèi)的外露可導電部分不得與地、保護導體以及其他回路的外露可導電部分作電氣連接。地鐵車站管線種類及數(shù)量很多，并且管線安裝空間非常有限，很難避免SELV回路線路保護管與地或其他管線接觸。因此，圖4中的穿鋼管敷設(shè)方式存在電氣安全問題。

在地鐵工程中，SELV回路線路應(yīng)穿絕緣管(如阻燃型PE管等)敷設(shè)，以避免此類問題，可靠地實現(xiàn)SELV保護的作用。

3 配電箱進線開關(guān)電器的選型問題

在城市軌道交通設(shè)計行業(yè)，“抄圖”現(xiàn)象普遍存在，設(shè)計人員在“具體問題具體分析”方面做得還不夠好，在配電箱進線開關(guān)電器選型方面存在以下常見問題。

3.1 不重視隔離開關(guān)的應(yīng)用

對末端配電箱的進線開關(guān)電器選型時，設(shè)計人員習慣性地選用斷路器，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中的進線開關(guān)電器選用斷路器，人為地增加了保護層級，并導致配電電纜截面積較大；另外，低壓開關(guān)柜中的斷路器保護靈敏度較低(見表1)。

當進線開關(guān)電器選用隔離開關(guān)[5]時(見圖6)，可以減少保護層級，從而降低投資；同時，可以提高上級斷路器的保護靈敏度(見表1)。因此，末端配電箱的進線開關(guān)電器選用隔離開關(guān)是非常合理的。

表1 斷路器方案與隔離開關(guān)方案對比

注： 三相短路點和接地故障點均按在配電箱進線處考慮。

圖6 配電箱(選用隔離開關(guān))

3.2 斷路器的極數(shù)選擇問題

在地鐵車站低壓配電設(shè)計中，設(shè)計人員經(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： 車站內(nèi)雙電源切換箱的進線斷路器選用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，卻選用3P型斷路器。例如： 區(qū)間或地面配電箱的進線斷路器選用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，會增加斷零風險[7]或存在電氣安全問題。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)境場所密切相關(guān)，需要具體問題具體分析，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TN-S系統(tǒng)；地鐵車站內(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35 kV系統(tǒng)發(fā)生接地故障時，0.4 kV系統(tǒng)中的N導體對地電位為Uf；由于地鐵車站內(nèi)設(shè)置了總等電位聯(lián)結(jié)，地鐵車站結(jié)構(gòu)鋼筋網(wǎng)的對地電位也為Uf，N導體與結(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，N導體與結(jié)構(gòu)鋼筋網(wǎng)之間的電位差幾乎為0；當發(fā)生直接雷擊時，N導體與結(jié)構(gòu)鋼筋網(wǎng)之間的電位差為0。另外，當相導體被斷開時，N導體中也就不存在負荷電流了。

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

4 電涌保護器(SPD)的應(yīng)用問題

低壓配電設(shè)計圖中，設(shè)計人員對低壓SPD的應(yīng)用方面存在以下2個問題，嚴重降低了SPD的保護效果。

4.1 SPD的試驗類別選擇問題

在配電箱設(shè)計圖中，經(jīng)常存在SPD的試驗類別或試驗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試驗類別。依據(jù)國家標準[9]，選擇SPD 時，對電阻性耦合(即接地電阻上的反擊)雷電流波形應(yīng)按10/350 μs 波形考驗，對電感性耦合(如近處落雷引起的電磁感應(yīng))應(yīng)按8/20 μs 波形考驗。波形為10/350 μs 的脈沖電流一般用在SPD的Ⅰ級分類試驗(脈沖電流)，波形為8/20 μs 的脈沖電流一般用在SPD 的Ⅰ、Ⅱ級分類試驗(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需要選用的試驗波形為10/350 μs，即T1級試驗類別。

4.2 SPD脫離器選用問題

地鐵低壓配電設(shè)計圖中，SPD脫離器[11]選用4P型斷路器，用于SPD的失效保護，如圖10所示。此設(shè)計存在以下弊端： 當斷路器被錯誤地斷開時，配電系統(tǒng)就失去SPD的電涌保護；斷路器用于短路保護的電磁脫扣器為有若干匝數(shù)的電感線圈，其串聯(lián)在回路中，增大了有效電壓保護值Up/f。

為解決此問題，在低電涌電流沖擊時，SPD脫離器選用熔斷器或?qū)Ｓ肧CB保護；在高電涌電流沖擊時，SPD脫離器選用專用SCB保護。

5 長大區(qū)間配電回路接地故障保護問題

地鐵車站兩端區(qū)間內(nèi)用電設(shè)備的配電電源引自車站35/0.4 kV變電所的0.4 kV開關(guān)柜。區(qū)間配電線路的接地故障保護靈敏度校驗是一項非常必要的工作，但是設(shè)計人員經(jīng)常不重視這一點。對于較長區(qū)間，0.4 kV開關(guān)柜饋電斷路器的脫扣器選用普通熱磁型時，接地故障保護靈敏度很難滿足規(guī)范[12]要求，無法保證保護電器在規(guī)定時間內(nèi)可靠動作，不能確保電氣安全。對于此類情況，饋電斷路器可以選用帶接地故障保護的斷路器[13]，提高接地故障保護靈敏度，滿足規(guī)范要求。2種斷路器方案對比見表2。

表2 2種斷路器方案對比

6 結(jié)論與建議

本文通過對一些地鐵低壓配電設(shè)計典型問題進行研究，得出以下結(jié)論。

1)應(yīng)相對獨立地按區(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)照明線路保護管應(yīng)選用絕緣型。

3)在選用配電箱進線開關(guān)電器時，應(yīng)重視隔離開關(guān)的合理選用；應(yīng)根據(jù)使用場所的具體情況，合理地選擇斷路器的極數(shù)。

4)負責給室外設(shè)施配電的配電箱中，電涌保護器(SPD)應(yīng)選用T1試驗類別；SPD脫離器應(yīng)選用熔斷器或?qū)Ｓ肧CB保護。

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

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。建議在今后地鐵工程設(shè)計中進一步完善低壓配電設(shè)計，合理地選用開關(guān)電器，重點校驗長距離配電回路的接地故障保護靈敏度。