民用機場遠機位機坪照明與供電接地系統(tǒng)設(shè)計探討

張 晨 曦

(民航機場規(guī)劃設(shè)計研究總院有限公司, 北京 100101)

0 引 言

民用機場機坪用電設(shè)備包括高桿燈、機位號碼牌、400 Hz靜變裝置、飛機空調(diào)預(yù)制冷、高級目視?？恳龑?dǎo)系統(tǒng)等。近機位機坪用電設(shè)備有航站樓提供低壓電源,遠機位用電設(shè)備多由機坪箱式變電站提供低壓電源。機坪用電設(shè)備及供電設(shè)施的接地系統(tǒng)設(shè)計是民用機場安全生產(chǎn)工作的重要環(huán)節(jié)。機坪設(shè)備大部分為室外設(shè)備且分布廣泛、設(shè)備間距大,接地系統(tǒng)設(shè)計與建筑物接地系統(tǒng)多有不同[1-2]。本文針對民用機場機坪照明及供電設(shè)施的接地系統(tǒng),如箱式變電站接地網(wǎng)、低壓接地形式、等電位聯(lián)結(jié)等設(shè)計方案進行探討。

1 遠機位機坪設(shè)備接地系統(tǒng)設(shè)計

1.1 遠機位供電系統(tǒng)

飛行區(qū)遠機位距離航站樓或機場變電站較遠,超過低壓供電范圍,因此在遠機位區(qū)域設(shè)置箱式變電站,為機坪照明及機務(wù)用電設(shè)備提供電源。根據(jù)民用機場設(shè)備負(fù)荷等級:高桿燈、機位用電為二級負(fù)荷及以上,箱式變電站安裝2臺變壓器,當(dāng)任意一臺變壓器斷開時,其余變壓器的容量應(yīng)能滿足全部一級負(fù)荷及二級負(fù)荷的用電。

交流電氣裝置或設(shè)備的接地包括配電變壓器中性點接地和電氣裝置或設(shè)備的保護接地。保護接地包括電氣設(shè)備的保護接地、防雷接地、防靜電接地與屏蔽接地等。變電站保護接地應(yīng)與下列物體連接:接地極,變壓器底座和外殼,高壓設(shè)備和低壓設(shè)備的外露可導(dǎo)電部分,高壓電纜的金屬護套,低壓電纜的金屬護套(中性導(dǎo)體已通過獨立接地極接地的除外),電纜溝及地上各種電纜金屬支架等[3-5]。

箱式變電站接地系統(tǒng)設(shè)計從兩個方面考慮,一是變電站高壓側(cè)接地故障在低壓系統(tǒng)引起的暫時過電壓的防護,二是間接接觸防護的自動切斷電源防護。

1.2 變電站高壓側(cè)接地故障在低壓系統(tǒng)引起的暫時過電壓的防護(箱式變電站保護接地與低壓系統(tǒng)接地的關(guān)系)

低壓裝置供電的變電站內(nèi),當(dāng)高壓側(cè)系統(tǒng)發(fā)生接地故障時,流經(jīng)變電站外露可導(dǎo)電部分的接地極的故障電流可導(dǎo)致變電站外露可導(dǎo)電部分的對地電位顯著升高,升高值與故障電流的大小及變電站保護接地電阻有關(guān),與故障電流的持續(xù)時間與高壓側(cè)系統(tǒng)接地形式有關(guān)。

變電所和低壓裝置故障時過電壓示意圖如圖1所示。

圖1 變電所和低壓裝置故障時過電壓示意圖

當(dāng)變電站高壓側(cè)發(fā)生接地故障時,低壓系統(tǒng)內(nèi)的工頻應(yīng)力電壓和工頻故障電壓如表1所示。

表1 當(dāng)變電站高壓側(cè)發(fā)生接地故障時低壓系統(tǒng)內(nèi)的工頻應(yīng)力電壓和工頻故障電壓

高壓側(cè)系統(tǒng)為中性點直接接地或經(jīng)低電阻接地時,接地故障電流IE通常較大,10 kV側(cè)一般為100～1 000 A。高壓側(cè)為中性點不接地、經(jīng)消弧線圈接地或高電阻接地時,接地故障電流IE通常較小,10 kV側(cè)一般為10～30 A。

1.2.1 工頻故障電壓

當(dāng)變電站保護接地電阻RE與變壓器中性點接地電阻RB分隔時(電氣上相互獨立),Uf=0,高壓側(cè)故障不會引起低壓側(cè)的工頻故障電壓。

當(dāng)變電站保護接地電阻RE與變壓器中性點接地電阻RB連接時,即保護接地與變壓器中性點接地共用接地電阻,如果低壓側(cè)為TN系統(tǒng)時,Uf=REIE。Uf需在達到允許值之前被切斷的需求。根據(jù)GB/T 16895.10—2010中圖44.A2,由于高壓系統(tǒng)接地故障引起的低壓側(cè)Uf不要超過故障持續(xù)時間所對應(yīng)的電壓。如高壓側(cè)300 ms時切斷故障電流,查圖44.A2可知,允許的工頻故障電壓Uf=550 V。

以某樞紐機場為例,110 kV中心站小電阻接地,接地電阻10 Ω,箱式變電站保護接地與變壓器中性點共用接地極,接地電阻1 Ω,忽略變壓器阻抗和線路阻抗,單相接地故障電流I=520 A,箱式變電站上級開閉站零序速斷保護400 mA,持續(xù)時間0.4 s時故障電壓為310 V,RE≤Uf/IE=0.6 Ω,接地電阻1 Ω不滿足要求。

當(dāng)變電站保護接地電阻RE與變壓器中性點接地電阻RB連接時,即保護接地與變壓器中性點接地共用接地電阻,如果低壓側(cè)為TT系統(tǒng),Uf=0。

1.2.2 工頻應(yīng)力電壓

當(dāng)高壓系統(tǒng)接地故障持續(xù)時間≤5 s時,U0+REIE≤U0+1 200 V,即,REIE≤1 200 V,RE≤1 200/IE。當(dāng)高壓側(cè)系統(tǒng)為中性點直接接地或經(jīng)低電阻接地時,IE為100～1 000 A,RE不大于1.2～12 Ω。

高壓側(cè)為中性點不接地、經(jīng)消弧線圈接地或高電阻接地時,IE為10～30 A,RE不大于40～120 Ω。允許的工頻應(yīng)力電壓如表2所示。

表2 允許的工頻應(yīng)力電壓

1.2.3 小 結(jié)

不同低壓系統(tǒng)接地型式下高壓側(cè)接地故障在低壓系統(tǒng)引起的暫時過電壓邏輯圖如圖2所示。

圖2 不同低壓系統(tǒng)接地型式下高壓側(cè)接地故障在低壓系統(tǒng)引起的暫時過電壓邏輯圖

機坪箱式變電站是既有高壓側(cè)保護接地,又有變壓器中性點接地的獨立變電站。

(1) 如果高壓側(cè)中性點不接地、經(jīng)消弧線圈接地或高電阻接地,接地故障電電流通常較小,無論保護接地與變壓器中性點電氣連接還是分隔,引起低壓側(cè)的工頻故障電壓及工頻應(yīng)力電壓通常滿足要求。

(2) 如果高壓側(cè)中性點直接接地或經(jīng)低電阻接地,當(dāng)保護接地與變壓器中性點電氣分隔時,高壓側(cè)故障電壓不會引起低壓側(cè)工頻故障電壓,接地電阻應(yīng)使工頻應(yīng)力電壓滿足表1中要求。根據(jù)GB 51348—2019《民用建設(shè)電氣設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》,當(dāng)各系統(tǒng)不能確定接地電阻時,推薦接地電阻取1 Ω,此時工頻應(yīng)力電壓滿足防護要求。

如果高壓側(cè)中性點直接接地或經(jīng)低電阻接地,當(dāng)保護接地與變壓器中性點共用接地裝置時,如低壓采用TT系統(tǒng),接觸電壓為0,應(yīng)使REIE≤1 200 V;如低壓采用TN系統(tǒng),接觸電壓與故障持續(xù)時間應(yīng)滿足曲線或做等電位聯(lián)結(jié)。

1.3 低壓系統(tǒng)接地形式

從間接接觸防護的自動切斷電源防護角度考慮低壓系統(tǒng)接地形式。

1.3.1 低壓采用TN系統(tǒng)

TN系統(tǒng)中電氣裝置的所有外漏可導(dǎo)電部分,應(yīng)通過保護導(dǎo)體與電源系統(tǒng)的接地點連接。規(guī)范要求相導(dǎo)體對地標(biāo)稱電壓為220 V的系統(tǒng)切斷故障回路的時間固定設(shè)備不應(yīng)大于0.4 s。民用機場機坪設(shè)備遠機位設(shè)備均為戶外設(shè)備,分布廣泛、設(shè)備間距大,低壓供電半徑可遠至300 m以上,電源系統(tǒng)與設(shè)備間做總等電位聯(lián)結(jié)難度大。如使用TN系統(tǒng),PE線可傳導(dǎo)故障電壓。

(1) 當(dāng)TN系統(tǒng)相導(dǎo)體與無等電位聯(lián)結(jié)作用的地之間發(fā)生接地故障時,為使保護導(dǎo)體和與之連接的外露可導(dǎo)電部分的對地電壓不超過50 V,其接地電阻的比值RB/RE≤50/(220-50),即RB≤0.29RE,可避免因PE線傳導(dǎo)故障電壓,RB為所有與系統(tǒng)接地極并聯(lián)的接地電阻,RE為相導(dǎo)體與大地之間的接地電阻。RE為隨機值,難以對RB規(guī)定一個安全限值,但RB盡量減小,可以通過降低變壓器中性點接地電阻,也可以通過設(shè)備處重復(fù)接地來降低RB。

(2) 當(dāng)TN系統(tǒng)某處設(shè)備發(fā)生單相碰殼故障,故障電流通過PE線形成回路,故障電流應(yīng)滿足:ZSIa≤220 V,其中Ia為保護電器動作電流,Zs為接地故障回路阻抗。

發(fā)生接地故障后預(yù)期接觸電壓在無等電位且設(shè)備處無接地極情況下Ut=110 V。查標(biāo)準(zhǔn)IEC 60479中圖1-2曲線L1(干燥條件下),允許最長切斷時間為0.35 s。

當(dāng)設(shè)備處重復(fù)接地,如某高桿燈及配電亭處接地電阻4 Ω,箱式變電站處工作接地1 Ω,無等電位,Ut=88 V。查IEC 60479中圖1-2曲線L1(干燥條件下),允許最長切斷時間為0.45 s,規(guī)范要求0.4 s滿足要求。

因此,低壓采用TN需滿足PE線傳導(dǎo)的故障電壓不超過50 V。

(1) 可采用用電設(shè)備周圍局部范圍內(nèi)做等電位聯(lián)結(jié)采取地面電位均衡措施作為防間接接觸電擊措施。根據(jù)圖集15D502《防雷與接地》典型室外用電設(shè)備等電位聯(lián)結(jié)示例,典型C類機位機坪供電設(shè)備等電位聯(lián)結(jié)如圖3所示,等電位均衡線與每個機坪設(shè)備不少于2處可靠連接,電位均衡線選擇防腐材質(zhì),接近道面安裝,距道面頂100 mm左右:電位均衡網(wǎng)也可為150 mm×150 mm的鐵絲網(wǎng),相鄰鐵絲網(wǎng)之間相互焊接。如道面內(nèi)有鋼筋網(wǎng),可利用道面內(nèi)鋼筋網(wǎng)。

圖3 典型C類機位機坪供電設(shè)備等電位聯(lián)結(jié)示意圖

(2) 根據(jù)文獻[5],RE為隨機值,難以對RB規(guī)定一個安全限值。一些發(fā)達國家RB≤2 Ω,通常是有效和不難做到的。

1.3.2 低壓采用TT系統(tǒng)

TT系統(tǒng)中,配電線路內(nèi)由同一間接接觸防護電器保護的外露可導(dǎo)電部分應(yīng)用保護導(dǎo)體聯(lián)結(jié)至共用或各自的接地極上。TT系統(tǒng)保護動作電流較小,多采用剩余電流動作保護器(RCD)作為間接接觸防護的保護電器。

機坪400 Hz電源裝置輸入電制為三相三線+PE,設(shè)備輸入濾波板對地有大于100 mA泄漏電流,此外部分品牌設(shè)備所帶負(fù)荷為單向2.5 kW電機和90 kVA三相逆變模塊,為三相不平衡負(fù)荷。某進口品牌400 Hz電源裝置濾波電容會形成剩余電流,輸入電的質(zhì)量會對剩余電流的大小產(chǎn)生一定影響。根據(jù)某機場現(xiàn)場實測,瞬間最大泄漏電流可達1 A。

根據(jù)文獻[2]式(15.3-1),RCD動作電流應(yīng)大于等于泄漏電流的2倍,即RCD的動作電流應(yīng)不小于2 A。由于泄漏電流受輸入電源質(zhì)量等原因影響,建議當(dāng)400 Hz電源戶內(nèi)安裝時,選擇動作電流可調(diào)式RCD,根據(jù)實測泄漏電流值整定400 Hz電源裝置的RCD。

根據(jù)GB 51348—2019《民用建筑電氣設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》第7.5.5條,室外工作場所的用電設(shè)備應(yīng)設(shè)置額定剩余動作電流值不大于30 mA的RCD,對于安裝在遠機位機坪的室外400 Hz電源裝置,如采用2 A的動作電流與GB 51348—2019不符。

接地系統(tǒng)設(shè)計應(yīng)能滿足電力系統(tǒng)的運行要求,并在故障時保障人身和電氣裝置的安全。機坪低壓配電如采用TN系統(tǒng),故障切斷時間應(yīng)不大于0.4 s,為避免PE線傳導(dǎo)因TN系統(tǒng)相導(dǎo)體與無等電位聯(lián)結(jié)作用的地之間發(fā)生接地故障時的故障電壓,建議降低箱式變電站處的接地電阻并在設(shè)備伸臂范圍內(nèi)設(shè)置等電位聯(lián)結(jié)或者降低接地電阻。機坪低壓配電如采用TT系統(tǒng),當(dāng)400 Hz電源戶內(nèi)安裝時,可選擇動作電流可調(diào)式RCD;當(dāng)400 Hz電源戶外安裝時,由于RCD無法整定為30 mA,不適合采用TT系統(tǒng)。某機場室外機坪用電設(shè)備如圖4所示。

圖4 某機場室外機坪用電設(shè)備

2 實際案例設(shè)計

A機場110 kV中心站小電阻接地,接地電阻為10 Ω,低壓供電設(shè)備為高桿燈、400 Hz設(shè)備、空調(diào)預(yù)制冷等,低壓采用TN系統(tǒng),故障切斷時間不大于0.4 s。

(1) 如果箱式變電站保護接地與變壓器中性點共用接地極,接地電阻1 Ω,忽略變壓器阻抗和線路阻抗,單相接地故障電流I=520 A,查圖得持續(xù)時間0.4 s時故障電壓為310 V,RE≤Uf/IE=0.6 Ω。接地電阻1 Ω不滿足要求,為避免高壓側(cè)接地故障在低壓系統(tǒng)引起的暫時過電壓,可將接地電阻設(shè)計為0.6 Ω以下。為避免PE線傳導(dǎo)因TN系統(tǒng)相導(dǎo)體與無等電位聯(lián)結(jié)作用的地之間發(fā)生接地故障時的故障電壓,建議在設(shè)備伸臂范圍內(nèi)設(shè)置等電位聯(lián)結(jié)或降低箱式變電站處的接地電阻。

(2) 如果箱式變電站保護接地與變壓器中性點電氣分隔,可避免高壓側(cè)接地故障在低壓系統(tǒng)引起的暫時過電壓。根據(jù)文獻[4]中保護接地網(wǎng)在站外1.5 m處環(huán)繞敷設(shè),低壓變壓器中性點接地與保護接地網(wǎng)的間距不小于5 m。低壓變壓器中性點接地與保護接地網(wǎng)分開敷設(shè)示意圖如圖5所示。變壓器中性點接地(即工作接地)與箱式變電站其他接地線嚴(yán)格分開,低壓出線PE母排與變壓器中性點連接,與箱式變電站保護接地分開。

圖5 低壓變壓器中性點接地與保護接地網(wǎng)分開敷設(shè)示意圖

低壓側(cè)為TN系統(tǒng),為避免PE線傳導(dǎo)因TN系統(tǒng)相導(dǎo)體與無等電位聯(lián)結(jié)作用的地之間發(fā)生接地故障時的故障電壓,建議在設(shè)備伸臂范圍內(nèi)設(shè)置等電位聯(lián)結(jié)或降低箱式變電站處的接地電阻。

以B機場為例,110 kV中心站消弧線圈接地,IE為10～30 A,低壓供電設(shè)備為高桿燈、400 Hz設(shè)備、空調(diào)預(yù)制冷等,低壓采用TN系統(tǒng),故障切斷時間不大于0.4 s。

箱式變電站保護接地與變壓器中性點共用接地極,接地電阻1 Ω,Uf為10～30 V,工頻應(yīng)力電壓及工頻故障電壓均滿足要求。為避免PE線傳導(dǎo)因TN系統(tǒng)相導(dǎo)體與無等電位聯(lián)結(jié)作用的地之間發(fā)生接地故障時的故障電壓,建議在設(shè)備伸臂范圍內(nèi)設(shè)置等電位聯(lián)結(jié)或降低箱式變電站處的接地電阻。

3 結(jié) 語

探討了民用機場遠機位機坪照明與供電接地系統(tǒng)設(shè)計。保護接地與變壓器中性點電氣分隔僅適用于獨立變電站,且保護接地與變壓器中性點接地網(wǎng)的間距不小于5 m,可根據(jù)工程現(xiàn)場情況及工程代價選擇接地方式。如保護接地與變壓器中性點共地,當(dāng)高壓系統(tǒng)為小電阻接地時,應(yīng)合理計算接地電阻取值以滿足故障電壓和應(yīng)力電壓要求。

若低壓配電采用TN系統(tǒng),故障切斷時間應(yīng)不大于0.4 s,為避免PE線傳導(dǎo)因TN系統(tǒng)相導(dǎo)體與無等電位聯(lián)結(jié)作用的地之間發(fā)生接地故障時的故障電壓,建議在設(shè)備伸臂范圍內(nèi)設(shè)置等電位聯(lián)結(jié)或降低箱式變電站處的接地電阻。如果機坪無400 Hz設(shè)備或者400 Hz設(shè)備為戶內(nèi)安裝時,低壓配電可采用TT系統(tǒng),并設(shè)置動作電流可調(diào)式RCD。