公路隧道機(jī)電接地故障及靈敏度分析

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

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。