城市軌道交通照明單相接地故障實例分析

嵇旺旺 廖大鵬

（中鐵大橋勘測設計院集團有限公司華東分公司，江蘇 南京 210000）

0 引言

在城市軌道交通快速發展的今天，地鐵作為現代化的交通工具，扮演著不可或缺的角色。電氣照明是地鐵低壓配電設計的重要組成部分，新建地鐵站設計動力與照明時，電氣設計師應首先考慮安全、低碳的設計原則。

地鐵站內電氣照明主要分為公共區照明及設備區照明，其中，公共區作為地鐵站的人員密集場所，其照明設計的安全性尤為重要。GB 50054—2011《低壓配電設計規范》第6.1.1條規定，“配電線路應裝設短路保護和過負荷保護”[1]；GB 55024—2022《建筑電氣與智能化通用規范》第4.5.1條規定，“照明配電終端回路應設短路保護、過負荷保護和接地故障保護”（強制性條文）[2]。相比于GB 50054—2011，GB 55024—2022中針對照明配電終端回路增加了接地故障保護。

地鐵公共區電氣照明設計特點如下：線路較長；電纜截面較小；配電系統采用TN-S接地形式；裝修燈具的電壓等級一般采用單相220 V，若發生故障，即為單相接地故障。本文將通過實例計算分析線路較長的情況下，照明配電回路的保護電器能否滿足接地故障保護的要求。

1 間接接觸防護

地鐵站內裝修燈具的安裝高度一般都超過2.5 m，該高度已經超過人手直接接觸范圍。在其他輔助物（比如金屬梯子、長條形金屬工具等）的幫助下，當燈具外殼帶電時，發生人身電擊的危險就會提高。因此，除了裝修燈具外殼采用絕緣材料作為直接接觸防護，照明配電線路還應采用間接接觸防護。

1.1 保護電器的動作特性

GB 50054—2011《低壓配電設計規范》第5.2.8條規定[1]，TN系統中配電線路的間接接觸防護電器的動作特性，應符合下式的要求：

式中：ZS為接地故障回路的阻抗；Ia為保證間接接觸保護電器在規定時間內切斷故障回路的動作電流；U0為相導體對地標稱電壓。

接地故障回路的阻抗包括變壓器阻抗、自變壓器至接地故障處相導體、保護導體或保護接地中性導體的阻抗、故障點阻抗（TN系統故障電流大，故障點一般被熔焊，可忽略不計）。

GB 50054—2011《低壓配電設計規范》第6.2.4條規定[1]，當短路保護電器為斷路器時，被保護線路末端的短路電流不應小于斷路器瞬時或短延時過電流脫扣器整定電流的1.3倍。由式（1）可得保護電器的動作特性和短路電流之間的關系為：

式中：Id為被保護線路末端的短路電流；Iset2為斷路器的短延時過電流脫扣器整定值；Iset3為斷路器的瞬時過電流脫扣器整定值。

1.2 最小接地故障電流及最大允許電纜長度

當配電箱、照明設施、線路確定好之后，根據《工業與民用供配電設計手冊》（第四版）可近似計算出最小接地故障電流[3]：

式中：U0為相導體對地標稱電壓；S為相導體截面積；ρ為20 ℃時的導體電阻率；m為材料相同的每相導體總截面積與PE導體截面積之比；L為電纜長度（本實例中僅考慮照明配電箱至照明燈具的電纜，不考慮變電所至照明配電箱的距離）；k1為電纜電抗校正系數；k2為多根相導體并聯使用的校正系數。

式（3）經過變換后，即可得到最大允許電纜長度：

當采用斷路器作為配電線路的保護電器時，式（4）中最小接地故障電流Ik須大于斷路器的瞬時過電流脫扣器整定值Iset3。考慮斷路器的動作誤差系數krel及動作系數kop后，式（4）可變換為：

確定好斷路器的額定電流In后，根據所選電纜截面積，即可計算出照明回路發生單相接地故障時，如采用斷路器作為間接接觸防護，其最大允許的電纜長度值。

2 實例驗證及分析

本實例以南京地鐵某站臺為參考，具體設計相關數據如下：站廳層照明配電室內照明配電箱至車站有效站臺中心里程處燈具距離約為100 m，敷設的導線為WDZB1-BYJ-3×2.5 mm2。該條照明配電回路中，設計人員采用的保護電器為不帶剩余電流保護的C16A的微斷，瞬時過電流脫扣器整定值Iset3為10倍In。地鐵站變電所內變壓器為SCB13-1000 kVA，Dyn11，10/0.4 kV，Uk=6%。變電所至照明配電室的距離為50 m，照明配電箱進線電纜為WDZB1-YJY-4×25+1×16 mm2。變壓器高壓側系統最大短路容量為100 MVA。

2.1 最大電纜長度驗證

首先驗證照明配電線路的最大允許長度。電源側阻抗系數取0.9，發生單相接地故障時，U0為220 V，銅導體電阻率ρ為0.0184 Ω·mm2/m，斷路器的瞬時過電流脫扣器整定值Iset3取160 A，動作誤差系數krel取1.2，動作系數kop取1.1，電纜電抗校正系數k1取1，并聯導體的校正系數k2取1。將設計數據代入式（5）后，計算可得照明配電線路最大電纜長度L為42.46 m＜100 m。

由以上計算可以看出，當發生單相接地故障時，若斷路器和導線截面積的規格固定，配電線路允許的最大長度遠小于配電線路的實際長度。在這種情況下，根據GB 55024—2022《建筑電氣與智能化通用規范》4.5.1條文說明[2]，應校驗斷路器的接地故障保護的靈敏度。

2.2 接地故障靈敏度校驗

照明配電線路末端單相接地故障電流采用《工業與民用供配電設計手冊》（第四版）中方法[3]計算：

式中：c為電壓系數；Un為標稱線電壓；Zphp為接地故障回路的總相保阻抗；Rphp.s、Xphp.s為高壓側系統相保電阻及相保電抗；Rphp.T、Xphp.T為變壓器相保電阻及相保電抗；Rphp.m、Xphp.m為變壓器低壓側母排相保電阻及相保電抗（一般較小，忽略不計）；Rphp.L、Xphp.L為低壓配電線路相保電阻及相保電抗。

照明配電線路發生單相接地故障時，故障回路所涉及的系統、變壓器、母線、低壓線路的相保電阻及相保電抗示意如圖1所示。

圖1 照明配電線路相關的相保電阻和相保電抗

本實例中，電壓系數c取1，Un取380 V，Rphp.s取0.11 mΩ，Xphp.s取1.06 mΩ，Rphp.T取1.4 mΩ，Xphp.T取9.1 mΩ，變壓器至照明配電箱Rphp.L1取2.699×50=134.95 mΩ，Xphp.L1取0.201×50=10.05 mΩ，照明配電箱至照明燈具Rphp.L2取20.64×100=2064 mΩ，Xphp.L2取0.2×100=20 mΩ。將數據代入式（6）后，計算可得Zphp為2.2 Ω，Id為99.72 A。

由以上計算可以看出，當照明配電線路采用C16A的微斷時，Id＜1.3Iset3=208 A，由式（2）可知，當發生單相接地故障時，若斷路器和導線截面積的規格固定，斷路器的靈敏度達不到要求，不能夠起到保護作用。

2.3 改進措施

地鐵站臺內裝修燈具、照明配電箱、電纜橋架位置確定后，電纜長度已基本確定，很難再做更改。由式（3）可以看出，若要提高最小接地故障電流，可以做的調整為增加相導體截面積S、減小斷路器的瞬時過電流脫扣器整定值Iset3。

除此之外，GB 50054—2011《低壓配電設計規范》第5.2.13條規定[1]，“TN系統中，配電線路采用過電流保護電器兼作間接接觸防護電器時，其動作特性應符合本規范第5.2.8條的規定；當不符合規定時，應采用剩余電流動作保護電器”。

下面分別驗證這三種情況的改進措施是否可行。

2.3.1 增加相導體截面積S

由式（5）可變換出相導體截面積S的公式為：

根據前述計算條件，當導線長度為100 m時，最小電纜截面積為5.9 mm2。由常用線纜規格可知，采用的最小截面積導線應為WDZB1-BYJ-3×6 mm2。因地鐵照明設計中，照明回路較多，增大銅導體截面積會大幅度提高工程的經濟預算，故此方法理論可行，但實施可能性不大。

2.3.2 減小斷路器瞬時過電流脫扣器整定值Iset3

由式（5）可變換出斷路器瞬時過電流脫扣器整定值Iset3的公式為：

根據前述計算條件，當導線截面積為2.5 mm2時，最大斷路器瞬時過電流脫扣器整定值Iset3為67.9 A。當采用C型脫扣曲線的斷路器，脫扣倍數為10In時，斷路器的額定電流可選用1、2、3、4、6 A；當采用B型脫扣曲線的斷路器，脫扣倍數為5In時，斷路器的額定電流可選用1、2、3、4、6、10、13 A。此方法可實施，但選用斷路器的額定電流In時，還應考慮照明配電電路的計算電流Ic和導線的載流量Iz，須保證Iz≥In≥Ic。

2.3.3 采用剩余電流動作保護電器

GB 55024—2022《建筑電氣與智能化通用規范》第4.6.5條規定[2]：當采用剩余電流動作保護電器作為電擊防護附加防護措施時，額定剩余電流動作值不應大于30 mA。

根據前述計算條件，由2.2計算可知，發生單相接地故障時，故障回路的阻抗Zphp保持不變，仍為2.2 Ω，剩余電流動作保護電器的動作電流Ia取值為30 mA，接觸電壓Uf取值為不大于50 V。計算可得Zs×Ia=2.2×0.03=0.066 V，由式（1）可知0.066 V＜50 V，當采用帶剩余電流動作保護的斷路器時，完全能夠滿足間接接觸防護的要求。

3 城市軌道交通照明配電探討

從上述實例驗證及分析可以看出，當配電線路較長，接地故障電流較小，間接接觸防護電器難以滿足接地故障保護靈敏度的要求時，可以采用兩種思路解決：一是提高最小接地故障電流，二是采用帶接地故障保護的電器。

提高最小接地故障電流的方法中加大相導體及保護接地導體的截面積，或將保護接地導體的截面調整為與相導體截面一致[4]，對于截面積較小的電纜和穿管絕緣線，該措施可行，但會增加電纜投資。另一種是減小斷路器瞬時過電流脫扣器整定值，在滿足計算電流和導線載流量的情況下，可以采用B型脫扣曲線的斷路器或減小斷路器額定電流值。

接地故障保護并不一定要采用帶剩余電流動作保護的電器，斷路器在其接地故障允許保護線路最大長度內是可以兼任短路保護、過負荷保護和接地故障保護功能的。但如果斷路器保護線路長度大于其接地故障允許的最大長度，則應校驗斷路器接地故障保護的靈敏度，靈敏度不夠時，可采用剩余電流動作保護電器作接地故障保護[2]。照明配電線路的剩余電流值建議選擇30 mA[5]。

4 結束語

地鐵裝修照明配電設計的時間節點一般會早于裝修單位照明燈具深化設計，設計人員在前期考慮大功率燈具的情況下，會提高斷路器的額定電流值。因此在裝修單位提供照明深化圖之后，設計人員應根據燈具至照明配電箱的線路長度，驗證保護電器單相接地故障的靈敏度，以決定是否采用剩余電流動作保護。

照明電氣設計的安全性是新規范GB 55024—2022《建筑電氣與智能化通用規范》實施以來的首要考慮因素[2]，設計人員應本著嚴謹的設計態度，嚴格執行規范，以確保人員的生命、財產安全。