城市軌道交通照明單相接地故障實例分析

引言

在城市軌道交通快速發(fā)展的今天，地鐵作為現(xiàn)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(shè)計的重要組成部分，新建地鐵站設(shè)計動力與照明時，電氣設(shè)計師應首先考慮安全、低碳的設(shè)計原則。

地鐵站內(nèi)電氣照明主要分為公共區(qū)照明及設(shè)備區(qū)照明，其中，公共區(qū)作為地鐵站的人員密集場所，其照明設(shè)計的安全性尤為重要。GB 50054—2011《低壓配電設(shè)計規(guī)范》第6.1.1條規(guī)定，“配電線路應裝設(shè)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(guī)范》第4.5.1條規(guī)定，“照明配電終端回路應設(shè)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，GB55024—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(qū)電氣照明設(shè)計特點如下：線路較長；電纜截面較?。慌潆娤到y(tǒng)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(fā)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(nèi)裝修燈具的安裝高度一般都超過2.5 m，該高度已經(jīng)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(fā)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(shè)計規(guī)范》第5.2.8條規(guī)定[1]，TN系統(tǒng)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(guī)定時間內(nèi)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(tǒng)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(shè)計規(guī)范》第6.2.4條規(guī)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(guān)系為：

式中：I_d為被保護線路末端的短路電流；I_set2為斷路器的短延時過電流脫扣器整定值；I_set3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(shè)施、線路確定好之后，根據(jù)《工業(yè)與民用供配電設(shè)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；p為20節(jié)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(shù)；k₂為多根相導體并聯(lián)使用的校正系數(shù)。

式（3）經(jīng)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I_k須大于斷路器的瞬時過電流脫扣器整定值I_set3。考慮斷路器的動作誤差系數(shù)k_rel及動作系數(shù)k_op后，式（4）可變換為：

確定好斷路器的額定電流I_n后，根據(jù)所選電纜截面積，即可計算出照明回路發(fā)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(shè)計相關(guān)數(shù)據(jù)如下：站廳層照明配電室內(nèi)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。該條照明配電回路中，設(shè)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I_set3為10倍In。

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(cè)阻抗系數(shù)取0.9，發(fā)生單相接地故障時，U0為220 V，銅導體電阻率p為0.018 4Ω.mm2，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(shù)krel取1.2，動作系數(shù)kop取1.1，電纜電抗校正系數(shù)k1取1，并聯(lián)導體的校正系數(shù)k2取1。將設(shè)計數(shù)據(jù)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(fā)生單相接地故障時，若斷路器和導線截面積的規(guī)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(jù)GB 55024—2022《建筑電氣與智能化通用規(guī)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(yè)與民用供配電設(shè)計手冊》（第四版）中方法計算：

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

照明配電線路發(fā)生單相接地故障時，故障回路所涉及的系統(tǒng)、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。

本實例中，電壓系數(shù)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=2 064 mΩ,xphp.L2取0.2,100=20 mΩ。將數(shù)據(jù)代入式（6）后，計算可得zphp為2.2Ω,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(fā)生單相接地故障時，若斷路器和導線截面積的規(guī)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(nèi)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(diào)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(shè)計規(guī)范》第5.2.13條規(guī)定[1]，“TN系統(tǒng)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(guī)范第5.2.8條的規(guī)定；當不符合規(guī)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(jù)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(guī)格可知，采用的最小截面積導線應為WDZB1-BYJ-3X6 mm2。因地鐵照明設(shè)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(jīng)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I_set3

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(jù)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(shù)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(shù)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二In二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(guī)范》第4.6.5條規(guī)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(jù)前述計算條件，由2.2計算可知，發(fā)生單相接地故障時，故障回路的阻抗Zphp保持不變，仍為2.2Ω,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 XIa=2.2X 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?qū)⒈Ｗo接地導體的截面調(diào)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(nèi)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(jié)束語

地鐵裝修照明配電設(shè)計的時間節(jié)點一般會早于裝修單位照明燈具深化設(shè)計，設(shè)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(shè)計人員應根據(jù)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(shè)計的安全性是新規(guī)范GB 55024—2022《建筑電氣與智能化通用規(guī)范》實施以來的首要考慮因素[2]，設(shè)計人員應本著嚴謹?shù)脑O(shè)計態(tài)度，嚴格執(zhí)行規(guī)范，以確保人員的生命、財產(chǎn)安全。