城際鐵路長大區(qū)間低壓系統(tǒng)單相短路保護(hù)及間接接觸防護(hù)探討

潘元欣

(中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司，北京 100055)

1 概述

在民建供配電設(shè)計(jì)中供電半徑通常較短，TN系統(tǒng)配電系統(tǒng)中電源接地和保護(hù)接地共用接地裝置其單相及接地故障電流回到變壓器中性點(diǎn)的阻抗較小，采用D，yn11連接的配電變壓器，一般情況下采用過電流保護(hù)電器基本能夠滿足電擊防護(hù)的要求，但在城際軌道交通項(xiàng)目中，特別是長大區(qū)間的長度有時(shí)有數(shù)公里之多，以區(qū)間中點(diǎn)為界，分別由地下相鄰車站供電半徑也會(huì)超過1 500 m，由于區(qū)間中的多個(gè)低壓用電設(shè)備距離車站較遠(yuǎn)，各設(shè)備電源就近引自與區(qū)間風(fēng)井合設(shè)的跟隨所或區(qū)間箱式變電站，以某區(qū)間內(nèi)一級(jí)負(fù)荷專用通信設(shè)備(2.0 kW/220 V)為例，該專用通信設(shè)備設(shè)置在通信綜合洞室內(nèi)，距區(qū)間風(fēng)井跟隨所810 m，通過對(duì)各短路點(diǎn)的短路電流計(jì)算，就線路末端設(shè)備發(fā)生單相短路時(shí)的保護(hù)及接地故障時(shí)的間接接觸防護(hù)措施加以討論［1］。

2 低壓系統(tǒng)短路電流計(jì)算

區(qū)間跟隨所負(fù)荷統(tǒng)計(jì)表如表1所示。

跟隨所變壓器容量擬選擇2×500 kVA，同時(shí)為了全面監(jiān)控和預(yù)防電氣火災(zāi)的發(fā)生，擬在跟隨所設(shè)置了防火剩余電流動(dòng)作報(bào)警系統(tǒng)，各出線回路均設(shè)置漏電電流監(jiān)控裝置。采用TN系統(tǒng)供電，末端設(shè)通信直放站雙電源切換箱［2］，供電距離為810 m時(shí)，兩路電源的供電電纜選擇WDZN-YJY22-1kV-5x16，到末端的專用通信設(shè)備的供電電纜選擇WDZN-YJY-1kV-3x4，經(jīng)計(jì)算均基本滿足電壓降及熱穩(wěn)定度要求［1］。TN系統(tǒng)低壓網(wǎng)絡(luò)短路電流計(jì)算電路如圖1所示。

表1 區(qū)間跟隨所負(fù)荷統(tǒng)計(jì)

圖1 TN系統(tǒng)低壓網(wǎng)絡(luò)短路電流計(jì)算電路

通信直放站雙電源切換箱如圖2所示，通信直放站雙電源切換箱雙切機(jī)構(gòu)為PC級(jí)［5］，到專網(wǎng)通信設(shè)備的斷路器選擇配電型斷路器，整定值為16 A，為滿足選擇性，由跟隨所放射式供電到通信直放站雙電源切換箱的2路電源饋出斷路器選用整定值為25 A的配電型斷路器。由表2看出K3點(diǎn)發(fā)生三相短路故障時(shí)，I″=257，KLZ3=257/250=1.03＜1.3;K3 點(diǎn)發(fā)生接地故障時(shí)，Id=82 A，KLZd=82/250=0.328＜1.3，動(dòng)作靈敏系數(shù)均不滿足國家標(biāo)準(zhǔn) GB50054—2011中第6.2.4條的要求。降低斷路器間的選擇性，跟隨所饋出斷路器整定值下調(diào)為20 A，KLZ3=257/200=1.285＜1.3，KLZd=82/200=0.410＜1.3，動(dòng)作靈敏系數(shù)仍不滿足要求［5，7，10］。

為適當(dāng)增加短路電流值，放大一級(jí)供電電纜，電纜采用WDZN-YJY22-1kV-3x25+2x16，重新計(jì)算如表3所示。

圖2 通信直放站雙電源切換箱

表2 低壓三相和單相接地故障電流計(jì)算(變壓器高壓側(cè)系統(tǒng)短路容量:200 MVA)(一)

表3 低壓三相和單相接地故障電流計(jì)算(變壓器高壓側(cè)系統(tǒng)短路容量:200 MVA)(二)

跟隨所的斷路器整定值仍按20 A設(shè)定，K3點(diǎn)發(fā)生三相短路時(shí)KLZ3=398.3/200=1.99＞1.3滿足要求，但K3點(diǎn)發(fā)生單相接地故障時(shí)的KLZd=99.8/200=0.499＜1.3仍不滿足要求，故存在單相短路、接地故障時(shí)的保護(hù)盲區(qū)，只能由過載保護(hù)做近后備保護(hù)，對(duì)供電安全性極為不利。為滿足動(dòng)作靈敏系數(shù)要求，增加電纜截面降低回路阻抗，特別是長大區(qū)間內(nèi)供電半徑偏大，必然會(huì)增加電纜的投資［7］。但正常情況下作為一級(jí)負(fù)荷專網(wǎng)通信設(shè)備［2］，當(dāng)線路末端和設(shè)備末端出現(xiàn)接地故障時(shí)宜按《低壓配電設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50054—2011)第5.2.13所述的采用剩余電流動(dòng)作保護(hù)電器保護(hù)做間接接觸的防護(hù)電器方式來切斷電源，同時(shí)也需按照該規(guī)范第5.2.5的要求在末端局部范圍內(nèi)可導(dǎo)電部分做好局部等電位聯(lián)接，確保通信直放站內(nèi)局部等電位或輔助等電位聯(lián)結(jié)的有效性，并符合下式的要求

式中 R——可同時(shí)觸及的外露可導(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段的電阻，Ω;

Ia——保證間接接觸保護(hù)電氣在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)切斷故障回路的動(dòng)作電流，A。

但由于供電半徑過大，在發(fā)生單相短路時(shí)電流值過小，不足以通過電路上級(jí)斷路器的瞬時(shí)整定實(shí)現(xiàn)脫扣來切斷單相短路電流，單相短路電流持續(xù)時(shí)間過長，回路導(dǎo)體產(chǎn)生的異常高溫沿供電回路路徑烤燃可燃物而引起的電氣火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)勢必增加，下面分別就該設(shè)備采用TN系統(tǒng)供電發(fā)生單相短路的保護(hù)及接地故障時(shí)的間接接觸防護(hù)、TT系統(tǒng)發(fā)生接地故障時(shí)的間接接觸防護(hù)加以討論［6，9］。

3 TN系統(tǒng)發(fā)生單相短路及接地故障

3.1 TN系統(tǒng)發(fā)生單相短路

對(duì)于單相短路故障，即便在線路始端安裝了剩余電流保護(hù)器，由于相線與N線同時(shí)穿過剩余電流保護(hù)器的電流互感器，該單相短路電流無法被剩余電流保護(hù)器檢測到并動(dòng)作于跳閘來切斷電源，單相短路電流將持續(xù)存在，如果周圍有可燃物并因短路電流存在而蓄積的熱量勢必會(huì)引起火災(zāi)的發(fā)生。在TN-S系統(tǒng)中，如L3相發(fā)生單相短路時(shí)，該相電壓將降低，L1、L2相電壓升高，短路電流Id在流經(jīng)一段中性線上的電壓降ΔUN=Id×ZN，相電壓從原來的˙U0升高為˙U0+Δ˙UN，L1與L3間的˙U0與Δ˙UN相位角為120°，由余弦定理可知，過電壓˙UTOV當(dāng)中性線截面為相線截面的1/2時(shí)，˙UTOV值為1.45Uo;當(dāng)中性線截面與相線截面相等時(shí)，˙UTOV值為1.32Uo，該過電壓的長期存在同樣容易導(dǎo)致爬電故障而引發(fā)電氣火災(zāi)［9］。

因此，在設(shè)計(jì)過程中根據(jù)負(fù)荷類型及配電回路條件計(jì)算確定設(shè)備配電回路末端的短路電流，在躲過該設(shè)備起動(dòng)電流的情況下，合理選擇不同瞬動(dòng)倍數(shù)曲線的斷路器并校驗(yàn)保護(hù)的靈敏度，在保證設(shè)備正常情況下可靠供電的同時(shí)，可以考慮通過適當(dāng)減小瞬動(dòng)整定倍數(shù)，如選擇瞬動(dòng)倍數(shù)為2～4倍的G型曲線的斷路器來做單相短路保護(hù)時(shí)，KLZd=99.8/3×25=1.33＞1.3，動(dòng)作靈敏系數(shù)基本滿足要求［3，8］。

3.2 TN系統(tǒng)發(fā)生接地故障

根據(jù)規(guī)范GB50054—2011第5.2.13條，TN系統(tǒng)中，配電線路采用過電流保護(hù)電器兼做間接接觸防護(hù)電器時(shí)，其動(dòng)作特性應(yīng)符合本規(guī)范第5.2.8條的規(guī)定，當(dāng)不符合規(guī)定時(shí)，采用剩余電流保護(hù)器最為有效，但都需設(shè)PE線。由表1可以看出，發(fā)生接地故障動(dòng)作靈敏度不滿足要求時(shí)，采用剩余電流保護(hù)器來切斷故障回路仍是較為理想的保護(hù)措施。

4 TT系統(tǒng)發(fā)生接地故障

如果該專用通信設(shè)備采用TT系統(tǒng)供電時(shí)，由圖3可知，當(dāng)通信直放站雙電源切換箱進(jìn)線處A相發(fā)生接地故障，由于TT系統(tǒng)接地故障電流是通過故障點(diǎn)的接地電阻RE和系統(tǒng)接地的接地電阻RB返回電源的，回路阻抗大，使得Id較小，如果線路首端設(shè)普通配電型斷路器，同樣會(huì)出現(xiàn)斷路器無法可靠動(dòng)作切斷故障回路使得故障長期存在。

圖3 TT系統(tǒng)接地故障電壓分布

由于RE的阻值的不確定性，如圖4所示，回路計(jì)算條件暫按RB=0.3RE，系統(tǒng)中性點(diǎn)由圖中的O點(diǎn)轉(zhuǎn)移到O'，A相對(duì)地電壓降低，B相、C相對(duì)地電壓升高，設(shè)備的絕緣因B相、C相對(duì)地電壓升高而長期承受過電壓，會(huì)導(dǎo)致絕緣表面擊穿產(chǎn)生爬電事故，在這類故障情況下回路電源的線電壓和相電壓仍然維持在380 V和220 V不變，設(shè)備仍然正常工作直到TT系統(tǒng)中其他單相設(shè)備發(fā)生B相、C相接地故障轉(zhuǎn)化為兩相短路時(shí)才可被線路首端的斷路器切斷電源。從Uf=RB·Uo/(RE+RB)來看，RB越小越好。實(shí)際上，由于RE的阻值難以確定，很難保證保護(hù)導(dǎo)體和與之連接的外露導(dǎo)電部分的對(duì)地電壓不超過50 V，采用TT系統(tǒng)或局部TT系統(tǒng)以避免PE線傳導(dǎo)故障電壓造成電擊事故［9］。該接地故障可以通過線路首端在跟隨所內(nèi)饋出回路斷路器采用RCD，可有效地切除故障回路，通信直放站雙電源切換箱中的配電回路設(shè)置RCD可以有效地切斷發(fā)生故障回路，縮小停電范圍，作為間接接觸防護(hù)的RCD設(shè)置同樣需考慮上下級(jí)保護(hù)電器之間的選擇性［3］。

圖4 TT系統(tǒng)接地故障電壓矢量

5 結(jié)語

通過以上分析可以看出，自動(dòng)切斷電源是間接接觸防護(hù)的措施之一，特別是發(fā)生接地故障動(dòng)作靈敏度不滿足要求時(shí)，采用剩余電流保護(hù)器來切斷故障回路仍是較為理想的保護(hù)方式。

對(duì)于區(qū)間內(nèi)的設(shè)備由于供電半徑偏大，單相短路電流較小不滿足靈敏性時(shí)，除了考慮加大供電電纜截面降低阻抗提高接地故障電流使其滿足靈敏度校驗(yàn)外，還可以考慮線路首端斷路器選擇較小瞬動(dòng)倍數(shù)曲線的斷路器來滿足靈敏度要求，但此類選擇會(huì)降低保護(hù)的選擇性。若在配電回路中有電動(dòng)機(jī)類負(fù)荷，還應(yīng)進(jìn)一步核算瞬時(shí)整定值應(yīng)躲過電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)電流［4］。

針對(duì)現(xiàn)場實(shí)際負(fù)荷的分類情況選擇不同接地系統(tǒng)，根據(jù)TN系統(tǒng)及TT系統(tǒng)末端發(fā)生單相短路及接地故障時(shí)，故障相與正常兩相電壓變化的特點(diǎn)，可通過模擬計(jì)算發(fā)生故障的各回路短路電流以及各相電壓值的變化，在配電回路首端增加探測器，利用防火剩余電流動(dòng)作報(bào)警系統(tǒng)中的過流保護(hù)功能來監(jiān)測各回路的單相短路及接地故障情況，對(duì)不同類型的負(fù)荷實(shí)現(xiàn)正常情況下與火災(zāi)情況下的脫扣與報(bào)警，以提高供電的可靠性和靈敏性。

［1］GB50157—2003 地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［2］TB10008—2006 鐵路電路設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［3］GB50054—2011 低壓配電設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［4］GB50055—2011 通用用電設(shè)備配電設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［5］JGJ16—2008 民用建筑電氣設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［6］GB/T50065—2011 交流電氣裝置的接地設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［7］中國航空工業(yè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院.工業(yè)與民用配電設(shè)計(jì)手冊(cè)［M］.北京:中國電力出版社，2005.

［8］《鋼鐵企業(yè)電力設(shè)計(jì)手冊(cè)》編委會(huì).鋼鐵企業(yè)電力設(shè)計(jì)手冊(cè)［M］.北京:冶金工業(yè)出版社，1996.

［9］王厚余.低壓電氣裝置的設(shè)計(jì)安裝和檢驗(yàn)［M］.2版.北京:中國電力出版社，2007.

［10］住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部工程質(zhì)量安全監(jiān)管司，中國建筑標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)研究院.2009JSCS—5全國民用建筑工程設(shè)計(jì)技術(shù)措施·電氣［Z］.北京:2009.