地鐵低壓配電設計問題研究

劉 藝

(中鐵第六勘察設計院集團有限公司， 天津 300308)

0 引言

目前，我國的城市軌道交通正處于快速發展階段。在地鐵工程的供配電設計中，低壓配電設計的質量關系到機電設備能否安全、可靠地運行。

我國的電氣規范比較多，既有國家標準，又有行業標準、地方標準，并且規范標準之間存在不一致的情況比較常見。地鐵電氣設計人員在工作中對規范條文的理解及執行情況有較大差別，導致國內地鐵低壓配電設計方案不統一，不同地區的項目或不同設計院的人員在設計細節方面差別比較大。許多設計人員進行等電位聯結設計時，沒有把握住其設計要點“等電位”，將不同區域的局部等電位聯結板(LEB)互聯在一起并敷設接地電纜至接地母排，把與車站接地裝置的可靠連接作為局部等電位聯結的設計關鍵點；進行安全特低電壓(SELV)照明配電設計時，沒有考慮地鐵工程中管線數量多、安裝空間非常有限的特點，不合理地選用可導電的金屬型線路保護管；進行電涌保護設計時，沒有掌握電涌保護的基礎理論知識，電涌保護器(SPD)的試驗類別及脫離器的選擇不合理；配電箱的進線開關習慣性地選用斷路器，不重視隔離開關的應用，增加了投資，劣化了配電系統的保護性能，并降低了隔離功能；在進行長大地鐵區間配電設計時，經常存在保護電器的設置問題，配電回路的接地故障保護靈敏度不滿足規范要求，存在電氣安全問題。筆者結合自己多年的工作經驗，依據中國、歐洲的電氣標準，針對這些典型問題案例進行研究，提出相應的解決方案，以期為同行提供參考，進一步提高地鐵工程設計中的低壓配電設計技術水平。

1 地鐵車站等電位聯結設計問題

地鐵工程中，等電位聯結設計方面目前主要存在以下2個問題。

1.1 不同區域內的LEB互聯

在地鐵機電接地設計圖中，經常人為地將各個設備房間內的LEB互聯在一起，如圖1所示。

圖1 LEB互聯示意圖

此方法存在故障電壓傳遞問題，即當其中一個房間內的配電線路發生接地故障，出現對地故障電壓時，該故障電壓可以沿LEB之間的互聯線路傳遞至其他房間內。例如： 圖1中配電室內的某個配電線路發生接地故障時，配電室LEB的對地電位Uf很可能大于AC50 V(圖1中的LEB未連接結構鋼筋)，水泵房LEB、風機房LEB、洗手間LEB等的對地電位也為Uf，并且此故障電壓會沿風管、水管等的外露可導電部分傳遞至公共區內。在水泵房、風機房、洗手間等房間內，即使沒有發生配電線路接地故障，人一旦接觸這些區域內的外露可導電部分仍然存在被電擊的可能。因此，該局部等電位聯結方法人為地增加了電擊事件出現的概率。

局部等電位聯結需要按區域設置[1]。對于地鐵工程，水泵房、風機房、配電室等設備房間內應分別設置相對獨立的LEB，不需要人為地將LEB互聯在一起，如圖2所示。此方法既能實現局部等電位聯結的作用，又能避免故障電壓傳遞問題。

圖2 LEB獨立設置示意圖

1.2 LEB未與結構鋼筋連接

局部等電位聯結的另一個常見問題是LEB連接至接地母排，沒有就地連接結構鋼筋，如圖1所示。設計人員經常誤認為與接地網連接，就能實現LEB的對地電位保持為零電位。但發生接地故障時，LEB的對地電位并不是零電位，往往是超過50 V的危險電位。因此，LEB連接至接地母排PSCE的電纜實際作用很小。

某個回路(該回路的PE線與LEB聯結)發生單相接地故障時，距離LEB與結構鋼筋連接點的位置越遠，地電位就越小，如圖3所示。LEB只有就近與結構鋼筋聯接，才能可靠地實現電擊防護的作用。

O為LEB與結構鋼筋連接點；l為人站立處與O點之間的水平距離，l3>l2>l1;U為人站立處的地電位，U3

圖3接地故障時的地電位分布示意圖

Fig. 3 Sketch of ground potential distribution in case of ground fault

2 安全特低電壓(SELV)照明線路保護管選用問題

地鐵工程中站臺板下層或電纜夾層內照明燈的配電回路一般采用AC36 V或AC24 V的SELV回路[2]，并在SELV[3]照明配電箱中設置安全隔離變壓器。在一些地鐵車站照明施工圖設計中，存在SELV回路線路保護管選用金屬管的不合理做法，如圖4所示(圖4中SELV回路線路穿鍍鋅鋼管SC25敷設)。

圖4 SELV照明配電箱

依據GB/T 16895.21—2011《低壓電氣裝置第4-41部分： 安全防護 電擊防護》[4]中的414.4.4條款，SELV回路內的外露可導電部分不得與地、保護導體以及其他回路的外露可導電部分作電氣連接。地鐵車站管線種類及數量很多，并且管線安裝空間非常有限，很難避免SELV回路線路保護管與地或其他管線接觸。因此，圖4中的穿鋼管敷設方式存在電氣安全問題。

在地鐵工程中，SELV回路線路應穿絕緣管(如阻燃型PE管等)敷設，以避免此類問題，可靠地實現SELV保護的作用。

3 配電箱進線開關電器的選型問題

在城市軌道交通設計行業，“抄圖”現象普遍存在，設計人員在“具體問題具體分析”方面做得還不夠好，在配電箱進線開關電器選型方面存在以下常見問題。

3.1 不重視隔離開關的應用

對末端配電箱的進線開關電器選型時，設計人員習慣性地選用斷路器，如圖5所示。

圖5 配電箱(選用斷路器)

地鐵工程中，低壓配電以放射式配電方式為主。圖5中的進線開關電器選用斷路器，人為地增加了保護層級，并導致配電電纜截面積較大；另外，低壓開關柜中的斷路器保護靈敏度較低(見表1)。

當進線開關電器選用隔離開關[5]時(見圖6)，可以減少保護層級，從而降低投資；同時，可以提高上級斷路器的保護靈敏度(見表1)。因此，末端配電箱的進線開關電器選用隔離開關是非常合理的。

表1 斷路器方案與隔離開關方案對比

注： 三相短路點和接地故障點均按在配電箱進線處考慮。

圖6 配電箱(選用隔離開關)

3.2 斷路器的極數選擇問題

在地鐵車站低壓配電設計中，設計人員經常不合理地選用斷路器的極數(3P或4P)。

1)需要選用3P型斷路器的情況，卻選用4P型斷路器。例如： 車站內雙電源切換箱的進線斷路器選用4P型，如圖7所示。

圖7 雙電源切換箱(選用4P型斷路器)

2)需要選用4P型斷路器時，卻選用3P型斷路器。例如： 區間或地面配電箱的進線斷路器選用3P型，如圖8所示。

上述2種情況的斷路器極數選擇均不合理，會增加斷零風險[7]或存在電氣安全問題。斷路器極數的選擇不僅與0.4 kV系統的接地型式有關，而且與使用環境場所密切相關，需要具體問題具體分析，不能一概而論。

圖8 地面建筑配電箱(選用3P型斷路器)

地鐵工程中，高壓、低壓共用接地裝置[8](見圖9)，35 kV系統為小電阻接地系統，0.4 kV配電系統為TN-S系統；地鐵車站內，設置總等電位聯結。

圖9 高壓系統與低壓TN-S系統共用接地裝置

由圖9可知，當35 kV系統發生接地故障時，0.4 kV系統中的N導體對地電位為Uf；由于地鐵車站內設置了總等電位聯結，地鐵車站結構鋼筋網的對地電位也為Uf，N導體與結構鋼筋網之間的電位差為0。0.4 kV配電系統內部發生接地故障時，N導體與結構鋼筋網之間的電位差幾乎為0；當發生直接雷擊時，N導體與結構鋼筋網之間的電位差為0。另外，當相導體被斷開時，N導體中也就不存在負荷電流了。

綜上所述，設置在車站內的配電箱進線斷路器選用3P型就能滿足安全要求，不需要選用4P型；對于地面上或區間內的場所，由于35 kV系統發生接地故障或發生直接雷擊時，0.4 kV系統中的N導體與人所在位置地面的電位差比較大(超過安全電壓AC50 V)，設置在地面或區間內的配電箱進線斷路器需要選用4P型以確保檢修人員的安全。

4 電涌保護器(SPD)的應用問題

低壓配電設計圖中，設計人員對低壓SPD的應用方面存在以下2個問題，嚴重降低了SPD的保護效果。

4.1 SPD的試驗類別選擇問題

在配電箱設計圖中，經常存在SPD的試驗類別或試驗波形選擇不合理的情況，如圖10所示。

圖10 照明配電箱

由圖10可知，此照明配電箱中設置有地徽、站名牌等室外設施的配電回路，但是SPD選用的是T2試驗類別。依據國家標準[9]，選擇SPD 時，對電阻性耦合(即接地電阻上的反擊)雷電流波形應按10/350 μs 波形考驗，對電感性耦合(如近處落雷引起的電磁感應)應按8/20 μs 波形考驗。波形為10/350 μs 的脈沖電流一般用在SPD的Ⅰ級分類試驗(脈沖電流)，波形為8/20 μs 的脈沖電流一般用在SPD 的Ⅰ、Ⅱ級分類試驗(額定放電電流、最大放電電流)[10]。圖10中的地徽、站名牌等室外設施位于LPZ0區，存在遭受直擊雷的可能性，SPD需要選用的試驗波形為10/350 μs，即T1級試驗類別。

4.2 SPD脫離器選用問題

地鐵低壓配電設計圖中，SPD脫離器[11]選用4P型斷路器，用于SPD的失效保護，如圖10所示。此設計存在以下弊端： 當斷路器被錯誤地斷開時，配電系統就失去SPD的電涌保護；斷路器用于短路保護的電磁脫扣器為有若干匝數的電感線圈，其串聯在回路中，增大了有效電壓保護值Up/f。

為解決此問題，在低電涌電流沖擊時，SPD脫離器選用熔斷器或專用SCB保護；在高電涌電流沖擊時，SPD脫離器選用專用SCB保護。

5 長大區間配電回路接地故障保護問題

地鐵車站兩端區間內用電設備的配電電源引自車站35/0.4 kV變電所的0.4 kV開關柜。區間配電線路的接地故障保護靈敏度校驗是一項非常必要的工作，但是設計人員經常不重視這一點。對于較長區間，0.4 kV開關柜饋電斷路器的脫扣器選用普通熱磁型時，接地故障保護靈敏度很難滿足規范[12]要求，無法保證保護電器在規定時間內可靠動作，不能確保電氣安全。對于此類情況，饋電斷路器可以選用帶接地故障保護的斷路器[13]，提高接地故障保護靈敏度，滿足規范要求。2種斷路器方案對比見表2。

表2 2種斷路器方案對比

6 結論與建議

本文通過對一些地鐵低壓配電設計典型問題進行研究，得出以下結論。

1)應相對獨立地按區域設置局部等電位聯結板(LEB)，不應人為地將不同區域內的LEB互聯在一起，LEB應就地連接結構鋼筋。

2)在地鐵工程中，安全特低電壓(SELV)照明線路保護管應選用絕緣型。

3)在選用配電箱進線開關電器時，應重視隔離開關的合理選用；應根據使用場所的具體情況，合理地選擇斷路器的極數。

4)負責給室外設施配電的配電箱中，電涌保護器(SPD)應選用T1試驗類別；SPD脫離器應選用熔斷器或專用SCB保護。

5)對于較長區間配電回路的饋電斷路器，選用帶接地故障保護功能的斷路器可以提高接地故障保護靈敏度。

將上述結論應用在地鐵工程中，可以提高低壓配電設計的電氣安全性、可靠性，減少電擊事故，并且可以降低工程造價。建議在今后地鐵工程設計中進一步完善低壓配電設計，合理地選用開關電器，重點校驗長距離配電回路的接地故障保護靈敏度。