地鐵工程遠距離設備配電設計探討

王 哲

(中鐵二院華東勘察設計有限責任公司,杭州 310004)

0 引言

地鐵低壓配電系統承擔了為所有低壓負荷(除電動車組以外)提供電能的重要任務，并保證動力照明設備配電的安全、可靠、合理、經濟。地鐵設備系統較多，運行工況各不相同，尤其在區間隧道或出入段線區域，設備分散且配電距離長，部分設備配電半徑長達1 000m甚至更遠。遠距離配電設備除照明燈具及檢修設備外，還有很多電動機設備(如區間水泵、射流風機等)，此類設備為一級負荷，一組設備包含兩臺或多臺水泵或風機，并根據現場工況采取單臺或多臺運行的方式。

由于設備遠離變電所，配電距離長，此類設備的配電要綜合考慮線路電壓損失、短路保護電器分段能力及保護靈敏度等因素，從而確定合理的配電方案。圖1所示為地鐵配電系統中區間低壓三相電動機配電系統圖，接地型式采用TN-S系統，設備采用直接啟動方式，控制柜靠設備末端就地設置。

圖1 典型籠型低壓三相電動機配電系統圖

1 配電線路電壓損失校驗

對于電動機負載來說，JGJ 6-2008《民用建筑電氣設計規范》3.4.5條及GB 0052-2009《供配電系統設計規范》5.0.4條規定：正常運行情況下，用電設備端子處的電壓偏差允許值宜符合偏差±5%的要求；GB 0055-2011《通用用電設備配電設計規范》2.2.2條及JGJ 6-2008《民用建筑電氣設計規范》9.2.2條規定，電動機的啟動應符合如下要求：電動機啟動時其端子電壓應保證機械要求的啟動轉矩，且在配電系統中引起的電壓波動不應妨礙其他用電設備的工作；電動機頻繁啟動時，其配電母線上的電壓不宜低于額定電壓的90%；電動機不頻繁啟動時，其配電母線上的電壓不宜低于額定電壓的85%。

對于圖1所示系統，為滿足電動機正常啟動和運行的需求，首先應考慮線路末端的電壓偏差。在正常穩定運行狀況下(交聯聚乙烯電纜導體的允許長期工作最高溫度為90℃)，線路電壓損失按照不超過5%核算，即：

U%=ua%IL≤5%

(1)

ua%≤0.24

式中，ua為每A·km線路的電壓損失百分比，%/A·km；I為負荷計算電流，A；L為線路長度，km；電纜規格至少應采用WDZAN-YJY23-0.6/1kV-3×35+2×16mm2。

由于區間廢水泵及射流風機均為不頻繁啟動電動機，其配電母線上的電壓不宜低于額定電壓的85%。通常只要電動機額定功率不超過電源變壓器額定容量的30%即可全壓啟動，滿足啟動要求。為減少末端設備的電壓偏差，在供配電系統的設計中可采用增加配電線路電纜的截面或采取就地無功補償的措施予以解決。

2 電動機主回路保護電器的選擇

圖1所示配電系統主回路中，變電所側斷路器用作電動機過載保護時長延時脫扣器，整定值Iset1取50A，其瞬時整定值應為電動機啟動電流2～2.5倍，取其值Iset3=12Iset1=600A。對短路保護電器的長延時及瞬時值做出整定后，還應計算配電回路的預期最大短路電流(即三相短路電流)Ik、最小短路電流(即末端單相接地故障電流)Ik1。其中，最大短路電流用于校驗電氣設備的動穩定、熱穩定及分斷能力，整定繼電保護裝置。最小短路電流用于選擇熔斷器、設定保護定值或作為校驗繼電保護裝置靈敏度和校驗感應電動機啟動的依據。

2.1 短路電流計算及短路保護電器分斷能力校驗

對于圖1所示的配電系統，K1點的三相短路電流為：

(2)

式中，Un為系統標稱電壓，220/380V；RT=Ra+Rtr+Rm，XT=Xa+Xtr+Xm；RT、XT為短路電路的總電阻、總電抗，Ω；Ra、Xa為變壓器低壓側的中壓系統電阻、電抗，Ω，Xa≈10Ra；Rtr、Xtr為變壓器的電阻、電抗，Ω；Rm、Xm為低壓側母線段的電阻、電抗，Ω。母線電阻通?？珊雎圆挥?，電抗約為0.17mΩ/m。

比較各電氣元件阻抗可知，變壓器阻抗遠大于系統阻抗和母線阻抗，在工程計算中可忽略系統阻抗、母線阻抗進行簡化計算，則

(3)

因此，K1點的三相短路電流Ik約為30kA。

同理，對于K2點的三相短路電流，由于低壓配電線路長度較長，其線路阻抗遠大于系統阻抗、變壓器阻抗和母線阻抗。由于電纜線路電抗值約為0.08mΩ/m，對于長度>100m、截面積<50mm2的電纜，其電抗值相對于總阻抗可忽略不計。因此，K2點的三相短路電流計算可簡化為：

(4)

式中，RL為線路電阻，Ω；ρ為20℃時導體溫度的電阻系數常數，其值為0.0185Ωmm2/m；L為導體的長度，km；S為導體的截面積，mm2。

因此，K2點的三相短路電流Ik2約為868A。

K1、K2點的實際三相短路電流一定不大于式(2)～(3)簡化后的計算值，因此可知，K1、K2點斷路器的分斷能力只要不小于30kA、868A，則一定可以滿足實際工程的要求。

2.2 單相接地故障電流計算及保護電器短路保護靈敏度校驗

對于圖1所示的配電系統，K2點單相接地故障電流Ik1為：

(5)

式中，Rphp、Xphp分別為短路電路的相線-保護線回路總電阻、相線-保護線回路總電抗，Ω。

比較各電氣元件相保阻抗可知，系統相保阻抗、變壓器相保阻抗、母線相保阻抗和配電電纜相保阻抗中，配電電纜相保阻抗值最大，對于電纜截面≤185mm2的線路，其電抗相比于總阻抗可忽略不計。因此，在工程計算中可忽略系統相保阻抗、變壓器相保阻抗、母線相保阻抗和電纜相保電抗，則末端K2點單相接地故障電流Ik1可簡化為:

Ik1=0.95Un/Rphp’L

(6)

式中，Rphp’L為短路電路的電纜相保電阻，Ω。在單相接地故障電流計算中，線路電阻RL應采用較高溫度下的數值，與RL20的關系由式(3)[5]確定。

RL=[1+0.004(θc-20℃)]RL20

(7)

式中，RL20為導線在20℃時的阻值，Ω；θc為短路結束時的導線溫度，℃。

對于交聯聚乙烯電纜，短路時(最長持續時間不超過5s)導體允許最高溫度為250℃。以《工業與民用供配電設計手冊》(第三版)中提供的相保電阻為例，對于圖1所示系統，電纜單位長度相保電阻值為2.397mΩ，則K2點的單相接地故障電流Ik1為174A。

假如短路點K2在就地設備控制柜的斷路器進線側，主回路短路保護電器為斷路器時，K2點的單相接地故障電流應≥斷路器瞬時或短延時過電流脫扣器整定電流的1.3倍，即Ik1≥1.3Iset3。對圖1所示系統，單相接地故障電流應≥780A，不能滿足靈敏度校驗的要求。

3 配電線路單相接地故障保護的解決措施

通過上述計算分析可見，對于地鐵工程中長距離設備配電系統來說，雖然按照電壓損失校驗選擇了電纜截面，但是由于單相接地故障電流較小，靠過流保護電器兼作接地保護時很難通過校驗。當配電線路較長、保護電器難以滿足接地故障保護靈敏度的要求時，可采取以下措施。

(1)采用降壓啟動或軟啟動方式，降低電動機的啟動電流。軟啟動時，啟動電流一般為額定電流的2～3倍。由于軟啟動器屬于電力電子設備，受環境溫濕度影響較大，應定期檢查軟啟動器的環境條件及運行情況，以避免設備故障、漏電或短路事故的發生。

(2)加大電纜相導體及保護接地導體截面積，以提高短路點的接地故障電流。對于圖1所示的配電系統，若要靠加大電纜截面來滿足K2點單相接地故障電流靈敏度校驗的要求，需將電纜截面加大至150mm2。工程成本增加非常多，明顯不合理。

根據《工業與民用供配電設計手冊》(第三版)中提供的相保電阻可知，電纜規格為35mm2的四芯電纜，其單位長度相保電阻值為1.503mΩ。因此可在適當提高相線截面的情況下，采用提高PE線截面的方式，以節省投資。對于地鐵區間中射流風機、水泵等負荷來說，還可以利用區間電纜支架上貫通敷設的接地扁鋼以進一步降低阻抗。

(3)采用帶短延時過電流脫扣器的斷路器。對于同一斷路器，由于短延時過電流脫扣器整定電流值Iset2通常只有瞬時過電流脫扣器整定電流值Iset3的20%～30%，所以當斷路器的瞬時過電流脫扣器不能滿足接地故障要求時，可采用帶短延時過電流脫扣器的斷路器進行保護，其靈敏性更容易滿足。

(4)選擇熔斷器作為保護電器。電動機的短路和接地故障保護電器應優先選用aM型熔斷器，熔斷器額定電流Ir為50A。對圖1所示系統，則要求K2點單相接地故障電流Ik1≥5.50=275A。此時，可再適當加大一級電纜截面積即可滿足要求，相對較為經濟合理?？梢?，熔斷器比斷路器更容易滿足接地故障保護的要求。

(5)采用帶接地故障保護的斷路器。接地故障保護分為三相不平衡電流保護和剩余電流保護兩種。采用三相不平衡電流保護時，保護整定值Iset0應大于正常運行時N導體中流過的最大三相不平衡電流、諧波電流、正常泄漏電流之和，而在發生接地故障時必須動作。因此三相不平衡電流保護整定值Iset0應符合：

Iset0≥2.0IN及Ik1≥1.3Iset0

(8)

式中，Iset0為三相不平衡電流保護整定值，A；IN為三相不平衡電流，A。

配電干線正常運行時的三相不平衡電流值IN通常不超過設備計算電流的20%～25%，三相不平衡電流保護整定值Iset0以整定為斷路器長延時脫扣器電流Iset1的50%～60%為宜?？梢姡嗖黄胶怆娏鞅Ｗo整定值Iset0比短延時整定值Iset2小得多，更易于滿足保護靈敏度的要求。在滿足動作靈敏度要求的前提下，Iset0整定值應大一些，延時時間盡量長一些。

采用剩余電流動作保護裝置(RCD)作接地故障保護時，保護整定值Iset4應大于正常運行時線路和設備的泄露電流總和的2.5～4倍，同時Iset4的1.3倍應不大于接地故障時流過線路PE線的故障電流。通常，35mm2交聯聚乙烯電纜泄漏電流為70mA/km，22kW電動機正常運行的泄漏電流為0.72mA[2]，RCD額定動作電流的選擇要充分考慮電氣線路和設備的對地泄露電流值，必要時可通過實際測量取得被保護線路或設備的對地泄露電流。一般取Iset4整定值為300mA或500mA。剩余電流保護整定電流比三相不平衡電流保護的電流更小，動作靈敏度更高。對于地鐵中供電可靠性要求高的負載，該接地故障保護可不切斷電路而只發出報警信號。

此時，為滿足間接接觸電擊事故防護的要求，可采用局部等電位聯結或輔助等電位聯結來降低接觸電壓，如果設備在無等電位聯結的戶外，可將電氣設備改為局部TT系統。故當接地型式采用TT系統時，采用RCD作為接地故障保護，應滿足：

RΔIΔn≤50V

(9)

式中，RΔ為電氣裝置外露可導電部分的接地極和PE導體的電阻之和，Ω；IΔn為RCD在規定時間內的額定動作電流，A。

接地電阻的要求TT系統相對于TN系統，更容易滿足，從電擊安全性、保護可靠性及成本等方面考慮也更優。

4 結束語