公路隧道局部等電位聯結問題研究

易雷，魏昱，吳宏伊

（四川省公路規劃勘察設計研究院有限公司，四川 成都 610000）

0 引言

公路隧道配電通常采用TN-C-S或TN-S系統接地型式[1]。TN系統中，當保護電器未能及時切斷電源時，等電位聯結能有效降低接觸電壓，避免觸電事故發生[2]。由于公路隧道構筑物的特殊性，其配電系統的供電距離一般較長，僅在隧道洞口設置總等電位聯結，難以保證安全性，必須合理的設置局部等電位聯結。

1 局部等電位聯結的重要性

如圖1，電源點距離隧道洞口總等電位聯結端子排（后簡寫為MEB）距離為l0，用電設備至MEB距離為l1。當隧道內電氣裝置發生單相接地故障時，相線L和PE線流過短路電流Id。若保護電器未能動作，則電氣裝置帶故障電壓，由于隧道洞口總等電位聯結作用，該故障電壓Uf等于故障電流流過a、b點之間PE線產生的壓降Ua-b[3]。

圖1 隧道總等電位聯結示意圖

隧道作為狹長型的交通建筑物，其供電半徑往往較大，并且由于隧道內環境等因素的影響，變電所的選址受到很大的限制，導致隧道內存在大量的長距離配電線路。當配電線路過長時，其相保阻抗會較大，發生單相接地故障時的故障電流較小，保護電器的動作時間容易超過規定值[4]，接觸電壓Uf通常也大于50V。因此為保障人身安全，還需要在洞內增設局部等電位聯結，以降低該故障電壓，使其小于安全電壓限值50V[5]。

2 局部等電位聯結設置間距

如圖2，電源點與隧道洞口MEB的距離為l0，在隧道洞內按照間距li（i=1,2， ,n-1）設置n-1處局部等電位聯結（后簡稱為LEB），將隧道內配電箱PE排、金屬管道、電纜橋架等裝置外可導電部分連接。

圖2 隧道局部等電位聯結示意圖

為便于分析，將電源點至MEB之間的相導體、PE導體電阻計為Rph.0、RPE.0；MEB與LEB之間的相導體、PE導體電阻計為Rph.1、RPE.1，相鄰LEB間的相導體、PE導體電阻計為Rph.i、RPE.i，繪制短路時等效電路圖，如圖3。

圖3 故障回路等效電路圖

隧道配電系統低壓線路長度較長，且多采用電纜，其線路阻抗遠大于電力系統阻抗，且電纜的電抗又遠小于電阻[6]，工程計算中系統阻抗和電纜電抗均可忽略不計。此時，線路末端單相短路故障電流[7]的計算可公式簡化為：

當電氣設備發生接地故障時,故障電壓Uf由于局部等電位聯結LEBn-1的作用降低為故障電流流過a、bn點之間PE線產生的壓降Ua-bn：

為保證接觸電壓Uf≤50V，則需滿足：

按照相線、PE線導體截面積之比不同，分為以下兩種情況分析：

（1）當PE線和相線截面積相等時，有公式：

式中i=0，1， ，n；r為線纜單位長度電阻，（Ω/m）。

公式（2）代入公式（1）得到：

變換可得：

推導可得：

進一步推導可得：

（2）當PE線截面積為相線截面積的一半時，有公式：

式中rPE為PE線單位長度電阻，（Ω/m）。

公式（4）代入公式（1）得到：

變換可得：

推導可得：

3 結論

當公路隧道配電系統采用TN系統接地型式時，為保證接觸電壓小于或等于50V，除在隧道洞口設置總等電位聯結外，還應在隧道內設置局部等電位聯結，相鄰局部等電位聯結之間的間距應滿足下面公式：

式中：

k——當配電線路PE線截面與相線截面相等時取0.83；當配電線路PE線截面為相線截面的一半時取0.52。

在實際工程中，MEB和LEB應在隧道土建施工階段預留到位，并與隧道襯砌鋼筋、錨桿、鋼拱架等連通相連接[8]。由公式（6）不難推導出，因此可按照最小距離l1，即k×l0的等間距預留局部等電位聯結端子排。機電設備安裝施工時，再將末端配電箱PE排、金屬管道、電纜橋架、金屬線槽等裝置外可導電部分在此端子板上互相聯結，即可使該用電場所成為一個等電位法拉第籠，籠內的故障接觸電壓可降低到50V以下，實現有效的電擊防護[9]。