對《干船塢設計規(guī)范》電氣部分條款的探討

丁建興，馮 偉

對《干船塢設計規(guī)范》電氣部分條款的探討

丁建興，馮 偉

（中國人民解放軍92942部隊，北京 100161）

結(jié)合干船塢電氣使用場景和特點，從電氣安全的角度，對目前《干船塢設計規(guī)范》中部分條款展開討論，并對規(guī)范提出修改建議。

干船塢 電氣系統(tǒng) 規(guī)范 TN系統(tǒng) TT系統(tǒng) 接地故障

0 引言

造船和修船離不開干船塢，干船塢作為修造船的重要設施，電氣系統(tǒng)的安全可靠有著重要意義。設計標準對工程安全有著重要的規(guī)范作用，因此標準的合理性和適用性對設計起著至關重用的指導意義。

干船塢由于地處沿江（海）室外，電氣設備受高溫、高濕、高鹽和強輻照的影響，工作環(huán)境較普通室內(nèi)場所惡劣得多，且施工現(xiàn)場不具備等電位聯(lián)結(jié)條件，電擊危險性高，這些與普通室內(nèi)民用建筑有著很大的差別。設計中應根據(jù)不同的場景、負荷選擇相應合理的電氣系統(tǒng)，現(xiàn)有《干船塢設計規(guī)范》CB/T 8524-2011中涉及配電的部分條款筆者認為有待商榷，以下筆者結(jié)合設計體會談談自己的見解，以期拋磚引玉。

1 規(guī)范中有待商榷部分

現(xiàn)行《干船塢設計規(guī)范》中筆者認為有待商榷的主要有以下幾條（以下簡稱“船塢規(guī)范”）：

1）第10.4.1條，電源接電箱的電源為380 V/220 V時，開關應采用三極開關；

2）第10.4.4條，電焊機電源接電箱當容量滿足時，宜兼作50 Hz船用電接電箱用；

3）第10.5.3條，船塢上沿照明燈具的安裝應便于檢修，離最高水位應不小于500 mm，且應加PE線。外露可導電部分應可靠接地；

4）第10.6.1條，低壓接地系統(tǒng)宜采用TN-C-S制。

可以看出，以上各條款均是基于干船塢低壓接地系統(tǒng)推薦采用TN型式的前提進行規(guī)定的，而對于船塢這種無等電位聯(lián)結(jié)的戶外工程，筆者認為容易引發(fā)一些不明原因的電擊事故。本文從干船塢工程用電特點著手，從用電安全角度出發(fā)，對干船塢接地系統(tǒng)型式進行探討。

2 采用TN接地系統(tǒng)問題

設計人員對TN系統(tǒng)比較熟悉，一般室內(nèi)民用建筑供電大都采用TN系統(tǒng)(主要為TN-C-S和TN-S系統(tǒng))，應用起來得心應手。其優(yōu)點一是因為系統(tǒng)變壓器中性點接地，可限制中性點電位漂移，二是能方便地引出380/220 V電源，可滿足絕大多數(shù)低壓負載對電源電壓的要求。現(xiàn)行船塢規(guī)范也規(guī)定低壓接地系統(tǒng)宜采用TN-C-S制，但對于干船塢這種具有大量室外設備配電工程而言，采用TN系統(tǒng)則存在大的電擊風險，舉例分析如下。

2.1 設備發(fā)生接地故障條件下

變電所通過電纜給船塢延邊的絞盤及接電箱供電，按照船塢功能需求總體規(guī)劃，從船塢邊往外的變配電設施依次為接電箱、門機軌道、絞盤、變電所。變電所對絞盤采用鏈式供電，線路約百米。變電所至塢邊大部分屬于回填區(qū)，地面設置連鎖塊體，室外設備均處于無等電位聯(lián)結(jié)場所，如圖1所示。

圖1 地面設置聯(lián)鎖塊，干船塢屬無等電位聯(lián)結(jié)場所

絞盤控制箱為室外固定設施，受太陽輻照、鹽霧腐蝕、高溫潮濕等各種因素影響，設備絕緣下降發(fā)生相線接外露導電部分故障。接地故障電流經(jīng)PE線或PEN線金屬通路返回電源。由于線路較長，絞盤對地故障電壓為U通常大于50 V，U沿著系統(tǒng)內(nèi)PE線（虛線所示）傳導至手持設備，如圖5所示。此時由于拿手持設備的人處于室外場所，且不具備等電位聯(lián)結(jié)，其對地電壓U＞50 V。該故障電壓通過PE線傳導至手持設備回路，雖然手持設備回路上裝有RCD，但此回路本身并未發(fā)生接地故障，RCD不會動作。按照要求在TN系統(tǒng)內(nèi)固定設備發(fā)生接地故障時，故障切斷時間要求是不大于5 s，而手持和移動式設備的切斷時間要求是不大于0.4 s，但=0.4 s是對干燥場所而言，若為潮濕環(huán)境，預期接觸電壓應按25 V，=0.25 s考慮。即使固定設備可以在5 s內(nèi)切斷電源，但在此過高的接觸電壓和過長的人體通電時間作用下，在干船塢這種潮濕環(huán)境下，使用手持設備的人極有可能遭受電擊且不能擺脫設備而導致傷亡。

圖2 設備發(fā)生接地故障帶來轉(zhuǎn)移過電壓

理論上，上述情況下故障電流幅值較大，可使過電流防護電器迅速切斷電源。但實際上隨著時間的推移，PE線中的連接接頭的接觸電阻由于種種原因而增大且不易被發(fā)現(xiàn)，它可限制故障電流從而妨礙過電流保護電器的及時動作，此時帶來對人員的危害更是不言而喻。

2.2 線路發(fā)生接地故障條件下

電纜由于地處高溫、潮濕環(huán)境，線路絕緣下降快，且電纜隧道（溝）內(nèi)鼠害、蟻害多，易發(fā)生單相接地短路故障。如當絞盤控制箱供電電纜由于絕緣破損，發(fā)生相線接地故障。接地故障電流I經(jīng)R、R返回電源，受兩個電阻阻值的限制Id不會很大，假設為20 A，不足使回路首端防護電器動作。設R=4 Ω，絞盤對地故障電壓為U=80 V，同理，U沿著PE線傳導至手持焊機，焊機對地電壓U=80 V。手持設備回路本身因未發(fā)生接地故障，RCD不會動作，使用手持設備的人極有可能遭受電擊且不能擺脫設備而導致傷亡，如圖3所示。

2.3 高壓側(cè)發(fā)生接地故障條件下

過去我國10 kV電網(wǎng)采用不接地系統(tǒng)，即便發(fā)生10 kV側(cè)接地故障，故障電流Id值也不會很大，按照我國電力部門要求，該值不大于20 A。隨著經(jīng)濟發(fā)展，城市電網(wǎng)負荷急劇增長，10 kV電網(wǎng)大多已改用低電阻接地系統(tǒng)，其接地故障電流可高達千安。如發(fā)生電擊危險，易在低壓側(cè)造成嚴重危害。

10/0.4 kV變電所既是10 kV系統(tǒng)的負荷端，同時也是低壓系統(tǒng)的電源端。當10/0.4 kV變電所內(nèi)高壓側(cè)（包括高壓開關柜、高壓線路、變壓器等）發(fā)生接地故障時，如低壓側(cè)為TN系統(tǒng)，將因接地系統(tǒng)連接方式的不同，低壓系統(tǒng)內(nèi)出現(xiàn)不同的工頻應力電壓和工頻故障電壓。其中工頻故障電壓U指低壓系統(tǒng)在故障持續(xù)時間內(nèi)工頻故障電壓；工頻應力電壓1為變電所內(nèi)低壓配電裝置帶電導體與裝置外殼之間的電壓。工頻應力電壓2指的是變電所外低壓裝置、用電設備帶電導體與裝置外殼導電部分之間的電壓。

圖3 TN系統(tǒng)中線路故障電壓傳導引起電擊事故

2.3.1 高低壓側(cè)接地共用時

如圖4所示，10 kV側(cè)發(fā)生接地故障，高壓側(cè)裝置外殼電壓升高，由于高壓側(cè)接地電阻R與低壓側(cè)接地電阻RB相連，變電所內(nèi)低壓側(cè)中性點及PEN線、PE線對地電位同時升高，不存在電位差，因此工頻應力電壓1和2都維持在U0，低壓電氣裝置外殼工頻故障電壓U=R×I，由于I可達千安，因此U也可能達數(shù)千伏。

圖4 高低壓采用共用接地條件下TN系統(tǒng)的電擊危險

當?shù)蛪弘姎庋b置位于建筑物內(nèi)，因有等電位聯(lián)結(jié)，不論工頻故障電壓U值有多高，建筑物內(nèi)人體可同時觸及的導電部分都處于同一U電位水平上，電位差為零，自然也不至于引起人身電擊事故，設備和線路絕緣也不會因過電壓沖擊而造成損壞。

但如果給室外無等電位聯(lián)結(jié)的設施供電，由于人體站立的戶外地面為0電位，當接觸到這高達數(shù)千伏的接觸電壓時，在干船塢這種潮濕場所，人身電擊致死的危險性極大。問題還在于一旦發(fā)生電擊事故，事故的原因還很難查清。因變電所10 kV側(cè)接地故障電流很大，事故發(fā)生后10 kV故障回路的繼電保護迅速動作切斷電源，電擊部位也不再呈現(xiàn)U電壓，這樣就無法查清溯源總結(jié)教訓了。

2.3.2 高低壓側(cè)接地分隔時

如圖5所示，10 kV側(cè)發(fā)生接地故障，高壓側(cè)裝置外殼電壓升高，由于高壓側(cè)接地電阻R與低壓側(cè)接地電阻R分設，變電所內(nèi)低壓側(cè)中性點及PEN線、PE線對地電位并不升高，因此工頻應力電壓1=R×I+0、2=0，低壓電氣裝置外殼工頻故障電壓U=0。這種情況下，變電所高壓側(cè)故障產(chǎn)生的工頻故障過電壓U不會傳導到低壓電器裝置的外露導電部分上而引起電擊事故，但卻存在電氣裝置內(nèi)電氣設備和線路的對地絕緣被應力電壓1擊穿的危險，從而引起設備損壞和電氣短路火災，特別是電弧性接地故障火災。

圖5高低壓分別采用接地條件下TN系統(tǒng)的電擊危險

為避免以上事故，如切斷電源時間能控制在5s內(nèi)時，就應控制I和R乘積不大于1200 V。一般說來，如利用變電所所在建筑物內(nèi)的總等電位聯(lián)結(jié)的基礎鋼筋、金屬管道、電纜金屬護套等自然接地體作接地極，R不難達到1 Ω甚至0.5 Ω。IEC標準曾規(guī)定，如R為1 Ω或變電所接埋地的高低壓電纜總長度超過1 km，利用其金屬護套作接地極，I和R乘積不大于1200 V就可滿足。因此，這種情況下，只需對系統(tǒng)設備及線路的絕緣進行持續(xù)的關注即可。

需要注意的是高低壓側(cè)兩個獨立的接地極的設置方法，此時應從變壓器中性點套管引出的PEN線包以絕緣，從低壓配電柜內(nèi)與框架絕緣的PEN線母排引出一單芯絕緣電纜作為接地線在戶外距變電所設備外殼的保護接地R至少20 m處另打變電所低壓側(cè)系統(tǒng)接地極R，以實現(xiàn)變電所電氣上互不影響的兩個獨立的接地[3]。

2.4 小結(jié)

從以上分析可以看出，干船塢由于無法實現(xiàn)等電位聯(lián)結(jié)，設計中采用TN系統(tǒng)，高低壓側(cè)如接地共用時，高壓側(cè)發(fā)生接地故障引起的工頻故障電壓易帶來嚴重的過電壓危害。高低壓側(cè)如接地分隔時，雖不至給低壓側(cè)帶來過電壓等傷害，但對于低壓側(cè)而言，始終存在故障電壓串擾至非故障回路引起的電擊隱患。

因此《干船塢設計規(guī)范》第10.6.1條低壓接地系統(tǒng)宜采用TN-C-S制，和第10.5.3條要求船塢上沿照明燈具加PE線都是欠妥當?shù)摹Ｍ瑫r，該設計規(guī)范第10.6.3條還規(guī)定高桿燈應單獨設接地裝置，這就推薦同屬低壓配電的高桿燈采用TT接地形式，這又與該規(guī)范要求采用TN系統(tǒng)也是相矛盾的。

3 開關極數(shù)的設置問題

在TN-C-S系統(tǒng)中，故障情況下戶外傳導電壓進入建筑物后，由于等電位聯(lián)結(jié)的作用，建筑物內(nèi)實施了總等電位聯(lián)結(jié)使金屬結(jié)構(gòu)、管道等與PE線互相連通，N線又與PE線連接，因此都處于同一Uf電壓水平上，維修人員觸及中性線時不存在電位差，不可能發(fā)生電擊事故。因此在具備總等電位聯(lián)結(jié)作用下的TN-C-S或者TN-S系統(tǒng)內(nèi)采用三極開關就可以了。但對于如干船塢這種戶外未實施等電位的情況下發(fā)生故障，如圖6所示。因系統(tǒng)中性點升高I×R，理由同PE線，N線也將傳導U高電位，而此時操作人員處于0電位，這種傳導電壓將對人造成傷害。所以在無總等電位聯(lián)結(jié)場所為保護維修人員的人身安全是需要裝設四極開關的，因此，《干船塢設計規(guī)范》中第10.4.1條強調(diào)采用三極開關也是不合適的。

圖6戶外無總等電位聯(lián)結(jié)場所應采用四極開關

4 系統(tǒng)兼容性的問題

為滿足其自身高安全、連續(xù)、可靠供電的特點，船舶及浮塢門內(nèi)供電采用三相三線不接地型式，設備設置絕緣監(jiān)視裝置，自動監(jiān)測系統(tǒng)絕緣水平險情并及時發(fā)出報警信號。船舶及浮塢門取外殼的電位為參考電位，外殼與海水接觸再和大地相連，這樣既實現(xiàn)了船體的等電位聯(lián)結(jié)也實現(xiàn)了保護接地。因此，為保證電氣系統(tǒng)安全，對船舶及浮塢門岸基必須采取IT系統(tǒng)供電。同時由于船舶負荷變化懸殊，岸電需要采取有載調(diào)壓變壓器供電[1～2]。而考慮供電安全性和可靠性，IT系統(tǒng)在無法監(jiān)測中性導體接地故障的條件下一般不配出中性線，但許多電焊機取電卻需要使用中性導體，因此第10.4.4條規(guī)定電焊機電源自船用電接電箱引接是不合理的。

5 結(jié)語

干船塢由于其工藝特點，負荷種類復雜，用電安全性和可靠性高，屬于難以實施等電位聯(lián)結(jié)的室外場所。采用TN系統(tǒng)供電時，高低壓側(cè)絕緣破損、單相短路等故障容易引入工頻過電壓，導致設備線路絕緣擊穿、人身電擊傷害等事故。為保證用電安全和供電可靠，對于船塢規(guī)范建議修改如下：

1) 第10.4.1條，“電源接電箱的電源為380 V/220 V時，開關應采用三極開關”予以刪除；

2) 第10.4.4條，“電焊機電源接電箱當容量滿足時，宜兼作50 Hz船用電接電箱用”應調(diào)整為“電焊機電源接電箱不應與船用電接電箱共用”；

3) 第10.5.3條中刪除“且應加PE線” ；

4) 第10.6.1條，“低壓接地系統(tǒng)宜采用TN-C-S制”調(diào)整為“低壓接地系統(tǒng)的選擇應考慮工頻故障電壓的防護”。

世界上沒有十全十美的電氣系統(tǒng),在設計過程中，應結(jié)合工程工藝特點、地理環(huán)境、使用方式、負荷類別進行認真分析，確定技術(shù)經(jīng)濟比高的電氣設計方案。

[1] 楊金成, 徐正喜. 艦船交流岸電電源剖析[J]. 中國造船, 2005 (3): 50-55.

[2] 鄭永高. 港口碼頭岸電系統(tǒng)設計探討[J]. 建筑電氣, 2021.

[3] 王厚余. 低壓電氣裝置的.設計安裝和檢驗.北京：中國電力出版社, 2020.

Discussion on Electrical Clauses in

Ding Jianxing, Feng Wei

(PLA Unit of 92942, Beijing 100161, China )

U673

A

1003-4862（2021）11-0053-04

2021-08-19

丁建興（1975-），男，高級工程師。研究方向：電氣工程。Email：dingjianxing@sina.com