公路隧道機電接地故障及靈敏度分析

劉勇健 王秀英

（1.四川省公路規劃勘察設計研究院有限公司，四川 成都 610041；2.四川交投設計咨詢研究院有限責任公司，四川 成都 610041）

0 引言

隧道機電設施絕大部分是Ⅰ類設備，當其絕緣損壞或失效發生接地故障時，不帶電的電氣設備的外露可導電部分會對地有故障電壓，人接觸此故障電壓就可能遭受電擊，發生心室纖維性顫動導致電擊死亡。設計中一般采用變電所低壓配電柜上或隧道配電箱的斷路器的過電流保護器兼作接地故障防護，須在規定的時間內切斷電源，保護操作人員的安全，防止配電線路和電氣設備過熱而引發電氣火災。

隧道機電接地系統由隧道洞口變電所的接地系統和隧道內接地系統組成。當變電所各饋線回路均采用多芯電中的一芯線作為PE導體時，此時隧道機電接地為TN-S系統。當變電所各饋線回路從變電所到隧道內配電箱用電纜護套、電纜鎧裝托金屬外護物或框架作PE導體時，需要滿足文獻[1]中543.2條相關要求，首先保證電氣連續性，其次PE導體最小截面滿足要求。當滿足上述要求時為TN-S系統；當不能滿足要求或未采用PE導體時，此時變電所接地網與隧道接地網無電氣聯系，此時為TT系統。

隧道機電負載特征為回路負荷容量較小，電纜較長。本文給出隧道機電配電系統實際典型工程案例，效驗電纜遠端發生接地故障時過電流保護器的靈敏度，當不能滿足要求時，應采取何種措施，保證人身安全和防止電氣火災的發生。

1 接地故障等值模型

當某回路發生相線與設備外露可導電部分或相線與PE線之間發生短路，TN-S系統、TT系統故障電流的流向分別見圖1、圖2所示。

圖1 TN-S系統接地故障回路示意圖

圖2 TT系統接地故障回路示意圖

由回路中的保護電器切斷電源提供該回路的防電擊保護，其動作特性應滿足式（1）要求。

式中：

Zs——故障回路的阻抗（Ω），包括電源、電源至故障點相導體、故障點至電源PE導體的阻抗；

Ia——保護電器在規定時間內切斷電源的動作電流，A；

U0——相線對地標稱電壓，V。

TN-S系統中發生接地故障時，故障回路阻抗為

式中：

ZT——低電源系統和變壓器阻抗；

Zab——低壓配電柜至隧道洞口相線阻抗；

Zbc——隧道洞口至配電箱相線阻抗；

Zcd——配電箱至設備相線阻抗；

Zde——設備至配電箱PE線阻抗；

Zef——配電箱至隧道洞口PE線阻抗；

Zfg——隧道洞口至變電所PE線阻抗；

RA——隧道接地電阻；

RB——變電所接地電阻。

TN-S系統PE線和相線同路徑敷設，電纜截面較小，可以忽略電抗，只計入回路中的電阻。

TT系統中發生接地故障時，故障回路阻抗為：

TT系統中多回路采用扁鋼作為共用PE導體時，回路阻抗需要計算扁鋼的零序電阻和零序電抗，電感計算式：

式中：

L——回路電感，H；

μ0——空間磁導率，H∕m；

D——扁鋼與回路導體間的距離，m；

l——扁鋼長度；

R——扁鋼斷面等效半徑。

2 TN-S系統接地故障分析

2.1 TN-S系統典型案例

典型照明和通風回路功率、電纜長度、電纜截面見表1。

表1 典型電纜選擇表

2.2 TN-S系統接地故障電流計算

本案例故障點遠離配電變壓器，線路截面較小，電源側阻抗系數取0.95，最小故障電流Id近似式為：

電壓取相對地標稱電壓220V。

表2給出典型案例中線路末端發生接地故障時的故障電流值。

表2 線路末端接地故障電流 A

2.2 TN-S系統接地故障靈敏度分析

當采用斷路器的瞬時脫扣電流作防護時，需要考慮可靠動作系數取1.3。表3給出典型案例中斷路器可靠動作電流。

表3 斷路器整定電流和可靠動作電流 A

風機回路采用變電所配電柜上斷路器QF1作保護，37kW風機瞬動電流整定為1000A，斷路器作接地故障保護時，可靠動作電流需要1300A，所有風機回路均不能滿足用斷路器瞬動作電纜末端接地故障靈敏度要求。

照明回路采用隧道內配電箱微斷QF3作保護，采用微型斷路器進行分析。照明回路1能滿足用斷路器瞬動作電纜末端接地故障靈敏度要求。照明回路2不能滿足用斷路器瞬動作電纜末端接地故障靈敏度要求。

2.3 TN-S系統共用PE線

隧道照明回路在隧道內通常采用橋架和線槽敷設，并靠近安裝，采用同路徑中最大PE線作為共同保護接地導體。

為簡化計算，根據文獻[2]中公式（11.2-7），將計算接地故障電流轉化為計算電纜長度，表4給出典型案例用斷路器作間接接觸防護時銅芯電纜最大允許長度。

表4 TN-S系統銅芯電纜最大允許長度 m

從表4可看出，通過采用增大截面的方法提高接地故障靈敏度，經濟性不佳。

在文獻[3]的5.2.13條規定，TN系統中，當采用配電線路的過電流保護器兼作間接接觸防護，其動作特性不滿足靈敏度要求時，應采用剩余電流動作保護。

3 TT系統接地故障分析

圖3中若采用TT系統，發生接地故障時，故障電流途徑為低壓柜相線導體至設備，又從設備處的共用PE導體回到洞口，經洞口重復接地電阻RA和電源端接地電阻RB回到電源端。通常采用RCD作防護，滿足下式：

式中：

RC——外露可導電部分接地極和保護導體的電阻之和，Ω；

IΔn——RCD的額定剩余動作電流，A；

若使用多級RCD作保護時，要做好RCD的動作電流和動作時間的配合。

4 剩余電流保護器

當RCD整定為300mA時，RC包括隧道重復接地電阻和隧道PE線電阻值，很容易滿足式（6）。

RCD有很高的接地故障防護靈敏度，但其應用也有局限性。RCD由于種種原因可能拒動，需要實施局部等電位聯結作附加防護。為避免停電造成大的經濟損失和人員傷亡，如隧道內應急照明、消防風機等負荷，應裝設報警式RCD，為了保證人身安全，需要減少接觸電壓，應輔以接地和等電位聯結，才可以收到更好的防電擊效果。

5 等電位聯結

文獻[4]表2c給出了流過人體交流電流（50∕60HZ）發生心室纖維顫動的長持續時間的交流接觸電壓閾值，考慮到隧道有可能是潮濕環境，本文中取25V作為安全接觸電壓。

式中：

R——可同時接觸的外露可導電部分和裝置外可導電部分之間，故障電流產生的電壓降引起接觸電壓的一段線路的電阻；

Ia——保證間接接觸保護電器在規定時間內切除故障回路的工作電流，取瞬動工作電流的1.3倍。

當線路末端設備發生接地故障時，故障電流從相線到設備，再沿PE線回到配電箱。當設備上的接觸電壓大于25V時，需要將回路的PE線與等電位聯結扁鋼作聯結，降低接觸電壓。表5給出用斷路器瞬動電流作間接接觸防護PE線的最大允許長度，表中截面為銅線，若為扁鋼時，需要將截面換算為銅芯截面。

表5 等電位聯結后PE導體最大長度 m

當線路長度超過表5中要求時，需要作重復接地，降低接觸電壓。

6 結束語

在TN-S和TT系統中，隧道機電設施采用變電所低壓配電柜斷路器或隧道內配電箱中的微型斷路器作接地故障保護時，需要根據電纜相線截面和PE導體截面計算線路末端短路時的故障電流，當斷路器靈敏度不滿足要求時，可以加大相線和PE導體截面，減少接地故障回路電阻，可以增大接地故障電流。當采用加大截面的經濟性較差時，應增加剩余電流保護RCD。由于種種原因RCD拒動，應同時輔以等電位聯結減小接觸電壓至安全電壓。PE導體截面選擇兼顧接地故障靈敏度、等電位聯結和重復接地，達到最佳性價比。