城际铁路长大区间低压系统单相短路保护及间接接触防护探讨

潘元欣

(中铁工程设计咨询集团有限公司，北京 100055)

1 概述

在民建供配电设计中供电半径通常较短，TN系统配电系统中电源接地和保护接地共用接地装置其单相及接地故障电流回到变压器中性点的阻抗较小，采用D，yn11连接的配电变压器，一般情况下采用过电流保护电器基本能够满足电击防护的要求，但在城际轨道交通项目中，特别是长大区间的长度有时有数公里之多，以区间中点为界，分别由地下相邻车站供电半径也会超过1 500 m，由于区间中的多个低压用电设备距离车站较远，各设备电源就近引自与区间风井合设的跟随所或区间箱式变电站，以某区间内一级负荷专用通信设备(2.0 kW/220 V)为例，该专用通信设备设置在通信综合洞室内，距区间风井跟随所810 m，通过对各短路点的短路电流计算，就线路末端设备发生单相短路时的保护及接地故障时的间接接触防护措施加以讨论［1］。

2 低压系统短路电流计算

区间跟随所负荷统计表如表1所示。

跟随所变压器容量拟选择2×500 kVA，同时为了全面监控和预防电气火灾的发生，拟在跟随所设置了防火剩余电流动作报警系统，各出线回路均设置漏电电流监控装置。采用TN系统供电，末端设通信直放站双电源切换箱［2］，供电距离为810 m时，两路电源的供电电缆选择WDZN-YJY22-1kV-5x16，到末端的专用通信设备的供电电缆选择WDZN-YJY-1kV-3x4，经计算均基本满足电压降及热稳定度要求［1］。TN系统低压网络短路电流计算电路如图1所示。

表1 区间跟随所负荷统计

图1 TN系统低压网络短路电流计算电路

通信直放站双电源切换箱如图2所示，通信直放站双电源切换箱双切机构为PC级［5］，到专网通信设备的断路器选择配电型断路器，整定值为16 A，为满足选择性，由跟随所放射式供电到通信直放站双电源切换箱的2路电源馈出断路器选用整定值为25 A的配电型断路器。由表2看出K3点发生三相短路故障时，I″=257，KLZ3=257/250=1.03＜1.3;K3 点发生接地故障时，Id=82 A，KLZd=82/250=0.328＜1.3，动作灵敏系数均不满足国家标准 GB50054—2011中第6.2.4条的要求。降低断路器间的选择性，跟随所馈出断路器整定值下调为20 A，KLZ3=257/200=1.285＜1.3，KLZd=82/200=0.410＜1.3，动作灵敏系数仍不满足要求［5，7，10］。

为适当增加短路电流值，放大一级供电电缆，电缆采用WDZN-YJY22-1kV-3x25+2x16，重新计算如表3所示。

图2 通信直放站双电源切换箱

表2 低压三相和单相接地故障电流计算(变压器高压侧系统短路容量:200 MVA)(一)

表3 低压三相和单相接地故障电流计算(变压器高压侧系统短路容量:200 MVA)(二)

跟随所的断路器整定值仍按20 A设定，K3点发生三相短路时KLZ3=398.3/200=1.99＞1.3满足要求，但K3点发生单相接地故障时的KLZd=99.8/200=0.499＜1.3仍不满足要求，故存在单相短路、接地故障时的保护盲区，只能由过载保护做近后备保护，对供电安全性极为不利。为满足动作灵敏系数要求，增加电缆截面降低回路阻抗，特别是长大区间内供电半径偏大，必然会增加电缆的投资［7］。但正常情况下作为一级负荷专网通信设备［2］，当线路末端和设备末端出现接地故障时宜按《低压配电设计规范》(GB50054—2011)第5.2.13所述的采用剩余电流动作保护电器保护做间接接触的防护电器方式来切断电源，同时也需按照该规范第5.2.5的要求在末端局部范围内可导电部分做好局部等电位联接，确保通信直放站内局部等电位或辅助等电位联结的有效性，并符合下式的要求

式中 R——可同时触及的外露可导电部分和装置外可导电部分之间，故障电流产生的电压降引起接触电压的一段线段的电阻，Ω;

Ia——保证间接接触保护电气在规定的时间内切断故障回路的动作电流，A。

但由于供电半径过大，在发生单相短路时电流值过小，不足以通过电路上级断路器的瞬时整定实现脱扣来切断单相短路电流，单相短路电流持续时间过长，回路导体产生的异常高温沿供电回路路径烤燃可燃物而引起的电气火灾风险势必增加，下面分别就该设备采用TN系统供电发生单相短路的保护及接地故障时的间接接触防护、TT系统发生接地故障时的间接接触防护加以讨论［6，9］。

3 TN系统发生单相短路及接地故障

3.1 TN系统发生单相短路

对于单相短路故障，即便在线路始端安装了剩余电流保护器，由于相线与N线同时穿过剩余电流保护器的电流互感器，该单相短路电流无法被剩余电流保护器检测到并动作于跳闸来切断电源，单相短路电流将持续存在，如果周围有可燃物并因短路电流存在而蓄积的热量势必会引起火灾的发生。在TN-S系统中，如L3相发生单相短路时，该相电压将降低，L1、L2相电压升高，短路电流Id在流经一段中性线上的电压降ΔUN=Id×ZN，相电压从原来的˙U0升高为˙U0+Δ˙UN，L1与L3间的˙U0与Δ˙UN相位角为120°，由余弦定理可知，过电压˙UTOV当中性线截面为相线截面的1/2时，˙UTOV值为1.45Uo;当中性线截面与相线截面相等时，˙UTOV值为1.32Uo，该过电压的长期存在同样容易导致爬电故障而引发电气火灾［9］。

因此，在设计过程中根据负荷类型及配电回路条件计算确定设备配电回路末端的短路电流，在躲过该设备起动电流的情况下，合理选择不同瞬动倍数曲线的断路器并校验保护的灵敏度，在保证设备正常情况下可靠供电的同时，可以考虑通过适当减小瞬动整定倍数，如选择瞬动倍数为2～4倍的G型曲线的断路器来做单相短路保护时，KLZd=99.8/3×25=1.33＞1.3，动作灵敏系数基本满足要求［3，8］。

3.2 TN系统发生接地故障

根据规范GB50054—2011第5.2.13条，TN系统中，配电线路采用过电流保护电器兼做间接接触防护电器时，其动作特性应符合本规范第5.2.8条的规定，当不符合规定时，采用剩余电流保护器最为有效，但都需设PE线。由表1可以看出，发生接地故障动作灵敏度不满足要求时，采用剩余电流保护器来切断故障回路仍是较为理想的保护措施。

4 TT系统发生接地故障

如果该专用通信设备采用TT系统供电时，由图3可知，当通信直放站双电源切换箱进线处A相发生接地故障，由于TT系统接地故障电流是通过故障点的接地电阻RE和系统接地的接地电阻RB返回电源的，回路阻抗大，使得Id较小，如果线路首端设普通配电型断路器，同样会出现断路器无法可靠动作切断故障回路使得故障长期存在。

图3 TT系统接地故障电压分布

由于RE的阻值的不确定性，如图4所示，回路计算条件暂按RB=0.3RE，系统中性点由图中的O点转移到O'，A相对地电压降低，B相、C相对地电压升高，设备的绝缘因B相、C相对地电压升高而长期承受过电压，会导致绝缘表面击穿产生爬电事故，在这类故障情况下回路电源的线电压和相电压仍然维持在380 V和220 V不变，设备仍然正常工作直到TT系统中其他单相设备发生B相、C相接地故障转化为两相短路时才可被线路首端的断路器切断电源。从Uf=RB·Uo/(RE+RB)来看，RB越小越好。实际上，由于RE的阻值难以确定，很难保证保护导体和与之连接的外露导电部分的对地电压不超过50 V，采用TT系统或局部TT系统以避免PE线传导故障电压造成电击事故［9］。该接地故障可以通过线路首端在跟随所内馈出回路断路器采用RCD，可有效地切除故障回路，通信直放站双电源切换箱中的配电回路设置RCD可以有效地切断发生故障回路，缩小停电范围，作为间接接触防护的RCD设置同样需考虑上下级保护电器之间的选择性［3］。

图4 TT系统接地故障电压矢量

5 结语

通过以上分析可以看出，自动切断电源是间接接触防护的措施之一，特别是发生接地故障动作灵敏度不满足要求时，采用剩余电流保护器来切断故障回路仍是较为理想的保护方式。

对于区间内的设备由于供电半径偏大，单相短路电流较小不满足灵敏性时，除了考虑加大供电电缆截面降低阻抗提高接地故障电流使其满足灵敏度校验外，还可以考虑线路首端断路器选择较小瞬动倍数曲线的断路器来满足灵敏度要求，但此类选择会降低保护的选择性。若在配电回路中有电动机类负荷，还应进一步核算瞬时整定值应躲过电动机的起动电流［4］。

针对现场实际负荷的分类情况选择不同接地系统，根据TN系统及TT系统末端发生单相短路及接地故障时，故障相与正常两相电压变化的特点，可通过模拟计算发生故障的各回路短路电流以及各相电压值的变化，在配电回路首端增加探测器，利用防火剩余电流动作报警系统中的过流保护功能来监测各回路的单相短路及接地故障情况，对不同类型的负荷实现正常情况下与火灾情况下的脱扣与报警，以提高供电的可靠性和灵敏性。

［1］GB50157—2003 地铁设计规范［S］.

［2］TB10008—2006 铁路电路设计规范［S］.

［3］GB50054—2011 低压配电设计规范［S］.

［4］GB50055—2011 通用用电设备配电设计规范［S］.

［5］JGJ16—2008 民用建筑电气设计规范［S］.

［6］GB/T50065—2011 交流电气装置的接地设计规范［S］.

［7］中国航空工业规划设计研究院.工业与民用配电设计手册［M］.北京:中国电力出版社，2005.

［8］《钢铁企业电力设计手册》编委会.钢铁企业电力设计手册［M］.北京:冶金工业出版社，1996.

［9］王厚余.低压电气装置的设计安装和检验［M］.2版.北京:中国电力出版社，2007.

［10］住房和城乡建设部工程质量安全监管司，中国建筑标准设计研究院.2009JSCS—5全国民用建筑工程设计技术措施·电气［Z］.北京:2009.