地铁低压配电设计问题研究

刘 艺

(中铁第六勘察设计院集团有限公司， 天津 300308)

0 引言

目前，我国的城市轨道交通正处于快速发展阶段。在地铁工程的供配电设计中，低压配电设计的质量关系到机电设备能否安全、可靠地运行。

我国的电气规范比较多，既有国家标准，又有行业标准、地方标准，并且规范标准之间存在不一致的情况比较常见。地铁电气设计人员在工作中对规范条文的理解及执行情况有较大差别，导致国内地铁低压配电设计方案不统一，不同地区的项目或不同设计院的人员在设计细节方面差别比较大。许多设计人员进行等电位联结设计时，没有把握住其设计要点“等电位”，将不同区域的局部等电位联结板(LEB)互联在一起并敷设接地电缆至接地母排，把与车站接地装置的可靠连接作为局部等电位联结的设计关键点；进行安全特低电压(SELV)照明配电设计时，没有考虑地铁工程中管线数量多、安装空间非常有限的特点，不合理地选用可导电的金属型线路保护管；进行电涌保护设计时，没有掌握电涌保护的基础理论知识，电涌保护器(SPD)的试验类别及脱离器的选择不合理；配电箱的进线开关习惯性地选用断路器，不重视隔离开关的应用，增加了投资，劣化了配电系统的保护性能，并降低了隔离功能；在进行长大地铁区间配电设计时，经常存在保护电器的设置问题，配电回路的接地故障保护灵敏度不满足规范要求，存在电气安全问题。笔者结合自己多年的工作经验，依据中国、欧洲的电气标准，针对这些典型问题案例进行研究，提出相应的解决方案，以期为同行提供参考，进一步提高地铁工程设计中的低压配电设计技术水平。

1 地铁车站等电位联结设计问题

地铁工程中，等电位联结设计方面目前主要存在以下2个问题。

1.1 不同区域内的LEB互联

在地铁机电接地设计图中，经常人为地将各个设备房间内的LEB互联在一起，如图1所示。

图1 LEB互联示意图

此方法存在故障电压传递问题，即当其中一个房间内的配电线路发生接地故障，出现对地故障电压时，该故障电压可以沿LEB之间的互联线路传递至其他房间内。例如： 图1中配电室内的某个配电线路发生接地故障时，配电室LEB的对地电位Uf很可能大于AC50 V(图1中的LEB未连接结构钢筋)，水泵房LEB、风机房LEB、洗手间LEB等的对地电位也为Uf，并且此故障电压会沿风管、水管等的外露可导电部分传递至公共区内。在水泵房、风机房、洗手间等房间内，即使没有发生配电线路接地故障，人一旦接触这些区域内的外露可导电部分仍然存在被电击的可能。因此，该局部等电位联结方法人为地增加了电击事件出现的概率。

局部等电位联结需要按区域设置[1]。对于地铁工程，水泵房、风机房、配电室等设备房间内应分别设置相对独立的LEB，不需要人为地将LEB互联在一起，如图2所示。此方法既能实现局部等电位联结的作用，又能避免故障电压传递问题。

图2 LEB独立设置示意图

1.2 LEB未与结构钢筋连接

局部等电位联结的另一个常见问题是LEB连接至接地母排，没有就地连接结构钢筋，如图1所示。设计人员经常误认为与接地网连接，就能实现LEB的对地电位保持为零电位。但发生接地故障时，LEB的对地电位并不是零电位，往往是超过50 V的危险电位。因此，LEB连接至接地母排PSCE的电缆实际作用很小。

某个回路(该回路的PE线与LEB联结)发生单相接地故障时，距离LEB与结构钢筋连接点的位置越远，地电位就越小，如图3所示。LEB只有就近与结构钢筋联接，才能可靠地实现电击防护的作用。

O为LEB与结构钢筋连接点；l为人站立处与O点之间的水平距离，l3>l2>l1;U为人站立处的地电位，U3

图3接地故障时的地电位分布示意图

Fig. 3 Sketch of ground potential distribution in case of ground fault

2 安全特低电压(SELV)照明线路保护管选用问题

地铁工程中站台板下层或电缆夹层内照明灯的配电回路一般采用AC36 V或AC24 V的SELV回路[2]，并在SELV[3]照明配电箱中设置安全隔离变压器。在一些地铁车站照明施工图设计中，存在SELV回路线路保护管选用金属管的不合理做法，如图4所示(图4中SELV回路线路穿镀锌钢管SC25敷设)。

图4 SELV照明配电箱

依据GB/T 16895.21—2011《低压电气装置第4-41部分： 安全防护 电击防护》[4]中的414.4.4条款，SELV回路内的外露可导电部分不得与地、保护导体以及其他回路的外露可导电部分作电气连接。地铁车站管线种类及数量很多，并且管线安装空间非常有限，很难避免SELV回路线路保护管与地或其他管线接触。因此，图4中的穿钢管敷设方式存在电气安全问题。

在地铁工程中，SELV回路线路应穿绝缘管(如阻燃型PE管等)敷设，以避免此类问题，可靠地实现SELV保护的作用。

3 配电箱进线开关电器的选型问题

在城市轨道交通设计行业，“抄图”现象普遍存在，设计人员在“具体问题具体分析”方面做得还不够好，在配电箱进线开关电器选型方面存在以下常见问题。

3.1 不重视隔离开关的应用

对末端配电箱的进线开关电器选型时，设计人员习惯性地选用断路器，如图5所示。

图5 配电箱(选用断路器)

地铁工程中，低压配电以放射式配电方式为主。图5中的进线开关电器选用断路器，人为地增加了保护层级，并导致配电电缆截面积较大；另外，低压开关柜中的断路器保护灵敏度较低(见表1)。

当进线开关电器选用隔离开关[5]时(见图6)，可以减少保护层级，从而降低投资；同时，可以提高上级断路器的保护灵敏度(见表1)。因此，末端配电箱的进线开关电器选用隔离开关是非常合理的。

表1 断路器方案与隔离开关方案对比

注： 三相短路点和接地故障点均按在配电箱进线处考虑。

图6 配电箱(选用隔离开关)

3.2 断路器的极数选择问题

在地铁车站低压配电设计中，设计人员经常不合理地选用断路器的极数(3P或4P)。

1)需要选用3P型断路器的情况，却选用4P型断路器。例如： 车站内双电源切换箱的进线断路器选用4P型，如图7所示。

图7 双电源切换箱(选用4P型断路器)

2)需要选用4P型断路器时，却选用3P型断路器。例如： 区间或地面配电箱的进线断路器选用3P型，如图8所示。

上述2种情况的断路器极数选择均不合理，会增加断零风险[7]或存在电气安全问题。断路器极数的选择不仅与0.4 kV系统的接地型式有关，而且与使用环境场所密切相关，需要具体问题具体分析，不能一概而论。

图8 地面建筑配电箱(选用3P型断路器)

地铁工程中，高压、低压共用接地装置[8](见图9)，35 kV系统为小电阻接地系统，0.4 kV配电系统为TN-S系统；地铁车站内，设置总等电位联结。

图9 高压系统与低压TN-S系统共用接地装置

由图9可知，当35 kV系统发生接地故障时，0.4 kV系统中的N导体对地电位为Uf；由于地铁车站内设置了总等电位联结，地铁车站结构钢筋网的对地电位也为Uf，N导体与结构钢筋网之间的电位差为0。0.4 kV配电系统内部发生接地故障时，N导体与结构钢筋网之间的电位差几乎为0；当发生直接雷击时，N导体与结构钢筋网之间的电位差为0。另外，当相导体被断开时，N导体中也就不存在负荷电流了。

综上所述，设置在车站内的配电箱进线断路器选用3P型就能满足安全要求，不需要选用4P型；对于地面上或区间内的场所，由于35 kV系统发生接地故障或发生直接雷击时，0.4 kV系统中的N导体与人所在位置地面的电位差比较大(超过安全电压AC50 V)，设置在地面或区间内的配电箱进线断路器需要选用4P型以确保检修人员的安全。

4 电涌保护器(SPD)的应用问题

低压配电设计图中，设计人员对低压SPD的应用方面存在以下2个问题，严重降低了SPD的保护效果。

4.1 SPD的试验类别选择问题

在配电箱设计图中，经常存在SPD的试验类别或试验波形选择不合理的情况，如图10所示。

图10 照明配电箱

由图10可知，此照明配电箱中设置有地徽、站名牌等室外设施的配电回路，但是SPD选用的是T2试验类别。依据国家标准[9]，选择SPD 时，对电阻性耦合(即接地电阻上的反击)雷电流波形应按10/350 μs 波形考验，对电感性耦合(如近处落雷引起的电磁感应)应按8/20 μs 波形考验。波形为10/350 μs 的脉冲电流一般用在SPD的Ⅰ级分类试验(脉冲电流)，波形为8/20 μs 的脉冲电流一般用在SPD 的Ⅰ、Ⅱ级分类试验(额定放电电流、最大放电电流)[10]。图10中的地徽、站名牌等室外设施位于LPZ0区，存在遭受直击雷的可能性，SPD需要选用的试验波形为10/350 μs，即T1级试验类别。

4.2 SPD脱离器选用问题

地铁低压配电设计图中，SPD脱离器[11]选用4P型断路器，用于SPD的失效保护，如图10所示。此设计存在以下弊端： 当断路器被错误地断开时，配电系统就失去SPD的电涌保护；断路器用于短路保护的电磁脱扣器为有若干匝数的电感线圈，其串联在回路中，增大了有效电压保护值Up/f。

为解决此问题，在低电涌电流冲击时，SPD脱离器选用熔断器或专用SCB保护；在高电涌电流冲击时，SPD脱离器选用专用SCB保护。

5 长大区间配电回路接地故障保护问题

地铁车站两端区间内用电设备的配电电源引自车站35/0.4 kV变电所的0.4 kV开关柜。区间配电线路的接地故障保护灵敏度校验是一项非常必要的工作，但是设计人员经常不重视这一点。对于较长区间，0.4 kV开关柜馈电断路器的脱扣器选用普通热磁型时，接地故障保护灵敏度很难满足规范[12]要求，无法保证保护电器在规定时间内可靠动作，不能确保电气安全。对于此类情况，馈电断路器可以选用带接地故障保护的断路器[13]，提高接地故障保护灵敏度，满足规范要求。2种断路器方案对比见表2。

表2 2种断路器方案对比

6 结论与建议

本文通过对一些地铁低压配电设计典型问题进行研究，得出以下结论。

1)应相对独立地按区域设置局部等电位联结板(LEB)，不应人为地将不同区域内的LEB互联在一起，LEB应就地连接结构钢筋。

2)在地铁工程中，安全特低电压(SELV)照明线路保护管应选用绝缘型。

3)在选用配电箱进线开关电器时，应重视隔离开关的合理选用；应根据使用场所的具体情况，合理地选择断路器的极数。

4)负责给室外设施配电的配电箱中，电涌保护器(SPD)应选用T1试验类别；SPD脱离器应选用熔断器或专用SCB保护。

5)对于较长区间配电回路的馈电断路器，选用带接地故障保护功能的断路器可以提高接地故障保护灵敏度。

将上述结论应用在地铁工程中，可以提高低压配电设计的电气安全性、可靠性，减少电击事故，并且可以降低工程造价。建议在今后地铁工程设计中进一步完善低压配电设计，合理地选用开关电器，重点校验长距离配电回路的接地故障保护灵敏度。