城市轨道交通照明单相接地故障实例分析

嵇旺旺 廖大鹏

（中铁大桥勘测设计院集团有限公司华东分公司，江苏 南京 210000）

0 引言

在城市轨道交通快速发展的今天，地铁作为现代化的交通工具，扮演着不可或缺的角色。电气照明是地铁低压配电设计的重要组成部分，新建地铁站设计动力与照明时，电气设计师应首先考虑安全、低碳的设计原则。

地铁站内电气照明主要分为公共区照明及设备区照明，其中，公共区作为地铁站的人员密集场所，其照明设计的安全性尤为重要。GB 50054—2011《低压配电设计规范》第6.1.1条规定，“配电线路应装设短路保护和过负荷保护”[1]；GB 55024—2022《建筑电气与智能化通用规范》第4.5.1条规定，“照明配电终端回路应设短路保护、过负荷保护和接地故障保护”（强制性条文）[2]。相比于GB 50054—2011，GB 55024—2022中针对照明配电终端回路增加了接地故障保护。

地铁公共区电气照明设计特点如下：线路较长；电缆截面较小；配电系统采用TN-S接地形式；装修灯具的电压等级一般采用单相220 V，若发生故障，即为单相接地故障。本文将通过实例计算分析线路较长的情况下，照明配电回路的保护电器能否满足接地故障保护的要求。

1 间接接触防护

地铁站内装修灯具的安装高度一般都超过2.5 m，该高度已经超过人手直接接触范围。在其他辅助物（比如金属梯子、长条形金属工具等）的帮助下，当灯具外壳带电时，发生人身电击的危险就会提高。因此，除了装修灯具外壳采用绝缘材料作为直接接触防护，照明配电线路还应采用间接接触防护。

1.1 保护电器的动作特性

GB 50054—2011《低压配电设计规范》第5.2.8条规定[1]，TN系统中配电线路的间接接触防护电器的动作特性，应符合下式的要求：

式中：ZS为接地故障回路的阻抗；Ia为保证间接接触保护电器在规定时间内切断故障回路的动作电流；U0为相导体对地标称电压。

接地故障回路的阻抗包括变压器阻抗、自变压器至接地故障处相导体、保护导体或保护接地中性导体的阻抗、故障点阻抗（TN系统故障电流大，故障点一般被熔焊，可忽略不计）。

GB 50054—2011《低压配电设计规范》第6.2.4条规定[1]，当短路保护电器为断路器时，被保护线路末端的短路电流不应小于断路器瞬时或短延时过电流脱扣器整定电流的1.3倍。由式（1）可得保护电器的动作特性和短路电流之间的关系为：

式中：Id为被保护线路末端的短路电流；Iset2为断路器的短延时过电流脱扣器整定值；Iset3为断路器的瞬时过电流脱扣器整定值。

1.2 最小接地故障电流及最大允许电缆长度

当配电箱、照明设施、线路确定好之后，根据《工业与民用供配电设计手册》（第四版）可近似计算出最小接地故障电流[3]：

式中：U0为相导体对地标称电压；S为相导体截面积；ρ为20 ℃时的导体电阻率；m为材料相同的每相导体总截面积与PE导体截面积之比；L为电缆长度（本实例中仅考虑照明配电箱至照明灯具的电缆，不考虑变电所至照明配电箱的距离）；k1为电缆电抗校正系数；k2为多根相导体并联使用的校正系数。

式（3）经过变换后，即可得到最大允许电缆长度：

当采用断路器作为配电线路的保护电器时，式（4）中最小接地故障电流Ik须大于断路器的瞬时过电流脱扣器整定值Iset3。考虑断路器的动作误差系数krel及动作系数kop后，式（4）可变换为：

确定好断路器的额定电流In后，根据所选电缆截面积，即可计算出照明回路发生单相接地故障时，如采用断路器作为间接接触防护，其最大允许的电缆长度值。

2 实例验证及分析

本实例以南京地铁某站台为参考，具体设计相关数据如下：站厅层照明配电室内照明配电箱至车站有效站台中心里程处灯具距离约为100 m，敷设的导线为WDZB1-BYJ-3×2.5 mm2。该条照明配电回路中，设计人员采用的保护电器为不带剩余电流保护的C16A的微断，瞬时过电流脱扣器整定值Iset3为10倍In。地铁站变电所内变压器为SCB13-1000 kVA，Dyn11，10/0.4 kV，Uk=6%。变电所至照明配电室的距离为50 m，照明配电箱进线电缆为WDZB1-YJY-4×25+1×16 mm2。变压器高压侧系统最大短路容量为100 MVA。

2.1 最大电缆长度验证

首先验证照明配电线路的最大允许长度。电源侧阻抗系数取0.9，发生单相接地故障时，U0为220 V，铜导体电阻率ρ为0.0184 Ω·mm2/m，断路器的瞬时过电流脱扣器整定值Iset3取160 A，动作误差系数krel取1.2，动作系数kop取1.1，电缆电抗校正系数k1取1，并联导体的校正系数k2取1。将设计数据代入式（5）后，计算可得照明配电线路最大电缆长度L为42.46 m＜100 m。

由以上计算可以看出，当发生单相接地故障时，若断路器和导线截面积的规格固定，配电线路允许的最大长度远小于配电线路的实际长度。在这种情况下，根据GB 55024—2022《建筑电气与智能化通用规范》4.5.1条文说明[2]，应校验断路器的接地故障保护的灵敏度。

2.2 接地故障灵敏度校验

照明配电线路末端单相接地故障电流采用《工业与民用供配电设计手册》（第四版）中方法[3]计算：

式中：c为电压系数；Un为标称线电压；Zphp为接地故障回路的总相保阻抗；Rphp.s、Xphp.s为高压侧系统相保电阻及相保电抗；Rphp.T、Xphp.T为变压器相保电阻及相保电抗；Rphp.m、Xphp.m为变压器低压侧母排相保电阻及相保电抗（一般较小，忽略不计）；Rphp.L、Xphp.L为低压配电线路相保电阻及相保电抗。

照明配电线路发生单相接地故障时，故障回路所涉及的系统、变压器、母线、低压线路的相保电阻及相保电抗示意如图1所示。

图1 照明配电线路相关的相保电阻和相保电抗

本实例中，电压系数c取1，Un取380 V，Rphp.s取0.11 mΩ，Xphp.s取1.06 mΩ，Rphp.T取1.4 mΩ，Xphp.T取9.1 mΩ，变压器至照明配电箱Rphp.L1取2.699×50=134.95 mΩ，Xphp.L1取0.201×50=10.05 mΩ，照明配电箱至照明灯具Rphp.L2取20.64×100=2064 mΩ，Xphp.L2取0.2×100=20 mΩ。将数据代入式（6）后，计算可得Zphp为2.2 Ω，Id为99.72 A。

由以上计算可以看出，当照明配电线路采用C16A的微断时，Id＜1.3Iset3=208 A，由式（2）可知，当发生单相接地故障时，若断路器和导线截面积的规格固定，断路器的灵敏度达不到要求，不能够起到保护作用。

2.3 改进措施

地铁站台内装修灯具、照明配电箱、电缆桥架位置确定后，电缆长度已基本确定，很难再做更改。由式（3）可以看出，若要提高最小接地故障电流，可以做的调整为增加相导体截面积S、减小断路器的瞬时过电流脱扣器整定值Iset3。

除此之外，GB 50054—2011《低压配电设计规范》第5.2.13条规定[1]，“TN系统中，配电线路采用过电流保护电器兼作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，应采用剩余电流动作保护电器”。

下面分别验证这三种情况的改进措施是否可行。

2.3.1 增加相导体截面积S

由式（5）可变换出相导体截面积S的公式为：

根据前述计算条件，当导线长度为100 m时，最小电缆截面积为5.9 mm2。由常用线缆规格可知，采用的最小截面积导线应为WDZB1-BYJ-3×6 mm2。因地铁照明设计中，照明回路较多，增大铜导体截面积会大幅度提高工程的经济预算，故此方法理论可行，但实施可能性不大。

2.3.2 减小断路器瞬时过电流脱扣器整定值Iset3

由式（5）可变换出断路器瞬时过电流脱扣器整定值Iset3的公式为：

根据前述计算条件，当导线截面积为2.5 mm2时，最大断路器瞬时过电流脱扣器整定值Iset3为67.9 A。当采用C型脱扣曲线的断路器，脱扣倍数为10In时，断路器的额定电流可选用1、2、3、4、6 A；当采用B型脱扣曲线的断路器，脱扣倍数为5In时，断路器的额定电流可选用1、2、3、4、6、10、13 A。此方法可实施，但选用断路器的额定电流In时，还应考虑照明配电电路的计算电流Ic和导线的载流量Iz，须保证Iz≥In≥Ic。

2.3.3 采用剩余电流动作保护电器

GB 55024—2022《建筑电气与智能化通用规范》第4.6.5条规定[2]：当采用剩余电流动作保护电器作为电击防护附加防护措施时，额定剩余电流动作值不应大于30 mA。

根据前述计算条件，由2.2计算可知，发生单相接地故障时，故障回路的阻抗Zphp保持不变，仍为2.2 Ω，剩余电流动作保护电器的动作电流Ia取值为30 mA，接触电压Uf取值为不大于50 V。计算可得Zs×Ia=2.2×0.03=0.066 V，由式（1）可知0.066 V＜50 V，当采用带剩余电流动作保护的断路器时，完全能够满足间接接触防护的要求。

3 城市轨道交通照明配电探讨

从上述实例验证及分析可以看出，当配电线路较长，接地故障电流较小，间接接触防护电器难以满足接地故障保护灵敏度的要求时，可以采用两种思路解决：一是提高最小接地故障电流，二是采用带接地故障保护的电器。

提高最小接地故障电流的方法中加大相导体及保护接地导体的截面积，或将保护接地导体的截面调整为与相导体截面一致[4]，对于截面积较小的电缆和穿管绝缘线，该措施可行，但会增加电缆投资。另一种是减小断路器瞬时过电流脱扣器整定值，在满足计算电流和导线载流量的情况下，可以采用B型脱扣曲线的断路器或减小断路器额定电流值。

接地故障保护并不一定要采用带剩余电流动作保护的电器，断路器在其接地故障允许保护线路最大长度内是可以兼任短路保护、过负荷保护和接地故障保护功能的。但如果断路器保护线路长度大于其接地故障允许的最大长度，则应校验断路器接地故障保护的灵敏度，灵敏度不够时，可采用剩余电流动作保护电器作接地故障保护[2]。照明配电线路的剩余电流值建议选择30 mA[5]。

4 结束语

地铁装修照明配电设计的时间节点一般会早于装修单位照明灯具深化设计，设计人员在前期考虑大功率灯具的情况下，会提高断路器的额定电流值。因此在装修单位提供照明深化图之后，设计人员应根据灯具至照明配电箱的线路长度，验证保护电器单相接地故障的灵敏度，以决定是否采用剩余电流动作保护。

照明电气设计的安全性是新规范GB 55024—2022《建筑电气与智能化通用规范》实施以来的首要考虑因素[2]，设计人员应本着严谨的设计态度，严格执行规范，以确保人员的生命、财产安全。