地铁车站的等电位联结设计探讨

高 婷，厉红星

(中铁隧道勘测设计院有限公司，天津 300133)

地铁车站的等电位联结设计探讨

高 婷，厉红星

(中铁隧道勘测设计院有限公司，天津 300133)

为了探索出合理的等电位联结，降低人在地铁车站中被电击的危险性，分别对目前地铁车站中等电位联结常见的局部等电位端子板连接成环并与接地母排联结、辅助等电位联结、局部等电位联结端子箱与结构钢筋联结3种设计方案进行分析研究。通过计算分析局部等电位端子板连接成环并与接地母排联结设计方案存在的问题，同时分析另外2种设计方案的缺点，结合相关规范要求，提出更合理的等电位联结做法(辅助等电位联结和局部等电位联结相结合的方式)，有效达到电击防护的目的，并得出了各设备房间内的局部等电位联结端子板不应互连成环，且不需另外设置接地电缆与接地母排连接。

等电位联结；地铁车站；保护接地；接地故障

0 引言

由于对电气安全重视不够，我国每年都有数以千计的人死于电击。我国电气安全防护措施和技术与先进国家相比有很大差距，降低电击事故是电气从业人员要研究的重要课题。在电击死亡事故中，大多数都属于低压网络中的事故。一些技术先进的国家对等电位联结的实施十分重视，然而恰恰相反，国内对等电位联结技术则不够重视[1]。国内电气专家王厚余[2]提出等电位联结在低压配电网络中对接地故障保护、防电击和防电气火灾的重要作用。目前，国内很少有人对地铁车站的等电位联结进行专项研究，且很少有人关注等电位联结的作用和做法是否合理、有效。本文通过研究分析大连地铁1号线、深圳地铁2号线和宁波地铁2号线等电位联结的做法，提出了更为合理的做法，并论证了等电位联结在低压配电网络防电击中的重要作用。

1 等电位联结的重要性

等电位联结的作用就是减小过大的电位差，以保障人身安全。

等电位联结分为总等电位联结、局部等电位联结及辅助等电位联结[3]。在实际工程中，根据不同需要采取不同的等电位联结。

1)总等电位联结。在保护等电位联结中，将总保护导体、总接地导体或总接地端子、建筑物内的金属管道和可利用的建筑物金属结构等可导电部分连接到一起[4]。

2)局部等电位联结。在局部范围内将各导电部分连通而实施的保护等电位联结。

3)辅助等电位联结。在导电部分间用导线直接连通，使其电位相等或接近而实施的保护等电位联结。

目前，地铁车站低压配电系统为TN-S系统。在地铁车站中，若只设置总等电位联结，其中一末端回路的配电箱发生接地故障，发生接地故障时，PE线上全长所产生的电压降，也就是配电箱处的接触电压很可能大大超过了安全电压(50 V)；又由于该配电箱距离变电所甚远，接地故障回路阻抗较大，故障电流小，末端配电箱上的过电流保护器不能在规定的时间内切断电源。此时，人若同时触及该配电箱和其旁带地电位的金属管线，就会有遭受电击的危险。消除这种危险最经济有效的方法就是采用辅助等电位联结或者局部等电位联结，将配电箱和金属管线直接用导线进行连接或者通过局部等电位端子排进行连接，使两者的对地电位同时升到同一电位水平。

2 目前地铁车站中等电位联结常见设计方案

目前在地铁车站中等电位联结的做法不统一，常见的做法有3种。

2.1 局部等电位端子板连接成环并与接地母排联结

大连地铁1号线功成街站将站厅层不同房间内局部等电位联结端子板连成环，与车站设备接地母排联结，如图1所示。

图1 功成街站等电位联结示意图Fig.1 Schematic diagram of equipotential bonding in Gongchengjie Metro station

此种做法采用截面为95的单芯电缆连接成环，与设备接地母排连接。在线路截面相同的条件下，回路阻抗取决于回路感抗，而回路感抗与回路电感成正比，回路电感的计算公式为

(1)

式中:L为回路电感，H；μο为空间磁导率，H/m；D为通过往返电流的两导体间的距离，m；l为回路长度，m；R为回路导体的半径，m。

从式(1)可知，PE线与相线间的距离D越大，线路感抗越大。上述等电位联结的做法相当于在原有回路PE线上并联敷设第2根PE线，由式(1)可知，这根PE线远远大于原有PE线的电感，大部分故障电流还是通过紧靠相线回路的PE线返回电源，只有很小一部分故障电流通过第2根PE线返回电源，故障电压基本没变。所以，上述局部等电位联结的做法没必要再另外敷设1根电缆与设备接地母排连接，对减小故障电压作用不大，应取消单独设置的接地电缆。

局部等电位端子板连接成环是不合理的，原因见下述分析。

以功成街站站厅层照明配电室内某配电箱为例，其进线电源采用WDZA-YJY-1 kV3×120+2×70电缆，距离变电所80 m，配电回路相关参数见表1。

表1 配电回路相关参数Table 1 Parameters of distribution circuit

2.1.1 变压器高压侧系统阻抗计算

(2)

Xs=0.995Zs=0.995×0.289=0.288 mΩ；

(3)

Rs=0.1Xs=0.1×0.288=0.028 8 mΩ[6]。

(4)

式中：Un为变压器低压侧标称电压，0.38 kV；c为电压系统，计算单相故障电流时取1.0；Ss″为变压器高压侧系统短路容量，MVA；Rs，Xs，Zs为归算到变压器低压侧的高压系统电阻、电抗、阻抗,mΩ。

对于D，yn11连接变压器，零序电流不能在高压侧流通，故不计入高压侧零序阻抗，即：

相保电阻

相保电抗

2.1.2 变压器电阻值、电抗值计算

(5)

(6)

(7)

式中:SrT为变压器额定容量，MVA；Ur为变压器额定电压，kV；uk%为变压器阻抗电压百分比；ΔP为变压器短路损耗，kW。

2.1.3 低压配电线路的阻抗计算

根据文献[6]可查得截面为(3×120+2×70)mm2的铜芯电缆相保电阻为0.596 mΩ/m，相保电抗为0.161 mΩ/m。对于长度为80 m的铜芯电缆，Rphp·L=0.596×80=47.68 mΩ，Xphp·L=0.161×80=12.88 mΩ。

2.1.4 功成街站站厅层照明配电室内配电箱发生单相接地故障时的工频故障电压计算(忽略变压器低压侧母线段的电阻、电抗及变压器中性点对地电位)

Rphp=Rphp·s+Rphp·T+Rphp·m+Rphp·L=0.019+2.5+

47.68=50.199 mΩ ；

(8)

Xphp=Xphp·s+Xphp·T+Xphp·m+Xphp·L=0.192+11.74+

12.88=24.812 mΩ ；

(9)

55.996 mΩ 。

(10)

单相接地故障电流为

Ik″=220/Zphp=220/55.996=3.929 kA 。

(11)

当照明配电室内该配电箱发生单相接地故障时，工频故障电压(121 V)通过如图1所示的互联导线传导到其他房间内，增加了其他非故障区域内人被电击的危险性，因此，不应将各个房间内的局部等电位联结端子板连接成环。

2.2 辅助等电位联结

深圳地铁2号线香蜜站等电位联结采用总等电位联结及辅助等电位联结，将相邻的可导电金属管线采用辅助等电位联结线连接在一起。

依据GB 50054—2011《低压配电设计规范》第5.2.5条[7]：当电气装置或电气装置某一部分发生接地故障后，间接接触的保护电器不能满足自动切断电源的要求时，应在局部范围内将本规范第5.2.4条第1款所列可导电部分再做一次局部等电位联结，亦可将伸臂范围内能同时触及的2个可导电部分之间做辅助等电位联结。局部等电位联结或辅助等电位联结的有效性应符合R≤50/Ia的要求。

相邻可导电部分之间连接后，只要能满足R≤50/Ia，则辅助等电位联结可以有效地减少电击。但只采用辅助等电位联结的缺点在于：1)后期管理困难；2)无法检验是否做到位。

2.3 局部等电位联结端子箱与结构钢筋联结

宁波地铁2号线孔浦站等电位联结采用局部等电位联结，并且采用导线连接至车站结构钢筋。

依据GB 50157—2013《地铁设计规范》第15.5.8条[8]：当电气装置采用接地故障保护时，车站、区间、控制中心、车辆基地内的单体建筑等应设置包括建筑物或构筑物结构钢筋在内的总等电位联结。局部等电位联结端子箱与结构钢筋连接也是可行的。

但这种做法也存在一些缺点：1)有的房间四周都是砖墙，与结构钢筋连接困难；2)设备区走廊、公共区内的设备外露可导电部分和外界可导电部分[9]未设置等电位联结。

3 等电位联结更合理做法

地铁车站局部等电位联结不是要把车站内的所有可导电部分都连接在一起，而应根据保护范围确定，局部等电位联结线越短越好，各房间内的局部等电位联结端子板不应互连。

GB 16895.21—2011/IEC 60364-4-41《低压电气装置》中规定：辅助等电位联结应包括可同时触及的固定式电气设备的外露可导电部分和外界可导电部分，如果切实可行，也包括钢筋混凝土结构内的主筋[10]。

在地铁车站等电位联结设计中，若房间内有结构柱，且与结构钢筋连接便利，可预埋与钢筋连接的钢板，并将局部等电位联结端子排通过导线连接至预埋钢板；若房间内无结构柱，且无外露钢筋，可在房间内设置局部等电位联结端子排，将房间内的设备外露可导电部分、外界可导电部分及配电箱PE线连接在此处。局部等电位联结示意图如图2所示。

在设备集中的房间内，可采用辅助等电位联结和局部等电位联结相结合的方式进一步降低接触电压。局部等电位联结原理图如图3所示。

在地铁车站中某房间内A和B用电设备相距约为0.5 m，在仅采用局部等电位联结时，用电设备A发生接地故障，故障电流Id中的一部分电流Id2经过本身的PE线返回电源点，另一部分电流Id1经过局部等电位连接线和用电设备B的PE线返回电源。人在该房间内若同时触及A和B 2个用电设备外露可导电部分时，接触电压为

Ut=Id1(Z1+Z2)。

(12)

若同时采用辅助等电位联结，如图3中的虚线所示，通过导线将A和B用电设备的外壳连接，此时人在该房间内若同时触及A和B 2个用电设备时，接触电压为

Ut′=Id3Z3。

(13)

(a)

(b)

(c)

图3 局部等电位联结原理图Fig.3 Working principle of combination of local equipotential bonding

由图3可知：辅助等电位联结线短于A和B用电设备连接至局部等电位端子箱的导线长度，即阻抗Z1+Z2>Z3；采用辅助等电位联结后，相当于在原有的基础上并联1个阻抗，将原有的电流Id1分流，也就是Id1>Id3。经过比较可知，Ut′

考虑到设备区走廊内及公共区管线数量多，彼此紧靠，且管线底标高基本位于2.5 m以上，建议在设备区走廊及公共区采用辅助等电位联结方式。若设置局部等电位联结，不仅接线不便，而且连接至局部等电位端子板的联结线过长，对降低接触电压作用不大。

在配电设备集中的房间，如变电所、环控电控室、蓄电池室及照明配电室等房间内，除采用上述等电位联结保护措施外，还可采用地面铺设绝缘橡胶垫的措施来降低人被电击的危险性。

4 结论与建议

地铁车站中的等电位联结能使设备外露可导电部分和外界可导电部分电位相等或接近，从而实现其安全防护的目的。在地铁工程设计中，做好等电位联结可减少人身间接触电危险的发生，保护生命安全。

建议在今后等电位联结设计中重视以下问题：1)不应将不同房间内的局部等电位联结端子板互连成环；2)不需要另外设置接地电缆将局部等电位联结端子板连接至接地母排；3)在切实可行的情况下，将局部等电位联结端子板与结构钢筋连接；4)局部等电位联结与辅助等电位联结方式相结合使用。要根据具体情况采用合理的等电位联结方式，希望在今后设计中不断完善、改进地铁车站中等电位联结的做法，达到有效防电击的目的。

[1]汤继东.低压系统的接地及等电位联结[J].电气工程应用，2012(4)：2-22.(TANG Jidong.Earthing of low voltage system and equipotential bonding[J].Application of Electrical Engineering，2012(4)：2-22.(in Chinese))

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[3]杜秀兰.等电位联结与接地故障保护[J].低压电器，2009(8)：4-6.(DU Xiulan.Equipotential bonding and grounding fault protection[J].Low Voltage Apparatus,2009(8)：4-6.(in Chinese))

[4]陈谦，韩帅，渊辛燕.保护等电位联结和保护接地应用中的若干问题[J].建筑电气，2013(8)：17-22.(CHEN Qian,HAN Shuai,YUAN Xinyan.Problems about protective equipotential bonding and protective earthing applications[J].Building Electricity,2013(8)：17-22.(in Chinese))

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[7]GB 50054—011低压配电设计规范[S].北京：中国计划出版社，2012.(GB 50054—011 Code for design of low voltage electric installations [S].Beijing: China Planning Press,2012.(in Chinese))

[8]GB 50157—2013地铁设计规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2014.(GB 50157—2013 Code for design of Metro works[S].Beijing: China Architecture & Building Press,2014.(in Chinese))

[9]GB/T 2900.71—2008/IEC 60050-826：2004 电工术语: 电气装置[S].北京：中国标准出版社，2008.(GB/T 2900.71—2008/IEC 60050-826：2004 Electric terms: Electrical installations[S].Beijing: China Standard Press,2008.(in Chinese))

[10]GB 16895.21—2011/IEC 60364-4-41：2005 低压电气装置[S].北京：中国标准出版社，2011.(GB 16895.21—2011/IEC 60364-4-41：2005 Low-voltage electrical installations[S].Beijing: China Standard Press,2011.(in Chinese))

广州拟打造全国最大地下空间工程

未来广州将加大地下空间开发力度，到2020年人均地下空间面积将达到5 m2。金融城起步区地下空间规划总建筑面积达到213.6万 m2，共有5层，将配套完整的地下交通系统，主要解决大量的市政设施和市政道路拥堵问题，堪称全国最大的地下空间。

据悉，整个地下空间整合了区域内出让及非出让地块地下空间的多种功能，统一组织了地下步行系统、城市交通、城市公交系统、轨道交通及交通枢纽等市政交通系统，统一规划了供电、给水排水、集中供冷和真空垃圾收集等管线设施，形成大型的地下城市综合体。

地下空间的总体开发结构为“三核三轴七组团”，以道路交通线路为骨架，形成枢纽核心、翠岛核心、方城核心及7个组团空间。

万博商务区将交通和市政配套放地下

正在建设中的广州万博商务区地下空间值得关注。通过地下空间的开发，地面开发容量大大提高，万博商务区地下空间总规模40万m2。为了解决9个地块十几栋超高层建筑开发强度过高的问题，23万m2的交通和市政设施配套放在地下，商业面积有17万m2，如果没有地下空间的开发，这一地块将难以承受如此高的开发强度。

地下空间范围大致位于万博商务区中部，汉溪大道、万博大道与公元前路地面以下。规划理念定位为打造一座“大隐于市的地下之城”。作为核心区地下建筑相互联系的纽带，为各区域地下空间搭建有机骨架，形成地下之城连贯而自成系统的主要脉络。2层平面建筑空间从东到西沿长方向展开，并通过角度和折面的形式体现商业的个性化，达到视觉引导的最佳效果。

在设计方面，利用中庭空间序列和下沉广场使地下空间地面化，室内环境室外化，形成一个明亮、节能、开放、轻松的地下购物环境；下沉广场、透光玻璃顶的设置，使地下室商业得到了充足的室外阳光和自然通风，并增加了市民步行广场时进入地下空间的机会。设计为全开放式，这使得内部和外部达到最大限度的共通共享，以更复合、灵活的方式服务市民。

花城广场地下空间主要解决交通问题

地下空间最主要的功能是疏导交通和解决市政设施用地。花城广场地下空间建设主要就是要解决珠江大道东西2条路的交通拥堵问题及作为连接39栋核心区高层建筑往轨道交通的步行通道。

“三核三轴七组团”

“三核”：依托地铁五号线换乘站形成交通枢纽核心、国际金融交流中心带动形成翠岛核心及方城商业金融中心；

“三轴”：集交通及商业于一体的花城大道轴、以商业步行街为主体打造品牌商业的水融路商业轴及以沟通翠岛核心与枢纽核心为主的湾融路地下商业发展轴；

“七组团”：枢纽综合体组团、商务办公组团、商业娱乐组团、总部办公组团、翠岛组团、方城组团及配套居住组团。

广州地下空间6年将增7倍

利用地下土地资源是有效节约土地、改善城市环境的重要途径之一。在建设用地严重超标和建设用地紧缺并存、城市环境质量堪忧的情况下，城市向集约化发展势在必行。今后地下空间的开发将朝着综合化、复杂化的方向发展，功能从单一走向多元，深度会越来越深。

目前广州地下空间开发程度并不算特别高，但是未来广州无疑将有越来越多的地下城出现。《广州市城市总体规划(2011—2020)》明确提出大力开发地下空间，到2020年市域地下空间开发规模约为9 000万m2，其中包括约800万m2的地下商业空间。根据官方推算的2020年广州常住人口1 800万计算，届时平均每人拥有地下空间面积为5 m2。

据不完全统计，截至2011年8月，广州16个主要地下商场面积总和已达到111.01万m2。如果到2020年达到800万m2，将是现在的8倍之多。

(摘自 广州日报 http://www.stec.net/sites/suidao/ConPg.aspx?CtgId=142f6ac5-a07a-44b6-8d17-42710c37e548&InfId=a14bc01f-83ab-4078-b1d3-63626a81d918 2014-10-20)

DiscussiononDesignofEquipotentialBondinginMetroStations

GAO Ting,LI Hongxing

(ChinaRailwayTunnelSurvey&DesignInstituteCo.,Ltd.,Tianjin300133,China)

Rational equipotential bonding is fundamental for Metro works so as to reduce the risk of electric shocks in Metro stations.In the paper,3 equipotential bonding manners commonly used in Metro stations,i.e.,connection between local equipotential terminals and earthing busbar,auxiliary equipotential bonding,and connection between local equipotential bonding terminal box and structural reinforcement bars,are analyzed,the disadvantages of these 3 bonding manners are discussed,and a rational equipotential bonding manner,i.e.,a combination of auxiliary equipotential bonding and local equipotential bonding,is proposed on basis of relevant standards.In the end,the electric shock has been effectively avoided.It is also concluded that the local equipotential bonding terminal board should not be interconnected,and it is unnecessary to set additional earthing cable to connect the earthing busbar.

equipotential bonding; Metro station; protective earthing; earthing fault

2014-06-03;

2014-06-27

高婷(1982—)，女，天津人，2009年毕业于辽宁工程技术大学，控制理论与控制工程专业，硕士，工程师，现从事供配电专业工程设计工作。

10.3973/j.issn.1672-741X.2014.11.010

U 453.7

A

1672-741X(2014)11-1077-05