超高层住宅配电的间接接触保护的有效性探讨

曾碧阳

(福建众合开发建筑设计院 福建福州 350001)

超高层住宅配电的间接接触保护的有效性探讨

曾碧阳

(福建众合开发建筑设计院 福建福州 350001)

本文结合某超高层住宅的配电设计实例，依据现行设计规范的要求，探讨保证间接接触保护有效性的充分及必要条件。通过推导计算和资料整理，为工程设计提供简明实用的速查表格及简化公式。

间接接触；保护导体；阻抗；接地故障

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间接接触是人或动物与故障情况下带电的外露可导电部分的电接触。在住宅户内，无法对所有用电装置采取下列间接接触防护措施，如：采用Ⅱ类设备；采取电气分隔措施；采用特低电压供电；将电气设备安装在非导电场所内；设置不接地的等电位连接等，因此必须采用自动切断电源的防护措施。超高层住宅配电线路较长，接地故障回路的阻抗较大，如何定量检验自动切断电源的保护有效性是本文关注的焦点。

1 设计规范的有关规定及分析

配电线路的间接接触防护，我们往往只关注保护电器的动作特性能否满足《低压配电设计规范》GB50054-2011第5.2.8条要求,详公式(1)。这是接地故障保护的基本要求，本文的探讨就是建立在配电设计已满足公式(1)的基础上。

ZSIa≤U0

(1)

式中Zs——接地故障回路的阻抗(Ω)； Ia——保证间接接触保护电器在固定时间内切断故障回路的动作电流(A)； U0——相导体对地标称电压(V)；

另一条同样重要的规定却往往被忽视。《低压配电设计规范》GB50054-2011第5.2.10条规定，在TN系统中，当配电箱或配电线路同时直接或间接给固定式、手持式和移动式电气设备供电时，应采取下列措施之一：

a.应使配电箱至总等电位联结点之间的一段保护导体的阻抗符合下式的要求：

(2)

式中ZL——配电箱至总等电位联结点之间的一段保护导体的阻抗(Ω)；

b.应将配电箱内保护导体母排与该局部范围内的装置外可导电部分做局部等电位联结或按本规范第5.2.5条的有关要求做辅助等电位联结。

分析1：住宅户内配电箱，无疑存在同时给固定式、手持式和移动式电气设备供电的可能。手持式和移动式电气设备我们习惯上采用带剩余电流动作保护的插座回路供电，根据GB50054-2011第5.2.13条，其回路自身的间接接触电击防护是最为有效的。关键的问题在于，通常设计中不带剩余电流动作保护的照明回路发生接地故障时(参照本条规范的条文说明及图示)，故障电流经保护导体返回电源，在配电箱内保护导体母排至建筑的总等电位联结点之间的保护导体上产生的故障电压，通过保护导体的传导而祸及其他回路。由于固定式电气设备切断故障回路的时间要求为不大于5s，手持式和移动式电气设备切断故障回路的时间要求为不大于0.4s，从而导致后者可能出现长达5s的危险电压。所以必须确保这个故障电压值在安全范围之内。

分析2：采用b款规定的等电位联结是否可行？如果实行等电位联结，那就必须涵盖所有住宅户内配电箱，所有固定式、手持式和移动式电气设备，理论上可行。但实际工程中，住宅户内目前一般只在带淋浴的卫生间等潮湿场所实施局部等电位联结，一般干燥场所考虑经济及管理因素并未实施。这种情况下，根据公式(2)进行有效性校验是必要的。

遗憾的是，这样一条重要的规定在设计工作中并没有得到普遍的执行，原因无非在于校验计算的繁琐复杂。下文试简化之。

2 保护导体阻抗的计算及分析

接地故障回路的阻抗：

(3)

式中Id——接地故障回路的电流(A)。

将(3)式代入(2)式，可得：

(4)

对于需校验的配电回路，从其保护电器的脱扣特性曲线，可查得动作电流Ia。当Id达到Ia值时，回路保护电器必然动作，切断故障回路，所以Ia必然是Id的最大极限值。对于公式(4)而言，Id取值越大，对ZL的要求只会越严格，间接接触保护的有效性越高。所以对公式(2)的校验可简化为公式(5)：

(5)

只要计算出保护导体的阻抗值ZL即可校验。

2.1 单相接地故障的阻抗分析

低压网络中发生单相接地故障时产生的不对称电流，可以采用对称分量法[2]分解成对称电流分量，如(图1)所示。

图1 采用对称分量法分析单相接地故障的不对称电流

根据对称分量法，单相短路电流Id可设想被分解成正序电流(下标1)、负序电流(下标2)、零序电流(下标0)三个分量，同时在A、B、C、PE四条导线中出现。正序电流、负序电流均大小相等，相位互差120°; 零序电流的大小相等，相位相同。合成的电流分别为：

(6)

式中Zp(0)——单位长度保护导体的零序阻抗(Ω)；

2.2 保护导体的零序阻抗计算

(7)

式中Rp(0)——单位长度保护导体的零序电阻(Ω)； Xp(0)——单位长度保护导体的零序电抗 (Ω)； l——电缆长度(m)。

结合上节的对称分量法分析及低压配电线路的特点可知：

a)保护导体(下标p)中无正序、负序阻抗，产生压降的只有零序阻抗，而且是3倍的零序阻抗；

b)保护导体的零序电阻与同截面的相导体正序电阻的计算方法相同；[2]

c)相导体(下标ph)的正序阻抗等于负序阻抗，且约等于零序阻抗；[2]

d)根据下文(表1)的数据可知，小截面导体可以忽略电抗的影响，仅计及电阻。

因此，对于公式(7)的计算，只需计算出保护导体的零序电抗即可。低压网络的相保电抗Xph·p与正序、负序、零序电抗的关系为[3]：

(8)

则：

(9)

“工业与民用配电设计手册”第三版表4-25，提供了单位长度配电线路的相线电阻和相线电抗及相保电抗值。结合以上分析计算，笔者整理了常用多芯铜电缆(导线)的保护导体单位长度零序阻抗速查表(表1)。希望能为日常电气设计提供方便。

表1 保护导体单位长度零序阻抗速查表

3 工程实例

某超高层，建筑高度190m，变电所设置在本幢楼地下室；高压侧系统短路容量为100MVA；变压器选用SCB10-800kVA(D,Yn11连接 Uk=6%)；低压母线采用TMY-4(100x8)+63x6.3；采用TN-S系统，MEB设在低压总配电室；住宅最高层为44层，其楼面标高170m。配电线路示意图详(图2)。

图2 超高层配电线路示意图

图中AM为住宅总配电箱之一，设置在31层；AW为楼层电表箱，设置在44层；AL为住宅户内配电箱，设置在44层。各段线路规格参数如下：

1)线路1：YJV22-0.6/1kV-4×185+1×95，140m;

2)线路2：YJV22-0.6/1kV-4×70+1×35，60m;

3)线路3：BV-3×10，30m;

4)线路4：BV-3×2.5。该段线路末端长度为20m，因为均布荷载，长度可减半，按10m计算。

3.1 计算ZL

ZL=3Zp(0)=333.6(mΩ)

计算时需要注意，ZL的定义是“配电箱至总等电位联结点之间的一段保护导体的阻抗”，不应包括线路4的阻抗。

3.2 计算ZS

根据“工业与民用配电设计手册”第三版“表4-30”及“表4-25”，低压单相接地故障电流的计算过程详(表2)。

所以，该照明配电回路的间接接触保护的有效性不满足要求，必须采取其他辅助措施，如：实施局部等电位联结、实施辅助等电位联结或装设剩余电流动作保护等。

表2 单相接地故障电流的计算过程

3.3 简便计算

住宅户内照明回路，保护开关为16A的C型微型断路器，其可靠切断故障回路的动作电流Ia为额定电流的10倍，即160A。校验计算如下：

可见，在保护电器的动作特性满足接地故障保护要求的基础上，采用本文推荐的简便计算，可以回避接地故障回路阻抗的复杂计算，更简单直观地判别间接接触保护的有效性。

4 结论

当配电箱或配电线路同时直接或间接给固定式、手持式和移动式电气设备供电时，根据公式(2)进行校验计算是保证间接接触保护有效性的充分且必要条件。根据本文的简化推导，根据公式(6)及(表1)进行校验计算是简便易行的。

[1]GB50054-2011，低压配电设计规范[S].

[2]周鸿昌编.工厂供电及例题习题[M].同济大学出版社.

[3]中国航空工业规划设计研究院组编.工业与民用配电设计手册(第三版)[M].中国电力出版社.

Discussion on the Indirect Contact Protection Effectiveness of Super High-rise Residential Distribution

ZENGBiyang

(Fujian Zhonghe Development Architectural Design Institute, Fuzhou 350001)

Combining with the example of a super high-rise residential power distribution design, according to the current design requirements,The paper is exploring how to guarant the sufficient and necessary conditions for indirect contact protection effectiveness.Through calculation and data collection,the simplified formula and a concise practical lookup table are provided for engineering design.

Inderect contact; Protective conductor; Impedance; Earth fault

曾碧阳(1973.10- )，男，教授级高级工程师。

2015-06-18

TU852

A

1004-6135(2015)09-0070-03