民用机场远机位机坪照明与供电接地系统设计探讨

张 晨 曦

(民航机场规划设计研究总院有限公司, 北京 100101)

0 引 言

民用机场机坪用电设备包括高杆灯、机位号码牌、400 Hz静变装置、飞机空调预制冷、高级目视停靠引导系统等。近机位机坪用电设备有航站楼提供低压电源,远机位用电设备多由机坪箱式变电站提供低压电源。机坪用电设备及供电设施的接地系统设计是民用机场安全生产工作的重要环节。机坪设备大部分为室外设备且分布广泛、设备间距大,接地系统设计与建筑物接地系统多有不同[1-2]。本文针对民用机场机坪照明及供电设施的接地系统,如箱式变电站接地网、低压接地形式、等电位联结等设计方案进行探讨。

1 远机位机坪设备接地系统设计

1.1 远机位供电系统

飞行区远机位距离航站楼或机场变电站较远,超过低压供电范围,因此在远机位区域设置箱式变电站,为机坪照明及机务用电设备提供电源。根据民用机场设备负荷等级:高杆灯、机位用电为二级负荷及以上,箱式变电站安装2台变压器,当任意一台变压器断开时,其余变压器的容量应能满足全部一级负荷及二级负荷的用电。

交流电气装置或设备的接地包括配电变压器中性点接地和电气装置或设备的保护接地。保护接地包括电气设备的保护接地、防雷接地、防静电接地与屏蔽接地等。变电站保护接地应与下列物体连接:接地极,变压器底座和外壳,高压设备和低压设备的外露可导电部分,高压电缆的金属护套,低压电缆的金属护套(中性导体已通过独立接地极接地的除外),电缆沟及地上各种电缆金属支架等[3-5]。

箱式变电站接地系统设计从两个方面考虑,一是变电站高压侧接地故障在低压系统引起的暂时过电压的防护,二是间接接触防护的自动切断电源防护。

1.2 变电站高压侧接地故障在低压系统引起的暂时过电压的防护(箱式变电站保护接地与低压系统接地的关系)

低压装置供电的变电站内,当高压侧系统发生接地故障时,流经变电站外露可导电部分的接地极的故障电流可导致变电站外露可导电部分的对地电位显著升高,升高值与故障电流的大小及变电站保护接地电阻有关,与故障电流的持续时间与高压侧系统接地形式有关。

变电所和低压装置故障时过电压示意图如图1所示。

图1 变电所和低压装置故障时过电压示意图

当变电站高压侧发生接地故障时,低压系统内的工频应力电压和工频故障电压如表1所示。

表1 当变电站高压侧发生接地故障时低压系统内的工频应力电压和工频故障电压

高压侧系统为中性点直接接地或经低电阻接地时,接地故障电流IE通常较大,10 kV侧一般为100～1 000 A。高压侧为中性点不接地、经消弧线圈接地或高电阻接地时,接地故障电流IE通常较小,10 kV侧一般为10～30 A。

1.2.1 工频故障电压

当变电站保护接地电阻RE与变压器中性点接地电阻RB分隔时(电气上相互独立),Uf=0,高压侧故障不会引起低压侧的工频故障电压。

当变电站保护接地电阻RE与变压器中性点接地电阻RB连接时,即保护接地与变压器中性点接地共用接地电阻,如果低压侧为TN系统时,Uf=REIE。Uf需在达到允许值之前被切断的需求。根据GB/T 16895.10—2010中图44.A2,由于高压系统接地故障引起的低压侧Uf不要超过故障持续时间所对应的电压。如高压侧300 ms时切断故障电流,查图44.A2可知,允许的工频故障电压Uf=550 V。

以某枢纽机场为例,110 kV中心站小电阻接地,接地电阻10 Ω,箱式变电站保护接地与变压器中性点共用接地极,接地电阻1 Ω,忽略变压器阻抗和线路阻抗,单相接地故障电流I=520 A,箱式变电站上级开闭站零序速断保护400 mA,持续时间0.4 s时故障电压为310 V,RE≤Uf/IE=0.6 Ω,接地电阻1 Ω不满足要求。

当变电站保护接地电阻RE与变压器中性点接地电阻RB连接时,即保护接地与变压器中性点接地共用接地电阻,如果低压侧为TT系统,Uf=0。

1.2.2 工频应力电压

当高压系统接地故障持续时间≤5 s时,U0+REIE≤U0+1 200 V,即,REIE≤1 200 V,RE≤1 200/IE。当高压侧系统为中性点直接接地或经低电阻接地时,IE为100～1 000 A,RE不大于1.2～12 Ω。

高压侧为中性点不接地、经消弧线圈接地或高电阻接地时,IE为10～30 A,RE不大于40～120 Ω。允许的工频应力电压如表2所示。

表2 允许的工频应力电压

1.2.3 小 结

不同低压系统接地型式下高压侧接地故障在低压系统引起的暂时过电压逻辑图如图2所示。

图2 不同低压系统接地型式下高压侧接地故障在低压系统引起的暂时过电压逻辑图

机坪箱式变电站是既有高压侧保护接地,又有变压器中性点接地的独立变电站。

(1) 如果高压侧中性点不接地、经消弧线圈接地或高电阻接地,接地故障电电流通常较小,无论保护接地与变压器中性点电气连接还是分隔,引起低压侧的工频故障电压及工频应力电压通常满足要求。

(2) 如果高压侧中性点直接接地或经低电阻接地,当保护接地与变压器中性点电气分隔时,高压侧故障电压不会引起低压侧工频故障电压,接地电阻应使工频应力电压满足表1中要求。根据GB 51348—2019《民用建设电气设计标准》,当各系统不能确定接地电阻时,推荐接地电阻取1 Ω,此时工频应力电压满足防护要求。

如果高压侧中性点直接接地或经低电阻接地,当保护接地与变压器中性点共用接地装置时,如低压采用TT系统,接触电压为0,应使REIE≤1 200 V;如低压采用TN系统,接触电压与故障持续时间应满足曲线或做等电位联结。

1.3 低压系统接地形式

从间接接触防护的自动切断电源防护角度考虑低压系统接地形式。

1.3.1 低压采用TN系统

TN系统中电气装置的所有外漏可导电部分,应通过保护导体与电源系统的接地点连接。规范要求相导体对地标称电压为220 V的系统切断故障回路的时间固定设备不应大于0.4 s。民用机场机坪设备远机位设备均为户外设备,分布广泛、设备间距大,低压供电半径可远至300 m以上,电源系统与设备间做总等电位联结难度大。如使用TN系统,PE线可传导故障电压。

(1) 当TN系统相导体与无等电位联结作用的地之间发生接地故障时,为使保护导体和与之连接的外露可导电部分的对地电压不超过50 V,其接地电阻的比值RB/RE≤50/(220-50),即RB≤0.29RE,可避免因PE线传导故障电压,RB为所有与系统接地极并联的接地电阻,RE为相导体与大地之间的接地电阻。RE为随机值,难以对RB规定一个安全限值,但RB尽量减小,可以通过降低变压器中性点接地电阻,也可以通过设备处重复接地来降低RB。

(2) 当TN系统某处设备发生单相碰壳故障,故障电流通过PE线形成回路,故障电流应满足:ZSIa≤220 V,其中Ia为保护电器动作电流,Zs为接地故障回路阻抗。

发生接地故障后预期接触电压在无等电位且设备处无接地极情况下Ut=110 V。查标准IEC 60479中图1-2曲线L1(干燥条件下),允许最长切断时间为0.35 s。

当设备处重复接地,如某高杆灯及配电亭处接地电阻4 Ω,箱式变电站处工作接地1 Ω,无等电位,Ut=88 V。查IEC 60479中图1-2曲线L1(干燥条件下),允许最长切断时间为0.45 s,规范要求0.4 s满足要求。

因此,低压采用TN需满足PE线传导的故障电压不超过50 V。

(1) 可采用用电设备周围局部范围内做等电位联结采取地面电位均衡措施作为防间接接触电击措施。根据图集15D502《防雷与接地》典型室外用电设备等电位联结示例,典型C类机位机坪供电设备等电位联结如图3所示,等电位均衡线与每个机坪设备不少于2处可靠连接,电位均衡线选择防腐材质,接近道面安装,距道面顶100 mm左右:电位均衡网也可为150 mm×150 mm的铁丝网,相邻铁丝网之间相互焊接。如道面内有钢筋网,可利用道面内钢筋网。

图3 典型C类机位机坪供电设备等电位联结示意图

(2) 根据文献[5],RE为随机值,难以对RB规定一个安全限值。一些发达国家RB≤2 Ω,通常是有效和不难做到的。

1.3.2 低压采用TT系统

TT系统中,配电线路内由同一间接接触防护电器保护的外露可导电部分应用保护导体联结至共用或各自的接地极上。TT系统保护动作电流较小,多采用剩余电流动作保护器(RCD)作为间接接触防护的保护电器。

机坪400 Hz电源装置输入电制为三相三线+PE,设备输入滤波板对地有大于100 mA泄漏电流,此外部分品牌设备所带负荷为单向2.5 kW电机和90 kVA三相逆变模块,为三相不平衡负荷。某进口品牌400 Hz电源装置滤波电容会形成剩余电流,输入电的质量会对剩余电流的大小产生一定影响。根据某机场现场实测,瞬间最大泄漏电流可达1 A。

根据文献[2]式(15.3-1),RCD动作电流应大于等于泄漏电流的2倍,即RCD的动作电流应不小于2 A。由于泄漏电流受输入电源质量等原因影响,建议当400 Hz电源户内安装时,选择动作电流可调式RCD,根据实测泄漏电流值整定400 Hz电源装置的RCD。

根据GB 51348—2019《民用建筑电气设计标准》第7.5.5条,室外工作场所的用电设备应设置额定剩余动作电流值不大于30 mA的RCD,对于安装在远机位机坪的室外400 Hz电源装置,如采用2 A的动作电流与GB 51348—2019不符。

接地系统设计应能满足电力系统的运行要求,并在故障时保障人身和电气装置的安全。机坪低压配电如采用TN系统,故障切断时间应不大于0.4 s,为避免PE线传导因TN系统相导体与无等电位联结作用的地之间发生接地故障时的故障电压,建议降低箱式变电站处的接地电阻并在设备伸臂范围内设置等电位联结或者降低接地电阻。机坪低压配电如采用TT系统,当400 Hz电源户内安装时,可选择动作电流可调式RCD;当400 Hz电源户外安装时,由于RCD无法整定为30 mA,不适合采用TT系统。某机场室外机坪用电设备如图4所示。

图4 某机场室外机坪用电设备

2 实际案例设计

A机场110 kV中心站小电阻接地,接地电阻为10 Ω,低压供电设备为高杆灯、400 Hz设备、空调预制冷等,低压采用TN系统,故障切断时间不大于0.4 s。

(1) 如果箱式变电站保护接地与变压器中性点共用接地极,接地电阻1 Ω,忽略变压器阻抗和线路阻抗,单相接地故障电流I=520 A,查图得持续时间0.4 s时故障电压为310 V,RE≤Uf/IE=0.6 Ω。接地电阻1 Ω不满足要求,为避免高压侧接地故障在低压系统引起的暂时过电压,可将接地电阻设计为0.6 Ω以下。为避免PE线传导因TN系统相导体与无等电位联结作用的地之间发生接地故障时的故障电压,建议在设备伸臂范围内设置等电位联结或降低箱式变电站处的接地电阻。

(2) 如果箱式变电站保护接地与变压器中性点电气分隔,可避免高压侧接地故障在低压系统引起的暂时过电压。根据文献[4]中保护接地网在站外1.5 m处环绕敷设,低压变压器中性点接地与保护接地网的间距不小于5 m。低压变压器中性点接地与保护接地网分开敷设示意图如图5所示。变压器中性点接地(即工作接地)与箱式变电站其他接地线严格分开,低压出线PE母排与变压器中性点连接,与箱式变电站保护接地分开。

图5 低压变压器中性点接地与保护接地网分开敷设示意图

低压侧为TN系统,为避免PE线传导因TN系统相导体与无等电位联结作用的地之间发生接地故障时的故障电压,建议在设备伸臂范围内设置等电位联结或降低箱式变电站处的接地电阻。

以B机场为例,110 kV中心站消弧线圈接地,IE为10～30 A,低压供电设备为高杆灯、400 Hz设备、空调预制冷等,低压采用TN系统,故障切断时间不大于0.4 s。

箱式变电站保护接地与变压器中性点共用接地极,接地电阻1 Ω,Uf为10～30 V,工频应力电压及工频故障电压均满足要求。为避免PE线传导因TN系统相导体与无等电位联结作用的地之间发生接地故障时的故障电压,建议在设备伸臂范围内设置等电位联结或降低箱式变电站处的接地电阻。

3 结 语

探讨了民用机场远机位机坪照明与供电接地系统设计。保护接地与变压器中性点电气分隔仅适用于独立变电站,且保护接地与变压器中性点接地网的间距不小于5 m,可根据工程现场情况及工程代价选择接地方式。如保护接地与变压器中性点共地,当高压系统为小电阻接地时,应合理计算接地电阻取值以满足故障电压和应力电压要求。

若低压配电采用TN系统,故障切断时间应不大于0.4 s,为避免PE线传导因TN系统相导体与无等电位联结作用的地之间发生接地故障时的故障电压,建议在设备伸臂范围内设置等电位联结或降低箱式变电站处的接地电阻。如果机坪无400 Hz设备或者400 Hz设备为户内安装时,低压配电可采用TT系统,并设置动作电流可调式RCD。