对《干船坞设计规范》电气部分条款的探讨

丁建兴，冯 伟

对《干船坞设计规范》电气部分条款的探讨

丁建兴，冯 伟

（中国人民解放军92942部队，北京 100161）

结合干船坞电气使用场景和特点，从电气安全的角度，对目前《干船坞设计规范》中部分条款展开讨论，并对规范提出修改建议。

干船坞 电气系统 规范 TN系统 TT系统 接地故障

0 引言

造船和修船离不开干船坞，干船坞作为修造船的重要设施，电气系统的安全可靠有着重要意义。设计标准对工程安全有着重要的规范作用，因此标准的合理性和适用性对设计起着至关重用的指导意义。

干船坞由于地处沿江（海）室外，电气设备受高温、高湿、高盐和强辐照的影响，工作环境较普通室内场所恶劣得多，且施工现场不具备等电位联结条件，电击危险性高，这些与普通室内民用建筑有着很大的差别。设计中应根据不同的场景、负荷选择相应合理的电气系统，现有《干船坞设计规范》CB/T 8524-2011中涉及配电的部分条款笔者认为有待商榷，以下笔者结合设计体会谈谈自己的见解，以期抛砖引玉。

1 规范中有待商榷部分

现行《干船坞设计规范》中笔者认为有待商榷的主要有以下几条（以下简称“船坞规范”）：

1）第10.4.1条，电源接电箱的电源为380 V/220 V时，开关应采用三极开关；

2）第10.4.4条，电焊机电源接电箱当容量满足时，宜兼作50 Hz船用电接电箱用；

3）第10.5.3条，船坞上沿照明灯具的安装应便于检修，离最高水位应不小于500 mm，且应加PE线。外露可导电部分应可靠接地；

4）第10.6.1条，低压接地系统宜采用TN-C-S制。

可以看出，以上各条款均是基于干船坞低压接地系统推荐采用TN型式的前提进行规定的，而对于船坞这种无等电位联结的户外工程，笔者认为容易引发一些不明原因的电击事故。本文从干船坞工程用电特点着手，从用电安全角度出发，对干船坞接地系统型式进行探讨。

2 采用TN接地系统问题

设计人员对TN系统比较熟悉，一般室内民用建筑供电大都采用TN系统(主要为TN-C-S和TN-S系统)，应用起来得心应手。其优点一是因为系统变压器中性点接地，可限制中性点电位漂移，二是能方便地引出380/220 V电源，可满足绝大多数低压负载对电源电压的要求。现行船坞规范也规定低压接地系统宜采用TN-C-S制，但对于干船坞这种具有大量室外设备配电工程而言，采用TN系统则存在大的电击风险，举例分析如下。

2.1 设备发生接地故障条件下

变电所通过电缆给船坞延边的绞盘及接电箱供电，按照船坞功能需求总体规划，从船坞边往外的变配电设施依次为接电箱、门机轨道、绞盘、变电所。变电所对绞盘采用链式供电，线路约百米。变电所至坞边大部分属于回填区，地面设置连锁块体，室外设备均处于无等电位联结场所，如图1所示。

图1 地面设置联锁块，干船坞属无等电位联结场所

绞盘控制箱为室外固定设施，受太阳辐照、盐雾腐蚀、高温潮湿等各种因素影响，设备绝缘下降发生相线接外露导电部分故障。接地故障电流经PE线或PEN线金属通路返回电源。由于线路较长，绞盘对地故障电压为U通常大于50 V，U沿着系统内PE线（虚线所示）传导至手持设备，如图5所示。此时由于拿手持设备的人处于室外场所，且不具备等电位联结，其对地电压U＞50 V。该故障电压通过PE线传导至手持设备回路，虽然手持设备回路上装有RCD，但此回路本身并未发生接地故障，RCD不会动作。按照要求在TN系统内固定设备发生接地故障时，故障切断时间要求是不大于5 s，而手持和移动式设备的切断时间要求是不大于0.4 s，但=0.4 s是对干燥场所而言，若为潮湿环境，预期接触电压应按25 V，=0.25 s考虑。即使固定设备可以在5 s内切断电源，但在此过高的接触电压和过长的人体通电时间作用下，在干船坞这种潮湿环境下，使用手持设备的人极有可能遭受电击且不能摆脱设备而导致伤亡。

图2 设备发生接地故障带来转移过电压

理论上，上述情况下故障电流幅值较大，可使过电流防护电器迅速切断电源。但实际上随着时间的推移，PE线中的连接接头的接触电阻由于种种原因而增大且不易被发现，它可限制故障电流从而妨碍过电流保护电器的及时动作，此时带来对人员的危害更是不言而喻。

2.2 线路发生接地故障条件下

电缆由于地处高温、潮湿环境，线路绝缘下降快，且电缆隧道（沟）内鼠害、蚁害多，易发生单相接地短路故障。如当绞盘控制箱供电电缆由于绝缘破损，发生相线接地故障。接地故障电流I经R、R返回电源，受两个电阻阻值的限制Id不会很大，假设为20 A，不足使回路首端防护电器动作。设R=4 Ω，绞盘对地故障电压为U=80 V，同理，U沿着PE线传导至手持焊机，焊机对地电压U=80 V。手持设备回路本身因未发生接地故障，RCD不会动作，使用手持设备的人极有可能遭受电击且不能摆脱设备而导致伤亡，如图3所示。

2.3 高压侧发生接地故障条件下

过去我国10 kV电网采用不接地系统，即便发生10 kV侧接地故障，故障电流Id值也不会很大，按照我国电力部门要求，该值不大于20 A。随着经济发展，城市电网负荷急剧增长，10 kV电网大多已改用低电阻接地系统，其接地故障电流可高达千安。如发生电击危险，易在低压侧造成严重危害。

10/0.4 kV变电所既是10 kV系统的负荷端，同时也是低压系统的电源端。当10/0.4 kV变电所内高压侧（包括高压开关柜、高压线路、变压器等）发生接地故障时，如低压侧为TN系统，将因接地系统连接方式的不同，低压系统内出现不同的工频应力电压和工频故障电压。其中工频故障电压U指低压系统在故障持续时间内工频故障电压；工频应力电压1为变电所内低压配电装置带电导体与装置外壳之间的电压。工频应力电压2指的是变电所外低压装置、用电设备带电导体与装置外壳导电部分之间的电压。

图3 TN系统中线路故障电压传导引起电击事故

2.3.1 高低压侧接地共用时

如图4所示，10 kV侧发生接地故障，高压侧装置外壳电压升高，由于高压侧接地电阻R与低压侧接地电阻RB相连，变电所内低压侧中性点及PEN线、PE线对地电位同时升高，不存在电位差，因此工频应力电压1和2都维持在U0，低压电气装置外壳工频故障电压U=R×I，由于I可达千安，因此U也可能达数千伏。

图4 高低压采用共用接地条件下TN系统的电击危险

当低压电气装置位于建筑物内，因有等电位联结，不论工频故障电压U值有多高，建筑物内人体可同时触及的导电部分都处于同一U电位水平上，电位差为零，自然也不至于引起人身电击事故，设备和线路绝缘也不会因过电压冲击而造成损坏。

但如果给室外无等电位联结的设施供电，由于人体站立的户外地面为0电位，当接触到这高达数千伏的接触电压时，在干船坞这种潮湿场所，人身电击致死的危险性极大。问题还在于一旦发生电击事故，事故的原因还很难查清。因变电所10 kV侧接地故障电流很大，事故发生后10 kV故障回路的继电保护迅速动作切断电源，电击部位也不再呈现U电压，这样就无法查清溯源总结教训了。

2.3.2 高低压侧接地分隔时

如图5所示，10 kV侧发生接地故障，高压侧装置外壳电压升高，由于高压侧接地电阻R与低压侧接地电阻R分设，变电所内低压侧中性点及PEN线、PE线对地电位并不升高，因此工频应力电压1=R×I+0、2=0，低压电气装置外壳工频故障电压U=0。这种情况下，变电所高压侧故障产生的工频故障过电压U不会传导到低压电器装置的外露导电部分上而引起电击事故，但却存在电气装置内电气设备和线路的对地绝缘被应力电压1击穿的危险，从而引起设备损坏和电气短路火灾，特别是电弧性接地故障火灾。

图5高低压分别采用接地条件下TN系统的电击危险

为避免以上事故，如切断电源时间能控制在5s内时，就应控制I和R乘积不大于1200 V。一般说来，如利用变电所所在建筑物内的总等电位联结的基础钢筋、金属管道、电缆金属护套等自然接地体作接地极，R不难达到1 Ω甚至0.5 Ω。IEC标准曾规定，如R为1 Ω或变电所接埋地的高低压电缆总长度超过1 km，利用其金属护套作接地极，I和R乘积不大于1200 V就可满足。因此，这种情况下，只需对系统设备及线路的绝缘进行持续的关注即可。

需要注意的是高低压侧两个独立的接地极的设置方法，此时应从变压器中性点套管引出的PEN线包以绝缘，从低压配电柜内与框架绝缘的PEN线母排引出一单芯绝缘电缆作为接地线在户外距变电所设备外壳的保护接地R至少20 m处另打变电所低压侧系统接地极R，以实现变电所电气上互不影响的两个独立的接地[3]。

2.4 小结

从以上分析可以看出，干船坞由于无法实现等电位联结，设计中采用TN系统，高低压侧如接地共用时，高压侧发生接地故障引起的工频故障电压易带来严重的过电压危害。高低压侧如接地分隔时，虽不至给低压侧带来过电压等伤害，但对于低压侧而言，始终存在故障电压串扰至非故障回路引起的电击隐患。

因此《干船坞设计规范》第10.6.1条低压接地系统宜采用TN-C-S制，和第10.5.3条要求船坞上沿照明灯具加PE线都是欠妥当的。同时，该设计规范第10.6.3条还规定高杆灯应单独设接地装置，这就推荐同属低压配电的高杆灯采用TT接地形式，这又与该规范要求采用TN系统也是相矛盾的。

3 开关极数的设置问题

在TN-C-S系统中，故障情况下户外传导电压进入建筑物后，由于等电位联结的作用，建筑物内实施了总等电位联结使金属结构、管道等与PE线互相连通，N线又与PE线连接，因此都处于同一Uf电压水平上，维修人员触及中性线时不存在电位差，不可能发生电击事故。因此在具备总等电位联结作用下的TN-C-S或者TN-S系统内采用三极开关就可以了。但对于如干船坞这种户外未实施等电位的情况下发生故障，如图6所示。因系统中性点升高I×R，理由同PE线，N线也将传导U高电位，而此时操作人员处于0电位，这种传导电压将对人造成伤害。所以在无总等电位联结场所为保护维修人员的人身安全是需要装设四极开关的，因此，《干船坞设计规范》中第10.4.1条强调采用三极开关也是不合适的。

图6户外无总等电位联结场所应采用四极开关

4 系统兼容性的问题

为满足其自身高安全、连续、可靠供电的特点，船舶及浮坞门内供电采用三相三线不接地型式，设备设置绝缘监视装置，自动监测系统绝缘水平险情并及时发出报警信号。船舶及浮坞门取外壳的电位为参考电位，外壳与海水接触再和大地相连，这样既实现了船体的等电位联结也实现了保护接地。因此，为保证电气系统安全，对船舶及浮坞门岸基必须采取IT系统供电。同时由于船舶负荷变化悬殊，岸电需要采取有载调压变压器供电[1～2]。而考虑供电安全性和可靠性，IT系统在无法监测中性导体接地故障的条件下一般不配出中性线，但许多电焊机取电却需要使用中性导体，因此第10.4.4条规定电焊机电源自船用电接电箱引接是不合理的。

5 结语

干船坞由于其工艺特点，负荷种类复杂，用电安全性和可靠性高，属于难以实施等电位联结的室外场所。采用TN系统供电时，高低压侧绝缘破损、单相短路等故障容易引入工频过电压，导致设备线路绝缘击穿、人身电击伤害等事故。为保证用电安全和供电可靠，对于船坞规范建议修改如下：

1) 第10.4.1条，“电源接电箱的电源为380 V/220 V时，开关应采用三极开关”予以删除；

2) 第10.4.4条，“电焊机电源接电箱当容量满足时，宜兼作50 Hz船用电接电箱用”应调整为“电焊机电源接电箱不应与船用电接电箱共用”；

3) 第10.5.3条中删除“且应加PE线” ；

4) 第10.6.1条，“低压接地系统宜采用TN-C-S制”调整为“低压接地系统的选择应考虑工频故障电压的防护”。

世界上没有十全十美的电气系统,在设计过程中，应结合工程工艺特点、地理环境、使用方式、负荷类别进行认真分析，确定技术经济比高的电气设计方案。

[1] 杨金成, 徐正喜. 舰船交流岸电电源剖析[J]. 中国造船, 2005 (3): 50-55.

[2] 郑永高. 港口码头岸电系统设计探讨[J]. 建筑电气, 2021.

[3] 王厚余. 低压电气装置的.设计安装和检验.北京：中国电力出版社, 2020.

Discussion on Electrical Clauses in

Ding Jianxing, Feng Wei

(PLA Unit of 92942, Beijing 100161, China )

U673

A

1003-4862（2021）11-0053-04

2021-08-19

丁建兴（1975-），男，高级工程师。研究方向：电气工程。Email：dingjianxing@sina.com