公路隧道机电接地故障及灵敏度分析

刘勇健 王秀英

（1.四川省公路规划勘察设计研究院有限公司，四川 成都 610041；2.四川交投设计咨询研究院有限责任公司，四川 成都 610041）

0 引言

隧道机电设施绝大部分是Ⅰ类设备，当其绝缘损坏或失效发生接地故障时，不带电的电气设备的外露可导电部分会对地有故障电压，人接触此故障电压就可能遭受电击，发生心室纤维性颤动导致电击死亡。设计中一般采用变电所低压配电柜上或隧道配电箱的断路器的过电流保护器兼作接地故障防护，须在规定的时间内切断电源，保护操作人员的安全，防止配电线路和电气设备过热而引发电气火灾。

隧道机电接地系统由隧道洞口变电所的接地系统和隧道内接地系统组成。当变电所各馈线回路均采用多芯电中的一芯线作为PE导体时，此时隧道机电接地为TN-S系统。当变电所各馈线回路从变电所到隧道内配电箱用电缆护套、电缆铠装托金属外护物或框架作PE导体时，需要满足文献[1]中543.2条相关要求，首先保证电气连续性，其次PE导体最小截面满足要求。当满足上述要求时为TN-S系统；当不能满足要求或未采用PE导体时，此时变电所接地网与隧道接地网无电气联系，此时为TT系统。

隧道机电负载特征为回路负荷容量较小，电缆较长。本文给出隧道机电配电系统实际典型工程案例，效验电缆远端发生接地故障时过电流保护器的灵敏度，当不能满足要求时，应采取何种措施，保证人身安全和防止电气火灾的发生。

1 接地故障等值模型

当某回路发生相线与设备外露可导电部分或相线与PE线之间发生短路，TN-S系统、TT系统故障电流的流向分别见图1、图2所示。

图1 TN-S系统接地故障回路示意图

图2 TT系统接地故障回路示意图

由回路中的保护电器切断电源提供该回路的防电击保护，其动作特性应满足式（1）要求。

式中：

Zs——故障回路的阻抗（Ω），包括电源、电源至故障点相导体、故障点至电源PE导体的阻抗；

Ia——保护电器在规定时间内切断电源的动作电流，A；

U0——相线对地标称电压，V。

TN-S系统中发生接地故障时，故障回路阻抗为

式中：

ZT——低电源系统和变压器阻抗；

Zab——低压配电柜至隧道洞口相线阻抗；

Zbc——隧道洞口至配电箱相线阻抗；

Zcd——配电箱至设备相线阻抗；

Zde——设备至配电箱PE线阻抗；

Zef——配电箱至隧道洞口PE线阻抗；

Zfg——隧道洞口至变电所PE线阻抗；

RA——隧道接地电阻；

RB——变电所接地电阻。

TN-S系统PE线和相线同路径敷设，电缆截面较小，可以忽略电抗，只计入回路中的电阻。

TT系统中发生接地故障时，故障回路阻抗为：

TT系统中多回路采用扁钢作为共用PE导体时，回路阻抗需要计算扁钢的零序电阻和零序电抗，电感计算式：

式中：

L——回路电感，H；

μ0——空间磁导率，H∕m；

D——扁钢与回路导体间的距离，m；

l——扁钢长度；

R——扁钢断面等效半径。

2 TN-S系统接地故障分析

2.1 TN-S系统典型案例

典型照明和通风回路功率、电缆长度、电缆截面见表1。

表1 典型电缆选择表

2.2 TN-S系统接地故障电流计算

本案例故障点远离配电变压器，线路截面较小，电源侧阻抗系数取0.95，最小故障电流Id近似式为：

电压取相对地标称电压220V。

表2给出典型案例中线路末端发生接地故障时的故障电流值。

表2 线路末端接地故障电流 A

2.2 TN-S系统接地故障灵敏度分析

当采用断路器的瞬时脱扣电流作防护时，需要考虑可靠动作系数取1.3。表3给出典型案例中断路器可靠动作电流。

表3 断路器整定电流和可靠动作电流 A

风机回路采用变电所配电柜上断路器QF1作保护，37kW风机瞬动电流整定为1000A，断路器作接地故障保护时，可靠动作电流需要1300A，所有风机回路均不能满足用断路器瞬动作电缆末端接地故障灵敏度要求。

照明回路采用隧道内配电箱微断QF3作保护，采用微型断路器进行分析。照明回路1能满足用断路器瞬动作电缆末端接地故障灵敏度要求。照明回路2不能满足用断路器瞬动作电缆末端接地故障灵敏度要求。

2.3 TN-S系统共用PE线

隧道照明回路在隧道内通常采用桥架和线槽敷设，并靠近安装，采用同路径中最大PE线作为共同保护接地导体。

为简化计算，根据文献[2]中公式（11.2-7），将计算接地故障电流转化为计算电缆长度，表4给出典型案例用断路器作间接接触防护时铜芯电缆最大允许长度。

表4 TN-S系统铜芯电缆最大允许长度 m

从表4可看出，通过采用增大截面的方法提高接地故障灵敏度，经济性不佳。

在文献[3]的5.2.13条规定，TN系统中，当采用配电线路的过电流保护器兼作间接接触防护，其动作特性不满足灵敏度要求时，应采用剩余电流动作保护。

3 TT系统接地故障分析

图3中若采用TT系统，发生接地故障时，故障电流途径为低压柜相线导体至设备，又从设备处的共用PE导体回到洞口，经洞口重复接地电阻RA和电源端接地电阻RB回到电源端。通常采用RCD作防护，满足下式：

式中：

RC——外露可导电部分接地极和保护导体的电阻之和，Ω；

IΔn——RCD的额定剩余动作电流，A；

若使用多级RCD作保护时，要做好RCD的动作电流和动作时间的配合。

4 剩余电流保护器

当RCD整定为300mA时，RC包括隧道重复接地电阻和隧道PE线电阻值，很容易满足式（6）。

RCD有很高的接地故障防护灵敏度，但其应用也有局限性。RCD由于种种原因可能拒动，需要实施局部等电位联结作附加防护。为避免停电造成大的经济损失和人员伤亡，如隧道内应急照明、消防风机等负荷，应装设报警式RCD，为了保证人身安全，需要减少接触电压，应辅以接地和等电位联结，才可以收到更好的防电击效果。

5 等电位联结

文献[4]表2c给出了流过人体交流电流（50∕60HZ）发生心室纤维颤动的长持续时间的交流接触电压阈值，考虑到隧道有可能是潮湿环境，本文中取25V作为安全接触电压。

式中：

R——可同时接触的外露可导电部分和装置外可导电部分之间，故障电流产生的电压降引起接触电压的一段线路的电阻；

Ia——保证间接接触保护电器在规定时间内切除故障回路的工作电流，取瞬动工作电流的1.3倍。

当线路末端设备发生接地故障时，故障电流从相线到设备，再沿PE线回到配电箱。当设备上的接触电压大于25V时，需要将回路的PE线与等电位联结扁钢作联结，降低接触电压。表5给出用断路器瞬动电流作间接接触防护PE线的最大允许长度，表中截面为铜线，若为扁钢时，需要将截面换算为铜芯截面。

表5 等电位联结后PE导体最大长度 m

当线路长度超过表5中要求时，需要作重复接地，降低接触电压。

6 结束语

在TN-S和TT系统中，隧道机电设施采用变电所低压配电柜断路器或隧道内配电箱中的微型断路器作接地故障保护时，需要根据电缆相线截面和PE导体截面计算线路末端短路时的故障电流，当断路器灵敏度不满足要求时，可以加大相线和PE导体截面，减少接地故障回路电阻，可以增大接地故障电流。当采用加大截面的经济性较差时，应增加剩余电流保护RCD。由于种种原因RCD拒动，应同时辅以等电位联结减小接触电压至安全电压。PE导体截面选择兼顾接地故障灵敏度、等电位联结和重复接地，达到最佳性价比。