地铁工程远距离设备配电设计探讨

王 哲

(中铁二院华东勘察设计有限责任公司,杭州 310004)

0 引言

地铁低压配电系统承担了为所有低压负荷(除电动车组以外)提供电能的重要任务，并保证动力照明设备配电的安全、可靠、合理、经济。地铁设备系统较多，运行工况各不相同，尤其在区间隧道或出入段线区域，设备分散且配电距离长，部分设备配电半径长达1 000m甚至更远。远距离配电设备除照明灯具及检修设备外，还有很多电动机设备(如区间水泵、射流风机等)，此类设备为一级负荷，一组设备包含两台或多台水泵或风机，并根据现场工况采取单台或多台运行的方式。

由于设备远离变电所，配电距离长，此类设备的配电要综合考虑线路电压损失、短路保护电器分段能力及保护灵敏度等因素，从而确定合理的配电方案。图1所示为地铁配电系统中区间低压三相电动机配电系统图，接地型式采用TN-S系统，设备采用直接启动方式，控制柜靠设备末端就地设置。

图1 典型笼型低压三相电动机配电系统图

1 配电线路电压损失校验

对于电动机负载来说，JGJ 6-2008《民用建筑电气设计规范》3.4.5条及GB 0052-2009《供配电系统设计规范》5.0.4条规定：正常运行情况下，用电设备端子处的电压偏差允许值宜符合偏差±5%的要求；GB 0055-2011《通用用电设备配电设计规范》2.2.2条及JGJ 6-2008《民用建筑电气设计规范》9.2.2条规定，电动机的启动应符合如下要求：电动机启动时其端子电压应保证机械要求的启动转矩，且在配电系统中引起的电压波动不应妨碍其他用电设备的工作；电动机频繁启动时，其配电母线上的电压不宜低于额定电压的90%；电动机不频繁启动时，其配电母线上的电压不宜低于额定电压的85%。

对于图1所示系统，为满足电动机正常启动和运行的需求，首先应考虑线路末端的电压偏差。在正常稳定运行状况下(交联聚乙烯电缆导体的允许长期工作最高温度为90℃)，线路电压损失按照不超过5%核算，即：

U%=ua%IL≤5%

(1)

ua%≤0.24

式中，ua为每A·km线路的电压损失百分比，%/A·km；I为负荷计算电流，A；L为线路长度，km；电缆规格至少应采用WDZAN-YJY23-0.6/1kV-3×35+2×16mm2。

由于区间废水泵及射流风机均为不频繁启动电动机，其配电母线上的电压不宜低于额定电压的85%。通常只要电动机额定功率不超过电源变压器额定容量的30%即可全压启动，满足启动要求。为减少末端设备的电压偏差，在供配电系统的设计中可采用增加配电线路电缆的截面或采取就地无功补偿的措施予以解决。

2 电动机主回路保护电器的选择

图1所示配电系统主回路中，变电所侧断路器用作电动机过载保护时长延时脱扣器，整定值Iset1取50A，其瞬时整定值应为电动机启动电流2～2.5倍，取其值Iset3=12Iset1=600A。对短路保护电器的长延时及瞬时值做出整定后，还应计算配电回路的预期最大短路电流(即三相短路电流)Ik、最小短路电流(即末端单相接地故障电流)Ik1。其中，最大短路电流用于校验电气设备的动稳定、热稳定及分断能力，整定继电保护装置。最小短路电流用于选择熔断器、设定保护定值或作为校验继电保护装置灵敏度和校验感应电动机启动的依据。

2.1 短路电流计算及短路保护电器分断能力校验

对于图1所示的配电系统，K1点的三相短路电流为：

(2)

式中，Un为系统标称电压，220/380V；RT=Ra+Rtr+Rm，XT=Xa+Xtr+Xm；RT、XT为短路电路的总电阻、总电抗，Ω；Ra、Xa为变压器低压侧的中压系统电阻、电抗，Ω，Xa≈10Ra；Rtr、Xtr为变压器的电阻、电抗，Ω；Rm、Xm为低压侧母线段的电阻、电抗，Ω。母线电阻通常可忽略不计，电抗约为0.17mΩ/m。

比较各电气元件阻抗可知，变压器阻抗远大于系统阻抗和母线阻抗，在工程计算中可忽略系统阻抗、母线阻抗进行简化计算，则

(3)

因此，K1点的三相短路电流Ik约为30kA。

同理，对于K2点的三相短路电流，由于低压配电线路长度较长，其线路阻抗远大于系统阻抗、变压器阻抗和母线阻抗。由于电缆线路电抗值约为0.08mΩ/m，对于长度>100m、截面积<50mm2的电缆，其电抗值相对于总阻抗可忽略不计。因此，K2点的三相短路电流计算可简化为：

(4)

式中，RL为线路电阻，Ω；ρ为20℃时导体温度的电阻系数常数，其值为0.0185Ωmm2/m；L为导体的长度，km；S为导体的截面积，mm2。

因此，K2点的三相短路电流Ik2约为868A。

K1、K2点的实际三相短路电流一定不大于式(2)～(3)简化后的计算值，因此可知，K1、K2点断路器的分断能力只要不小于30kA、868A，则一定可以满足实际工程的要求。

2.2 单相接地故障电流计算及保护电器短路保护灵敏度校验

对于图1所示的配电系统，K2点单相接地故障电流Ik1为：

(5)

式中，Rphp、Xphp分别为短路电路的相线-保护线回路总电阻、相线-保护线回路总电抗，Ω。

比较各电气元件相保阻抗可知，系统相保阻抗、变压器相保阻抗、母线相保阻抗和配电电缆相保阻抗中，配电电缆相保阻抗值最大，对于电缆截面≤185mm2的线路，其电抗相比于总阻抗可忽略不计。因此，在工程计算中可忽略系统相保阻抗、变压器相保阻抗、母线相保阻抗和电缆相保电抗，则末端K2点单相接地故障电流Ik1可简化为:

Ik1=0.95Un/Rphp’L

(6)

式中，Rphp’L为短路电路的电缆相保电阻，Ω。在单相接地故障电流计算中，线路电阻RL应采用较高温度下的数值，与RL20的关系由式(3)[5]确定。

RL=[1+0.004(θc-20℃)]RL20

(7)

式中，RL20为导线在20℃时的阻值，Ω；θc为短路结束时的导线温度，℃。

对于交联聚乙烯电缆，短路时(最长持续时间不超过5s)导体允许最高温度为250℃。以《工业与民用供配电设计手册》(第三版)中提供的相保电阻为例，对于图1所示系统，电缆单位长度相保电阻值为2.397mΩ，则K2点的单相接地故障电流Ik1为174A。

假如短路点K2在就地设备控制柜的断路器进线侧，主回路短路保护电器为断路器时，K2点的单相接地故障电流应≥断路器瞬时或短延时过电流脱扣器整定电流的1.3倍，即Ik1≥1.3Iset3。对图1所示系统，单相接地故障电流应≥780A，不能满足灵敏度校验的要求。

3 配电线路单相接地故障保护的解决措施

通过上述计算分析可见，对于地铁工程中长距离设备配电系统来说，虽然按照电压损失校验选择了电缆截面，但是由于单相接地故障电流较小，靠过流保护电器兼作接地保护时很难通过校验。当配电线路较长、保护电器难以满足接地故障保护灵敏度的要求时，可采取以下措施。

(1)采用降压启动或软启动方式，降低电动机的启动电流。软启动时，启动电流一般为额定电流的2～3倍。由于软启动器属于电力电子设备，受环境温湿度影响较大，应定期检查软启动器的环境条件及运行情况，以避免设备故障、漏电或短路事故的发生。

(2)加大电缆相导体及保护接地导体截面积，以提高短路点的接地故障电流。对于图1所示的配电系统，若要靠加大电缆截面来满足K2点单相接地故障电流灵敏度校验的要求，需将电缆截面加大至150mm2。工程成本增加非常多，明显不合理。

根据《工业与民用供配电设计手册》(第三版)中提供的相保电阻可知，电缆规格为35mm2的四芯电缆，其单位长度相保电阻值为1.503mΩ。因此可在适当提高相线截面的情况下，采用提高PE线截面的方式，以节省投资。对于地铁区间中射流风机、水泵等负荷来说，还可以利用区间电缆支架上贯通敷设的接地扁钢以进一步降低阻抗。

(3)采用带短延时过电流脱扣器的断路器。对于同一断路器，由于短延时过电流脱扣器整定电流值Iset2通常只有瞬时过电流脱扣器整定电流值Iset3的20%～30%，所以当断路器的瞬时过电流脱扣器不能满足接地故障要求时，可采用带短延时过电流脱扣器的断路器进行保护，其灵敏性更容易满足。

(4)选择熔断器作为保护电器。电动机的短路和接地故障保护电器应优先选用aM型熔断器，熔断器额定电流Ir为50A。对图1所示系统，则要求K2点单相接地故障电流Ik1≥5.50=275A。此时，可再适当加大一级电缆截面积即可满足要求，相对较为经济合理。可见，熔断器比断路器更容易满足接地故障保护的要求。

(5)采用带接地故障保护的断路器。接地故障保护分为三相不平衡电流保护和剩余电流保护两种。采用三相不平衡电流保护时，保护整定值Iset0应大于正常运行时N导体中流过的最大三相不平衡电流、谐波电流、正常泄漏电流之和，而在发生接地故障时必须动作。因此三相不平衡电流保护整定值Iset0应符合：

Iset0≥2.0IN及Ik1≥1.3Iset0

(8)

式中，Iset0为三相不平衡电流保护整定值，A；IN为三相不平衡电流，A。

配电干线正常运行时的三相不平衡电流值IN通常不超过设备计算电流的20%～25%，三相不平衡电流保护整定值Iset0以整定为断路器长延时脱扣器电流Iset1的50%～60%为宜。可见，三相不平衡电流保护整定值Iset0比短延时整定值Iset2小得多，更易于满足保护灵敏度的要求。在满足动作灵敏度要求的前提下，Iset0整定值应大一些，延时时间尽量长一些。

采用剩余电流动作保护装置(RCD)作接地故障保护时，保护整定值Iset4应大于正常运行时线路和设备的泄露电流总和的2.5～4倍，同时Iset4的1.3倍应不大于接地故障时流过线路PE线的故障电流。通常，35mm2交联聚乙烯电缆泄漏电流为70mA/km，22kW电动机正常运行的泄漏电流为0.72mA[2]，RCD额定动作电流的选择要充分考虑电气线路和设备的对地泄露电流值，必要时可通过实际测量取得被保护线路或设备的对地泄露电流。一般取Iset4整定值为300mA或500mA。剩余电流保护整定电流比三相不平衡电流保护的电流更小，动作灵敏度更高。对于地铁中供电可靠性要求高的负载，该接地故障保护可不切断电路而只发出报警信号。

此时，为满足间接接触电击事故防护的要求，可采用局部等电位联结或辅助等电位联结来降低接触电压，如果设备在无等电位联结的户外，可将电气设备改为局部TT系统。故当接地型式采用TT系统时，采用RCD作为接地故障保护，应满足：

RΔIΔn≤50V

(9)

式中，RΔ为电气装置外露可导电部分的接地极和PE导体的电阻之和，Ω；IΔn为RCD在规定时间内的额定动作电流，A。

接地电阻的要求TT系统相对于TN系统，更容易满足，从电击安全性、保护可靠性及成本等方面考虑也更优。

4 结束语