浅论市政电气设计中与接地有关的几个问题_郭凤文.pdf
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1、众说纷纭 话电气安全与接地6 | 建筑电气专刊2 0 0 6 年第3 期/ 总第7期建筑电气设计与设备专刊浅论市政电气设计中与接地有关的几个问题笔者在审查图样过程中,发现市政工程电气设计中一些与接地有关的问题,基本上都是因对现行规范和标准的掌握和理解不够充分、全面,或因规范本身的某些不足,而造成一些不当做法和错误,现将具体情况分述如下。T N系统出线保护灵敏度及最大配电距离的校验问题在低压配电系统中,接地故障发生的几率远大于带电导体间的短路。由接地故障引起的间接接触电击事故是最常见多发的电击事故,接地故障引起的电弧、电火花也是最常见多发的电气火灾起火源。而对接地故障引起的间接接触电击的防护则远
2、比直接接触电击复杂,不同的接地系统要求不同接地故障保护方式。但现实的状况是对接地故障及其防护措施的重视程度仍远不能令人满意,安全事故很多。反映在工程设计中,对于最常用的T N 系统,当采用过电流保护兼作接地故障保护时,往往忽视对低压配电线路保护灵敏度及其所对应的最大配电距离的校验。这也是当前市政电气设计中最为常见的问题。我国本文针对目前市政电气设计中出现的与接地有关的一些问题,进行了分析和讨论,并提出了解决问题的方法。南京市市政设计研究院有限责任公司 郭凤文关键词/ K e y w o r d s低电阻接地接地故障等电位联结构筑物防雷低压配电设计规范 ( G B 5 0 0 5 4 1 9 9
3、 5 ) ( 以下简称低规 ) 中的相关条文见于第4 . 2 . 3条和第4 . 4 . 7 条, 且第4 . 4 . 7 条为强制性条文,因此,该问题的重要性不容置疑。这个问题在市政电气设计中最容易出现的场所主要包括:一是用电负荷呈带状特征的,如道路、高架桥的路灯线路及隧道电气设计中的基本照明干线和检修电源干线回路;二是负荷呈分散、点状特征的,如垃圾填埋场的地下水或渗透液提升泵站的链接式配电干线。这些场所低压配电的一个共同特点是供电半径大而且从经济角度也希望配电距离尽可能延长,但问题是配电距离的大小必须服从以下两个条件,即满足电压损失要求和过电流保护灵敏度要求。这两个条件分别对应了一个最大的
4、配电距离,若实际线路长度小于这两个最大配电距离则满足要求。通过分析和计算可以知道在单级配电的情况下,配电线路若能满足接地故障保护灵敏度条件则一定能满足电压损失条件;在二级配电情况下,大多数仍能满足上述关系。由于接地故障电流求取较为麻烦,往往不对保护灵敏度进行校验,而只考虑线路是否满足允许电压损失条件。在工程设计中,当出线接地故障采用过电流保护方式时,需要根据变压器及其低压侧母线、出线电缆等参数验算出线电缆末端接地故障电流值,以判断低压断路器或低压熔断器能否可靠分断。由于低压系统单相短路电流的计算涉及到系统元件2 0 0 6 年8月建筑电气专刊 | 7特别策划零序阻抗值,求取虽然麻烦,但作为一项
5、基础性工作,求出几种常用电缆或导线在不同变压器容量及不同保护电器规格下的最大供电半径并加以表格化以便查取,使其成为一项统一技术措施,这对提高设计效率和质量不无裨益。鉴于供电系统可看成无穷大容量电源单端供电系统,且1 0 / 0 . 4 k V 变压器一般采用D y n 1 1 联结组别,系统阻抗很小,可以忽略不计,且变压器容量的变化对计算结果影响也不大,可仅依配电线路的接地故障回路阻抗计算接地故障电流,笔者在审图时以此作为保护灵敏度校验的判断方法,通常也很有效。对过电流保护灵敏度进行校验时,还有以下问题需加以注意:1 . 在计算单相短路(包括单相接地故障)电流时导体电阻温度的取值目前有两种观点
6、和方法,其一是以满足绝缘材料热稳定要求,即近似于绝缘导体在短路时所允许的最高温度(P V C 电缆其值为1 6 0 ,X L P E 电缆其值为2 5 0 )作为短路时电阻的计算温度。导体电阻R ( m ) 此时为随温度变化的函数,即 R = 1 + d ( - 2 0 ) r2 0l (1 )式中,d 电阻温度系数,取d = 0 . 0 0 4 ; 导线实际温度,; r2 02 0 时导线单位长度电阻 (m / m ) ; l 线路长度, m 。对于P V C 铜芯电缆的电阻值R 1 . 5 r2 0l ( 工厂配电设计手册第2版) 。其二是以导体允许最高工作温度作为短路时电阻的计算温度,对
7、P V C铜芯电缆按= 7 0 作为计算短路时的电阻温度,其电阻值R = 1 . 2 r2 0l ,要比用方法一时阻值小2 5 。无论哪一种方法,都可根据不同类型的电缆,按上式求出与r2 0的近似折算关系。以设计手册线路电压损失数据表中导体温度所对应的电阻值(通过的是负荷电流)取而代之的方法不足取。2 . 当利用低压断路器兼作接地故障保护时,保护灵敏度的验算此时应按下式进行保护灵敏度验算式中,Id单相短路电流,k A ;Kn脱扣器的短延时或瞬时动作电流倍数;In脱扣器长延时动作值,A 。选取动作电流倍数Kn时应注意,低压配电用塑壳式断路器(M C C B ) ,其短延时和长延时分断由热脱扣器完
8、成,瞬时分断由电磁脱扣器完成。其过载特性是1 . 0 5 In长期不动作, 当1 . 3 In时在1 h 内动作 (In6 3 A ) ,或在2 h 内动作(In6 3 A ) ;短路特性为1 0 In时瞬时动作,如C M 1 ,T M 3 0 和H S M 1 等系列配电型M C C B 。而有的产品会给出5 1 0倍In的误差范围,为可靠起见Kn仍应取为1 0 In(制造厂一般也整定为1 0 In) 。而某些配电型M C C B ,其Kn常标定有5倍和1 0倍两种,可任选其一,一般由用户提出、制造厂整定。而对于具有电子脱扣器的断路器,Kn值人为选择性更大。总之,应注意分别情况正确选择Kn值
9、,同时还应在图样上将其标注清楚。3 T N系统接地故障过电流保护电器为低压断路器和熔断器时应注意的问题就防电击而言,断路器和熔断器其切断电源的时间需满足t = 5 s 和t = 0 . 4 s 的要求, 如果采用断路器作防电击电器,不应仅用单相短路电流值在断路器动作特性曲线上找出与之对应的切断电源时间来判断其灵敏度是否满足要求,或者用切断时间的直线与动作特性曲线的交点所对应的In的倍数作为整定倍数。 因为对于断路器而言, 不论要求t = 5 s 或t = 0 . 4 s都需要借助其瞬时动作的电磁脱扣器来切断电源,即也必须满足低规 第4 . 2 . 3 条的灵敏度系数不应小于1 . 3 的要求,
10、以确保电击防护的有效性。1 0 k V 系统经低电阻接地后,1 0 / 0 . 4 k V 配变电所电气设计应注意的问题我国1 0 k V 配电网一直采用中性点不接地或经消弧线圈接地系统,其主要优点是在单相接地后可带故障继续运行1 2 h ,不致立即中断供电,相对提高了供电可靠性。随着我国城市1 0 k V 网络电缆的增多,对地电容电流大大超过2 0 A 的限值。发生单相接地故障时由于电弧能量的增大而使其自熄的概率极小,从而转化成相间短路,反而扩大了事故,使原有的优点不复存在。因此,近年来一些城市电网根据电网电缆不断增多的趋势开始改变 1 0 k V 不接地系统而采用经低电阻接地的系统,这对于
11、系统K = 1 . 3 (2 )Id 1 03KnIn浅 论 市 政 电 气 设 计 中 与 接 地 有 关 的 几 个 问 题众说纷纭 话电气安全与接地8 | 建筑电气专刊2 0 0 6 年第3 期/ 总第7期建筑电气设计与设备专刊单相接地时降低异常过电压、改善电气设备运行条件十分有利,但此系统发生接地故障时的接地电流可达数百或上千安培,这将给1 0 / 0 . 4 k V 配变电所的设计造成一定影响。在1 0 k V 中性点不接地系统条件下,1 0 / 0 . 4 k V 配变电所的高压保护接地与低压的系统接地共用接地极,其接地电阻不大于4 ,1 0 k V系统发生单相接地故障时,只发出故
12、障报警信号等等,这些做法我们都已很熟悉。但对1 0 k V 系统经低电阻接地后会产生什么问题目前重视不够,在工程设计中很少去关注和了解作为供电电源的 1 0 k V 系统采用的是何种接地方式。笔者在审查某大型污水处理厂施工图设计时,发现该工程3 5 / 1 0 k V 总降是由供电局设计的,其1 0 k V 侧利用兼作所用变的接地变压器中性点经1 5 小电阻接地, 而厂内1 0 / 0 . 4 k V配变电所的设计仍沿用了1 0 k V 不接地系统时的做法,设计者完全没有注意到作为电源端的1 0 k V 系统这一设计情况的改变。1 0 / 0 . 4 k V 配变电所作为建筑物配电装置(有关标
13、准简称为B类电气装置) ,既是1 0 k V 系统的负荷端,同时也是低压系统的电源端,当其高压侧工作于低电阻接地系统时,配电设计会有较大的变化。1 1 0 k V 配电系统的电气设计在中性点经低电阻接地后应注意的问题此时发生接地故障,故障信号应作用于跳闸而非只作用于信号;接地故障保护采用零序电流保护,且由于接地故障电流与故障点所在位置无关,仅与接地点的过渡电阻、线路的分布电容和中性点接地电阻有关,故只能采用带阶梯时限的零序电流保护来保证上、下级保护动作的选择性;电压互感器的接线由于不再检测零序电压作用于信号,而改为VV接线;1 0 k V 系统经低电阻接地后,可降低谐振过电压的幅值,抑制了弧光
14、接地过电压,且由于电源的迅速切断,对系统元件的绝缘水平可大为降低,如电力电缆的电压等级U0/ U 可由8 . 7 / 1 0 k V 降为选择6 / 1 0 k V 等,可见一、二次线的设计都要有所改变。2 对于低压系统要加强对1 0 k V 侧接地故障过电压对人身和设备危害的防范在变电所高压侧发生接地故障时,如图1 所示,接地故障电流 Id在变电所接地电阻RB上产生的故障电压Uf= IdRB, 随Id的增大而增大, 由于低压系统中性点接地与高压保护接地共用同一接地极 RB,对于T N 系统,此一上千伏的故障电压Uf将沿P E (P E N )线传导至低压系统引起工频暂态过电压,从而引发人身电
15、击事故。对于T T系统,故障过电压 Uf虽不会传导到低压电气装置的外露导电部分上而引起电击事故,但却存在对电气设备和线路对地绝缘产生Uf+ U0(相电压)的工频过电压,造成短路或接地火灾等危害。在设计上应采取的防范措施主要有:(1 ) 按 交流电气装置的接地(D L / T 6 2 1 1 9 9 7 )标准的要求,当变电所和低压用户不在同一建筑物内时,低压系统不得与电源配电变压器的保护接地共用接地装置,即分设两个接地,低压系统电源接地点应在距该配电变压器适当的地点设置专用接地装置,其接地电阻不大于4。建筑物户外不具备总等电位联结条件的电气装置则改为局部 T T系统,以防人身电击事故。(2 )
16、当变电所和低压用户在同一建筑物内时,由于具有总等电位联结的作用,可以共用接地装置。(3)当变电所和低压用户不在同一建筑物内时, T T 系统应注意降低1 0 / 0 . 4 k V 变电所接地电阻RB,使Id和RB的乘积小于1 2 0 0 V ,以防发生低压装置内绝缘击穿事故。水处理构筑物电气装置的接地、 等电位联结问题在市政工程水处理厂的电气设计中,另一个常见的问题是每一个工艺构筑物(如各种类型的钢筋混凝土结构的池子)都设有人工接地极,其接地电阻有的要求不大于4 ,有的要求不大于1 0 。在图样的设计说明中有的称其为“重复接地” ,有的称其为“等电位接地” ,甚至于有的设计还将整个图1 配电
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