張 晨 曦

(民航機(jī)場(chǎng)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究總院有限公司, 北京 100101)

0 引 言

民用機(jī)場(chǎng)機(jī)坪用電設(shè)備包括高桿燈、機(jī)位號(hào)碼牌、400 Hz靜變裝置、飛機(jī)空調(diào)預(yù)制冷、高級(jí)目視停靠引導(dǎo)系統(tǒng)等。近機(jī)位機(jī)坪用電設(shè)備有航站樓提供低壓電源,遠(yuǎn)機(jī)位用電設(shè)備多由機(jī)坪箱式變電站提供低壓電源。機(jī)坪用電設(shè)備及供電設(shè)施的接地系統(tǒng)設(shè)計(jì)是民用機(jī)場(chǎng)安全生產(chǎn)工作的重要環(huán)節(jié)。機(jī)坪設(shè)備大部分為室外設(shè)備且分布廣泛、設(shè)備間距大,接地系統(tǒng)設(shè)計(jì)與建筑物接地系統(tǒng)多有不同[1-2]。本文針對(duì)民用機(jī)場(chǎng)機(jī)坪照明及供電設(shè)施的接地系統(tǒng),如箱式變電站接地網(wǎng)、低壓接地形式、等電位聯(lián)結(jié)等設(shè)計(jì)方案進(jìn)行探討。

1 遠(yuǎn)機(jī)位機(jī)坪設(shè)備接地系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 遠(yuǎn)機(jī)位供電系統(tǒng)

飛行區(qū)遠(yuǎn)機(jī)位距離航站樓或機(jī)場(chǎng)變電站較遠(yuǎn),超過(guò)低壓供電范圍,因此在遠(yuǎn)機(jī)位區(qū)域設(shè)置箱式變電站,為機(jī)坪照明及機(jī)務(wù)用電設(shè)備提供電源。根據(jù)民用機(jī)場(chǎng)設(shè)備負(fù)荷等級(jí):高桿燈、機(jī)位用電為二級(jí)負(fù)荷及以上,箱式變電站安裝2臺(tái)變壓器,當(dāng)任意一臺(tái)變壓器斷開(kāi)時(shí),其余變壓器的容量應(yīng)能滿(mǎn)足全部一級(jí)負(fù)荷及二級(jí)負(fù)荷的用電。

交流電氣裝置或設(shè)備的接地包括配電變壓器中性點(diǎn)接地和電氣裝置或設(shè)備的保護(hù)接地。保護(hù)接地包括電氣設(shè)備的保護(hù)接地、防雷接地、防靜電接地與屏蔽接地等。變電站保護(hù)接地應(yīng)與下列物體連接:接地極,變壓器底座和外殼,高壓設(shè)備和低壓設(shè)備的外露可導(dǎo)電部分,高壓電纜的金屬護(hù)套,低壓電纜的金屬護(hù)套(中性導(dǎo)體已通過(guò)獨(dú)立接地極接地的除外),電纜溝及地上各種電纜金屬支架等[3-5]。

箱式變電站接地系統(tǒng)設(shè)計(jì)從兩個(gè)方面考慮,一是變電站高壓側(cè)接地故障在低壓系統(tǒng)引起的暫時(shí)過(guò)電壓的防護(hù),二是間接接觸防護(hù)的自動(dòng)切斷電源防護(hù)。

1.2 變電站高壓側(cè)接地故障在低壓系統(tǒng)引起的暫時(shí)過(guò)電壓的防護(hù)(箱式變電站保護(hù)接地與低壓系統(tǒng)接地的關(guān)系)

低壓裝置供電的變電站內(nèi),當(dāng)高壓側(cè)系統(tǒng)發(fā)生接地故障時(shí),流經(jīng)變電站外露可導(dǎo)電部分的接地極的故障電流可導(dǎo)致變電站外露可導(dǎo)電部分的對(duì)地電位顯著升高,升高值與故障電流的大小及變電站保護(hù)接地電阻有關(guān),與故障電流的持續(xù)時(shí)間與高壓側(cè)系統(tǒng)接地形式有關(guān)。

變電所和低壓裝置故障時(shí)過(guò)電壓示意圖如圖1所示。

圖1 變電所和低壓裝置故障時(shí)過(guò)電壓示意圖

當(dāng)變電站高壓側(cè)發(fā)生接地故障時(shí),低壓系統(tǒng)內(nèi)的工頻應(yīng)力電壓和工頻故障電壓如表1所示。

表1 當(dāng)變電站高壓側(cè)發(fā)生接地故障時(shí)低壓系統(tǒng)內(nèi)的工頻應(yīng)力電壓和工頻故障電壓

高壓側(cè)系統(tǒng)為中性點(diǎn)直接接地或經(jīng)低電阻接地時(shí),接地故障電流IE通常較大,10 kV側(cè)一般為100～1 000 A。高壓側(cè)為中性點(diǎn)不接地、經(jīng)消弧線(xiàn)圈接地或高電阻接地時(shí),接地故障電流IE通常較小,10 kV側(cè)一般為10～30 A。

1.2.1 工頻故障電壓

當(dāng)變電站保護(hù)接地電阻RE與變壓器中性點(diǎn)接地電阻RB分隔時(shí)(電氣上相互獨(dú)立),Uf=0,高壓側(cè)故障不會(huì)引起低壓側(cè)的工頻故障電壓。

當(dāng)變電站保護(hù)接地電阻RE與變壓器中性點(diǎn)接地電阻RB連接時(shí),即保護(hù)接地與變壓器中性點(diǎn)接地共用接地電阻,如果低壓側(cè)為T(mén)N系統(tǒng)時(shí),Uf=REIE。Uf需在達(dá)到允許值之前被切斷的需求。根據(jù)GB/T 16895.10—2010中圖44.A2,由于高壓系統(tǒng)接地故障引起的低壓側(cè)Uf不要超過(guò)故障持續(xù)時(shí)間所對(duì)應(yīng)的電壓。如高壓側(cè)300 ms時(shí)切斷故障電流,查圖44.A2可知,允許的工頻故障電壓Uf=550 V。

以某樞紐機(jī)場(chǎng)為例,110 kV中心站小電阻接地,接地電阻10 Ω,箱式變電站保護(hù)接地與變壓器中性點(diǎn)共用接地極,接地電阻1 Ω,忽略變壓器阻抗和線(xiàn)路阻抗,單相接地故障電流I=520 A,箱式變電站上級(jí)開(kāi)閉站零序速斷保護(hù)400 mA,持續(xù)時(shí)間0.4 s時(shí)故障電壓為310 V,RE≤Uf/IE=0.6 Ω,接地電阻1 Ω不滿(mǎn)足要求。

當(dāng)變電站保護(hù)接地電阻RE與變壓器中性點(diǎn)接地電阻RB連接時(shí),即保護(hù)接地與變壓器中性點(diǎn)接地共用接地電阻,如果低壓側(cè)為T(mén)T系統(tǒng),Uf=0。

1.2.2 工頻應(yīng)力電壓

當(dāng)高壓系統(tǒng)接地故障持續(xù)時(shí)間≤5 s時(shí),U0+REIE≤U0+1 200 V,即,REIE≤1 200 V,RE≤1 200/IE。當(dāng)高壓側(cè)系統(tǒng)為中性點(diǎn)直接接地或經(jīng)低電阻接地時(shí),IE為100～1 000 A,RE不大于1.2～12 Ω。

高壓側(cè)為中性點(diǎn)不接地、經(jīng)消弧線(xiàn)圈接地或高電阻接地時(shí),IE為10～30 A,RE不大于40～120 Ω。允許的工頻應(yīng)力電壓如表2所示。

表2 允許的工頻應(yīng)力電壓

1.2.3 小 結(jié)

不同低壓系統(tǒng)接地型式下高壓側(cè)接地故障在低壓系統(tǒng)引起的暫時(shí)過(guò)電壓邏輯圖如圖2所示。

圖2 不同低壓系統(tǒng)接地型式下高壓側(cè)接地故障在低壓系統(tǒng)引起的暫時(shí)過(guò)電壓邏輯圖

機(jī)坪箱式變電站是既有高壓側(cè)保護(hù)接地,又有變壓器中性點(diǎn)接地的獨(dú)立變電站。

(1) 如果高壓側(cè)中性點(diǎn)不接地、經(jīng)消弧線(xiàn)圈接地或高電阻接地,接地故障電電流通常較小,無(wú)論保護(hù)接地與變壓器中性點(diǎn)電氣連接還是分隔,引起低壓側(cè)的工頻故障電壓及工頻應(yīng)力電壓通常滿(mǎn)足要求。

(2) 如果高壓側(cè)中性點(diǎn)直接接地或經(jīng)低電阻接地,當(dāng)保護(hù)接地與變壓器中性點(diǎn)電氣分隔時(shí),高壓側(cè)故障電壓不會(huì)引起低壓側(cè)工頻故障電壓,接地電阻應(yīng)使工頻應(yīng)力電壓滿(mǎn)足表1中要求。根據(jù)GB 51348—2019《民用建設(shè)電氣設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》,當(dāng)各系統(tǒng)不能確定接地電阻時(shí),推薦接地電阻取1 Ω,此時(shí)工頻應(yīng)力電壓滿(mǎn)足防護(hù)要求。

如果高壓側(cè)中性點(diǎn)直接接地或經(jīng)低電阻接地,當(dāng)保護(hù)接地與變壓器中性點(diǎn)共用接地裝置時(shí),如低壓采用TT系統(tǒng),接觸電壓為0,應(yīng)使REIE≤1 200 V;如低壓采用TN系統(tǒng),接觸電壓與故障持續(xù)時(shí)間應(yīng)滿(mǎn)足曲線(xiàn)或做等電位聯(lián)結(jié)。

1.3 低壓系統(tǒng)接地形式

從間接接觸防護(hù)的自動(dòng)切斷電源防護(hù)角度考慮低壓系統(tǒng)接地形式。

1.3.1 低壓采用TN系統(tǒng)

TN系統(tǒng)中電氣裝置的所有外漏可導(dǎo)電部分,應(yīng)通過(guò)保護(hù)導(dǎo)體與電源系統(tǒng)的接地點(diǎn)連接。規(guī)范要求相導(dǎo)體對(duì)地標(biāo)稱(chēng)電壓為220 V的系統(tǒng)切斷故障回路的時(shí)間固定設(shè)備不應(yīng)大于0.4 s。民用機(jī)場(chǎng)機(jī)坪設(shè)備遠(yuǎn)機(jī)位設(shè)備均為戶(hù)外設(shè)備,分布廣泛、設(shè)備間距大,低壓供電半徑可遠(yuǎn)至300 m以上,電源系統(tǒng)與設(shè)備間做總等電位聯(lián)結(jié)難度大。如使用TN系統(tǒng),PE線(xiàn)可傳導(dǎo)故障電壓。

(1) 當(dāng)TN系統(tǒng)相導(dǎo)體與無(wú)等電位聯(lián)結(jié)作用的地之間發(fā)生接地故障時(shí),為使保護(hù)導(dǎo)體和與之連接的外露可導(dǎo)電部分的對(duì)地電壓不超過(guò)50 V,其接地電阻的比值RB/RE≤50/(220-50),即RB≤0.29RE,可避免因PE線(xiàn)傳導(dǎo)故障電壓,RB為所有與系統(tǒng)接地極并聯(lián)的接地電阻,RE為相導(dǎo)體與大地之間的接地電阻。RE為隨機(jī)值,難以對(duì)RB規(guī)定一個(gè)安全限值,但RB盡量減小,可以通過(guò)降低變壓器中性點(diǎn)接地電阻,也可以通過(guò)設(shè)備處重復(fù)接地來(lái)降低RB。

(2) 當(dāng)TN系統(tǒng)某處設(shè)備發(fā)生單相碰殼故障,故障電流通過(guò)PE線(xiàn)形成回路,故障電流應(yīng)滿(mǎn)足:ZSIa≤220 V,其中Ia為保護(hù)電器動(dòng)作電流,Zs為接地故障回路阻抗。

發(fā)生接地故障后預(yù)期接觸電壓在無(wú)等電位且設(shè)備處無(wú)接地極情況下Ut=110 V。查標(biāo)準(zhǔn)IEC 60479中圖1-2曲線(xiàn)L1(干燥條件下),允許最長(zhǎng)切斷時(shí)間為0.35 s。

當(dāng)設(shè)備處重復(fù)接地,如某高桿燈及配電亭處接地電阻4 Ω,箱式變電站處工作接地1 Ω,無(wú)等電位,Ut=88 V。查IEC 60479中圖1-2曲線(xiàn)L1(干燥條件下),允許最長(zhǎng)切斷時(shí)間為0.45 s,規(guī)范要求0.4 s滿(mǎn)足要求。

因此,低壓采用TN需滿(mǎn)足PE線(xiàn)傳導(dǎo)的故障電壓不超過(guò)50 V。

(1) 可采用用電設(shè)備周?chē)植糠秶鷥?nèi)做等電位聯(lián)結(jié)采取地面電位均衡措施作為防間接接觸電擊措施。根據(jù)圖集15D502《防雷與接地》典型室外用電設(shè)備等電位聯(lián)結(jié)示例,典型C類(lèi)機(jī)位機(jī)坪供電設(shè)備等電位聯(lián)結(jié)如圖3所示,等電位均衡線(xiàn)與每個(gè)機(jī)坪設(shè)備不少于2處可靠連接,電位均衡線(xiàn)選擇防腐材質(zhì),接近道面安裝,距道面頂100 mm左右:電位均衡網(wǎng)也可為150 mm×150 mm的鐵絲網(wǎng),相鄰鐵絲網(wǎng)之間相互焊接。如道面內(nèi)有鋼筋網(wǎng),可利用道面內(nèi)鋼筋網(wǎng)。

圖3 典型C類(lèi)機(jī)位機(jī)坪供電設(shè)備等電位聯(lián)結(jié)示意圖

(2) 根據(jù)文獻(xiàn)[5],RE為隨機(jī)值,難以對(duì)RB規(guī)定一個(gè)安全限值。一些發(fā)達(dá)國(guó)家RB≤2 Ω,通常是有效和不難做到的。

1.3.2 低壓采用TT系統(tǒng)

TT系統(tǒng)中,配電線(xiàn)路內(nèi)由同一間接接觸防護(hù)電器保護(hù)的外露可導(dǎo)電部分應(yīng)用保護(hù)導(dǎo)體聯(lián)結(jié)至共用或各自的接地極上。TT系統(tǒng)保護(hù)動(dòng)作電流較小,多采用剩余電流動(dòng)作保護(hù)器(RCD)作為間接接觸防護(hù)的保護(hù)電器。

機(jī)坪400 Hz電源裝置輸入電制為三相三線(xiàn)+PE,設(shè)備輸入濾波板對(duì)地有大于100 mA泄漏電流,此外部分品牌設(shè)備所帶負(fù)荷為單向2.5 kW電機(jī)和90 kVA三相逆變模塊,為三相不平衡負(fù)荷。某進(jìn)口品牌400 Hz電源裝置濾波電容會(huì)形成剩余電流,輸入電的質(zhì)量會(huì)對(duì)剩余電流的大小產(chǎn)生一定影響。根據(jù)某機(jī)場(chǎng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè),瞬間最大泄漏電流可達(dá)1 A。

根據(jù)文獻(xiàn)[2]式(15.3-1),RCD動(dòng)作電流應(yīng)大于等于泄漏電流的2倍,即RCD的動(dòng)作電流應(yīng)不小于2 A。由于泄漏電流受輸入電源質(zhì)量等原因影響,建議當(dāng)400 Hz電源戶(hù)內(nèi)安裝時(shí),選擇動(dòng)作電流可調(diào)式RCD,根據(jù)實(shí)測(cè)泄漏電流值整定400 Hz電源裝置的RCD。

根據(jù)GB 51348—2019《民用建筑電氣設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》第7.5.5條,室外工作場(chǎng)所的用電設(shè)備應(yīng)設(shè)置額定剩余動(dòng)作電流值不大于30 mA的RCD,對(duì)于安裝在遠(yuǎn)機(jī)位機(jī)坪的室外400 Hz電源裝置,如采用2 A的動(dòng)作電流與GB 51348—2019不符。

接地系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)能滿(mǎn)足電力系統(tǒng)的運(yùn)行要求,并在故障時(shí)保障人身和電氣裝置的安全。機(jī)坪低壓配電如采用TN系統(tǒng),故障切斷時(shí)間應(yīng)不大于0.4 s,為避免PE線(xiàn)傳導(dǎo)因TN系統(tǒng)相導(dǎo)體與無(wú)等電位聯(lián)結(jié)作用的地之間發(fā)生接地故障時(shí)的故障電壓,建議降低箱式變電站處的接地電阻并在設(shè)備伸臂范圍內(nèi)設(shè)置等電位聯(lián)結(jié)或者降低接地電阻。機(jī)坪低壓配電如采用TT系統(tǒng),當(dāng)400 Hz電源戶(hù)內(nèi)安裝時(shí),可選擇動(dòng)作電流可調(diào)式RCD;當(dāng)400 Hz電源戶(hù)外安裝時(shí),由于RCD無(wú)法整定為30 mA,不適合采用TT系統(tǒng)。某機(jī)場(chǎng)室外機(jī)坪用電設(shè)備如圖4所示。

圖4 某機(jī)場(chǎng)室外機(jī)坪用電設(shè)備

2 實(shí)際案例設(shè)計(jì)

A機(jī)場(chǎng)110 kV中心站小電阻接地,接地電阻為10 Ω,低壓供電設(shè)備為高桿燈、400 Hz設(shè)備、空調(diào)預(yù)制冷等,低壓采用TN系統(tǒng),故障切斷時(shí)間不大于0.4 s。

(1) 如果箱式變電站保護(hù)接地與變壓器中性點(diǎn)共用接地極,接地電阻1 Ω,忽略變壓器阻抗和線(xiàn)路阻抗,單相接地故障電流I=520 A,查圖得持續(xù)時(shí)間0.4 s時(shí)故障電壓為310 V,RE≤Uf/IE=0.6 Ω。接地電阻1 Ω不滿(mǎn)足要求,為避免高壓側(cè)接地故障在低壓系統(tǒng)引起的暫時(shí)過(guò)電壓,可將接地電阻設(shè)計(jì)為0.6 Ω以下。為避免PE線(xiàn)傳導(dǎo)因TN系統(tǒng)相導(dǎo)體與無(wú)等電位聯(lián)結(jié)作用的地之間發(fā)生接地故障時(shí)的故障電壓,建議在設(shè)備伸臂范圍內(nèi)設(shè)置等電位聯(lián)結(jié)或降低箱式變電站處的接地電阻。

(2) 如果箱式變電站保護(hù)接地與變壓器中性點(diǎn)電氣分隔,可避免高壓側(cè)接地故障在低壓系統(tǒng)引起的暫時(shí)過(guò)電壓。根據(jù)文獻(xiàn)[4]中保護(hù)接地網(wǎng)在站外1.5 m處環(huán)繞敷設(shè),低壓變壓器中性點(diǎn)接地與保護(hù)接地網(wǎng)的間距不小于5 m。低壓變壓器中性點(diǎn)接地與保護(hù)接地網(wǎng)分開(kāi)敷設(shè)示意圖如圖5所示。變壓器中性點(diǎn)接地(即工作接地)與箱式變電站其他接地線(xiàn)嚴(yán)格分開(kāi),低壓出線(xiàn)PE母排與變壓器中性點(diǎn)連接,與箱式變電站保護(hù)接地分開(kāi)。

圖5 低壓變壓器中性點(diǎn)接地與保護(hù)接地網(wǎng)分開(kāi)敷設(shè)示意圖

低壓側(cè)為T(mén)N系統(tǒng),為避免PE線(xiàn)傳導(dǎo)因TN系統(tǒng)相導(dǎo)體與無(wú)等電位聯(lián)結(jié)作用的地之間發(fā)生接地故障時(shí)的故障電壓,建議在設(shè)備伸臂范圍內(nèi)設(shè)置等電位聯(lián)結(jié)或降低箱式變電站處的接地電阻。

以B機(jī)場(chǎng)為例,110 kV中心站消弧線(xiàn)圈接地,IE為10～30 A,低壓供電設(shè)備為高桿燈、400 Hz設(shè)備、空調(diào)預(yù)制冷等,低壓采用TN系統(tǒng),故障切斷時(shí)間不大于0.4 s。

箱式變電站保護(hù)接地與變壓器中性點(diǎn)共用接地極,接地電阻1 Ω,Uf為10～30 V,工頻應(yīng)力電壓及工頻故障電壓均滿(mǎn)足要求。為避免PE線(xiàn)傳導(dǎo)因TN系統(tǒng)相導(dǎo)體與無(wú)等電位聯(lián)結(jié)作用的地之間發(fā)生接地故障時(shí)的故障電壓,建議在設(shè)備伸臂范圍內(nèi)設(shè)置等電位聯(lián)結(jié)或降低箱式變電站處的接地電阻。

3 結(jié) 語(yǔ)

探討了民用機(jī)場(chǎng)遠(yuǎn)機(jī)位機(jī)坪照明與供電接地系統(tǒng)設(shè)計(jì)。保護(hù)接地與變壓器中性點(diǎn)電氣分隔僅適用于獨(dú)立變電站,且保護(hù)接地與變壓器中性點(diǎn)接地網(wǎng)的間距不小于5 m,可根據(jù)工程現(xiàn)場(chǎng)情況及工程代價(jià)選擇接地方式。如保護(hù)接地與變壓器中性點(diǎn)共地,當(dāng)高壓系統(tǒng)為小電阻接地時(shí),應(yīng)合理計(jì)算接地電阻取值以滿(mǎn)足故障電壓和應(yīng)力電壓要求。

若低壓配電采用TN系統(tǒng),故障切斷時(shí)間應(yīng)不大于0.4 s,為避免PE線(xiàn)傳導(dǎo)因TN系統(tǒng)相導(dǎo)體與無(wú)等電位聯(lián)結(jié)作用的地之間發(fā)生接地故障時(shí)的故障電壓,建議在設(shè)備伸臂范圍內(nèi)設(shè)置等電位聯(lián)結(jié)或降低箱式變電站處的接地電阻。如果機(jī)坪無(wú)400 Hz設(shè)備或者400 Hz設(shè)備為戶(hù)內(nèi)安裝時(shí),低壓配電可采用TT系統(tǒng),并設(shè)置動(dòng)作電流可調(diào)式RCD。