超高层建筑单相接地短路保护的可靠性校验

发布时间：2025-01-08 10:42:36 丨 文章来源：海湾电气火灾 | 作者：http://dq.gstxf.com/丨 浏览次数：110

TN接地系统内发生接地故障(单相接地短路)时，其故障电流通过回路的PE保护导体返回电源，如不能及时切断电源，可能会使PE导体上的接触电压超过限值，也可能会使系统内未发生接地故障回路的外露可导电部分电压值超过接触电压限值。在人体接触带电设备外露可导电部分时，发生电击事故。还可能形成电弧性接地故障，引燃起火。故用自动切断电源作间接接触保护非常必要。对于自动切断电源作为故障防护措施,规范也有相应要求。GB 55024 - 2022《建筑电气与智能化通用规范》（以下简称《电通》）4.3.6条，GB 50054 - 2011《低压配电设计规范》（以下简称《低配》）5.2.2条、6.2.4条，《电通》4.6.2条，GB 51348 - 2019《民用建筑电气设计标准》7.7.6条作出了相应规定。

在超高层建筑的低压配电设计中，采用熔断器作保护电器的案例很少，基本都是采用断路器作为短路保护的保护电器，故本文仅讨论以断路器作为保护电器的情况。

某超高层办公建筑，总建筑面积11.9万m²，地上31层，地下2层，建筑主体高度142.5 m，在11F（45.9 m）和21F（91.8 m）设置避难层，塔楼变电所设在塔楼阴影下方地下1层，变电所内设2台1 600 kVA变压器和2台1 250 kVA变压器，其中2台1 250 kVA变压器为塔楼高区配电，变压器为SCB13系列，Dyn11连接，变压器阻抗电压U_k = 6 %，变压器10 kV侧系统短路容量S_s = 200 MVA，配电系统接地形式为TN - S。

>>>>  屋顶风机配电回路

以屋顶风机配电回路为参考，屋顶消防总箱设在屋顶层电井内，地下1层变电所低压配电柜馈出回路至消防总箱配电线路长度约为180 m（包括地下1层低压配电柜至电井约为40 m，电井内竖向约为140 m），屋顶消防总箱至风机房内风机控制箱配电线路长度约为15 m，风机控制箱至风机配电线路长度约为10 m，各级配电箱参数如图1所示，计算K11 ~ K14点单相接地故障电流，并校验各级配电断路器灵敏度。

>>  单相接地故障电流计算

>  方法一

依据《工业与民用配电设计手册》（第三版），以下简称《配三》），单相接地故障电流为:

式中：I_k为故障电流，kA；U_n为系统标称电压，380 V；Z_php、R_php、X_php分别为短路电路的相保阻抗、相保电阻、相保电抗，mΩ。

根据《工业与民用供配电设计手册》（第四版，以下简称《配四》）表4.3 - 5查得系统（高压侧系统短路容量200 MVA）、变压器（SCB11系列10 / 0.4 kV变压器（Dyn11））、母线阻抗，根据《配三》表4 - 25查得线路的相保阻抗，利用式（1）、（2）对各级配电箱发生单相接地故障时电流进行计算，结果见表1。

>  方法二

依据《配四》式11.2 - 6，最小接地故障电流的近似公式为：

式中：U₀为相对地标称电压，V；S为相导体截面积，mm²；k₁为电缆电抗校正系数，当S ≤ 95mm²时，取1.0，当S为120 mm²和150 mm²时，取0.96，当S ≥ 185 mm²时，取0.92；k₂为多根相导体并联使用的校正系数；n为每相并联的导体根数；ρ为20 ℃时的导体电阻率，Ω∙mm² / m；L为电缆长度，m；m为材料相同的每相导体总截面积（S_n）与PE导体截面积（S_PE）之比；0.8 ~ 1为电源侧阻抗系数，是考虑接地故障回路省略变压器阻抗和高压侧系统阻抗导致的误差进行的修正，当故障点远离配电变压器、线路截面积较小、变压器容量较大时，取高值（如0.95 ~ 1.00），反之，取较低值。

参考系统故障点距变压器较远，故约定系数取0.95，配电回路均为单根电缆供电，无校正系数k₂，导体材质均为铜，则多级配电箱最小接地故障电流I_kn计算为：

利用式（5）对各级配电箱发生单相接地故障时电流进行计算，结果见表2。

>>  断路器灵敏度校验

对表1和表2计算结果进行对比，表2计算结果低于表1计算结果，为保证断路器在故障状态下可靠动作，以表2的计算结果进行断路器灵敏度校验，结果如表3所示。由表3可知，短路点K13、K14的I_k / I_set3大于1.3，满足规范要求，短路点K12的I_k / I_set3小于1.3，发生单相接地故障时，断路器瞬时脱扣器不能迅速切断故障点电源，不满足规范要求。

>>  提高灵敏度措施

a. 加大线路L11保护接地导体截面积，使保护接地导体与相导体等截面积。由表4可知，短路点K12的I_k / I_set3仍小于1.3，不满足要求。

b. 加大线路L11相导体截面积。由表4可知，相导体截面积加大一级时短路点K12的I_k / I_set3仍小于1.3，不满足要求，相导体截面积加大两级时短路点K12的I_k / I_set3大于1.3，满足要求。

c. 加大线路L11相导体截面积，同时采用等截面积保护接地导体。由表4可知，短路点K12的I_k / I_set3大于1.3，满足要求。

d. 采用带短延时过电流脱扣器的断路器。由表4可知，短路点K12的I_k / I_set2仍小于1.3，不满足要求，同时加大一级相导体截面积或采用5芯等截面积电缆，短路点K12的I_k / I_set2大于1.3，满足规范要求。

e. 采用带接地故障保护的断路器。如采用短延时过电流脱扣器保护不满足要求时，可采用接地故障保护，通过三相不平衡电流保护，实现单相接地故障保护，三相不平衡电流保护整定值I_set0宜整定为长延时整定电流I_set1的50 % ~ 60 %。

f. 剩余电流保护。参考系统的配电回路为消防风机配电，不适合采用剩余电流保护。

g. 缩短配电线路。在设备层设分变电所，可缩短低压配电线路，但需综合考虑配电方案，不宜为提高灵敏度专门调整变电所方案。

表5为线路L11提高灵敏度措施造价及效果对比，由表5可知，在提高灵敏度措施中，采用5芯等截面积电缆比相线截面积加大一级的经济性好；采用带接地故障保护的断路器性价比最高。

>>>>  屋顶电梯配电回路

以屋顶电梯配电回路为参考，电梯配电箱设在屋顶电梯机房内，地下1层变电所低压配电柜馈出回路至消防总箱配电线路长度约为190 m（地下1层低压配电柜至电井约为40 m，电井内竖向约为140 m，屋顶层电井至电梯机房电梯配电箱约为10 m），电梯配电箱至电梯配电线路长度约为15 m，各级配电箱参数如图1所示，计算K22 ~ K23点单相接地故障电流，并校验各级配电断路器灵敏度。