照明設計中垂直接地體的探討

吳明波

(北京清華城市規劃設計研究院，北京 100084)

1 保護接地

保護接地就是將正常情況下不帶電，而在絕緣材料損壞后或其他情況下可能帶電的電器金屬部分(即與帶電部分相絕緣的金屬結構部分)用導線與接地體可靠連接起來的一種保護接線方式。

保護接地用于供電系統中，用以保證當電氣設備因絕緣損壞而漏電時產生的對地電壓不超過安全范圍。如果電器未采用接地保護，當某一部分的絕緣損壞或某一相線碰及外殼時，電器的外殼將帶電，人體萬一觸及到該絕緣損壞的電器設備外殼 (構架)時，就會有觸電的危險。相反，若將電器設備做了保護接地，單相接地短路電流就會沿接地裝置和人體這兩條并聯支路分別流過。一般地說，人體的電阻大于1000歐，接地體的電阻按規定不能大于4歐，所以流經人體的電流就很小，而流經接地裝置的電流很大。這樣就減小了電器設備漏電后人體觸電的危險。

實踐證明，采用保護接地是當前我國低壓電力網中的一種行之有效的安全保護措施。

2 保護接地的選擇和使用

保護接地又分為接地保護和接零保護，兩種不同的保護方式使用的客觀環境又不同，因此如果選擇使用不當，不僅會影響客戶使用的保護性能，還會影響電網的供電可靠性。

那么如何才能正確合理地選擇和使用保護接地呢?一、要認識和了解接地保護與接零保護，掌握這兩種保護方式的不同點和使用范圍;二、要正確選擇接地保護和接零保護方式;三、要依據兩種保護方式的不同設置要求，規范設計、施工工藝標準。

根據IEC規定，在道路照明系統中，接地方式分為TT系統、TN系統、IT系統。其中TN系統又分為TN-C、TN-S、TN-C-S系統。

2.1 TT方式供電系統

TT方式是指將電氣設備的金屬外殼直接接地的保護系統，稱為保護接地系統，也稱TT系統。第一個符號T表示電力系統中性點直接接地;第二個符號T表示負載設備外露不與帶電體相接的金屬導電部分與大地直接聯接，而與系統如何接地無關 (見圖1)。在TT系統中負載的所有接地均稱為保護接地，特點如下:

(1)當電氣設備的金屬外殼帶電(相線碰殼或設備絕緣損壞而漏電)時，由于有接地保護，可以大大減少觸電的危險性。但是，低壓斷路器 (自動開關)不一定能跳閘，造成漏電設備的外殼對地電壓高于安全電壓，屬于危險電壓。

(2)當漏電電流比較小時，即使有熔斷器也不一定能熔斷，所以還需要漏電保護器作保護。

(3)TT系統適用于接地保護占很分散的地方。

圖1 TT系統

2.2 TN方式供電系統

這種供電系統是將電氣設備的金屬外殼與工作零線相接的保護系統，稱作接零保護系統，用 TN表示 (見圖2)。它的特點如下:

1.一旦設備出現外殼帶電，接零保護系統能將漏電電流上升為短路電流，這個電流很大，是 TT系統的5.3倍，實際上就是單相對地短路故障，熔斷器的熔絲會熔斷，低壓斷路器的脫扣器會立即動作而跳閘，使故障設備斷電，比較安全。

2.TN系統節省材料、工時，在我國和其他許多國家廣泛得到應用，可見其優點比TT系統多。

TN方式供電系統中，根據其保護零線是否與工作零線分開而劃分為TN-C、TN-S和TN-C-S等。

(1)TN-C方式供電系統

圖2 TN系統

它是用工作零線兼作接零保護線，可以稱作保護中性線，用PEN表示這種供電系統的特點如下:

①由于路燈配電系統三相負載很難平衡，工作零線上有不平衡電流，對地有電壓，所以與保護線所聯接的電氣設備金屬外殼有一定的電壓。

②如果工作零線斷線，則保護接零的漏電設備外殼帶電。

③如果電源的相線碰地，則設備的外殼電位升高，使中性線上的危險電位蔓延。

④TN-C系統干線上使用漏電保護器時，工作零線后面的所有重復接地必須拆除，否則漏電開關合不上;而且，工作零線在任何情況下都不得斷線。所以，實用中工作零線只能讓漏電保護器的上側有重復接地。

⑤TN-C方式供電系統只適用于三相負載基本平衡情況。

(2)TN-S方式供電系統

它是把工作零線N和專用保護線PE嚴格分開的供電系統，稱作TN-S供電系統，其特點如下:

①系統正常運行時，專用保護線上不帶電流，只是工作零線上有不平衡電流。PE線對地沒有電壓，所以電氣設備金屬外殼接零保護是接在專用的保護線PE上，安全可靠。

②工作零線只用作單相照明負載回路。

③專用保護線PE不許斷線，也不許進入漏電開關。

④干線上使用漏電保護器，工作零線不得有重復接地，而PE線有重復接地，但是不經過漏電保護器，所以TN-S系統供電干線上也可以安裝漏電保護器。

⑤TN-S方式供電系統安全可靠，適用對安全要求較高的配電線路。

(3)TN-C-S方式供電系統

在配電線路中，如果前部分是TN-C方式供電，而下一部分采用TN-S方式供電系統，則可以在系統后部分現場總配電箱分出 PE線，這種系統稱為TN-C-S供電系統。TN-C-S系統的特點如下。

①工作零線N與專用保護線PE相聯通，當線路不平衡電流比較大時，電氣設備的接零保護受到零線電位的影響。負載越不平衡，燈桿外殼對地電壓偏移就越大。所以要求負載不平衡電流不能太大，而且在PE線上應作重復接地。

②PE線在任何情況下都不能進入漏電保護器，因為線路末端的漏電保護器動作會使前級漏電保護器跳閘造成大范圍停電。

③對PE線除了在總箱處必須和N線相接以外，其他各分箱處均不得把N線和PE線相聯，PE線上不允許安裝開關和熔斷器。

通過上述分析，TN-C-S供電系統是在 TN-C系統上臨時變通的作法。當三相電力變壓器工作接地情況良好、三相負載比較平衡時，TN-C-S系統在施工用電實踐中效果還是可行的。但是，在三相負載不平衡，工地有專用的電力變壓器時，必須采用TN-S方式供電系統。

3 接地極

接地極是直接與土壤接觸，用以與大地作為一定流散電阻的電氣連接的金屬導體或導電組，將電流或電壓接入大地的放電通道，為減少接地電阻，一般成組使用構成接地網的電極。接地母線是指將電流或電壓接入接地網的連接線，或將接地極連接成一體的導體。接地極是指與大地相連的一端，接地母線指連接接地匯流排和接地極的PE線，又稱接地總線。

接地極包括水平接地極和垂直接地極，用于把電流泄漏至大地的導體。通常接地極利用直徑50mm的鍍鋅鋼管或L50*50的鍍鋅角鐵，接地母線是鍍鋅扁鐵40*4mm。

4 道路照明接地設計與驗收規范

《城市道路照明設計標準》 (CJJC45—2006)6.1.9條款規定:道路照明配電系統的接地形式宜采用TN-S系統或TT系統，金屬燈桿及構件、燈具外殼、配電及控制箱屏等的外露可導電部分，應進行保護接地，并應符合國家現行相關標準的要求。

《電氣裝置安裝工程接地裝置施工及驗收規范》(GB50169—2006)3.3.1條款與《城市道路照明工程施工及驗收規程》(CJJ 89—2001)6.3.2條款規定:接地體頂面埋設深度應符合設計，當無規定時不應小于0.6米。(該條款為強制性條文，必須執行);

《電氣裝置安裝工程接地裝置施工及驗收規范》(GB50169—2006)3.3.2條款與《城市道路照明工程施工及驗收規程》(CJJ 89—2001)6.3.3條款規定:垂直接地體的間距不宜小于其長度的2倍。

《城市道路照明工程施工及驗收規程》 (CJJ 89—2001)6.2.5條款規定:保護接零時，在線路分支、首端及末端應安裝重復接地裝置，接地裝置的接地電阻不應大于 10 Ω。6.2.7條款規定:燈桿、配電箱等金屬電力設備采用接地保護時，其接地電阻不應大于4 Ω。

5 常見照明項目接地現狀

5.1 接地現狀

常見照明項目接地采取TN-S或TT系統;垂直接地極采用2.5米長利用直徑50mm的鍍鋅鋼管或L50*50的鍍鋅角鐵。垂直接地體的間距大于其長度的2倍。接地體頂面埋設深度大于0.6米。

5.2 施工中發現的問題

(1)目前接地極敷設采用人工打敷。由于接地極體積較小，考慮施工成本等因素，開挖的接地極敷設探坑深度最大只能保證在1.5左右，剩余1.6米的打入深度內含管線很難被提前發現，加上采用人工打敷，無法準確判斷接地極打入時尖端受壓、受阻力的變化，往往一錘子下去，發現已經破壞了地下管線才停止施工。

(2)地下管線信息變動或不準確帶來的安全隱患

地下管線信息未根據城市道路改造做出及時調整、地下管線單位提供的管線信息和數據不準確等也是造成接地接敷設時破壞地下管線的一個重要原因。

在以往的工程施工管理中，發現地下管線的地面標識標志后，工程管理人員會主動和管線管理單位取得聯系，尋求施工段面內各類地下管線的埋設位置、埋設深度等信息。但隨著城市道路、綠地的不斷改造，加上原本有些地下管線施工時采用的是非開挖敷設，導致收集到的管線信息不準確，甚至和實際情況偏差很大，致使接地極敷設時施工人員的誤判，發生事故。

6 垂直接地體埋設分析與探討

(1)為什么垂直接地體要相隔5米?

探討:留出充分的電荷放電空間，這個應該是經驗得出來的，和土壤的質量等因素有關系，一般要求接地電阻小于4歐姆，如果距離不夠的話，可以適當的進行加密。打下的接地體當然還是有用的。

(2)接地體頂面埋設深度應符合設計，當無規定時不應小于0.6米

探討:接地極的深度跟接地電阻沒什么關系，埋設深度是為了滿足其泄流時不對地面上人員和設備造成損害，所以施工請按相關規程要求來做。要說跟面積有點關系還扯得上點說法，在其土壤電阻率一定的時候，當然是接地極的面積越大越好了單個接地極的接地效果能好到什么樣這也要看埋設地的土壤電阻率是不是很低，本身材料的阻值是不是很低，天氣等情況來決定。

(3)接地電阻計算是只考慮復合水平接地網的電阻呢?還是復合水平接地網的電阻和垂直接地極的電阻并聯呢?

探討:只考慮復合水平接地網的電阻。根據理論和模擬實驗，垂直接地體對降低接地網工頻接地電阻的作用很小，約為2～8%，而且地網面積越大，影響越小，而垂直接地體主要是為了加強沖擊電流的擴散作用。因此在計算接地電阻時，不考慮垂直接地極。

(4)垂直接地體一定要2.5米長嗎?

探討:國家規范對垂直接地體長度沒有任何要求，只需接地電阻滿足國家規范就行。

(5)接地體的埋入深度不足但是數量增加是否可以滿足接地電阻要求

探討:①首先，這樣做肯定是要比原設計的效果好很多的，因為接地電流是沿接地體向周圍大地擴散的，你這樣做使得接地極擴散的面積增大了，所以接地電阻肯定或變小，但這樣回增加施工的工作量和增加連接接地極間的接地線的數量。

②理論上可以，因為增大接地網面積是可以減小接地電阻的。

垂直埋設的接地體多用直徑50mm、長2.5m的園鋼或角鋼，其每根垂直埋設接地體的散流電阻:

注:式中P—土壤電阻率 (Ω*m);L—接地體長度 (cm);d—接地鐵管或園鋼的直徑 (cm)若垂直接地體采用角鋼等效直徑d=0.84b

從上式可以看出，在不改變接地極材料型號時，真正的變量只有L，即接地體的長度，故可以做出減短接地棒長度的調整，同時，為保證接地電阻達到規范要求，應相應增加接地棒的數量，作為合成接地體。

合成電阻計算公式為:

注:式中，Rgo—單根垂直接地體的接地電阻 (Ω);ηL—接地體的利用系數;n—垂直接地體的并聯根數。

接地體的利用系數與相鄰接地體之間的距離a和接地體長度L的比值有關，通常取a/L=3，同時接地體以行形式排列時，ηL在0.9～0.95之間。

結合上述兩個公式，可以估算出以下結論:采用兩根1.5米接地棒與采用一根2.5米接地棒作為路燈接地極的接地電阻效果基本相同。

(6)基礎的開挖制作是否可以替代接地棒敷設的深坑?

探討:不可以，基礎的開挖后為澆注混凝土。混凝土與普通土壤電阻率差距數倍、或數十倍。

注:陶黏土土壤電阻率為10，混凝土在水中土壤電阻率為40～55，砂礫土壤電阻率為1000～2500表層土夾石、下層礫石土壤電阻率為600。

(7)增加垂直接地極的優點有哪?

探討:①將接地系統向縱深方向發展是提高高土壤電阻率地區及城區地網安全性的重要措施。

②增加垂直接地極能有效地降低接地系統的接地電阻，但在有限面積的接地網上布置過多的垂直接地極時，降阻效果將趨于飽和。

③增設垂直接地極對于降低接觸電壓和跨步電壓具有非常顯著的作用，一是垂直極的引入，降低了地電位升 (GPR)，而接觸及跨步電壓均與GPR有著直接的關系。二是因為增設垂直極后，大部分故障電流通過垂直極流入大地，相應減少了水平導體的散流量，因此地表面的水平方向電流密度大大減少，造成水平方向電場強度大大降低。

(8)采用兩根1.5米接地棒替代一根2.5米接地棒是否實用

探討:①增加了施工難度，原先只需挖一個接地棒的敷設基坑，現需要挖兩個接地棒的敷設基坑，工作量增加一倍。

②接地棒埋設深度:接地棒長度+敷設深度(大于0.6米);2.5米接地棒敷設深度為3.1米，1.5米接地棒敷設深度為2.1米。

常見地下管線敷設深度:給水管大于0.7米;污水管1～4米;雨水管1～3米;通訊電纜1.3～1.5米;燃氣管 1.3～1.5米;電力電纜大于0.7米。

可以看出敷設1.5米接地棒替代2.5米接地棒對于降低破壞給水管、通訊電纜、燃氣管、電力電纜幾率的貢獻微乎其微。相反敷設兩根接地棒增加了破壞地下管線的幾率。

如:一根接地棒破壞地下管線的概率為0.1，兩根接地棒破壞地下管線的概率為1－(1－0.1)* (1－0.1)=0.19

(9)可否將燈桿接地與避雷接地合并呢?

探討:避雷針與電器設備的外殼是不能共用一個接地極的;如果雷擊到避雷針上，雷電流通過構架接地引下線流散到地中，由于構架電感和接地電阻的存在，在構架上會產生很高的對地電位，高電位對附近的電氣設備或帶電的導線會產生很大的電位差。如果兩者間距離小，就會導致避雷針構架對其它設備或導線放電，引起反擊閃絡而造成事故。

為限制接地導體電位升高，避雷針必須良好接地，并與設備保持一定的距離;避雷針與變配電設備不但不能連接，而且在地面上的空間距離不得小于5米，避雷針接地網與電氣設備接地網之間的地下凈距離不得小于3米。