兼顧安全和可靠的道路照明電擊防護形式

陳壬賢，朱 濤，鄭書洧

(國網北京市電力公司，北京 100031)

引言

道路照明是城市重要的基礎設施，關系到城市的運行效率和市民的夜間出行安全。近年來，隨著城市發展和技術進步，道路照明建設維護水平不斷提高。但道路照明設施作為室外安裝的低壓電氣設備，廣泛分布于城市大街小巷，設施的安全性仍需高度重視。

道路照明設施對行人的電擊事故主要分為兩類：(1)行人觸碰帶電燈桿，造成接觸電壓觸電；(2)行人腳踏帶電積水，造成跨步電壓觸電。

燈桿或者積水帶電，都是相導體發生接地故障引起的。接地故障的原因主要包括兩方面：(1)環境原因，雨水漫過設備(包括燈桿檢修門、配電箱、電纜線路等)；(2)設備原因，線路絕緣損壞(絕緣老化、外力破壞)、電器損壞。環境、設備兩種因素都可能單獨導致觸電，而當兩種因素同時存在時，漏電危險最大[1-6]。

道路照明中的電擊事故反映出防護手段的不足。為防范電擊事故，我國南方一些城市甚至采取拉閘滅燈的極端辦法，在惡劣天氣下給市民帶來諸多不便乃至交通安全風險。當前采取的技術和管理手段未能杜絕路燈對行人的電擊事故，仍有進一步探討的必要。

1 現有的防護措施

低壓配電的電擊防護措施主要包括：直接接觸防護(無故障條件下的基本防護)、間接接觸防護(單一故障條件下的防護)、直接接觸和間接接觸兩者兼有的防護[7-11]。

道路照明采用的直接接觸防護(基本防護)措施為：將帶電部分絕緣(基本絕緣)。該措施能防止人體與危險帶電部分接觸。道路照明采用的間接接觸防護(故障防護)措施主要為：保護等電位聯結和自動切斷電源。保護等電位聯結和自動切斷電源措施相互配合。前者主要是設備外殼(燈具、燈桿)聯結PE、PEN并接地，效果是在故障情況下限制對地電壓值，并確保足夠的故障回路電流，使得保護電器能靈敏切斷電源；后者主要是過流保護電器(斷路器、熔斷器)或漏電保護器，效果是限制危險電壓的作用時間。

道路照明電擊事故，主要是基本絕緣損壞后，相導體發生接地故障(接觸設備外殼或大地)，引起接觸電壓或跨步電壓，此時主要依靠自動切斷電源的間接接觸防護措施，并與不同接地方式(保護等電位聯結)相配合。道路照明常用的接地方式主要有TN-C、TN-S、TT三種類型，與自動切斷電源措施配合如下：

(1)TN-C系統+過流保護

TN-C系統：整個系統的N、PE線是合一的，自動切斷電源只能采用過流保護電器。這種接地方式過去采用較多，現在已不允許使用。根據CJJ45—2006《城市道路照明設計標準》，道路照明配電系統的接地形式宜采用TN-S系統或TT系統，但在未改造的現有道路照明設備中，仍然有采用TN-C接地方式的[14]。

(2)TN-S系統+過流保護

TN-S系統：整個系統的N、PE線是分開的，自動切斷電源根據線路條件，可采用過流保護器或漏電保護器。過流保護器采用較多，漏電保護器在道路照明中實際應用很少。

(3)TT系統+漏電保護

TT系統：電力系統有一點直接接地，電氣設備的外露導電部分通過保護線接至與電力系統接地點無關的接地極。TT系統由于接地故障回路阻抗較大，用過流保護兼做接地故障保護難以滿足動作電流需要，只能裝設漏電保護器。在道路照明中漏電保護器容易誤動作，應用并未廣泛。

2 現有防護措施存在的問題

下文分別從單一故障和雙重故障兩方面，評估現有防護措施的有效性和存在問題。

2.1 單一故障和雙重故障的定義

此處的“單一故障”，不僅指基本防護失效(基本絕緣失效)，而可以拓展定義為：基本防護或故障防護兩者之一失效，具體包括以下四種常見類型：

(1)基本防護失效

① 金屬性接地：主要是相線對設備金屬外殼接地，故障點被電流熔焊，阻抗可忽略不計。故障電流較大，只要合理確定供電距離和保護整定值，過流保護電器能夠靈敏動作，切斷故障電流。

② 非金屬性接地：相線對外殼接地但存在接觸電阻，或相線直接接地(與無等電位聯結作用的大地、外部可導電部分發生接地故障)。故障點阻抗不可忽略，且阻抗值難以確定。故障電流較小，過流保護電器不能可靠動作。但故障電流已能引起危險的接觸電壓或跨步電壓。尤其是雨天，由于人體總阻抗較低，接觸電壓即便限制到50V以下仍可能對人身構成危害。很小的電流就可能引起麻電、倒地，從而進一步增大接觸面積，造成生命危險。從事故案例來看，多數發生在雨天，而故障設備的電源都沒能及時切斷。此類故障是現有措施防護效果不佳的薄弱環節，需要重點關注。

(2)故障防護失效

① PE或PEN斷線：TN-C系統的PEN線，或者TN-S系統、TT系統的PE線發生斷線。

② 自動切斷電器失效：過流保護器或漏電保護器失效，在過流或漏電時將拒動。

此處的“雙重故障”，指的是“先后發生的雙重故障”。根據GB/T17045—2008《電擊防護 裝置和設備的通用部分》要求，基本防護和故障防護作為兩個獨立的防護措施，應當具有以下關系[13]。

1)兩個獨立的防護措施之間不應互有影響，以做到一個防護措施的失效不至于損害另一個防護措施。

2)兩個獨立的防護措施同時出現失效是不太可能的，因而通常不需要予以考慮。

其中第2條存在另一種情況，就是基本防護和故障防護其中之一已經失效，但未能對運維人員發出提示，以致第一故障長期存在。在這一時期內，再發生另第二故障，就構成雙重故障，構成安全威脅。這種“先后發生的雙重故障”，與第2條所指的同時發生的雙重故障相比，可能性大大提高，需要引起重視。

2.2 單一故障和雙重故障下的防護效果

如圖1所示，通過單一故障和雙重故障的流程圖，可以看到故障的發生路徑和故障導致的5種可能結果。

(1)單一故障

情況①：第一故障構成危險，另一防護措施對此起到有效防護，安全。

情況②：第一故障構成危險，另一防護措施對此起不到防護作用，形成“單一故障危險”。

(2)雙重故障

情況③：第一故障不構成危險，能對運維人員形成提示(滅燈)，及時處理第一故障，安全。

情況④：第一故障不構成危險，不對運維人員形成提示，第二故障發生且構成危險，形成“雙重故障危險”。

圖1 單一故障和雙重故障的流程圖Fig.1 Flow chart of single fault and double fault

情況⑤：第一故障不構成危險，不對運維人員形成提示，第二故障發生但不構成危險，安全。

根據以上路徑，分析不同故障組合和發生次序所導致的結果，如表1所示。

表1 單一故障和雙重故障的危險性分析Table 1 Risk analysis for single fault and double fault

結合分析結果，總結現有防護形式存在問題如下。

1)TN-C系統+過流保護：安全性最低，可靠性較高。存在兩類單一故障危險(非金屬性接地、PEN斷線)。行業標準已不允許道路照明系統采用此種接地方式。

2)TN-S系統+過流保護：安全性中等，可靠性較高。存在一種單一故障危險(非金屬性接地)。對于非金屬性接地故障，GB 50054—2011《低壓配電設計規范》5.2.11通過規定“所有與系統接地極并聯的接地電阻”與“相導體與大地之間的接地電阻”的比值來限制間接接觸電壓不超過50V，但實際上故障相導體接地電阻無法預測，難以保證達到規范要求。并且50V以下電壓只能保證干燥環境下的安全，在潮濕環境下不能確保安全[12]。

(3)TT系統+漏電保護：安全性最高，但可靠性極低。道路照明線路正常泄漏電流較大，漏電保護器需要較高的整定值。而戶外環境惡劣，正常泄露電流隨著潮濕程度波動很大，難以準確整定。潮濕、覆冰、雷電、諧波等，都可能導致漏電保護器跳閘。從一些地區的實際應用情況來看，即便較大動作電流(300毫安以上)，仍無法避免頻繁的誤動作。這使得TT系統在道路照明的應用存在兩難境地：加漏保，可靠性太低；不加漏保，危險太大。

3 可行的新方案(TN-S接地+過流保護+漏電監測)

3.1 新方案介紹

道路照明的安全性重要，可靠性也同樣重要。尤其在雨天，如果道路照明大面積誤動掉閘，將給車輛和行人帶來較大危險。因此，道路照明的電擊防護方案需要綜合考慮安全性和可靠性兩方面。建議采取的形式為：TN-S接地+過流保護+漏電監測。

(1)采用TN-S接地系統+過流保護電器，根據GB 50054—2011《低壓配電設計規范》5.2.8要求核算接地故障的回路阻抗，合理確定供電半徑，確保末端發生金屬性接地故障時過流保護電器能夠可靠動作。

(2)在電源點的低壓出線各路分別加裝漏電監測器，對線路的漏電流實時監測，漏電流異常時動作于報警信號，報警信息接到現有的路燈遠程監控終端返回監控中心后臺(24小時有人值班)。其功能類似于民用建筑中的“防火剩余電流動作報警系統”。根據漏電流實際大小、持續情況及不同道路等級的可靠性要求，決定是否遠程控制切斷電源，并派出搶修隊伍前往現場。

3.2 新方案的特點

新方案的優勢在于如下四點。

(1)在安全性方面：全面消除單一故障危險。發生金屬性接地故障時能夠通過過流保護電器可靠切斷電源；發生非金屬性接地故障時能夠通過漏電監測器及時報警和處理，避免故障長期存在、無人處理的問題；不存在TN-C系統的PEN斷線危險。

(2)在可靠性方面：道路照明中漏電保護整定困難、誤動率高。此處漏電監測電器動作于報警信號，而不動作于跳閘，在及時發現和處理故障的同時，確保了道路照明運行的可靠性。報警信息通過遠程監控終端及時返回，避免了采用漏電保護器自動切斷電源所帶來的維護人員不掌握故障跳閘信息、被動等待報修的情況。

(3)對現在常用的TN-S接地+過流保護的模式不需要進行太大變動，并且充分利用現在已經廣泛使用的路燈遠程監控設備。

(4)道路照明維護的未來發展方向是狀態監測和狀態檢修，其中漏電流監測是一個重要方面。通過狀態監測，變事后處理為事前防范，將問題解決于萌芽期。除了外力破壞情況，設備從絕緣降低到最終接地或短路故障一般會有個發展過程。如圖2所示，通過對漏電流的長期監測，能夠掌握設備運行狀態，在不同階段采取有效應對措施，從而提升設備科學管理水平。

圖2 設備故障發展過程Fig.2 Process diagram of equipment failure

4 提升安全可靠性的其他措施

(1)雙重故障的防范：關鍵是根據雙重故障發生路徑，及時發現第一故障，即：PE斷線、自動切斷電器失效。這只能通過定期檢修來實現。對于防護設施的檢查，包括PE線導通性的檢驗，對自動切斷電器有效性的檢驗或定期輪換，甚至比對相線、N線的檢查更重要。因為防護設施的故障不發出提示，不易發現，長期存在則容易發展成雙重故障危險。

(2)將配電箱等設備、燈桿檢修門置于防止積水淹漬的高度。

(3)提高設備(配電箱、燈具等)的防塵防水性能(IP等級)，并進行必要的清潔，降低污穢和潮濕造成的爬電、漏電風險。

(4)電纜接線處采取防水式接線盒，防止接頭漏電。

(5)TN-S系統的PE線沿線路重復接地，降低系統保護接地電阻。

(6)雙側布置的路燈，兩側分別從不同的電源供電，確保在一側故障斷電時另一側不受影響，能為道路提供基本照明。

5 總結

(1)道路照明設備電擊事故時有發生，反映出現有電擊防護措施的不足。事故多發于潮濕天氣，主要機制是帶電部分發生接地故障，引起設備金屬外殼危險的接觸電壓或地面危險的跨步電壓。

(2)道路照明的間接接觸防護主要是自動切斷電源措施，并與不同接地方式相配合。現有防護形式中，TN-C系統+過流保護模式存在兩種單一故障危險(非金屬性接地、PEN斷線)，不允許使用；TN-S系統+過流保護存在一種單一故障危險(非金屬性接地故障)；TT系統+漏電保護安全性較高，但可靠性太低，無法推廣。

(3)TN-S接地+過流保護+漏電監測能夠兼顧道路照明的安全性和可靠性，對單一故障危險形成有效防護，而不降低系統可靠性。對現有常用的TN-S系統不需要太大變動，并且實現對線路絕緣狀況的狀態監測，提升設備科學管理水平。

(4)雙重故障危險的防范，關鍵是通過檢修，及時發現和處理第一故障(PE斷線、自動切斷電器失效)。

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