關于漏電保護器在城市道路照明系統中的應用

雷小雄

(深圳市燈光環境管理中心，廣東 深圳 518001)

引言

隨著我國現代化城市建設的快速發展，城市道路路燈的數量急劇增加。城市道路照明不僅美化了城市的市容，也給市民的生產與生活帶來很大便利。但是由于多種原因導致的城市道路照明設施的不完善及運行維護管理的不到位，造成了許多電氣安全事故。

為了切實防止城市道路照明系統觸電傷亡事故的發生，我們需要對城市道路照明系統的環境及安全有著徹底的認識，而且要嚴格依據本行業的標準規范要求對道路照明系統進行設計、建設及維護[1-3]。同時對于一些雷暴日較多、雨季較長等自然氣候惡劣且地形復雜的城市，建設單位可對城市道路路燈系統中的防觸電關鍵設施提出更高安全的要求，采用一些有著更高安全性能特點的優質產品[4-7]。

1 漏電保護器應用現狀及問題

漏電保護器動作原理是利用系統的接地故障電流或電壓的能量引發保護器的脫扣器作出相應的反應。系統正常運行時系統的剩余電流幾乎為零，故漏電保護器的動作整定值可以整定得很小(一般為mA級)。當系統發生人身觸電或設備外殼帶電時，出現較大的剩余電流，漏電保護器則通過檢測和處理這個剩余電流后可靠地動作，切斷故障電源。

筆者依據多年來從事城市道路照明的運行維護實踐經驗，認為導致目前城市道路路燈系統漏電傷人的主要原因是一方面系統中的絕緣與接地存在問題，另一方面設計與建設人員對于系統中漏電保護器的選型與應用上存在許多認識上的誤區。

1.1 設計上的認識誤區所帶來的問題

項目設計師對于漏電保護器存在認識上的誤區。這主要體現在：

1)一些設計單位設計人員誤認為在道路照明線路系統采用TN-S的接地形式，且燈桿做好保護接地就行了，在供電系統不必選用漏電保護器了。

2)部分設計師雖然已認識到城市道路照明系統應安裝漏電保護器，在項目設計時僅在箱式變壓器的低壓側回路上設計了線路保護用的漏電保護器，未在燈桿下方上燈線部分設計單相漏電保護器。

3)將電子式漏電保護器與電磁式漏電保護器混同，設計時對漏電保護器的類型未作具體要求，導致電子式漏電保護器頻繁跳閘，給維護人員帶來很大不便。

4)雖然對于箱式變壓器低壓側配電回路及燈桿內檢修門內作二級漏電保護設計，但是對于兩級漏電保護器的技術參數未整定好，導致在對剩余電流保護器的選型上出現錯誤。實際應用時，不是漏電保護器頻繁跳閘，就是因終端燈桿漏電時整個回路都跳閘，整個線路都停止工作。

1.2 系統維護人員的問題

一般來說，城市道路照明系統維護人員負責的區域與線路數量都比較大，運行維護工作繁重，在漏電保護器的運行維護方面，對他們的工作量影響較大的主要表現在：

1) 在潮濕天氣特別是雷雨季節時漏電保護器頻繁跳閘，維護人員需要及時趕到現場對其進行復位，恢復照明。維護人員在四處奔走合閘的過程中常常顧此失彼。面對大量重復合閘作業，為了不耽擱他們其他的維護工作，一些維護人員干脆棄用漏電保護器，或使用過流保護器替換漏電保護器，這樣產生了線路上更大的安全事故隱患。

2) 由于漏電保護器僅安裝于箱式變壓器低壓回路上，一條上燈線的漏電可以引起街道照明線路整體跳閘，不僅行人受較大影響，維護人員查找漏電源頭時需要一根一根排查，費時費力。

3) 戶外采用易受電磁干擾的電子式漏電保護器，因其受外界影響較大，如故障電壓過低(一般電子式漏電保護器的整定動作電壓為50 V)，漏電保護器可能拒動，這樣的安全隱患維護人員較難發現，也不易解除故障。

2 漏電保護器在城市道路照明系統中的應用

鑒于以上現狀及問題，在選擇漏電保護器時應該考慮使用一些更安全更穩定的漏電保護設備，升級城市道路照明系統的安全性能。

2.1 采用漏電保護器的必要性

目前，國內的城市道路照明系統大多采用TN/TT系統的接地形式?！冻鞘械缆氛彰髟O計標準》(CJJ 45—2015)。6.1.8中明確，道路照明配電系統的接地形式應采用TT系統或TN-S系統，并應符合《低壓配電設計規范》(GB 50054—2011)的相關規定。

在TT系統內發生接地故障時，其故障回路阻抗較大，故障電流相對較小，熔斷器或過流斷路器在接地故障的情況下不容易動作，應設置漏電保護器。

而在TN系統中，配電線路采用過電流保護電器兼作間接接觸防護電器時，其動作特性應符合GB 50054第5.2.8 條的規定；當不符合規定時，應采用剩余電流動作保護電器或過流保護器。對于更安全的角度考慮，TN-S系統中也應設置漏電保護器。

由此可知，無論是對于TN-S或TT的接地系統，在供電回路前端都應設漏電保護開關，當燈具漏電發生時，漏電保護開關迅速切斷電源，保護了人身安全。一般的解決辦法就是要根據標準要求在箱式變壓器低壓側的配電系統中增加漏電保護器。

對于道路邊的金屬燈桿而言，一方面燈桿內的電纜線長期處于通電、高溫、水浸的影響，易出現電纜防護層絕緣老化，另一方面因燈具的鎮流器在高溫或潮濕天氣下長期運行造成絕緣老化形成的漏電現象導致燈桿帶電也是常見危險現象。更有甚者，一些低洼地段的燈桿檢修門內的電纜接頭因雨水進入而出現防護功能缺失，易出現芯線或接頭觸到燈桿的情形，此時電纜線對地通常為220 V交流電壓。此類情形下的燈桿應視為Ι類直接接觸的帶電體而考慮防護措施。根據GB 50054等5.1.12條要求，應設置剩余動作電流不超過30 mA的漏電保護器，作為附加防護措施。

2.2 以電磁式漏電保護器代替電子式漏電保護器

通過調查了解，我們發現不少地方城市道路照明系統中采用的漏電保護器為家用電子式漏電保護器。較少采用電磁式漏電保護器，主要原因除了電子式漏電保護器的價格大大低于電磁式漏電保護器，其中對選購兩者的結構性能特點不了解也是一個重要原因。

電子式剩余電流保護器零序電流互感器的二次回路和脫扣器之間接入一個電子放大線路，互感器二次回路的輸出電壓經過電子線路放大后再激勵剩余電流脫扣器，其主要由零序電流互感器、電子控制漏電脫扣器和斷路器組成。當被保護電路中漏電或人身觸電時，只要漏電電流經過電子線路放大后達到設計選擇動作電流值，零序電流互感器的二次繞組就輸出一個信號，并通過漏電脫扣器使斷路器動作，從而切斷電源起到漏電和觸電保護作用，結構見圖1。

電磁式剩余電流保護器零序電流互感器的二次回路輸出電壓不經任何放大，直接激勵剩余電流脫扣器，其主要由零序電流互感器、漏電脫扣器和斷路器組成。當被保護電路中漏電或人身觸電時，只要漏電電流達到設計選擇動作電流值，零序電流互感器的二次繞組直接通過漏電脫扣器使斷路器動作，從而切斷電源起到漏電和觸電保護作用。其結構見圖2。

圖1 電子式漏電保護器的結構圖Fig.1 Structure of electronic leakage protector

圖2 電磁式漏電保護器的結構圖Fig.2 Structure of electromagnetic leakage protector

電磁式與電子式漏電保護器的抗干擾性能比較如表1所示。可以看出，電磁式漏電保護器較電子式漏電保護器具有不受外接電壓的變化影響，更強的抗雷擊浪涌電流的干擾能力。電子式漏電保護器雖然價格較低，但是由于其自身電子電路易受外界電磁干擾，外接電壓較低時會出現拒動的現象，存在較大的安全隱患。對于具備戶外特點城市道路照明設施而言，應選用抗干擾性能更強，誤動作較少的電磁式漏電保護器。

2.3 選擇合適的漏電保護器的漏電動作電流值

通常為了保證人身安全，對于漏電保護器的選用上，一般要求額定漏電動作電流應不大于人體安全電流值。因國際上普通公認30 mA為人體安全電流值，所以部分設計師選用30 mA的漏電保護器應用于路燈低壓箱變中。

但是在實際道路照明系統中，每一回路所控制的燈桿數通常為5～25盞不等的路燈，長導線對地的容性漏電流，加上路燈電纜分支多、接頭多、接地電阻高，特別是南方溫濕度一年四季較高，使得線纜與燈具的絕緣度常處于較低狀態等因素，選用30 mA的漏電保護器顯然不現實。

假設道路照明箱變的一個低壓回路電纜采用YJV-1KV-4×25 電纜，回路總長度為1 km，上燈線采用電纜VV-3×2.5,每一個燈桿的上燈線為15米，燈桿數量按照《城市道路照明設計標準》(CJJ 45—2015)標準中表5.1.3對截光型配光布置的燈桿間距為S≤3H計算，燈桿數為22根。

電纜的泄漏電流根據表2 (數據來自 《工業與民用配電設計手冊(第四版)》 表11.7-16)取值計算。

表1 電磁式與電子式漏電保護器的抗干擾性能比較表

表2 220 V/380 V單相及三相電纜穿管泄漏電流參考值

燈具泄漏電流根據GB 7000.1—2015《燈具 第1部分：一般要求與試驗》的表10.3接觸電流或保護電流的限值，I類接觸電流的最大限值為0.7 mA，現取0.7 mA計算，則照明回路電纜的泄漏電流為70 mA；上燈低壓線纜的泄漏電流為6.24 mA(取三相供電于22個路燈桿中泄漏電流最大的一相)；燈具的泄漏電流為5.6 mA(取三相供電于22個路燈桿中泄漏電流最大的一相)；則該照明回路的總泄漏電流約為81.84 mA。

根據以上計算結果，照明系統的泄漏電流在未考慮外部氣候環境和其他干擾的的情況下漏電電流已經超過81.84 mA，如果我們使用30 mA動作電流漏電保護器則根本無法合閘。

目前我國的城市道路照明線路的布置中，常常會出現：

1) 配電半徑長，一般要幾百米，甚至上千米；對地電容性漏電現象在所難免;

2) 用電負荷分散，電纜中間接頭較多；接頭處理上防水及絕緣水平不夠達到IP65以上。

綜合考慮外部干擾、安全要求及線路老化、運行維護等綜合需要，結合CJJ 45—2015標準，對于箱式變壓器低壓側的配電系統應采用額定動作漏電電流300 mA以上的漏電保護器。

2.4 漏電保護器對雷電浪涌的預防

在城市道路照明系統中，路燈和箱變一般都安裝在戶外，極易受到雷電天氣的感應雷擊，造成浪涌沖擊，其波形一般為8/20 μs，見圖4。如果漏電保護器不具備抗浪涌的能力，則易在雷電天氣經常性跳閘，增加維護工作量，且影響道路照明服務的持續性。

圖3 8/20 μs雷電沖擊浪涌波形圖Fig.3 8/20 μs lightning surge waveform

以某低壓電氣廠家的漏電保護器為例，普通型抗浪涌電流能力為250 A,而IR型漏電保護器的抗浪涌電流能力可以達到3 000 A(性能見表3)，遠遠高于普通的漏電保護器，減少外界雷電等浪涌干擾，進而可以讓漏電保護器能夠穩定持續工作。

表3 IR型漏電保護器性能參數表

在雷雨天氣或雷暴日比較多的地區，城市道路照明系統中采用IR型漏電保護器，可以避免因漏電開關的頻繁跳閘引起的道路照明中斷，保障城市道路照明的服務連續性。

2.5 配電線路中二級漏電保護器的之間動作時間的配合

城市道路照明的低壓側通常采用二級保護設計：一是在箱式變壓器的主回路上設計一級過流、漏電及繼電保護，二是在燈桿下端的檢修門設計過流與漏電保護。

通過對路燈系統故障模擬試驗得知，無論對于TN還是TT系統，當路燈配電線路末端發生單相接地故障時，一般標準型電磁式漏電保護器通常在發生接地故障時可以在0.2 s以內切斷故障電流。

由于設計人員忽略了二級漏電保護器之間的動作時間，在設計時選用了脫扣時間相同的標準型漏電保護器，造成了一旦一個燈桿漏電，整個街道回路都斷電跳閘的現象，不僅給附近居民行人車輛通行造成很大不便，也給維護人員在故障線路查找上帶來很大困難。

為了獲得兩個串聯的漏電保護器之間的最佳的配合，選擇一個比下游的標準型漏電保護器脫扣時間更長的延時型漏電保護器在箱式變壓器低壓配電回路中是十分有必要的，見圖4。

圖4 采用延時型漏電保護器示意圖Fig.4 Schematic diagram of time-delay leakage protector

圖5 A/AC型(普通)，A[IR]型(抗脈沖)，A[S]型(延時) 的脫扣曲線圖Fig.5 Release curve of A/AC (normal), A[IR](anti-pulse), A[S](delay)

由圖4和圖5可知，延時型漏電保護器可達到標準型漏電保護器的脫扣時間的5倍。這不僅達到了兩級間的漏電保護器的配合，而且協助維護人員聚焦線路故障段，節省維護時間。

3 電磁式漏電保護器在城市道路照明系統中應用的意義

1)有效減少誤跳閘的次數。電磁式漏電保護器可有效抵御感應雷擊浪涌電流不超過300 A(8/20 μs)沖擊，IR型電磁式漏電保護器耐浪涌沖擊能力更能達到3 kA(8/20 μs)，大大減低了可能不必要的跳閘的次數，適合在雷暴日較多的地區城市道路照明使用。

2)保障城市道路照明系統的服務連續性。S型電磁式漏電保護器具有延時動作性能，在箱變系統低壓系統中，可與安裝于系統末端的電磁式漏電保護器配合，切斷末端的故障線路，有效防止照明系統上一級漏電保護器在燈桿檢修孔上燈線或燈具發生漏電時下一級漏電保護器未動作前誤跳閘進而引起大面積的路燈熄滅，提高城市道路照明的亮燈率，保障城市道路照明的服務連續性。城市道路照明箱式變電站實景如圖6所示。

圖6 城市道路照明箱式變電站實景圖Fig.6 Scene of Urban Road Lighting Box Substation

3)有效提高職能部門運維安全管理水平。在城市照明系統中使用電磁式漏電保護器，當燈具、電纜接頭、線路等處發生漏電情況時可及時動作，切斷故障線路，防止行人觸電傷亡事故等發生，有效提高運維部門的安全管理水平。

4 總結

漏電保護器對于城市道路照明的安全系統，是必要且關鍵的安全設施。項目建設單位在設計與選型應高度重視，在正確認識漏電保護器的基礎上，選用適合行業自身特點的電磁式漏電保護器。

延時(S型)和抗雷擊涌流干擾(IR型)漏電保護器正引起行業的重視，筆者認為應在對其試用與運行監測的同時，加強對其研究其特點，最終選擇合適的漏電保護器應用于城市道路照明配電系統中，以切實提高城市道路照明設施的安全性與運行維護水平。