市政道路照明采用TN-S接地方式時的接地故障保護分析

方 敏

(江西省城鄉規劃設計研究總院，南昌 330000)

0 引言

在城市道路照明電氣設計中，燈具的金屬燈桿與不特定人群的接觸有著頻繁及不確定的特點，一旦燈桿帶電會存在較高的危險。根據國務院《生產安全事故報告和處理條例》規定，3人以下為一般事故，3人以上為較大事故。因此，應高度重視城市道路照明及戶外用電設施的安全措施。

市政道路照明的特點是：路燈供電線路長、負荷小且分散、路燈屬于I類電氣設備；照明配電系統一般采用TN系統或TT系統。本文重點分析當道路照明配電系統采用TN-S系統時380/220V電源接入的道路照明的電氣安全，指出其局限性，最后提出新的優化方案。

1 TN-S系統應用于市政道路照明時的兩個主要缺陷

(1)由于市政道路照明的配電線路較長，按最不利因素考慮線路末端發生接地故障時，其接地故障電流小。

(2)市政道路照明為戶外環境，很難實施完善的等電位措施，如發生某些接地故障時，則可能導致電擊危險。

2 需要明確的概念

在TN系統內發生單相接地故障時，電源的切斷與低壓系統接地的接地電阻的阻值大小無關。

(1)TN-S系統單相接地示意圖見圖1。

TN系統內的PE線是連通的，任一處發生接地故障，其故障電壓可沿PE線傳導至他處從而可能引起危害。

由于RA+RR>>RL+RE，因此可不考慮RA及RR的影響。若人體接觸帶電燈桿時，人體所承受的電壓為UR=Ud×RR/(RA+RR)≈Ud。其中，Ud為故障點處電壓。

圖1 TN-S系統單相接地示意圖

(2)根據GB 50054-2011《低壓配電設計規范》第5.2.8條，TN系統內選用的自動切斷電源的防護電氣或回路導體，應能滿足在發生接地故障時，在規定的時間內切斷電源的要求：

ZsIa≤U0

(1)

式中，Zs為接地故障回路阻抗，包括相線、PEN線、PE線和變壓器阻抗，Ω;Ia為保證防護電器能在規定時間內動作的最小電流，為斷路器的瞬動電流或為熔斷器熔體額定電流In的若干倍，即Ia=KIn，A;U0為相導體對地標稱電壓，V;在發生故障點阻抗可忽略不計的接地故障后，故障電流Id必須大于Ia才能使防護電器在規定時間內動作，即Id>Ia；而Id=U0/ZS；因此，U0/ZS>Ia。

從以上可知，在TN系統內發生接地故障時，電源的切斷與低壓系統接地的接地電阻的阻值大小無關；保護裝置動作電流應小于預期故障電流，但回路阻值受供電距離及導線截面積的制約。

3 市政道路照明采用TN-S系統時的配電保護分析

根據GB 50054-2011《低壓配電設計規范》，低壓配電線路應裝設短路保護和過負荷保護。針對單相接地故障，本文重點分析短路保護。

3.1 短路保護分析

3.1.1 TN系統利用過電流防護電器兼做接地故障保護

引用規范：配電線路的短路保護電器，應在短路電流對導體和連接處產生的熱作用和機械作用造成傷害之前切斷電源，且應符合GB 50054-2011《低壓配電設計規范》的規定：當短路保護電器為斷路器時，被保護線路末端的短路電流不應小于斷路器瞬時或短延時過電流脫扣器額定電流的1.3倍。

保護措施：照明出線回路選用斷路器做為保護電器時，其瞬時或短延時過電流脫扣器的整定電流應大于被保護線路末端的短路電流的1.3倍，這構成了第一重保護。

但TN-S系統的配電線路過長時，一般難以滿足靈敏度安全校驗，當發生線路末端接地故障時，過小的接地故障電流無法使線路首端的保護電器動作，不能切斷故障電路，因此有必要裝設剩余電流動作保護電器。

3.1.2 利用剩余電流動作保護電器

引用規范：根據GB 50054-2011《低壓配電設計規范》第5.2.13條：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，其動作特性應符合本規范第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。

保護措施：當第一重保護不能滿足時，可采用剩余電流動作保護器，剩余電流值在100～300mA之間可調，這構成了第二重保護，提高了系統運行的安全性和可靠性。

3.1.3 實施單燈保護且對每套路燈做局部等電位連接作為附加防護

引用規范：根據CJJ 45-2015《城市道路照明設計標準》第6.15條規定：每個燈具應設有單獨的保護裝置。

由于路燈屬于I類電氣設備，即其除了具有金屬外殼做為基本絕緣來防電擊以外，還具有經PE線接地的手段。當其絕緣損壞后，金屬外殼則帶危險故障電壓，存在間接接觸電擊危險。

根據IEC 60479圖表：電流路徑從左手到雙腳的交流電流(15～100Hz)對人效應的約定的時間/電流區域的測試曲線可知，交流電流通過人體時因發生心室纖顫而電擊致死的人體電流閾值為30mA。

保護措施：每套路燈采用RCD防護電器自動切斷電源做故障防護，剩余電流值建議選擇30mA。如果電子式RCD失效拒動，待局部等電位聯結后，將接觸電壓限制在限制UL以下，人身也不致電擊致死，這就構成了第三重保護。

3.2 配電線路保護計算

3.2.1 計算條件

(1)照明配電一般采用干式變壓器，本文以比較常用的變壓器容量160kVA為例進行計算。160kVA及以下的變壓器，其阻抗電壓和低壓側母線規格一樣，其中阻抗電壓為4%，低壓側母線規格為LMY-4(40×4)，配電變壓器聯結組別均為Dyn11。

(2)線路保護電器采用電子式斷路器，長延時過電流脫扣器整定值Iset1取25A，瞬時過電流脫扣器整定值Iset3取5Iset1取，125A。

(3)配電線路長度從200～1 000m，共分為17檔。

(4)線路采用交聯聚乙烯電纜(YJV)，五芯，N線和PE線與N線相同截面，截面為10mm2，16mm2，25mm2，35mm2四種規格。

(5)按照我國低壓系統的允許電壓偏差，電壓系數c取1.05。

3.2.2 計算公式

關于市政道路照明回路的單相接地故障電流是需要根據相-保回路進行計算。當線路末端發生單相接地故障時，該相-保回路中，共有五種阻抗原件，分別是高壓系統、變壓器、低壓母線、低壓電纜和燈頭引接線，其單相接地故障電流：

(2)

式中，Rphp為回路各元件相保電阻之和，即Rphp=Rphp.s+Rphp.t+Rphp.m+Rphp.l+Rphp.y；Xphp為回路各元件相保電抗之和，即Xphp=Xphp.s+Xphp.t+Xphp.m+Xphp.l+Xphp.y；Rphp.s、Rphp.t、Rphp.m、Rphp.l、Rphp.y分別是高壓系統、變壓器、低壓母線、低壓電纜和燈頭引接線的相保電阻；Xphp.s、Xphp.t、Xphp.m、Xphp.l、Xphp.y分別是高壓系統、變壓器、低壓母線、低壓電纜和燈頭引接線的相保電抗。

3.2.3 計算結果

線路末端單相接地短路電流計算結果見表1。

3.2.4 靈敏度分析

短路保護電器為電子式斷路器時，根據表1所列的Id值，符合Id≥1.3Iset3的列于表2。

TN-S系統線路末端單相接地短路電流Id(A)(利用電纜PE線) 表1

滿足公式(Id≥1.3Iset3)的配電線路長度限值(利用電纜PE線) 表2

說明：Iset1=25A，Iset3=5Iset1=125A

從表2可知，長度在850m以上，即使電纜截面選擇35mm2也無法滿足接地故障保護要求；可以通過加大電纜截面來增加供電半徑并滿足接地故障保護要求。

3.2.5 改進措施

在市政道路照明工程中，TN-S系統的缺點就是難以做有效的等電位聯結，當配電線路較長時，導致接地故障電流小，使得斷路器作為短路保護電器時無法進行有效的保護。

如果沿照明線路通長敷設一根等電位連接導體作為總等電位連接線，本文以沿照明線路通長敷設一根截面為120mm2的電纜為例，則線路末端單相接地短路電流計算結果見表3。

其配電保護線路路長度限值見表4。

從表3和表4可知，加設一根單芯120mm2電纜做為總等電位連接線時，線路末端的單相接地短路電流大幅提高，從而有效提高保護范圍。

TN-S系統線路末端單相接地短路電流Id/A(單獨敷設等電位聯結導體(單芯120mm2)) 表3

滿足公式(Id≥1.3Iset3)的配電線路長度限值(單獨敷設等電位聯結導體(單芯120mm2)) 表4

說明：Iset1=25A，Iset3=5Iset1=125A

4 市政道路照明配電系統的探討

采用TN-S系統時，對于接地故障的保護設計思路整理如下。

(1)建議PE與相線等截面，且按公式(Id≥1.3Iset3)進行校驗。如配電線路較長時，斷路器作接地故障保護難以達到規范要求，可采用加大電纜截面來提高線路末端單相接地故障電流，但電纜截面不建議超過35mm2。如仍不能滿足，則可以加設一根單芯120mm2電纜作為總等電位連接線，可有效提高供電半徑并滿足規范規定的接地故障保護要求。

(2)配電線路可采用剩余電流動作保護電器。剩余電流值建議選擇100～300mA動作電流可調、延時動作型的剩余電流保護裝置。

(3)每套路燈采用RCD防護電器自動切斷電源做故障防護。剩余電流值建議選擇30mA。

5 結束語

TN-S系統中，在總等電位連接(通長敷設PE線或增設等電位聯結導體)和單燈局部等電位聯結的基礎上，以單相接地故障靈敏度校驗為主，輔以剩余電流動作保護電器，同時單燈實施RCD防護電器，基本可有效的進行單相接地故障保護，但仍受配電線路長度的制約。