也談室外道路照明配電系統的接地型式與安全防護

楊 林 潘世全 常 永 栗 克 巴 龍 商九坤

河南建筑材料研究設計院有限責任公司（450002）

0 概述

隨著人們生活水平的提高，室外道路照明已經是現代生產、生活當中必不可少的一部分，室外道路照明的主要功能是為行人和機動車輛提供必要的亮度和照度，以滿足安全行駛的需求。 室外道路照明裝置屬于電擊防護等級I 類的用電設備，其金屬桿件等通常處于人體易于接觸到的范圍。當照明裝置發(fā)生接地故障而使燈具的外露可導電部分呈現故障電壓時,可能導致電擊事故,從而危及人身安全。 因此只有采用合理的接地形式，做好室外道路照明裝置的接地故障安全保護,才能保證其用電的安全性和可靠性。

1 問題的提出

CJJ 45—2006 《城市道路照明設計標準》6.1.9條規(guī)定：“道路照明配電系統的接地形式宜采用TNS 系統或TT系統……”并在條文解釋中對這兩種接地形式的特點進行了闡述： 設計時應根據系統的特點，結合路燈供電系統的具體情況，選擇采用TN-S系統或TT系統。 近年來，許多業(yè)界專家和學者對室外道路照明配電系統的接地形式進行了很深入分析和討論，認為道路照明配電系統采用TT接地系統更好。 但是也有部分業(yè)界人士認為在室外道路照明設計中，應直接采用TT接地形式而擯棄TN-S 接地形式。 究竟采用哪種接地形式更合適，應根據具體情況并結合自身的特點，如用電負荷分散、工作環(huán)境相對惡劣、電纜線路較長、受外界環(huán)境影響較大等進行選擇。

2 室外道路照明中采用TT系統優(yōu)缺點分析

2.1 TT系統的特點

電源端有一點直接接地，配電裝置的外露可導電部分直接接地，此接地點獨立于電源端的接地點。

2.2 TT系統的優(yōu)點

道路照明采用TT系統的優(yōu)點，已有許多文獻進行了詳細的分析和闡述，主要集中在以下兩點：

TT系統的PE 線與電源端沒有直接的電氣聯系，因此，可以避免發(fā)生接地故障時， 因變壓器中性點對地電位升高造成的間接電擊事故。

TT系統在發(fā)生接地故障時， 故障回路包含電氣裝置外露可導電部分保護接地的接地極和電源處系統接地的接地極的接地電阻。與TN 系統相比，TT系統故障回路阻抗大，故障電流小，通常采用剩余電流動作保護器RCD 作為接地故障保護裝置。接地故障保護的靈敏性很高，從而保障了間接接觸電擊保護的有效性。 因此，在正常情況下TT系統在道路照明配電中可以更好地保護靈敏度和安全性。

2.3 TT系統的局限性

TT系統要求電源端接地和用電設備端接地相互獨立，如在工業(yè)園區(qū)內,因場地限制,道路與建筑物間的距離很近,各種金屬管線路徑重疊,造成室外道路照明裝置、金屬管道和電氣設備之間的接地裝置難以實現相互獨立，難以實施TT系統接地。

另一方面，TT系統一個顯著的特點是保護靈敏度高，但這是它的優(yōu)點也是缺點。 因為保護裝置的靈敏度和保護裝置的可靠性本身就是一對矛盾關系。 TT系統一般采用剩余電流動作保護器RCD作為接地故障保護裝置，道路照明回路的正常漏電流，主要來自照明線路和燈具。 道路照明線路的正常漏電流通常在每公里幾十毫安，再加上照明燈具自身的漏電流（按每盞燈1 mA），根據規(guī)范要求，剩余電流動作整定值應等于或大于正常泄漏電流的2.5～4 倍，1 km 線路的剩余電流動作保護整定值取200～500 mA 比較合適，而這還只是基于正常條件下的理論分析。 如果遇到天氣變化戶外環(huán)境惡劣，再者道路照明燈具本身質量參差不齊， 部分燈具的防水性能較差，或遇上過分潮濕、下雨甚至浸水等情況，都會使回路漏電流增加。 此時，如果道路照明回路剩余電流整定值太小，必然引起保護電器誤動作。由此可見，道路照明回路采用剩余電流動作保護的剩余電流動作值的整定極大地影響道路照明供電的可靠性。 目前困擾道路照明RCD 保護的一個大的難題就是開關的誤動作率很高，甚至有的工程管理部門為減少維護工作量，人為取消了回路的剩余電流動作保護功能，讓回路處于“裸奔”狀態(tài)，這將對供電的安全性帶來更大的危害。

3 道路照明采用TN-S 系統的優(yōu)缺點分析

3.1 TN-S 系統的特點

系統的電源端有一點直接接地，電氣裝置的外露可導電部分通過PE 線與電源端接地有直接的電氣聯系。

3.2 TN-S 系統的優(yōu)點

TN-S 系統又被稱為大電流接地系統， 是因為當設備發(fā)生單相接地故障時候，如圖1 紅色線條所示，接地故障電流沿著PE 線返回變壓器中性點，單相接地故障電流被放大為單相短路電流，通過過流保護動作來實現單相接地故障保護。

圖1 TN-S 系統無等電位聯結的接地故障分析

TN-S 系統的優(yōu)點是： 當系統正常運行時，PE線上沒有電流，只是N 線上有不平衡電流,電氣設備金屬外殼接地保護是接在專用的PE 保護線上，對地電壓為零。 如果系統內發(fā)生接地故障的回路故障電流較大， 可利用過電流保護器兼作地故障保護。 當線路較長，導線截面小，過電流保護器不能滿足自動斷電源的時間要求時， 也可采用RCD 作故障保護。 此外，TN 系統可采用局部等電位聯結作為附加防護，來進一步降低接觸電壓，防止電擊事故的發(fā)生。因此TN-S 系統有更完備的安全防護措施。

3.3 TN-S 系統的缺點

在電氣安全防護方面，TN-S 系統常被人詬病的原因是PE 線的存在， 如果系統出現非本回路的接地故障，又無等電位聯結，在配電線路發(fā)生異常的情況下，如圖1 的L1 相上的P 點發(fā)生接地故障，接在L3 相和N 線之間的用電設備A 的外殼會因為PE 線的存在而傳導故障電壓Uf，但該用電回路并沒有通過故障電流，所以本回路的保護電器不會動作。 如果此故障電壓值超過接觸電壓限制，就有可能發(fā)生電擊事故， 為此，《低壓配電設計規(guī)范》GB 50054—2011 第5.2.11 明確要求，“當 TN 系統相導體與無等電位聯結作用的地之間發(fā)生接地故障時，為使保護導體和與之連接的外露可導電部分的對地電壓不超過50 V,其接地電阻的比值應符合下式的要求：

式中：RB——所有與系統接地極并聯的接地電阻（Ω）；RE——相導體與大地之間的接地電阻（Ω）；U0——相導體與地標稱電壓(V)。

對于道路照明而言，取電壓U0為220 V,上式經整理后，有RB≤0.29RE,因RE是隨機值，所以難以對RB值規(guī)定一安全值，但可以肯定的是,在可能的情況下RB值應盡量小。 因此，一方面，應盡可能降低電源側的系統接地電阻， 此方法最為直接有效，而且投入較低。 事實上，目前采用的聯合接地系統，實測接地電阻通常在1 Ω 以下。另一方面，可以在保護線上多作重復接地，進一步減小總的接地電阻。

4 TN-S 系統中接地故障保護靈敏度的保證

如前所述，TN-S 系統作為大電流接地系統，當發(fā)生單相接地故障的時候，可以通過過流保護動作來實現單相接地故障保護。 當遇到饋電線路較長，線路末端發(fā)生單相接地故障時，故障電流小，保護電器的接地故障保護靈敏性可能滿足不了在規(guī)定時間內切斷故障電路的要求，因此，配電回路必須進行保護電器靈敏度校驗。

為保證過電流保護器的正確動作，電氣設計人員在工程設計階段必須進行準確的接地故障電流計算。 而當配電系統的參數，如系統短路容量、變壓器容量、斷路器或熔斷器參數等確定時，接地故障保護靈敏度的校驗可簡化為對回路截面和長度的校驗。 當采用回路中的用熔斷器或斷路器進行保護時，電纜截面與電纜長度滿足對應的選擇關系， 就可以認為該配電回路能滿足接地故障保護靈敏性要求。 具體分析可詳見任元會老師的文章《道路照明配電系統接地方式和線路保護的探討》[1]。 從文章分析結果可以看出，無論是采用熔斷器還是普通微型斷路器，當采用TN-S 接地系統的道路照明配電回路的長度控制在800 m 以下時，基本可以保證回路接地故障保護靈敏性要求。 這個供電半徑對于道路照明也是比較經濟合理的。 尤其是廠區(qū)內部，道路大多圍繞著生產車間布置，而相關聯的生產車間之間又通常會設置單獨的電氣室，非常有利于TNS 接地系統道路照明的設置。

除此之外，對于個別更長的線路，單相接地故障電流更小，不能滿足上述要求時，TN-S 系統還可以考慮采用以下方法，滿足保護靈敏度的要求：①裝設瞬時電磁脫扣值較小的斷路器， 如，2In≤Irm≤4In，它可對非常長的回路提供人身保護，但必須檢驗是否能躲過啟動沖擊電流的影響；②可在回路上裝設RCD 剩余電流動作保護器作接地故障保護，此時的RCD 不必是高靈敏度的， 可用幾安甚至十幾安； ③增大PE 線或相線的截面， 以減少環(huán)路阻抗；④增設輔助等電位連接，可以減少接地故障回路的阻抗，改善原有的防接觸電壓措施。

5 結論

室外道路照明關乎人身安全和財產安全，室外道路照明的接地型式不是一味的說TT系統好或是TN-S 系統好，而是要結合具體情況分析。 對于有專用變壓器供電的、長距離的市政道路照明，可優(yōu)先采用TT 接地系統，而對于廠區(qū)內部，尤其是接近建筑物的道路照明，可優(yōu)先采用TN-S 系統，因為TN-S系統有更完備的安全防護措施來保證人身安全。