道路照明系統(tǒng)的接地型式及低壓配電保護(hù)

郭燕萍，陳元桂

(福州市規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，福建 福州 350108)

引言

城市道路照明有效保障道路交通通行安全，有助于提升城市形象，在道路照明設(shè)計(jì)、建設(shè)和管理過程中主要關(guān)注照明節(jié)能和照明質(zhì)量。關(guān)注道路照明質(zhì)量的同時，更要關(guān)注照明配電的安全性，防止異常環(huán)境中燈桿漏電危及行人人身安全。

室外照明設(shè)備電擊防護(hù)包括直接接觸和間接接觸防護(hù)。間接防護(hù)措施包括降低接觸電壓、規(guī)定時間內(nèi)自動切斷電源。本文主要探討道路照明間接接觸防護(hù)和配電保護(hù)問題。

1 低壓配電系統(tǒng)的接地型式

1)接地類型，包含系統(tǒng)接地和保護(hù)接地[4]。

系統(tǒng)接地：電源端的接地，其作用是給配電系統(tǒng)提供參考電位，使配電系統(tǒng)安全運(yùn)行，降低系統(tǒng)對地電壓絕緣水平、發(fā)生接地故障時，提供故障電流經(jīng)大地返回電源的通路。

保護(hù)接地：電氣裝置外露可導(dǎo)電部分的接地，其作用是降低外露可導(dǎo)電部分故障時接觸電壓，提供接地故障短路電流通路，使保護(hù)開關(guān)動作即時切除故障回路。

2)接地型式。低壓配電系統(tǒng)接地型式分為TN、TT和IT等3種[1]。道路照明配電系統(tǒng)的接地形式應(yīng)采用TT系統(tǒng)或TN系統(tǒng)[2]。

2 道路照明配電間接接地故障的接觸電壓

2.1 TN、TT系統(tǒng)間接接地故障時預(yù)期接觸電壓

1)TN系統(tǒng)間接接地故障時預(yù)期接觸電壓。TN系統(tǒng)某一回路相線與燈桿發(fā)生間接接地故障，如圖1所示。

圖1 TN系統(tǒng)相線與外露可導(dǎo)電部分短路Fig.1 TN system phase line is short circuited to the exposed conductive part

故障電流

(1)

預(yù)期接觸電壓

(2)

式中Id為單相間接接地故障電流；Uo為相電壓，AC 220 V；ZL、Zpe分別為相線、保護(hù)線阻抗；Uf為預(yù)期接觸電壓；

常用道路照明配電回路相線截面在35 mm2及以下，其PE線的最小截面不應(yīng)小于相線的截面[3]：L、PE線等截面時,ZL=ZPE，Uf=110 V；若PE線比L線截面放大一級，可進(jìn)一步降低預(yù)期接觸電壓Uf，如表1所示。

表1 TN系統(tǒng)間接接地故障時預(yù)期接觸電壓

2)TT系統(tǒng)間接接地故障時預(yù)期接觸電壓。TT系統(tǒng)某一回路相線與燈桿發(fā)生間接接地故障，如圖2所示。

圖2 TT系統(tǒng)相線與外露可導(dǎo)電部分短路Fig.2 TT system phase line is short circuited to the exposed conductive part

預(yù)期接觸電壓

(3)

式中Ra、Rb分別為系統(tǒng)接地電阻、保護(hù)接地電阻。

根據(jù)《城市道路照明工程施工及驗(yàn)收規(guī)程》(CJJ 89—2012)第7.2條規(guī)定：重復(fù)接地電阻不應(yīng)大于10 Ω，系統(tǒng)接地電阻不應(yīng)大于4 Ω[3]。假設(shè)Ra=10 Ω，Rb=4 Ω，ZL為若干毫歐，忽略不計(jì)ZL，則施加于人體的預(yù)期接觸電壓為157 V。

無論TN還是TT系統(tǒng)，發(fā)生間接接地故障時，人體觸及帶電的外露可導(dǎo)電部分，所承受的接觸電壓都超過接觸電壓限值。

2.2 干燥環(huán)境下TT、TN系統(tǒng)降低接觸電壓的措施

《低壓配電設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50054—2011)第5.2.5條規(guī)定：當(dāng)電氣裝置或電氣裝置某一部分發(fā)生接地故障后間接接觸的保護(hù)電器不能滿足自動切斷電源的要求時，尚應(yīng)在局部范圍內(nèi)做局部等電位聯(lián)結(jié)[5]。

室外道路照明難以實(shí)現(xiàn)總等電位或局部等電位聯(lián)結(jié)，當(dāng)發(fā)生間接接觸接地故障，保護(hù)電器不能滿足自動切斷電源的要求或設(shè)備故障不動作時，同樣必須采取措施降低預(yù)期接觸電壓。

1)干燥環(huán)境下TN系統(tǒng)重復(fù)接地降低接觸電壓的分析。TN系統(tǒng)某一回路相線與燈桿外殼發(fā)生間接接地故障，燈桿設(shè)重復(fù)接地，如圖3所示。圖中Uf2故障回路故障電壓、Uf1通過與變壓器中性點(diǎn)連接的PE線傳導(dǎo)的非故障回路故障電壓、重復(fù)接地電阻Ra、系統(tǒng)接地電阻Rb。

圖3 TN系統(tǒng)相線與重復(fù)接地的外露可導(dǎo)電部分短路Fig.3 TN system phase line is short circuited to the exposed conductive part of repeated grounding

道路中除了設(shè)置路燈外，地下空間還應(yīng)考慮綠化，電力、通訊、雨污水、燃?xì)獾裙艿赖牟荚O(shè)，通常每根燈桿設(shè)置1根接地極。單根燈桿人工水平接地體采用鍍鋅-40X4，垂直接地體采用鍍鋅L50X50X5，工頻接地電阻如表2所示[6]。

表2 接地極的工頻接地電阻Table 2 Power frequency grounding resistance of grounding electrode

若土壤電阻率為100 Ω·m時，單桿單根垂直接地極，單桿接地電阻為32 Ω，6根燈桿接地極并聯(lián)，則Ra=3.73 Ω ，當(dāng)PE線比L線截面放大一級、Rb=Ra時，Uf1=Uf2=Uf/2，由表1可推斷Uf1=Uf2均低于50 V，即可實(shí)現(xiàn)故障回路接觸電壓、非故障回路傳導(dǎo)故障電壓均低于50 V以下。

土壤電阻率電阻率更高時，需要并聯(lián)更多燈桿以降低Ra。

2)干燥環(huán)境下TT系統(tǒng)重復(fù)接地降低接觸電壓的分析。TT系統(tǒng)某一回路相線與燈桿發(fā)生間接接地故障，要使Uf≤50 V，根據(jù)圖2、式(3)(不計(jì)ZL)，Ra≤0.29Rb。若Rb=4 Ω，Ra≤1.18 Ω。

根據(jù)表1可見，即使20根燈桿的垂直接地極并聯(lián)，Ra仍高于1.18 Ω，還不能實(shí)現(xiàn)預(yù)期接觸電壓在50 V以下，也存在故障回路故障電壓沿接地線傳導(dǎo)問題。要降低預(yù)期接觸電壓50 V以下，需要采用的接地極數(shù)量多，造價高，施工難度大。

2.3 潮濕環(huán)境下TT、TT系統(tǒng)降低接觸電壓的措施

道路照明雨天潮濕環(huán)境下預(yù)期接觸電壓限值為25 V。

1) TN系統(tǒng)重復(fù)接地降低接觸電壓。如圖3所示, 要使Uf1、Uf2均不高于25V，即要求IdZpe≤50 V。PE線與相線等截面或放大一級截面時，IdZpe均大于50V，潮濕環(huán)境下，無法滿足故障回路故障電壓和非故障回路傳導(dǎo)的故障電壓低于25 V。

2) TT系統(tǒng)重復(fù)接地降低接觸電壓。如圖2所示，Uf≤25 V，Rb=4 Ω，則單根燈桿接地電阻Ra不大于0.5 Ω，無論單桿設(shè)接地極還是多桿接地極并聯(lián)，都是不可能實(shí)現(xiàn)的。

可見潮濕環(huán)境下，對TN和TT系統(tǒng)，重復(fù)接地都不能降低預(yù)期接觸電壓到安全限值。這時配電回路保護(hù)開關(guān)動作可靠性尤為重要，TT系統(tǒng)只能依賴于漏電保護(hù)器(RCD)的可靠性，TN系統(tǒng)可在斷路器的基礎(chǔ)上，采用RCD作后備保護(hù)。

綜上所述，對于難以實(shí)現(xiàn)總等電位聯(lián)結(jié)的場所(如室外道路照明)：

①無論干燥環(huán)境還是潮濕環(huán)境，不論是否設(shè)置重復(fù)接地，TN系統(tǒng)發(fā)生間接接觸故障時預(yù)期接觸電壓都低于TT系統(tǒng)。

②當(dāng)電氣裝置的某一部分發(fā)生間接接觸接地故障后，保護(hù)電器不能滿足自動切斷電源的要求時，TN系統(tǒng)通過放大PE線截面和重復(fù)接地可以降低預(yù)期接觸電壓，以往往往忽視降低接觸電壓。

③只強(qiáng)調(diào)TN系統(tǒng)的故障電壓傳導(dǎo)，而忽視TT系統(tǒng)當(dāng)RCD不能正常動作時，其接觸電壓難以降到安全電壓限制以下，也存在觸電危險，所以說室外接地形式必須采用TT系統(tǒng)是片面的。

3 道路照明配電TN系統(tǒng)電擊防護(hù)和短路保護(hù)

3.1 TN系統(tǒng)電擊防護(hù)

1)相線與大地發(fā)生接地故障。TN系統(tǒng)道路照明某一配電回路相線與大地發(fā)生接地故障，如電纜相線與埋地的金屬管道接觸，如圖4所示。

圖4 TN系統(tǒng)相線與接地故障Fig.4 TN system phase line and grounding fault

設(shè)Rb=4 Ω，Re是隨機(jī)值，阻值難以確定，可能Id太小，不足以使保護(hù)開關(guān)動作。故障電壓將沿PE線傳導(dǎo)，可采用以下幾種防護(hù)措施：

①避免采用架空線路，采用電纜穿塑料管埋地敷設(shè)，杜絕相線掉落地面直接接地的危險。

②裝設(shè)RCD提高動作靈敏度。

③改用TT系統(tǒng)。

2)相線與外露導(dǎo)電部分或PE線發(fā)生接地故障。如圖3所示，接地故障電流計(jì)算公式見式(2)?！兜蛪号潆娫O(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50054—2011)規(guī)定：TN系統(tǒng)配電線路的間接接觸防護(hù)的動作特性應(yīng)符合

Ia≤Id[4]

(5)

式中Ia為保證保護(hù)電器在規(guī)定時間內(nèi)切斷故障回路的動作電流,指斷路器的瞬時或短延時過流脫扣器整定電流、熔斷器熔體額定電流Ir的Kr倍，Ir≤63 A時，Kr=4～5。

照明光源采用高壓鈉燈、LED燈時，照明線路保護(hù)用低壓斷路器的瞬時過流脫扣器或短延時過流脫扣器可靠系數(shù)3～5[6]。

3.2 TN系統(tǒng)的短路保護(hù)

各配電回路采用熔斷器作為保護(hù)電器，其熔體額定電流小于63 A，銅芯電纜截面不小于1.5 mm2時，無需進(jìn)行熱穩(wěn)定校驗(yàn)[4]。

當(dāng)使用斷路器作為保護(hù)電器時，則要求

Id≥1.3Ia[4]

(6)

可見采用斷路器作為防止人身電擊和短路保護(hù)電器時，斷路器的瞬時或短延時過流脫扣器整定電流應(yīng)符合式(6)要求。采用熔斷器作為防止人身電擊和短路保護(hù)電器時，熔斷器的熔斷電流應(yīng)符合式(5)要求。

長距離配電線纜感抗X遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于阻抗R，可忽略不計(jì)，相保阻抗為

(7)

結(jié)合式(5)，式(7)可變換成:

使用斷路器時，

(8)

使用熔斷器時，

(9)

式中ρ為 20°導(dǎo)體電阻率,銅芯ρ=0.0172 Ω·mm2/m；m為相線截面與PE線截面的比值，L為電纜長度，S為相線截面。

3.3 道路照明配電線路保護(hù)計(jì)算示例

使用斷路器或熔斷器作為配電線路保護(hù)電器計(jì)算結(jié)果見表3～表5。

表3 配電線路末端接地故障電流Id

表4 微型斷路器的Ia最大允許值

表5 熔斷器的Ia最大允許值

3.4 TN系統(tǒng)防電擊及短路保護(hù)分析

①由于道路照明變壓器容量小，配電線路長，線路末端接地故障電流較小，線路保護(hù)應(yīng)采用B特性微型斷路器或熔體額定電流小于63 A的熔斷器。

②熔斷器比斷路器保護(hù)的線路長度更長。

③無法采用微型斷路器或熔斷器進(jìn)行接地故障和短路保護(hù)時，可采用短延時過流脫扣器的低壓斷路器。

④無法采用微型斷路器或熔斷器進(jìn)行接地故障保護(hù)時，可采用漏電斷路器。

⑤PE比L線截面放大一級，滿足了單相接地故障保護(hù)要求時，就能滿足短路保護(hù)要求。

4 道路照明配電TT系統(tǒng)電擊防護(hù)和配電線路的短路保護(hù)

1)TT系統(tǒng)間接接地故障。潮濕環(huán)境下，TT系統(tǒng)配電線路的間接接觸防護(hù)的動作特性應(yīng)符合Uf=IaRa=≤25 V，設(shè)Ra=10 Ω，Ia≤2.5 A，采用B特性微型斷路器，斷路器額定電流≤0.5A，實(shí)際配電回路不可能如此低的整定電流。

采用額定電流為6 A的B特性微型斷路器，Ra應(yīng)不大于0.8 Ω；如前所述，TT系統(tǒng)接地電阻降低到要求的小阻值，都難以實(shí)現(xiàn)。因此道路照明TT系統(tǒng)防間接接地故障必須采用RCD。

剩余電流動作斷路器額定剩余不動作電流I△no應(yīng)符合：

(10)

式中I△no為額定剩余不動作電流；Imax為被保護(hù)電器線路和設(shè)備正常運(yùn)行時泄露電流最大值。

I△no= 0.5I△n，則額定剩余動作電流為

I△n≥ 4Imax

(11)

式中I△n為額定剩余動作電流。

道路照明配電線路長，正常泄漏電流基本都大于30 mA，通常I△n為100～300 mA。I△n=300 mA時, 潮濕場所Ra不應(yīng)大于83Ω，將若干燈桿接地體并聯(lián)降低接地電阻到83Ω以下是很容易實(shí)現(xiàn)的。保護(hù)開關(guān)采用RCD，Ra值可以較大，但是一旦開關(guān)失靈，觸電危險更高。

2)TT系統(tǒng)的短路保護(hù)。使用剩余電流動作斷路器時，應(yīng)滿足式(6)要求。

3) TT系統(tǒng)防電擊和短路保護(hù)分析。① 保護(hù)接地電阻難以降低，接地故障電流較小，必須采用剩余電流RCD作為防電擊保護(hù)電器。② 和TN系統(tǒng)一樣應(yīng)進(jìn)行線路短路保護(hù)，剩余電流斷路器的瞬時或短延時過流脫扣器整定電流應(yīng)符合式(6)要求。TT和TN系統(tǒng)同樣不僅要進(jìn)行防電擊，還要進(jìn)行短路保護(hù)。道路照明線路長，短路電流也很小，這與采用TN還是TT系統(tǒng)無關(guān)，TT系統(tǒng)也要滿足線路短路時，斷路器在規(guī)定時間內(nèi)切除故障電流。一些設(shè)計(jì)錯誤地認(rèn)為采用了RCD就是安全配電，只注重間接接觸電擊的防護(hù)，忽視配電線路的保護(hù)。

5 結(jié)束語

TN系統(tǒng)和TT系統(tǒng)由于配電線路長導(dǎo)致單相短路故障電流、短路電流小，配電回路保護(hù)開關(guān)瞬時動作電流不能選擇太大，TT系統(tǒng)接地故障保護(hù)必須采用RCD。如果TN和TT系統(tǒng)均采用帶過載和短路保護(hù)的剩余電流斷路器，TN系統(tǒng)采用斷路器進(jìn)行間接接觸防護(hù)的同時，增加RCD作后備保護(hù)，配電保護(hù)可靠性優(yōu)于TT系統(tǒng)。

無等電位聯(lián)結(jié)的戶外，除了保證保護(hù)電器切斷故障電路的可靠性外，還應(yīng)盡可能地降低用電設(shè)備預(yù)期間接接觸電壓。TN系統(tǒng)在保證配電安全的前提下，通過并聯(lián)重復(fù)接地體、PE線比L線截面放大一級，可降低預(yù)期接觸電壓，進(jìn)一步防止安全事故發(fā)生，更有利于供電可靠性，保證交通安全。

道路照明設(shè)計(jì)、施工、養(yǎng)護(hù)中應(yīng)加強(qiáng)配電線路的絕緣、定期檢測接地電阻、盡量減少線路故障發(fā)生。畢竟配電保護(hù)是一種補(bǔ)救措施，不能完全依賴保護(hù)開關(guān)，做好預(yù)防更為關(guān)鍵。