基于TN-S 與TT 系統的對比分析及新型漏電監測裝置設計研究

顧新艷

南通市城市照明管理處，江蘇 南通 226006

0 引言

目前，因路燈桿漏電導致路人電擊死亡的新聞報道較多，造成許多路人的恐慌情緒，這對于城市穩定發展具有不利影響。為了保障室外照明設施的安全性，減少漏電事故的發生，保障路人的安全，文章對照明設施現狀進行分析，對比了TN-S 系統和TT 系統，并介紹了筆者單位和一家社會范圍合作開發的新型漏電監測設備，希望能夠結合自己所學專業知識，為城市照明事業的發展提供參考。

1 照明設施運行現狀

1.1 電纜絕緣層受損嚴重

照明設施處于室外，天氣環境多變，特別是夏季溫度太高，照明設施運行在較高的溫度和濕度下，電纜的絕緣層可能發生老化、擊穿，導致燈桿和電纜出現漏電現象[1]。尤其在雷雨天，因道路積水，照明設施，如電纜井、路燈燈桿等用電設施的電源連接點浸泡在水中，加上接頭處纏繞的防水絕緣膠帶日久老化，很容易造成漏電傷人事故。由于高溫、惡劣環境等客觀因素的影響，電纜絕緣層受損嚴重。

1.2 剩余電流動作保護器難以推廣

目前，有些單位為防范照明設施電纜因漏電而造成電擊傷人事故，在照明控制箱內每根出線電纜處加裝剩余電流動作保護器，一旦發生漏電，立刻跳閘，切斷該回路電源。但是因該保護器動作靈敏，電纜接頭受潮導致絕緣性能下降，保護器經常誤動作，導致照明設施大片關燈[2]。每次都要人工檢查恢復，工作量大，剩余電流動作保護器很難在照明設施上推廣運用。甚至有些照明設施管理單位，之前已經在控制箱內安裝了剩余電流動作保護器，后因該保護器頻繁跳閘，最后都進行拆除，不再使用。

1.3 路燈低壓配電系統安全性低

照明設施接地故障安全保護的設置與其配電系統的接地形式有直接關系，合理采用接地形式，做好室外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[3]。室外照明設施屬于Ⅰ類電擊防護等級的用電設備，其金屬桿體、電氣控制設備等容易被行人接觸。路燈低壓配電系統送電半徑長（一般為幾百米）、用電負荷分散，行人觸及的可能性較大，非常危險。

2 室外照明配電系統的接地形式

城市道路照明的接地方式，按新修訂的《城市道路照明設計標準》（CJJ 45—2015）[4]規定，宜采用TN-S 或者TT 系統。國際標準要求戶外電氣裝置應采用TT 系統，我國的行業標準正在逐步向國際標準靠攏。

2.1 TN-S 系統

電源端變壓器低壓側中性點直接接地，電氣裝置的外露可導電部分通過一條導線連接至電源中性點，中性線（N 線）與保護線（PE 線）分開，整個系統應全部采用單獨的PE 線[5]。

2.2 TT 系統

電源端有一點直接接地，電氣裝置的外露可導電部分應接到在電氣上獨立于電源系統的接地線上，對于系統配備的PE 可另外增設接地[6]。

3 接地系統接地故障時的安全要求

3.1 TN-S 系統

TN-S 系統接地故障保護動作特性應符合要求：

式中：Zs為接地故障回路阻抗（相-保回路阻抗），Ω；Ia為保證保護電器在規定的時間內自動切斷故障回路的動作電流，A；U0為相線對地標稱電壓，V。

可以看出，TN-S 系統對保護動作特性要求的實質是接地故障電流大于或等于保護電器在相應規定時間內切除故障的動作電流，這樣保護電器才能有效、可靠地切斷故障電流。

3.2 TT 系統

TT 系統接地故障保護動作特性應符合要求：

式中：RA為外露可導電部分的接地電阻和PE 線電阻，Ω；Ia為保證保護電器在規定的時間內自動切斷故障回路的動作電流，A。當采用剩余電流動作保護器（RCD）時，Ia為RCD 的額定動作電流。

保護動作的條件是當外露導電體對地電壓達到或超過50 V 時，保護電器應在規定的時間內動作，這時故障電流應大于保護電器的動作電流Ia。

4 TN-S 系統與TT 系統對比

4.1 室外照明安全性方面

4.1.1 TN-S 系統室外照明安全性更高

雖然國家相關規范對戶外照明燈具的接地保護沒有明確要求，路燈的低壓配電系統的接地保護也有不同做法，但在國內，室外照明還是多采用TN-S 系統。主要原因是TN-S 系統的接地故障電流取決于故障回路電阻的大小，而接地故障電壓是故障電流在相應電阻上的壓降，即TN-S 系統接地故障電壓是故障電流在保護線電阻上的壓降如果暫不考慮故障點電阻，TN-S 系統的故障回路電阻小，故障電流大，優勢在于線路首端的過電流保護器能夠在規定的時間內切斷故障電流，從而可以兼做接地故障保護。而且當本級過電流保護因某種原因拒動，線路上一級過電流保護也能夠動作，起到故障后備保護的作用。

4.1.2 TT 系統室外照明安全性較差

TT 系統接地故障電壓是故障電流在保護線電阻及負荷側接地極電阻上的壓降。TT 系統的故障回路電阻大，極大地遏止故障電流，這時故障電流通常很小，不能觸發線路首端的過電流保護動作，更無后備保護。TT系統往往要增加剩余電流動作斷路器作接地故障保護。

4.2 危險區域范圍控制方面

4.2.1 TN-S 系統可擴大危險區域范圍

當照明設施發生接地故障時，其外殼上產生的預期接觸電壓會超過安全電壓。因其接地故障電流很大，如果保護電器選用合理，會立刻動作，切斷電源。但在實際環境中，如果故障點發生的不是金屬性接地故障，接地點的接地電阻難以預測，很可能具有很大的電阻，使故障接地電流大幅降低，保護器不能立即切斷故障回路，燈桿外殼長時間帶有危險電壓。在同一變壓器供電范圍內，TN-S 系統內PE 線是連通狀態，任一處發生接地故障，其故障危險電壓可沿PE 線傳導至同一配電線路上的其他照明設施上，擴大了危險區域的范圍。因此，TN-S 系統必須作等電位聯結來消除沿PE 線傳導來的故障電壓的危害，因此一般不適用于無等電位聯結的戶外場所。

4.2.2 TT 系統可控制危險區域的范圍

當照明設施發生接地故障時，接地故障電流較小，故障電流通常不足以使熔斷器或斷路器動作或迅速動作。而且對地故障電壓會大大超過安全電壓，該電壓可以使觸及的行人發生電擊。采用剩余電流動作保護器能快速切斷故障回路。即使漏電剩余電流動作保護器未動作，由于采用了TT 系統，該接地故障電壓也不會傳至其他照明設施，減少了故障電壓的蔓延，縮小了危險區域的范圍，降低了碰觸概率，減少了電擊事故。因此，室外照明配電系統的接地形式宜采用TT 系統。而且，TT 系統的電氣裝置外露可導電部分與電源端接地分開單獨接地，裝置外殼為地電位且不會導入電源側接地故障電壓，防電擊安全性優于TN-S 系統，但需要安裝RCD。

4.3 TT 系統保護器誤動作較多

室外如果采用TT 系統，也有比TN-S 系統不可靠的地方。室外照明線路送電距離一般有幾百米，線路本身泄漏電流較大，尤其到了雨雪天氣，夏天雷擊等不確定因素較多，TT 系統的保護器誤動作就會增多。

從以上分析得出，在戶外照明配電的接地保護應用中，采用哪種接地形式，現在還沒有最優辦法。戶外照明設施在各種環境下的正常泄漏電流也沒有權威可信的數據可查。從理論上來講，采用TT 系統加剩余電流動作保護器，在安全性方面比TN-S 系統更具有優勢，更是一種值得推廣的接地形式。但是，在室外環境中，TT 系統本身的缺點也特別明顯。如果出現經常性的跳閘，這對照明設施的正常運行和維護工作會帶來極大影響。目前國內還是優先采用TN-S 系統，很少采用TT 系統。

5 新型漏電監測裝置設計

目前照明設施TN-S 系統接地系統使用中還是存在不足之處，比如不能迅速處理漏電安全的問題。如何才能既避免漏電傷人事故的發生，又能減少維護人員的工作量、保障照明設施正常運行，這一直是困擾照明行業人員的問題。針對這個問題，筆者所在單位和一家社會單位合作開發了一套照明設施新型漏電監測裝置，專門用來解決照明設施漏電的問題。

5.1 監測原理

漏電監測用零序電流互感器作為取樣元件，發生接地故障時，各相電流的矢量和不為零，零序電流互感器的二次側感應電流被智能監測設備檢測到。當超過設定的閾值時，執行單元動作，切斷相應的供電輸出，達到保護的目的。

5.2 實現功能

5.2.1 監測配電箱端

對配電箱內每個路燈支路電纜的漏電電流進行監測。一旦發現某個漏電電流超過預定的漏電閾值，智能監控終端會自動斷開相應的斷路器，停止向該支路電纜供電，并向監控中心發送報警數據，將相關漏電信息報送給單位的值班控制中心。控制中心立刻派出維護人員到現場處理故障。待專業維護人員到現場排除故障后，由監控中心復位報警信號，恢復到正常控制狀態。

5.2.2 監測路燈燈桿端

對路燈燈桿內的電纜線漏電流進行監測。一旦發現燈線漏電流超過預設的漏電閾值，燈桿智能監測報警控制器將自動切斷該路燈電源，并向監控中心發送報警數據。專業人員去現場排除故障后，再恢復正常控制狀態。

5.2.3 智能監控中心

智能監控中心可以定時采集各處配電箱內每個支路電纜有無漏電流數據，可遠程修改各智能監測終端的監測報警控制器的漏電閾值。對監測或接收到的漏電報警信息可以通過短信發送給相關管理人員。可對報警復位，遠程重新送電，管理人員可以通過手機App 查看個監測點相關信息。

5.3 運行效果

目前，該新型漏電監測系統已穩定運行了2 年多，在平時的運行中，時刻對照明線路進行漏電監測，解決了照明設施漏電問題，可以準確、及時地控制電源輸出，達到漏電保護效果。該套系統可以將漏電保護的動作電流值顯示在控制中心的電腦上，根據現場每條線路的實際狀況進行遠程修改，比傳統的漏電保護器更加智能、可靠。管理人員可以根據系統日常記錄的漏電數據分析判斷電纜老化、損傷的程度，立即停運嚴重漏電回路，修復后再運行。

截止到目前，全市照明控制箱內已有70%的電纜線路安裝了該新型漏電監測裝置，爭取盡快做到照明設施線纜全覆蓋。

6 結束語

通過以上分析，文章發現在城市照明設施系統中，無論是采用TN-S 系統還是TT 系統，都存在一定的不足。即使大量采用TN-S 系統，在漏電安全方面還是不能做到萬無一失，安全隱患仍然存在。在安全故障不能及時排除的情況下，針對仍然存在的安全隱患，只能采取主動監測手段。因此文章提出了一種新型實用漏電監測裝置來專門解決照明設備漏電問題。實驗證明這一裝置既提高了照明設施運行的安全性，又實現了城市照明管理智能化，對城市照明設施的安全管理具有重要的意義。