路燈接地保護系統(tǒng)的安全性分析

文／錢鍇 江蘇省建筑設計研究院股份有限公司 江蘇南京 210019

1、路燈配電線路設計的基本特征

比起其他公共設施，路燈輸電線路的鋪設距離較長，其負荷狀態(tài)下會表現(xiàn)出明顯的分散特征，因此傳統(tǒng)的保護措施并不能起到良好效果。路燈的鋪線高度較低，人觸及難度較低[1]。尤其是對于未成年人，較低的觸電高度會影響未成年人的生命安全。而部分地區(qū)為了保證路燈的安全性會通過設置熔斷器，以便于在緊急狀態(tài)下迅速處理。但實際上，路燈配電的特點致使其熔斷器并不能發(fā)揮其作用。該線路的故障電流數(shù)值較小，部分熔斷器也很難對小范圍的電流波動產(chǎn)生反應。當人體靠近時，燈柱結(jié)構(gòu)上電流會直接穿過人體，從而引發(fā)觸電事故。

2、導致路燈接漏電的根本原因

路燈漏電的主要原因無外乎以下兩種，線路損壞和剩余電流蓄積。但誘發(fā)兩種情況的原因種類較多，所以論文也將其原因進行分類，以保證能夠更加理性地分析漏電原因。

2.1 照明布局合理度低

在現(xiàn)代城市規(guī)劃中，照明系統(tǒng)不僅為夜間提供基礎(chǔ)的照明功能，其裝飾作用也越來越受到相關(guān)人員重視，在此背景下各種規(guī)格的照明裝置應運而生。但裝飾性與功能性的結(jié)合也模糊了照明與裝飾的界限，出現(xiàn)了較為極端的照明布局設計[2]。部分城市為了提高城市的美觀度，會將不同規(guī)格的照明設備混合使用，這會導致照明系統(tǒng)中出現(xiàn)安全隱患，并增加電擊事故的概率。在部分城市照明系統(tǒng)中，部分城市構(gòu)造為了照顧城市的觀賞性，會大量采購路燈設備作為裝飾性建筑。但路燈設備密度增加會提高該地區(qū)的設備供電壓力，并會迅速提高該區(qū)域的漏電概率。

2.2 建造標準化程度較低

建造過程中，施工人員對路燈建造并不重視，所以實際建造情況也很難符合國家的相關(guān)要求。部分地區(qū)氣候環(huán)境復雜，而路燈設施由于長期暴露在空氣中，也會因各種影響而損壞。尤其是在部分以絕緣材料為防漏電措施的城市中，風雨侵蝕會直接導致絕緣材料的破損脫落。研究證明，水對絕緣材料的影響較大，尤其是暴雨天氣，其漏電概率會提升至6.8%。水淹還會直接影響燈桿以及配電柜中的相關(guān)部件，并致使路燈周圍區(qū)域帶電。部分施工人員本身操作素質(zhì)較低，施工中會存在錯誤操作導致絕緣層的破損。

2.3 剩余電流處理不當

剩余電流的處理情況將直接關(guān)系到路燈是否會出現(xiàn)漏電，所以剩余電流的處理也是路燈設計中的重中之重。但在傳統(tǒng)設計中，大多數(shù)路燈的剩余電流只是通過簡單的動作保護器進行保護，以便應對線纜破損或是其他意外情況所造成的漏電。另外，剩余電流設定值低會提升誤報率，提高動作電流值降低誤報率，又會造成剩余電流裝置起不到保護作用，規(guī)范中要求剩余電流裝置只能作為輔助保護措施，但很多設計人員誤將其作為防止漏電故障的主要保護措施，存在很大的安全隱患。

2.4 外部破壞原因

為了打造城市名片，大多數(shù)城市都通過大范圍的市政建設來爭取工作發(fā)展資源。但在建設的過程，不規(guī)范操作往往會對路燈的保護造成影響。而在一些私人工程中，錯誤操作會直接導致路燈線路的破壞，比如部分挖掘人員為了逃避法律的追責，甚至會私自接線。出現(xiàn)線材破損后，路燈周圍區(qū)域出現(xiàn)漏電的概率就迅速增加。這不僅影響到行人的生命安全，還嚴重影響了路燈后期的功能維護。除了錯誤施工之外，部分人甚至會盜取關(guān)鍵零部件來獲得經(jīng)濟利益，這也會影響到路燈的漏電保護。

3、路燈接地保護的安全性分析

我國常見的路燈接地保護方式主要有兩種，分別為TT保護和TN保護。這兩者保護方式有一定的區(qū)別，其接地保護能力也有所差異。

3.1 TT接地保護系統(tǒng)

從原理上講，TT系統(tǒng)保護是指單燈接地，具體操作是將電氣設備的外露部分直接導入地面。在觸電事故發(fā)生時，由于人體阻值明顯小于地面阻值，所以將電流導入地面后，就可以有效降低人的觸電概率。即便是出現(xiàn)了漏電故障，該系統(tǒng)保護方式也能有效避免電流進入人體發(fā)生觸電現(xiàn)象。不過該系統(tǒng)也存在不足，比如TT系統(tǒng)雖然可以降低對人體的傷害，但TT系統(tǒng)會提升系統(tǒng)的整體電位，造成設備的損壞。在實驗室測試中，可以發(fā)現(xiàn)該情況下，TT系統(tǒng)保護的成功率僅僅只有21.73%，其處理效率遠遠達不到預期，有積累蓄電的可能。部分情況下，路燈漏電電流較小，以至于TT保護系統(tǒng)無法準確檢測到。即便有熔斷器進行電路保護，也很難對長期的外殼帶電情況進行處理，也會帶來不良影響。從TT保護的結(jié)構(gòu)上可以看出，該保護形式只能用于分散保護需求中，而對于現(xiàn)在較為集中的保護需求，該類保護方式已經(jīng)逐漸被淘汰，TT系統(tǒng)見圖1。

圖1 TT系統(tǒng)

路燈配線長度取平均值為300m，電源中心點接地電阻值為4Ω，電線的電阻率為6.5x10-3Ω/m，忽略大地電阻值，每根路燈單獨設置接地極，再使用專門的PE線連成接地電阻，此時，相當于一定數(shù)量的路燈的接地電阻采用并聯(lián)的方式連接，因此電阻可以低至1Ω，簡化電路見圖2。

圖2 簡化電路圖

電流計算如下公式（1）：

路燈處的故障電壓為：31.65x1=31.65V

式中，Ik為故障電流，Us為電源電壓，Rl為相線電阻，R1為電源中性點電阻，R2為路燈接地電阻。

3.2 TN保護系統(tǒng)

在TN保護系統(tǒng)中，設置人員會通過安放接地裝置來直接與系統(tǒng)中的導電部分進行連接，并利用導入電流來起到保護效果。這種保護系統(tǒng)能有效彌補TT保護系統(tǒng)的不足。由于該材料利用率較高，所以也成了TT保護系統(tǒng)的最佳替代。但隨著利用率的增加，也逐漸發(fā)現(xiàn)了TN系統(tǒng)的不足之處。比如由TN系統(tǒng)所配出的路燈，因為沒有等電位的保護，而存在很大的安全隱患，具體表現(xiàn)為：線路過長，造成線路阻抗過大，從而降低了保護電器的靈敏度，使得故障出現(xiàn)時保護電器不能正常動作，由PE線引來的短路電流因為PE線無法裝設漏電保護裝置，同樣造成很大的安全隱患。以TN-S系統(tǒng)為例，系統(tǒng)見圖3。

圖3 TN-S系統(tǒng)圖

圖中，變壓器內(nèi)阻RT為0.02Ω，變壓器接地電阻R1為4Ω，路燈配線長度為300m，路燈接地電阻R2，電阻值為4Ω，電線的電阻率為6.5x10-3Ω/m，忽略大地電阻值，路燈B處發(fā)生接地故障。

故障電流計算，見公式（2）：

式中，Ik為故障電流，US為電源電壓，Rt為變壓器內(nèi)阻，R1為變壓器接地電阻，R2為路燈接地電阻，Rl為相線電阻，Rn為中性線電阻，Rpe為地線電阻。

B點的故障電壓值經(jīng)計算為30.8V，低于安全電壓50V，如不采取末端接地措施對故障電流進行分流，那么末端電壓經(jīng)計算會高達73V，因此，傳統(tǒng)意義上的TN系統(tǒng)無法滿足安全性的要求，簡化電路見圖4。

4、現(xiàn)階段較為有效的接地保護策略

在現(xiàn)階段，技術(shù)的限制使得我國還不具備發(fā)展新型接地保護系統(tǒng)的設計能力。針對于TN保護系統(tǒng)的劣勢，相關(guān)技術(shù)人員也提出了針對性的解決方法，具體方案如下。

4.1 TN-C-S接地保護系統(tǒng)

該接地保護系統(tǒng)主要有兩部分構(gòu)成，其分別為TN-C與TN-S。在該模式下，可以利用該模式的特殊PE線與N線連接來保證路燈不會出現(xiàn)漏電[3]。不過要注意，此連接方式只能在較小的電壓偏移內(nèi)起作用。如果電壓偏移量過大，就要通過反復接地來實現(xiàn)漏電控制。漏電保護器與PE線存在功能沖突，所以要盡可能保證兩者的相對距離。還要避免兩者的接觸，以免導致大范圍的停閘。除上述限制外，PE線只有在限定環(huán)境下才能夠與N線之間相連，并且該線上不允許出現(xiàn)熔斷器。

4.2 TN-S保護接地法

該保護方式主要通過分離PE線與N線來達到漏電保護的效果，理論上有較強的適用性。在表現(xiàn)特點上，該保護接地法與TN-C-S有較強的相似性，不過也有不同之處。該保護中的干線可以直接連接漏電保護器，工作狀態(tài)下的零線也不用重復接地。在保護效果上，也更加安全可靠。尤其是在安全要求較高的現(xiàn)代配電設計中，其優(yōu)勢更加明顯。從本質(zhì)上來看，TN-C-S性質(zhì)上更加接近于TN-S的過渡型，當三相負載表現(xiàn)良好時，TN-S的保護接地效果要明顯高于TN-C-S，所以該保護接地法也是現(xiàn)代路燈建造的主流使用類型。

5、提升主流接地保護系統(tǒng)保護能力的相關(guān)策略

5.1 利用電流保護器來對剩余電流進行控制

剩余電流致使漏電的情況很多，所以剩余電流的處理也能有效降低接地保護系統(tǒng)的運行壓力。電流保護器能及時檢測線材的外皮損壞，并進一步阻止損壞的擴散，從而避免觸電事故。電流保護器還能在故障發(fā)生時保護其他設備，從而避免設備的集體損壞。不過需要注意的是，部分電流保護器的電流敏感度較低，所以要根據(jù)照明設備的具體規(guī)格來對其敏感度進行調(diào)整，從而使其能充分恢復電路管理的功能。剩余電流動作保護器也會受其他自然因素的影響，安裝時要避開高溫、水浸等意外因素的影響。

5.2 利用漏電開關(guān)來對TN、TT保護系統(tǒng)進行功能補充

盡管TN-S漏電保護系統(tǒng)的泛用性已經(jīng)比較高，但其應用中還存在問題，可嘗試使用漏電開關(guān)來對其功能進行彌補。漏電開關(guān)可以有效保證漏電狀態(tài)下的人身安全，從而減少人員傷亡[4]。針對施工過程中的暴力施工行為，核驗人員也可以通過漏電開關(guān)來對其施工行為進行評判。如若施工中出現(xiàn)偷工減料、暴力施工等情況，漏電開關(guān)的異常數(shù)據(jù)就能成為審核的決定性證據(jù)。漏電開關(guān)的使用可以有效減少施工線纜的橫截面積，也能變相降低有色金屬的使用量，從而滿足當代施工建造的節(jié)能環(huán)保需求。

5.3 加強對接地保護系統(tǒng)的保護

接地保護系統(tǒng)的生效也需要在一定條件內(nèi)，如果無法滿足該條件，那么自然無法起到良好的保護作用。在接地保護系統(tǒng)的保護上，相關(guān)人員要加強對其的重視，比如定期對路燈進行巡檢，以保證接地保護系統(tǒng)時刻處于安全可用的狀態(tài)。尤其是在TN-C-S保護系統(tǒng)的巡檢中，要注意 PE線與N線的位置關(guān)系，以免出現(xiàn)意外情況。對于地震、洪水等意外災害頻繁的區(qū)域，要及時做好相應因素的預防。在旱澇災害較為嚴重的區(qū)域，就要提前對接地保護裝置做好防水處理，并定期檢查防水裝置的密封性。而當災害發(fā)生后，要重新對密封性進行檢修，以保證下一次災害的應對效果。

5.4 設置人身防護措施

理論條件下，TN-S系統(tǒng)、TT系統(tǒng)保護期間，5s內(nèi)接觸燈桿依然會受到電擊影響。雖然風險已經(jīng)控制在最低范圍內(nèi)，但對人的影響依舊無法預知。針對該情況，除了要設置接地保護系統(tǒng)以外，還可以設計人身防護措施來避免5s內(nèi)的電擊影響。根據(jù)實驗數(shù)據(jù)可得，人體可感知的最小電流為0.5mA，而掙脫電流為10mA，而致死電流為30mA，路燈雖為固定設備，但考慮到路燈為室外設備，根據(jù)GB51348-2019中的7.5.5-5規(guī)定，室外工作場所的用電設備應設置額定剩余動作電流不小于30mA的剩余電流保護器。路燈的形狀在抓握的情況下發(fā)生漏電時，難以掙脫。根據(jù)GB50054-2011中的5.1.20規(guī)定，TN系統(tǒng)需要在0.4s內(nèi)切除，TT系統(tǒng)需在0.2s內(nèi)切除。但是只要能在規(guī)定時間內(nèi)掙脫，就能降低電擊所帶來的影響。所以，就可以利用該特點來設置人身防護裝置，按照規(guī)范規(guī)定，設置匹配的切除裝置就可以保證觸電人的安全脫出。

5.5 提高線路設計人員的專業(yè)性

在上文中可以看出，線路設計的合理性和科學性直接影響了接地保護系統(tǒng)的運作效率。比如PE線的位置處理不當時，不僅不能起到良好的保護效果，還會造成大范圍地停電。因此，在設計人員的專業(yè)性考量上，相關(guān)部門應加強對其的審查，并務必做到持證入場作業(yè)。而對施工人員，則需要提前進行相關(guān)的要點告知，并在施工前加以演練，以免錯誤施工導致意外情況的出現(xiàn)。比如，在漏電開關(guān)的使用中，路燈保護系統(tǒng)中的漏電開關(guān)適用于傳統(tǒng)室內(nèi)使用方式有較大區(qū)別，所以要根據(jù)所采用的接地形式設置匹配系統(tǒng)的漏電開關(guān)[5]。

5.6 優(yōu)化城市內(nèi)照明裝置布置設計

不同類型照明裝置適應的照明場景不同，所以城市規(guī)劃設計中要根據(jù)其具體類型來選擇對應照明裝置。在照明裝置的選擇上，應遵循以下原則：

5.6.1 適度裝飾原則

照明裝置設置屬于城鎮(zhèn)建設的一部分，可在適度范圍內(nèi)進行城市裝飾。但實際選擇中應控制好設置密度，盡量使裝置類型在2～3種內(nèi)，避免接地保護系統(tǒng)安裝中出現(xiàn)的兼容問題。

5.6.2 合理空間布局原則

即便是利用接地保護裝置，直接觸碰人員依舊有電擊風險。因此，在設置空間規(guī)劃時，應考慮在路燈周圍設置裝飾性防護以及警示牌，避免行人的直接接觸。也可改變路燈的結(jié)構(gòu)特征，比如，通過改變燈柱的幾何特征來達到隔絕人群觸摸的效果。

結(jié)語：

現(xiàn)存的TT、TN觸電保護系統(tǒng)雖然一定程度上可以降低行人觸電概率，但依舊不可掉以輕心。要加強接地保護系統(tǒng)的技術(shù)研發(fā)力度，并合理使用直接防護與間接防護措施，以調(diào)整照明裝置的布置密度。另外，相關(guān)部門要及時向民眾普及安全防護知識，并盡量使其遠離燈柱，以便于從源頭上降低行人觸電概率。