城市道路照明TN-S系統(tǒng)單相接地故障保護(hù)探討

駱志榮

（廈門(mén)市市政工程設(shè)計(jì)院有限公司， 福建 廈門(mén) 361002）

0 引言

城市照明以路燈照明應(yīng)用居多，路燈用電負(fù)荷分散，供電半徑很長(zhǎng)，能達(dá)到幾百米，一些取電困難的地區(qū)供電半徑甚至?xí)^(guò)一千米，同時(shí)路燈設(shè)備受自然環(huán)境影響較大，容易被行人觸碰，一旦燈桿帶電將引發(fā)極大的危險(xiǎn)性。因此對(duì)道路照明系統(tǒng)單相接地故障的電流計(jì)算和保護(hù)開(kāi)關(guān)選擇顯得尤為重要。本文針對(duì)工程建設(shè)中最常用的TN-S配電系統(tǒng)的單相接地短故障護(hù)問(wèn)題進(jìn)行討論

1 路燈TN-S接地系統(tǒng)型式介紹

廈門(mén)地區(qū)的路燈低壓系統(tǒng)接地形式主要采用TN-S系統(tǒng)，其定義為：T表示電源端即變壓器中性點(diǎn)直接接地;N表示電氣裝置外露可導(dǎo)電部分直接接地；S表示系統(tǒng)的中性線（N）應(yīng)與保護(hù)線（PE）分開(kāi)的，在變壓器處工作接地與保護(hù)接地需要接至共用接地裝置，即在箱變處PE線與變壓器中性點(diǎn)（N）連接，PE線與每根路燈鋼桿接地螺栓、燈具外殼、配電及控制箱等的外露可導(dǎo)電部分可靠連接，在線路分支、末端及中間適當(dāng)位置處做重復(fù)接地形成聯(lián)網(wǎng)，在任一地點(diǎn)的接地電阻不應(yīng)大于4Ω。

2 單相接地故障電流計(jì)算

2.1 工程實(shí)例

某道路路燈照明供電電源為成套箱變，其中變壓器型號(hào)為Dyn11/SCB11-200/10/0.4kV(Uk=4%)一臺(tái)，10kV系統(tǒng)短路容量為100MVA，低壓配電系統(tǒng)采用TN-S系統(tǒng)，其中一個(gè)路燈回路長(zhǎng)度為900m，路燈間距為30 m，沿道路均勻布燈。燈具采用150W LED燈，回路終期總功率為6kW,補(bǔ)償后功率因數(shù)為0.9；如圖1所示：

圖1 路燈照明TN-S系統(tǒng)配電示意圖（其中一個(gè)回路）

2.2 單相接地故障電流計(jì)算

根據(jù)《工業(yè)與民用供配電設(shè)計(jì)手冊(cè)》第四版（1）（以下簡(jiǎn)稱《配四》）,TN-S系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，單相接地故障電流為：

式中：ZS——回路中接地故障回路阻抗

Rphp——回路中各元件相保電阻的和；

Xphp——回路中各元件相保電抗的和。

RS.php、XS.php——10kV高壓側(cè)系統(tǒng)的相保電阻、電抗；

RT.php、XT.php——變壓器的相保電阻、電抗；

RM.php、XM.php——低壓側(cè)母線段的相保電阻、電抗；

RL.php、XL.php——低壓側(cè)配電線路的相保電阻、電抗。

分別計(jì)算線路路燈配電干線線路電纜為 YJV-0.6/1kV-5x25、YJV-0.6/1kV-4x35+1x16、YJV-0.6/1kV-5x35，最不利點(diǎn)900米（即上圖中f處）的單相接地故障電流值。

查《配四》表4.6-11可知，當(dāng)10 kV系統(tǒng)短路容量為100MVA時(shí)，高壓側(cè)系統(tǒng)相保電阻、電抗為RS.php=0.11mΩ、XS.php=1.06mΩ。

查《配四》表4.6-13可知，當(dāng)變壓器采用Dyn11/SCB11-200/10/0.4kV(Uk=4%)，變壓器的相保電阻、電抗為RT.php=10.12mΩ、XT.php=29.41mΩ。

由于配線母線長(zhǎng)度較短，低壓側(cè)母線段的相保電阻、電抗本次計(jì)算中忽略不計(jì)，即RM.php=0mΩ、XM.php=0mΩ(母線長(zhǎng)度較短，本次計(jì)算中忽略不計(jì))。

查《配三》表4-25可知，交聯(lián)聚乙烯絕緣電力電纜相保電阻、電抗分別為：RL.php=2.699mΩ/m、XL.php=0.192mΩ/m（電纜為 YJV-0.6/1kV-4x25+1x16），RL.php=2.106mΩ/m、XL.php=0.164mΩ/m（電纜為 YJV-0.6/1kV-4x25+1x25），RL.php=2.397mΩ/m、XL.php=0.191mΩ/m（電纜為 YJV-0.6/1kV-4x35+1x16），RL.php=1.503mΩ/m、XL.php=0.160mΩ/m（電纜為YJV-0.6/1kV-4x35+1x35）。

將以上參數(shù)帶入公式 (1)、(2)、(3)分別計(jì)算路燈配電干線線路不同電纜截面、不同供電距離的單相接地故障電流值，如下表1所示：

由表1可以看出：

1、單相接地故障電流隨著線路供電長(zhǎng)度的增加而減少，不利于線路前端低壓斷路器短路保護(hù)的整定，是設(shè)計(jì)中值得關(guān)注的一個(gè)問(wèn)題。

2、加大電纜的截面，尤其是PE線的截面，可以增大單相接地故障電流。因此在設(shè)計(jì)中，選擇電纜PE 線截面時(shí)，除了要考慮一定機(jī)械強(qiáng)度外，還要能夠承擔(dān)單相接地故障電流的載流量，推薦采用5芯同截面的電纜。

3 TN-S系統(tǒng)照明配電線路低壓斷路器的選擇

3.1 低壓斷路器的瞬時(shí)或短延時(shí)過(guò)電流的整定

上述工程實(shí)例，其回路終期總功率為6kW,功率因數(shù)為0.9，計(jì)算電流IC約為10.1A

根據(jù)《配四》公式（11.3-6、11.3-7）和表11.3-14可知：

3.2 單相接地故障電流靈敏度校驗(yàn)

根據(jù)參考文獻(xiàn)（3）第6.2.4條要求：被保護(hù)線路末端的短路電流不應(yīng)小于斷路器瞬時(shí)或短延時(shí)過(guò)電流脫扣器整定電流的 1.3倍，即：

由表1可以看出，選擇YJV-0.6/1kV-4x35+1x35才能滿足低壓斷路器最小動(dòng)作電流131.3A小于最不利點(diǎn)（900米）處的短路電流160.1A，保證斷路器短路動(dòng)作的靈敏度。

4 TN-S系統(tǒng)提高斷路器動(dòng)作靈敏性的措施

在實(shí)際應(yīng)用中，為了減少變壓器的設(shè)置數(shù)量，降低投資，一般是在主干道的道路照明設(shè)計(jì)的同時(shí)綜合考慮周邊次干道、支路等照明用電，導(dǎo)致配電線路過(guò)長(zhǎng)，計(jì)算線路末端燈具處的單相接地故障電流值太小，干線斷路器難以滿足接地故障保護(hù)靈敏性的要求，為了提高低壓斷路器動(dòng)作靈敏性，可以主要采取以下措施：

1、加大電纜的截面，尤其是PE線的截面，可以增大單相接地故障電流。

2、采用帶短延時(shí)過(guò)電流脫扣器的斷路器作間接接觸防護(hù)。

短延時(shí)過(guò)電流脫扣器整定電流值Iset2通常只有瞬時(shí)過(guò)電流脫扣器整定電流值Iset3的 1/5～1/3左右，即：

由表1計(jì)算可得知在滿足最不利點(diǎn)處末端燈具的單相接地故障保護(hù)靈敏性要求，可選擇電纜YJV-0.6/1kV-4x25+1x16，減少了電纜的投資。

3、采用帶剩余電流保護(hù)的接地故障保護(hù)斷路器。

根據(jù)《低壓配電設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50054第5.2.9.1條規(guī)定TN系統(tǒng)配電線路或僅供給固定式電氣設(shè)備用電的末端線路，間接接觸保護(hù)電器動(dòng)作時(shí)間不宜大于5 s。然而在對(duì)人體而言，在發(fā)生接地故障時(shí)，人碰到燈桿會(huì)接觸到燈桿部分對(duì)地電壓（人體預(yù)期接觸電壓）Uf，由圖1工程實(shí)例可知900米處末端燈具（忽略系統(tǒng)及線路阻抗）高于正常情況下規(guī)定的50V和潮濕情況下規(guī)定的25 V的安全電壓（Rd為重復(fù)接地電阻，RS為系統(tǒng)接地電阻）。Uf否會(huì)造成電擊傷害，還與其持續(xù)通電時(shí)間長(zhǎng)短相關(guān)，參考文獻(xiàn)（2）圖1-2（干燥和潮濕條件下預(yù)期接觸電壓Uf和允許最大持續(xù)時(shí)間t的關(guān)系曲線）可知，在電壓114.4V允許最長(zhǎng)持續(xù)通電時(shí)間約為0.15s，遠(yuǎn)小于斷路器動(dòng)作時(shí)間5s，會(huì)對(duì)人身構(gòu)成威脅。需考慮在人體發(fā)生心室顫動(dòng)危險(xiǎn)前切斷故障電流，設(shè)計(jì)時(shí)可在每個(gè)燈具處設(shè)置剩余電流保護(hù)裝置，剩余電流動(dòng)作值IRCD選擇30mA，動(dòng)作時(shí)間選擇t選擇0.1s；干線處剩余電流保護(hù)裝置IRCD選擇300mA，t選擇0.2s。

為了避免了剩余電流保護(hù)裝置正常運(yùn)行時(shí)誤動(dòng)作，減少設(shè)備測(cè)試，在一些主要的城市道路路燈配電系統(tǒng)，可考慮在低壓出線處加裝剩余電流監(jiān)測(cè)裝置，當(dāng)發(fā)生漏電流異常時(shí)，僅動(dòng)作于報(bào)警信號(hào)而不動(dòng)作于跳閘，信號(hào)返回監(jiān)控中心，維護(hù)人員可根據(jù)漏電流的大小、持續(xù)情況，決定是否遠(yuǎn)程控制切斷電源。

5 結(jié)束語(yǔ)

對(duì)于長(zhǎng)距離的路燈TN-S系統(tǒng)配電線路，需要重視末端接地故障靈敏度的校驗(yàn)。對(duì)于少量供電距離長(zhǎng)，線路末端燈具處的單相接地故障電流值小的道路，可采用加大敷設(shè)電纜的截面，尤其是PE線的截面和帶短延時(shí)過(guò)電流脫扣器、剩余電流保護(hù)的斷路器等方式來(lái)提高斷路器動(dòng)作靈敏性，確保人員生命財(cái)產(chǎn)安全。在城市的主要道路可采用剩余電流監(jiān)測(cè)，兼顧道路照明的安全性和可靠性。