郭燕萍，陳元桂

(福州市規(guī)劃設(shè)計研究院，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、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)備電擊防護包括直接接觸和間接接觸防護。間接防護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和配電保護問題。

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。

保護接地：電氣裝置外露可導電部分的接地，其作用是降低外露可導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)間接接地故障時預期接觸電壓

1)TN系統(tǒng)間接接地故障時預期接觸電壓。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、保護線阻抗；Uf為預期接觸電壓；

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，可進一步降低預期接觸電壓Uf，如表1所示。

表1 TN系統(tǒng)間接接地故障時預期接觸電壓

2)TT系統(tǒng)間接接地故障時預期接觸電壓。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)相線與外露可導電部分短路Fig.2 TT system phase line is short circuited to the exposed conductive part

預期接觸電壓

(3)

式中Ra、Rb分別為系統(tǒng)接地電阻、保護接地電阻。

根據(jù)《城市道路照明工程施工及驗收規(guī)程》(CJJ 89—2012)第7.2條規(guī)定：重復接地電阻不應(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ZL，則施加于人體的預期接觸電壓為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)計規(guī)范》(GB 50054—2011)第5.2.5條規(guī)定：當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現(xiàn)總等電位或局部等電位聯(lián)結(jié)，當發(fā)生間接接觸接地故障，保護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期接觸電壓。

1)干燥環(huán)境下TN系統(tǒng)重復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連接的PE線傳導的非故障回路故障電壓、重復接地電阻Ra、系統(tǒng)接地電阻Rb。

圖3 TN系統(tǒng)相線與重復接地的外露可導電部分短路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、燃氣等管道的布設(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，即可實現(xiàn)故障回路接觸電壓、非故障回路傳導故障電壓均低于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，還不能實現(xiàn)預期接觸電壓在50 V以下，也存在故障回路故障電壓沿接地線傳導問題。要降低預期接觸電壓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)境下預期接觸電壓限值為25 V。

1) TN系統(tǒng)重復接地降低接觸電壓。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的故障電壓低于25 V。

2) TT系統(tǒng)重復接地降低接觸電壓。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)，都是不可能實現(xiàn)的。

可見潮濕環(huán)境下，對TN和TT系統(tǒng)，重復接地都不能降低預期接觸電壓到安全限值。這時配電回路保護開關(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。

綜上所述，對于難以實現(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)置重復接地，TN系統(tǒng)發(fā)生間接接觸故障時預期接觸電壓都低于TT系統(tǒng)。

②當電氣裝置的某一部分發(fā)生間接接觸接地故障后，保護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線截面和重復接地可以降低預期接觸電壓，以往往往忽視降低接觸電壓。

③只強調(diào)TN系統(tǒng)的故障電壓傳導，而忽視TT系統(tǒng)當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)電擊防護和短路保護

3.1 TN系統(tǒng)電擊防護

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是隨機值，阻值難以確定，可能Id太小，不足以使保護開關(guān)動作。故障電壓將沿PE線傳導，可采用以下幾種防護措施：

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，接地故障電流計算公式見式(2)?！兜蛪号潆娫O(shè)計規(guī)范》(GB 50054—2011)規(guī)定：TN系統(tǒng)配電線路的間接接觸防護的動作特性應(yīng)符合

Ia≤Id[4]

(5)

式中Ia為保證保護電器在規(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

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

當使用斷路器作為保護電器時，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遠遠小于阻抗R，可忽略不計，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計算示例

使用斷路器或熔斷器作為配電線路保護電器計算結(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的線路長度更長。

③無法采用微型斷路器或熔斷器進行接地故障和短路保護時，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行接地故障保護時，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要求時，就能滿足短路保護要求。

4 道路照明配電TT系統(tǒng)電擊防護和配電線路的短路保護

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為被保護電器線路和設(shè)備正常運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以下是很容易實現(xiàn)的。保護開關(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。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)防電擊和短路保護分析。① 保護接地電阻難以降低，接地故障電流較小，必須采用剩余電流RCD作為防電擊保護電器。② 和TN系統(tǒng)一樣應(yīng)進行線路短路保護，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)同樣不僅要進行防電擊，還要進行短路保護。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)計錯誤地認為采用了RCD就是安全配電，只注重間接接觸電擊的防護，忽視配電線路的保護。

5 結(jié)束語

TN系統(tǒng)和TT系統(tǒng)由于配電線路長導致單相短路故障電流、短路電流小，配電回路保護開關(guān)瞬時動作電流不能選擇太大，TT系統(tǒng)接地故障保護必須采用RCD。如果TN和TT系統(tǒng)均采用帶過載和短路保護的剩余電流斷路器，TN系統(tǒng)采用斷路器進行間接接觸防護的同時，增加RCD作后備保護，配電保護可靠性優(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)重復接地體、PE線比L線截面放大一級，可降低預期接觸電壓，進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、施工、養(yǎng)護中應(yīng)加強配電線路的絕緣、定期檢測接地電阻、盡量減少線路故障發(fā)生。畢竟配電保護是一種補救措施，不能完全依賴保護開關(guān)，做好預防更為關(guān)鍵。