城市道路照明设施接地保护形式

蔡卫强

(南通市城市照明管理处，江苏 南通　226007)



城市道路照明设施接地保护形式

蔡卫强

(南通市城市照明管理处，江苏 南通226007)

摘要：城市路灯遍布城市大街小巷，路灯因下雨漏电，导致行人触电悲剧时有发生，路灯的安全可靠让人担忧。本文通过对路灯常用接地形式TT系统和TN-S系统的分析指出，悲剧产生的罪魁祸首不是下雨，而是设施本身就存在安全隐患。只要正确使用接地保护系统，路灯是可以安全可靠运行的。

关键词：城市道路照明；TT系统；联网TT系统；TN-S系统；相线碰壳接地故障；漏电保护开关

引言

我们经常可以看到关于路灯因下雨漏电，导致触电事故发生的报道，生命只有一次，悲剧让人深思。为什么下雨后路灯就会漏电触死无辜的路人呢？笔者认为原因主要有以下几点：一是该设施本身就漏电，因下雨地面积水扩大了漏电范围；二是该设施本身就漏电，但漏电电压较低如小于50V，在干燥的环境中此电压为安全电压，而在潮湿的环境中绝非安全电压；三是设施内部带电体绝缘损坏，虽未发生碰壳短路故障，一旦淹在水中，自然就漏电了。下面笔者就城市道路照明接地系统常用形式进行分析探讨，提出解决方案，供同行交流。

1城市道路照明接地保护形式

《城市道路照明设计标准》中规定道路照明配电系统的接地形式宜采用TN-S系统或TT系统，明确了道路照明应采用的接地形式。

TT系统：是指将电气设备的金属外壳直接接地的保护系统，也称为保护接地系统。第一个符号“T”表示电力系统中性点直接接地；第二个符号“T”表示负载设备的金属外壳部分与大地直接连接，而与电源端接地无关，接地形式见图1。道路照明采用TT系统时，金属灯杆(电器设备金属外壳)只与接地装置用导线连接，而与变压器的中性线不用导线接通。

图1　TT系统Fig.1　TT system

联网TT系统：部分城市采用保护接地时，用专门的PE线将所有的灯杆接地极与控制箱接地极连成接地网络，但不与变压器中性点连接，有资料称之为联网TT系统，接地形式见图2。

图2　联网TT系统Fig.2　TT network system

TN-S系统：是把工作零线N和专用保护线PE严格分开的供电系统。第一个符号“T”表示电力系统中性点直接接地；第二个符号“N”表示负载采用接零保护；第三个符号“S”表示工作零线与保护线是严格分开的，所以PE线称为专用保护线，在电源端PE线必须与变压器中性点连接，如不连接则变成了TT系统，其接地形式见图3。

图3　TN-S系统Fig.3　TN-S system

2城市道路照明采用TT系统的分析

当发生相线碰壳接地故障时，其等效电路图见图4。故障电流计算公式Id=U/(R0+Rd+R相) ，式中U为电源电压，Rd为灯杆接地电阻，R0为变压器中性点接地电阻，R相为相线阻抗，如短路点距电源的距离500m，采用VV5×16电缆，查资料得20℃时导线电阻为1.097Ω/km，当在单相对地短路计算时，其值取20℃时电阻的1.5倍，则R相=1.097×0.5×1.5=0.82Ω。

图4　TT系统等效电路图Fig.4　The equivalent circuit diagram of TT system

若R0=4Ω，Rd=4Ω(规程规定灯杆接地电阻不大于4Ω)，则Id=220/(4+4+0.82) =24.94A。《低压配电设计规范》中规定，当要求切断故障回路的时间小于或等于5s时，短路电流Id与熔断器熔体额定电流In的比值不应小于表1的规定。

表1　切断接地故障回路时间小于或等于5s的Id/In最小比值

显然短路电流太小，无法使熔断器在规定时间内动作。这时设备外壳对地电压Upe=U×Rd/(R0+Rd+R相)=220×4 /(4+4+0.82)=99.77V 。这个电压足以使触及的行人发生电击(国际电工委员会标准规定，人身电击安全电压限值为50V)。

由以上计算分析知道，在本系统中一旦发生相线碰壳接地故障，既无法在规定的时间内切断保护开关，又出现了危险电压，所以很不安全。若没有长期从事城市照明工作，电气设计师会生搬硬套有关标准要求加装漏电保护开关，那完全是一种责任推卸。因为从本行业多年的实践，漏电开关无法在城市照明中推广，其原因有：1)室外路灯线路比较长，在正常情况下，都会存在泄漏电流，有技术人员根据《工业与民用配电设计手册》估算后认为选用300～500mA的漏电动作电流就能让漏电保护开关正常工作，这是没有考虑天气潮湿、下雨、水淹等情况，因为在上述情况下线路、电气元器件的泄漏电流会大大增加。笔者工作单位也安装过漏电开关进行试验，整定动作电流500mA，好天情况下漏电开关能正常工作，一到潮湿天气就误动作。江苏南通市开发区东方大道高架路(9个控制点)因漏电开关跳闸2014年全年达到220次。试想一个城市有多少个控制点，每个控制箱内有多少条线路，这样的误动作将导致路灯维护电工对使用漏电保护开关的极度不信任而弃用。2)镇流器漏电、补偿电容一端脱落碰壳等故障都会造成漏电开关动作，而处理这些故障的紧迫性远没有达到立即断电导致片区灭灯的程度。3)不管什么型号的漏电开关都注有“每月按一次”或英文“text monthly”，那是测试按钮，像南通中等城市笔者工作单位管辖的表区有768处，全年12个月要跑近万次(平均每天25次)去测试开关证明其保护功能有效，这要增加多少工作量。通过以上分析，在城市道路照明中加装漏电保护开关是不现实的，因此TT系统在城市道路照明中使用是存在问题的。

3城市道路照明采用联网TT系统的分析

实际上现在很多城市采用保护接地时，一个路灯专变供电的路灯灯杆有几十根，有的根根打接地极，有的隔杆打一根接地极，再用专门的PE线连成接地网络，这时Rd很容易小于1Ω，当发生相线碰壳接地故障时，若其它条件都不变，则故障电流Id=U/(R0+Rd+R相)=220/(4+1+0.82)=37.8A，Upe=220×1/(4+1+0.82)=37.8V<50V，为“安全电压”。

通过计算短路电流依然较小，无法在规定时间内切断保护开关，设备外壳对地电压大大下降为小于50V的安全电压。然而50V以下的电压真的都安全吗，决定人是否被伤害的直接因素是通过人体的电流I=U/R,显然还与电阻有关。当通过人体的电流超过50mA时，触电伤害会危及人的生命，人体的电阻也因个体而异，一般取1kΩ，所以U=IR=50mA×1kΩ=50V，安全电压是这么来的。而当下雨天(尤其当前环境问题造成我国酸雨已成为普遍性的污染问题)人的电阻会大大降低，显然此时的安全电压应更低，《城市照明设计与施工》推荐的潮湿环境安全电压不宜超过25V。采用联网的TT系统，尽管漏电电压已从整百伏降为37.8V，在下雨天依然不是安全电压，这就是为什么雨天导致路灯触电事故频发的重要原因。

4城市道路照明采用TN-S系统的分析

当发生相线碰壳接地故障时，其等效电路图见图5。

图5　TN-S系统等效电路图Fig.5　The equivalent circuit diagram of TN-S system

Rd为重复接地电阻，《城市道路照明工程施工及验收规程》规定接地电阻不大于10Ω。

如果相线与PE线规格一致，P点对中性点的电压约为110V，则设备外壳对地电压Upe=110×Rd/(R0+Rd)=110×10/(10+4)=79V>50V，为危险电压。

当重复接地装置比较多的情况下，R0和Rd值是接近的，实际测量中R0值稍小，假设均为4Ω，则Upe=110×Rd/(R0+Rd)=110×4/(4+4) =55V>50V，仍为危险电压。

存在危险电压不要紧，关键看能不能按照规范要求及时切断故障电压。短路电流Id=220/(R相+Rpe)，假设一条路灯线路长500m，采用VV5×16电缆三相平衡控制，路灯档距在30m左右，每相控制7个250W高压钠灯(考虑到路口容量会大一些)，功率因数补偿到0.8，则In>1.5Ij=1.5×3×7×0.44/0.8=17.33A，取In=25A。按照表1，Id应不小于125A。计算得Id=220/(0.5×2×1.097×1.5) =133.7A，能及时切断。

通过上面分析，为了满足及时切断故障，电缆截面的选用要进行认真计算。

5结语

1)城市道路照明采用TT系统或联网TT系统，当发生相线碰壳故障时，短路电流很小，无法在规定时间切断开关。如不装漏电保护开关，线路将长时间带故障运行。当发生相线碰壳故障时，联网TT系统能使设备外壳对地电压大大下降为小于50V的“安全电压”，但安全电压是相对而言的，如对小孩、小宠物(电阻较小)而言就不一定安全，一旦遇到下雨等潮湿天气，触电死亡事故的发生概率将急剧上升。实践证明就目前而言在城市照明设施中全面安装漏电保护开关又是不现实的，故笔者认为该系统在城市照明中使用是有待商榷的。

2)城市道路照明采用TN-S系统，当发生相线碰壳故障时，只要合理配置，短路电流较大，能在规定时间切断开关，是符合规范要求的。在使用该系统时要注意供电半径不能太长、线径不能太细、熔断器或断路器等保护开关一定要匹配，同时在运行中不能改变设施现状，如在灯杆上加装广告、增加线路负荷、改变熔芯配置等。

3)若城市照明设施内部带电体绝缘损坏(如电缆线头裸露)，虽然没有发生碰壳短路故障，但一旦淹在雨水中，也将导致触电事故的发生，而且结果会更严重。也许有人要问，雨水不是导体吗？怎么不短路跳闸呢？大家应该有这样的经历，带电的线头淹在雨水中，水煮沸了，开关也不跳。这是因为雨水、大地虽然是导体，但也是有电阻的，电阻的大小与雨水及大地的成份有关。裸露的线头经水、大地与变压器中性点构成回路，回路电流往往不足以及时切断开关的。因此笔者建议，城市照明设施中电缆电线接头的绝缘一定要好；尽可能避免在接线井里做接头；表箱、灯杆门距地面要有一定的距离，防止水淹到电缆头等带电体；广场绿地里的地灯、投光灯等易被损坏、因低矮易被水淹的照明设施宜采用低压LED光源，实现24V以下低压供电。

参考文献

[1] 张华. 城市照明设计与施工[M].北京：中国建筑工业出版社，2012.

[2] 王厚余. 接地系统的选用[J].建筑电气，2007,26(1).

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[4] 城市道路照明设计标准:CJJ 45—2006[S]. 北京：中国建筑工业出版社，2007.

Ground Protection Forms of City Road Lighting Facilities

Cai Weiqiang

(NantongUrbanLightingManagement,Nantong226007,China)

Abstract：City lights spread all over the city streets. Street light leakage because of rain leads to an electric shock tragedy from time to time. So street lights’ safety and reliability are worrying. By analyzing lights commonly used grounding form: TT system and TN-S system, this paper points out that the tragedy of the culprit is not the rain, but the facilities where there are some hidden trouble. As a result, street lights are safe and reliable to operate as long as people use grounding protection system correctly.

Key words:city road lighting; TT system; TT network system; TN-S system; with shell grounding fault line; leakage protection switch

中图分类号：TM923

文献标识码：A

DOI:10.3969j.issn.1004-440X.2015.06.015