关于漏电保护器在城市道路照明系统中的应用

雷小雄

(深圳市灯光环境管理中心，广东 深圳 518001)

引言

随着我国现代化城市建设的快速发展，城市道路路灯的数量急剧增加。城市道路照明不仅美化了城市的市容，也给市民的生产与生活带来很大便利。但是由于多种原因导致的城市道路照明设施的不完善及运行维护管理的不到位，造成了许多电气安全事故。

为了切实防止城市道路照明系统触电伤亡事故的发生，我们需要对城市道路照明系统的环境及安全有着彻底的认识，而且要严格依据本行业的标准规范要求对道路照明系统进行设计、建设及维护[1-3]。同时对于一些雷暴日较多、雨季较长等自然气候恶劣且地形复杂的城市，建设单位可对城市道路路灯系统中的防触电关键设施提出更高安全的要求，采用一些有着更高安全性能特点的优质产品[4-7]。

1 漏电保护器应用现状及问题

漏电保护器动作原理是利用系统的接地故障电流或电压的能量引发保护器的脱扣器作出相应的反应。系统正常运行时系统的剩余电流几乎为零，故漏电保护器的动作整定值可以整定得很小(一般为mA级)。当系统发生人身触电或设备外壳带电时，出现较大的剩余电流，漏电保护器则通过检测和处理这个剩余电流后可靠地动作，切断故障电源。

笔者依据多年来从事城市道路照明的运行维护实践经验，认为导致目前城市道路路灯系统漏电伤人的主要原因是一方面系统中的绝缘与接地存在问题，另一方面设计与建设人员对于系统中漏电保护器的选型与应用上存在许多认识上的误区。

1.1 设计上的认识误区所带来的问题

项目设计师对于漏电保护器存在认识上的误区。这主要体现在：

1)一些设计单位设计人员误认为在道路照明线路系统采用TN-S的接地形式，且灯杆做好保护接地就行了，在供电系统不必选用漏电保护器了。

2)部分设计师虽然已认识到城市道路照明系统应安装漏电保护器，在项目设计时仅在箱式变压器的低压侧回路上设计了线路保护用的漏电保护器，未在灯杆下方上灯线部分设计单相漏电保护器。

3)将电子式漏电保护器与电磁式漏电保护器混同，设计时对漏电保护器的类型未作具体要求，导致电子式漏电保护器频繁跳闸，给维护人员带来很大不便。

4)虽然对于箱式变压器低压侧配电回路及灯杆内检修门内作二级漏电保护设计，但是对于两级漏电保护器的技术参数未整定好，导致在对剩余电流保护器的选型上出现错误。实际应用时，不是漏电保护器频繁跳闸，就是因终端灯杆漏电时整个回路都跳闸，整个线路都停止工作。

1.2 系统维护人员的问题

一般来说，城市道路照明系统维护人员负责的区域与线路数量都比较大，运行维护工作繁重，在漏电保护器的运行维护方面，对他们的工作量影响较大的主要表现在：

1) 在潮湿天气特别是雷雨季节时漏电保护器频繁跳闸，维护人员需要及时赶到现场对其进行复位，恢复照明。维护人员在四处奔走合闸的过程中常常顾此失彼。面对大量重复合闸作业，为了不耽搁他们其他的维护工作，一些维护人员干脆弃用漏电保护器，或使用过流保护器替换漏电保护器，这样产生了线路上更大的安全事故隐患。

2) 由于漏电保护器仅安装于箱式变压器低压回路上，一条上灯线的漏电可以引起街道照明线路整体跳闸，不仅行人受较大影响，维护人员查找漏电源头时需要一根一根排查，费时费力。

3) 户外采用易受电磁干扰的电子式漏电保护器，因其受外界影响较大，如故障电压过低(一般电子式漏电保护器的整定动作电压为50 V)，漏电保护器可能拒动，这样的安全隐患维护人员较难发现，也不易解除故障。

2 漏电保护器在城市道路照明系统中的应用

鉴于以上现状及问题，在选择漏电保护器时应该考虑使用一些更安全更稳定的漏电保护设备，升级城市道路照明系统的安全性能。

2.1 采用漏电保护器的必要性

目前，国内的城市道路照明系统大多采用TN/TT系统的接地形式。《城市道路照明设计标准》(CJJ 45—2015)。6.1.8中明确，道路照明配电系统的接地形式应采用TT系统或TN-S系统，并应符合《低压配电设计规范》(GB 50054—2011)的相关规定。

在TT系统内发生接地故障时，其故障回路阻抗较大，故障电流相对较小，熔断器或过流断路器在接地故障的情况下不容易动作，应设置漏电保护器。

而在TN系统中，配电线路采用过电流保护电器兼作间接接触防护电器时，其动作特性应符合GB 50054第5.2.8 条的规定；当不符合规定时，应采用剩余电流动作保护电器或过流保护器。对于更安全的角度考虑，TN-S系统中也应设置漏电保护器。

由此可知，无论是对于TN-S或TT的接地系统，在供电回路前端都应设漏电保护开关，当灯具漏电发生时，漏电保护开关迅速切断电源，保护了人身安全。一般的解决办法就是要根据标准要求在箱式变压器低压侧的配电系统中增加漏电保护器。

对于道路边的金属灯杆而言，一方面灯杆内的电缆线长期处于通电、高温、水浸的影响，易出现电缆防护层绝缘老化，另一方面因灯具的镇流器在高温或潮湿天气下长期运行造成绝缘老化形成的漏电现象导致灯杆带电也是常见危险现象。更有甚者，一些低洼地段的灯杆检修门内的电缆接头因雨水进入而出现防护功能缺失，易出现芯线或接头触到灯杆的情形，此时电缆线对地通常为220 V交流电压。此类情形下的灯杆应视为Ι类直接接触的带电体而考虑防护措施。根据GB 50054等5.1.12条要求，应设置剩余动作电流不超过30 mA的漏电保护器，作为附加防护措施。

2.2 以电磁式漏电保护器代替电子式漏电保护器

通过调查了解，我们发现不少地方城市道路照明系统中采用的漏电保护器为家用电子式漏电保护器。较少采用电磁式漏电保护器，主要原因除了电子式漏电保护器的价格大大低于电磁式漏电保护器，其中对选购两者的结构性能特点不了解也是一个重要原因。

电子式剩余电流保护器零序电流互感器的二次回路和脱扣器之间接入一个电子放大线路，互感器二次回路的输出电压经过电子线路放大后再激励剩余电流脱扣器，其主要由零序电流互感器、电子控制漏电脱扣器和断路器组成。当被保护电路中漏电或人身触电时，只要漏电电流经过电子线路放大后达到设计选择动作电流值，零序电流互感器的二次绕组就输出一个信号，并通过漏电脱扣器使断路器动作，从而切断电源起到漏电和触电保护作用，结构见图1。

电磁式剩余电流保护器零序电流互感器的二次回路输出电压不经任何放大，直接激励剩余电流脱扣器，其主要由零序电流互感器、漏电脱扣器和断路器组成。当被保护电路中漏电或人身触电时，只要漏电电流达到设计选择动作电流值，零序电流互感器的二次绕组直接通过漏电脱扣器使断路器动作，从而切断电源起到漏电和触电保护作用。其结构见图2。

图1 电子式漏电保护器的结构图Fig.1 Structure of electronic leakage protector

图2 电磁式漏电保护器的结构图Fig.2 Structure of electromagnetic leakage protector

电磁式与电子式漏电保护器的抗干扰性能比较如表1所示。可以看出，电磁式漏电保护器较电子式漏电保护器具有不受外接电压的变化影响，更强的抗雷击浪涌电流的干扰能力。电子式漏电保护器虽然价格较低，但是由于其自身电子电路易受外界电磁干扰，外接电压较低时会出现拒动的现象，存在较大的安全隐患。对于具备户外特点城市道路照明设施而言，应选用抗干扰性能更强，误动作较少的电磁式漏电保护器。

2.3 选择合适的漏电保护器的漏电动作电流值

通常为了保证人身安全，对于漏电保护器的选用上，一般要求额定漏电动作电流应不大于人体安全电流值。因国际上普通公认30 mA为人体安全电流值，所以部分设计师选用30 mA的漏电保护器应用于路灯低压箱变中。

但是在实际道路照明系统中，每一回路所控制的灯杆数通常为5～25盏不等的路灯，长导线对地的容性漏电流，加上路灯电缆分支多、接头多、接地电阻高，特别是南方温湿度一年四季较高，使得线缆与灯具的绝缘度常处于较低状态等因素，选用30 mA的漏电保护器显然不现实。

假设道路照明箱变的一个低压回路电缆采用YJV-1KV-4×25 电缆，回路总长度为1 km，上灯线采用电缆VV-3×2.5,每一个灯杆的上灯线为15米，灯杆数量按照《城市道路照明设计标准》(CJJ 45—2015)标准中表5.1.3对截光型配光布置的灯杆间距为S≤3H计算，灯杆数为22根。

电缆的泄漏电流根据表2 (数据来自 《工业与民用配电设计手册(第四版)》 表11.7-16)取值计算。

表1 电磁式与电子式漏电保护器的抗干扰性能比较表

表2 220 V/380 V单相及三相电缆穿管泄漏电流参考值

灯具泄漏电流根据GB 7000.1—2015《灯具 第1部分：一般要求与试验》的表10.3接触电流或保护电流的限值，I类接触电流的最大限值为0.7 mA，现取0.7 mA计算，则照明回路电缆的泄漏电流为70 mA；上灯低压线缆的泄漏电流为6.24 mA(取三相供电于22个路灯杆中泄漏电流最大的一相)；灯具的泄漏电流为5.6 mA(取三相供电于22个路灯杆中泄漏电流最大的一相)；则该照明回路的总泄漏电流约为81.84 mA。

根据以上计算结果，照明系统的泄漏电流在未考虑外部气候环境和其他干扰的的情况下漏电电流已经超过81.84 mA，如果我们使用30 mA动作电流漏电保护器则根本无法合闸。

目前我国的城市道路照明线路的布置中，常常会出现：

1) 配电半径长，一般要几百米，甚至上千米；对地电容性漏电现象在所难免;

2) 用电负荷分散，电缆中间接头较多；接头处理上防水及绝缘水平不够达到IP65以上。

综合考虑外部干扰、安全要求及线路老化、运行维护等综合需要，结合CJJ 45—2015标准，对于箱式变压器低压侧的配电系统应采用额定动作漏电电流300 mA以上的漏电保护器。

2.4 漏电保护器对雷电浪涌的预防

在城市道路照明系统中，路灯和箱变一般都安装在户外，极易受到雷电天气的感应雷击，造成浪涌冲击，其波形一般为8/20 μs，见图4。如果漏电保护器不具备抗浪涌的能力，则易在雷电天气经常性跳闸，增加维护工作量，且影响道路照明服务的持续性。

图3 8/20 μs雷电冲击浪涌波形图Fig.3 8/20 μs lightning surge waveform

以某低压电气厂家的漏电保护器为例，普通型抗浪涌电流能力为250 A,而IR型漏电保护器的抗浪涌电流能力可以达到3 000 A(性能见表3)，远远高于普通的漏电保护器，减少外界雷电等浪涌干扰，进而可以让漏电保护器能够稳定持续工作。

表3 IR型漏电保护器性能参数表

在雷雨天气或雷暴日比较多的地区，城市道路照明系统中采用IR型漏电保护器，可以避免因漏电开关的频繁跳闸引起的道路照明中断，保障城市道路照明的服务连续性。

2.5 配电线路中二级漏电保护器的之间动作时间的配合

城市道路照明的低压侧通常采用二级保护设计：一是在箱式变压器的主回路上设计一级过流、漏电及继电保护，二是在灯杆下端的检修门设计过流与漏电保护。

通过对路灯系统故障模拟试验得知，无论对于TN还是TT系统，当路灯配电线路末端发生单相接地故障时，一般标准型电磁式漏电保护器通常在发生接地故障时可以在0.2 s以内切断故障电流。

由于设计人员忽略了二级漏电保护器之间的动作时间，在设计时选用了脱扣时间相同的标准型漏电保护器，造成了一旦一个灯杆漏电，整个街道回路都断电跳闸的现象，不仅给附近居民行人车辆通行造成很大不便，也给维护人员在故障线路查找上带来很大困难。

为了获得两个串联的漏电保护器之间的最佳的配合，选择一个比下游的标准型漏电保护器脱扣时间更长的延时型漏电保护器在箱式变压器低压配电回路中是十分有必要的，见图4。

图4 采用延时型漏电保护器示意图Fig.4 Schematic diagram of time-delay leakage protector

图5 A/AC型(普通)，A[IR]型(抗脉冲)，A[S]型(延时) 的脱扣曲线图Fig.5 Release curve of A/AC (normal), A[IR](anti-pulse), A[S](delay)

由图4和图5可知，延时型漏电保护器可达到标准型漏电保护器的脱扣时间的5倍。这不仅达到了两级间的漏电保护器的配合，而且协助维护人员聚焦线路故障段，节省维护时间。

3 电磁式漏电保护器在城市道路照明系统中应用的意义

1)有效减少误跳闸的次数。电磁式漏电保护器可有效抵御感应雷击浪涌电流不超过300 A(8/20 μs)冲击，IR型电磁式漏电保护器耐浪涌冲击能力更能达到3 kA(8/20 μs)，大大减低了可能不必要的跳闸的次数，适合在雷暴日较多的地区城市道路照明使用。

2)保障城市道路照明系统的服务连续性。S型电磁式漏电保护器具有延时动作性能，在箱变系统低压系统中，可与安装于系统末端的电磁式漏电保护器配合，切断末端的故障线路，有效防止照明系统上一级漏电保护器在灯杆检修孔上灯线或灯具发生漏电时下一级漏电保护器未动作前误跳闸进而引起大面积的路灯熄灭，提高城市道路照明的亮灯率，保障城市道路照明的服务连续性。城市道路照明箱式变电站实景如图6所示。

图6 城市道路照明箱式变电站实景图Fig.6 Scene of Urban Road Lighting Box Substation

3)有效提高职能部门运维安全管理水平。在城市照明系统中使用电磁式漏电保护器，当灯具、电缆接头、线路等处发生漏电情况时可及时动作，切断故障线路，防止行人触电伤亡事故等发生，有效提高运维部门的安全管理水平。

4 总结

漏电保护器对于城市道路照明的安全系统，是必要且关键的安全设施。项目建设单位在设计与选型应高度重视，在正确认识漏电保护器的基础上，选用适合行业自身特点的电磁式漏电保护器。

延时(S型)和抗雷击涌流干扰(IR型)漏电保护器正引起行业的重视，笔者认为应在对其试用与运行监测的同时，加强对其研究其特点，最终选择合适的漏电保护器应用于城市道路照明配电系统中，以切实提高城市道路照明设施的安全性与运行维护水平。