道路照明配电线路短路保护设计

鲍国栋

（中交第一公路勘察设计研究院有限公司，陕西 西安 710000）

0 引言

道路照明的载荷一般分布均匀且相对分散，其供配电系统的设计需适应道路照明载荷的特点，与传统的供配电系统相比具有一定的差异性。道路照明为户外用电，照明设备暴露在外室外，对用电的安全性要求较高。当电路发生短路故障时，需要响应短路保护，避免因为短路大电流对导线和载荷造成热能或机械损害，道路照明配电系统设计需要满足过载和短路保护要求。

1 道路照明线路故障分析

照明配电线路的故障类型可大体分为三类：短路、过载荷及接地故障。短路和过载荷属于过电流类型的故障，短路和过载荷会发生线路电流过增，导致线路温度快速升高，高温将损毁线路，特别时线路的绝缘损坏。接地故障除了会产生大电流，造成线路损耗外，还会导致照明设备的外露部分带电，产生致使工作人员和行人触电的安全隐患。

依据《城市道路照明设计标准》，道路照明供电系统的接地方式一般采用TT 系统和TN-S 系统[1]。依据《低压配电设计规划》，当供电电路发生短路时，短路保护电路要求要在5 s 内完成响应，切断短路线路。要求供配电线路设计中对过载电流、短路电流值进行准确核算，并设置接地保护。当选用TT 类型供电系统时，延时动作的剩余电能应能驱动断路器，完成电路断路，TT 类型供电系统必须配备漏电保护器。当照明供配电系统选用TN-S 型的供电系统时，断路器要求要在短时间内完成电路断路，并满足短路保护灵敏度要求，当灵敏度不足时，需要采用一定的改进措施。在实际工程中，由于为了降低成本、节约变压器的搭设数量，线路主干线周边的支路和小规模道路照明供电线路，会将其搭接至主照明配电线路上，致使主配电线路供电距离和范围的扩大，从而可能导致接地故障电流降低，短路保护灵敏度的不足[2]。必须采用相应线路保护改进设计方案，以保证道路照明配电线路对短路、过载、接地故障的保护要求。

2 短路电流参数核算

以某城市主干道为例，该车道为双向六车道，全长为4 km，单向车道宽度是12 m，路段限速是60 km/h。根据城市道路照明标准，灯杆的高度设置为12 m，每套灯杆配置功率为250 W 的LED 灯，灯杆之间的距离设置为30 m。在路段的一端设置两座路灯配电箱，每个配电箱负责一侧的路灯配电，即一座配电箱负责一半路灯的供电，对一路配电箱的负载功率和负载电流进行计算[3]。LED 灯的功率因数按照0.95 折算，配电箱总负载功率为33 kW。

由于配电线路较长，工作载荷功耗大，供电照明的TN-S 系统采用5 芯的供电电缆，线路电缆规格选用YJV-0.6/1KV-5×35mm2，整个配电系统结构如图1所示。根据配电设计手册，可核算出高压侧的单相保护电阻值为0.03 mΩ，单相保护电抗值为0.35 mΩ；变压器的单相保护电阻值为10 mΩ，单相保护电抗值为30 mΩ；母线的单相保护电阻值为1.8 mΩ，单相保护电抗值为2.2 mΩ；电缆的单相保护电阻值为15.8 mΩ，单相保护电抗值为1.8 mΩ。最终，线路末端的总阻抗为2.01 mΩ，按照公式I=U/（1.73×Z），可计算出线路末端的单相接地故障电流I=108.4 A。若直接按照负荷值选取断路保护器参数，长延时选用的过流脱扣电流值为25 A，瞬时选用的过流脱扣电流为125 A。可见，所选瞬时保护电流值不能可靠的触发瞬时保护，应对保护电流进行优化。

图1 照明配电系统结构图

3 提高线路故障保护灵敏度的优化措施

单相的接地故障电流的大小受供电线路的长度和截面积影响，增加供电线缆的横截面积，同时缩短供电线路的长度，可以增大故障电流的值，从而达到提升故障响应的灵敏度[4]。该方法具有普遍适用性，在实际工程中应用较为广泛。若选用的断路器为非选择型的断路器，无法满足线路短路保护的灵敏度要求，可改用脱扣延时时间可调的塑壳型断路器。该类型断路器可设置脱扣电流值的大小，从而达到提升故障保护灵敏度的目的。

由于供电电路较长，除了在配电线的起始端配置断路器外，可在线路的中间位置增设额定电流值较小的微型断路器。当线路末端发生短路故障时，增设的小电流断路器首先响应并切断电路。针对该文中的工程案例，可在距离配电控制柜600 m处增加小型断路器，对配电线路进行优化，调整后的配电系统结构如图2所示。由图2 可知，系统中共有QFA 和QFB 两种断路器，其中QFA 断路器的长延时脱扣电流值设置为25 A，瞬时脱扣电流值设为125 A，QFB 断路器的长延时脱扣电流值设置为16 A，瞬时脱扣电流值设为80 A。

图2 改进型照明配电系统结构图

按照单相接地故障电流的计算公式，距离配电箱600 m 处的单相接地故障电流的数值为213 A。当QFB断路器的前端部分出现接地故障时，QFA 可有效响应，及时可靠切断电路。照明电路启动时的瞬时冲击电流为70 A，QFA 断路器能够避开冲击电流的干扰，避免误动作断路。在线路的末端，其单相的故障接地电流数值为108 A，当在线路的末端出现接地故障时，QFB断路器最先触发响应，可及时有效切断电路。线路后端的启动冲击电流值为35 A，QFB 能有效避开启动冲击电流的影响。通过两级断路器的配合，可有效提升线路保护的灵敏度。通过QFA 和QFB 断路器的配合，可保证当全程线路的任何位置出现接地故障时，断路器均能及时切断线路，保护用电设备[5]。此外，断路器有效避开了照明线路启动瞬间大电流的干扰，避免发生误断电。

4 电流智能监控装置的应用

文中所述的照明配电线路保护措施，可保证在线路发生漏电事故，电流达到预设值时实现线路的自动切断，但会造成大范围路灯的断电。在未检测出故障发生位置并排除故障前，无法恢复断电段的道路照明的正常运行。照明智能监控系统正逐步被应用于道路照明线路中，利用照明智能监控系统，可实现对线路中的漏电电流异常值进行检测并记录，存储配电线路中异常电流检测数据，为接地故障的定位判断提供依据。利用电流智能监控装置，可弥补传统线路过流保护装置的不足，使得线路保护系统更为灵活，通过敏感元件及智能控制算法的应用，实现故障电路的快速断路和精准定位。这不仅可快速有效保护照明配电线路，而且可以实现故障的快速排查和线路的迅速恢复运行[6]。

5 结论

该文以某路段照明供配电为例，具体分析了线路阻抗、负载功率及故障电流等参数，提出了若干项提高线路故障保护灵敏度的具体策略，分析了方案的特点及适用性。最后介绍了电流智能监控装置的应用。