道路照明系统的接地型式及低压配电保护

郭燕萍，陈元桂

(福州市规划设计研究院，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，在道路照明设计、建设和管理过程中主要关注照明节能和照明质量。关注道路照明质量的同时，更要关注照明配电的安全性，防止异常环境中灯杆漏电危及行人人身安全。

室外照明设备电击防护包括直接接触和间接接触防护。间接防护措施包括降低接触电压、规定时间内自动切断电源。本文主要探讨道路照明间接接触防护和配电保护问题。

1 低压配电系统的接地型式

1)接地类型，包含系统接地和保护接地[4]。

系统接地：电源端的接地，其作用是给配电系统提供参考电位，使配电系统安全运行，降低系统对地电压绝缘水平、发生接地故障时，提供故障电流经大地返回电源的通路。

保护接地：电气装置外露可导电部分的接地，其作用是降低外露可导电部分故障时接触电压，提供接地故障短路电流通路，使保护开关动作即时切除故障回路。

2)接地型式。低压配电系统接地型式分为TN、TT和IT等3种[1]。道路照明配电系统的接地形式应采用TT系统或TN系统[2]。

2 道路照明配电间接接地故障的接触电压

2.1 TN、TT系统间接接地故障时预期接触电压

1)TN系统间接接地故障时预期接触电压。TN系统某一回路相线与灯杆发生间接接地故障，如图1所示。

图1 TN系统相线与外露可导电部分短路Fig.1 TN system phase line is short circuited to the exposed conductive part

故障电流

(1)

预期接触电压

(2)

式中Id为单相间接接地故障电流；Uo为相电压，AC 220 V；ZL、Zpe分别为相线、保护线阻抗；Uf为预期接触电压；

常用道路照明配电回路相线截面在35 mm2及以下，其PE线的最小截面不应小于相线的截面[3]：L、PE线等截面时,ZL=ZPE，Uf=110 V；若PE线比L线截面放大一级，可进一步降低预期接触电压Uf，如表1所示。

表1 TN系统间接接地故障时预期接触电压

2)TT系统间接接地故障时预期接触电压。TT系统某一回路相线与灯杆发生间接接地故障，如图2所示。

图2 TT系统相线与外露可导电部分短路Fig.2 TT system phase line is short circuited to the exposed conductive part

预期接触电压

(3)

式中Ra、Rb分别为系统接地电阻、保护接地电阻。

根据《城市道路照明工程施工及验收规程》(CJJ 89—2012)第7.2条规定：重复接地电阻不应大于10 Ω，系统接地电阻不应大于4 Ω[3]。假设Ra=10 Ω，Rb=4 Ω，ZL为若干毫欧，忽略不计ZL，则施加于人体的预期接触电压为157 V。

无论TN还是TT系统，发生间接接地故障时，人体触及带电的外露可导电部分，所承受的接触电压都超过接触电压限值。

2.2 干燥环境下TT、TN系统降低接触电压的措施

《低压配电设计规范》(GB 50054—2011)第5.2.5条规定：当电气装置或电气装置某一部分发生接地故障后间接接触的保护电器不能满足自动切断电源的要求时，尚应在局部范围内做局部等电位联结[5]。

室外道路照明难以实现总等电位或局部等电位联结，当发生间接接触接地故障，保护电器不能满足自动切断电源的要求或设备故障不动作时，同样必须采取措施降低预期接触电压。

1)干燥环境下TN系统重复接地降低接触电压的分析。TN系统某一回路相线与灯杆外壳发生间接接地故障，灯杆设重复接地，如图3所示。图中Uf2故障回路故障电压、Uf1通过与变压器中性点连接的PE线传导的非故障回路故障电压、重复接地电阻Ra、系统接地电阻Rb。

图3 TN系统相线与重复接地的外露可导电部分短路Fig.3 TN system phase line is short circuited to the exposed conductive part of repeated grounding

道路中除了设置路灯外，地下空间还应考虑绿化，电力、通讯、雨污水、燃气等管道的布设，通常每根灯杆设置1根接地极。单根灯杆人工水平接地体采用镀锌-40X4，垂直接地体采用镀锌L50X50X5，工频接地电阻如表2所示[6]。

表2 接地极的工频接地电阻Table 2 Power frequency grounding resistance of grounding electrode

若土壤电阻率为100 Ω·m时，单杆单根垂直接地极，单杆接地电阻为32 Ω，6根灯杆接地极并联，则Ra=3.73 Ω ，当PE线比L线截面放大一级、Rb=Ra时，Uf1=Uf2=Uf/2，由表1可推断Uf1=Uf2均低于50 V，即可实现故障回路接触电压、非故障回路传导故障电压均低于50 V以下。

土壤电阻率电阻率更高时，需要并联更多灯杆以降低Ra。

2)干燥环境下TT系统重复接地降低接触电压的分析。TT系统某一回路相线与灯杆发生间接接地故障，要使Uf≤50 V，根据图2、式(3)(不计ZL)，Ra≤0.29Rb。若Rb=4 Ω，Ra≤1.18 Ω。

根据表1可见，即使20根灯杆的垂直接地极并联，Ra仍高于1.18 Ω，还不能实现预期接触电压在50 V以下，也存在故障回路故障电压沿接地线传导问题。要降低预期接触电压50 V以下，需要采用的接地极数量多，造价高，施工难度大。

2.3 潮湿环境下TT、TT系统降低接触电压的措施

道路照明雨天潮湿环境下预期接触电压限值为25 V。

1) TN系统重复接地降低接触电压。如图3所示, 要使Uf1、Uf2均不高于25V，即要求IdZpe≤50 V。PE线与相线等截面或放大一级截面时，IdZpe均大于50V，潮湿环境下，无法满足故障回路故障电压和非故障回路传导的故障电压低于25 V。

2) TT系统重复接地降低接触电压。如图2所示，Uf≤25 V，Rb=4 Ω，则单根灯杆接地电阻Ra不大于0.5 Ω，无论单杆设接地极还是多杆接地极并联，都是不可能实现的。

可见潮湿环境下，对TN和TT系统，重复接地都不能降低预期接触电压到安全限值。这时配电回路保护开关动作可靠性尤为重要，TT系统只能依赖于漏电保护器(RCD)的可靠性，TN系统可在断路器的基础上，采用RCD作后备保护。

综上所述，对于难以实现总等电位联结的场所(如室外道路照明)：

①无论干燥环境还是潮湿环境，不论是否设置重复接地，TN系统发生间接接触故障时预期接触电压都低于TT系统。

②当电气装置的某一部分发生间接接触接地故障后，保护电器不能满足自动切断电源的要求时，TN系统通过放大PE线截面和重复接地可以降低预期接触电压，以往往往忽视降低接触电压。

③只强调TN系统的故障电压传导，而忽视TT系统当RCD不能正常动作时，其接触电压难以降到安全电压限制以下，也存在触电危险，所以说室外接地形式必须采用TT系统是片面的。

3 道路照明配电TN系统电击防护和短路保护

3.1 TN系统电击防护

1)相线与大地发生接地故障。TN系统道路照明某一配电回路相线与大地发生接地故障，如电缆相线与埋地的金属管道接触，如图4所示。

图4 TN系统相线与接地故障Fig.4 TN system phase line and grounding fault

设Rb=4 Ω，Re是随机值，阻值难以确定，可能Id太小，不足以使保护开关动作。故障电压将沿PE线传导，可采用以下几种防护措施：

①避免采用架空线路，采用电缆穿塑料管埋地敷设，杜绝相线掉落地面直接接地的危险。

②装设RCD提高动作灵敏度。

③改用TT系统。

2)相线与外露导电部分或PE线发生接地故障。如图3所示，接地故障电流计算公式见式(2)。《低压配电设计规范》(GB 50054—2011)规定：TN系统配电线路的间接接触防护的动作特性应符合

Ia≤Id[4]

(5)

式中Ia为保证保护电器在规定时间内切断故障回路的动作电流,指断路器的瞬时或短延时过流脱扣器整定电流、熔断器熔体额定电流Ir的Kr倍，Ir≤63 A时，Kr=4～5。

照明光源采用高压钠灯、LED灯时，照明线路保护用低压断路器的瞬时过流脱扣器或短延时过流脱扣器可靠系数3～5[6]。

3.2 TN系统的短路保护

各配电回路采用熔断器作为保护电器，其熔体额定电流小于63 A，铜芯电缆截面不小于1.5 mm2时，无需进行热稳定校验[4]。

当使用断路器作为保护电器时，则要求

Id≥1.3Ia[4]

(6)

可见采用断路器作为防止人身电击和短路保护电器时，断路器的瞬时或短延时过流脱扣器整定电流应符合式(6)要求。采用熔断器作为防止人身电击和短路保护电器时，熔断器的熔断电流应符合式(5)要求。

长距离配电线缆感抗X远远小于阻抗R，可忽略不计，相保阻抗为

(7)

结合式(5)，式(7)可变换成:

使用断路器时，

(8)

使用熔断器时，

(9)

式中ρ为 20°导体电阻率,铜芯ρ=0.0172 Ω·mm2/m；m为相线截面与PE线截面的比值，L为电缆长度，S为相线截面。

3.3 道路照明配电线路保护计算示例

使用断路器或熔断器作为配电线路保护电器计算结果见表3～表5。

表3 配电线路末端接地故障电流Id

表4 微型断路器的Ia最大允许值

表5 熔断器的Ia最大允许值

3.4 TN系统防电击及短路保护分析

①由于道路照明变压器容量小，配电线路长，线路末端接地故障电流较小，线路保护应采用B特性微型断路器或熔体额定电流小于63 A的熔断器。

②熔断器比断路器保护的线路长度更长。

③无法采用微型断路器或熔断器进行接地故障和短路保护时，可采用短延时过流脱扣器的低压断路器。

④无法采用微型断路器或熔断器进行接地故障保护时，可采用漏电断路器。

⑤PE比L线截面放大一级，满足了单相接地故障保护要求时，就能满足短路保护要求。

4 道路照明配电TT系统电击防护和配电线路的短路保护

1)TT系统间接接地故障。潮湿环境下，TT系统配电线路的间接接触防护的动作特性应符合Uf=IaRa=≤25 V，设Ra=10 Ω，Ia≤2.5 A，采用B特性微型断路器，断路器额定电流≤0.5A，实际配电回路不可能如此低的整定电流。

采用额定电流为6 A的B特性微型断路器，Ra应不大于0.8 Ω；如前所述，TT系统接地电阻降低到要求的小阻值，都难以实现。因此道路照明TT系统防间接接地故障必须采用RCD。

剩余电流动作断路器额定剩余不动作电流I△no应符合：

(10)

式中I△no为额定剩余不动作电流；Imax为被保护电器线路和设备正常运行时泄露电流最大值。

I△no= 0.5I△n，则额定剩余动作电流为

I△n≥ 4Imax

(11)

式中I△n为额定剩余动作电流。

道路照明配电线路长，正常泄漏电流基本都大于30 mA，通常I△n为100～300 mA。I△n=300 mA时, 潮湿场所Ra不应大于83Ω，将若干灯杆接地体并联降低接地电阻到83Ω以下是很容易实现的。保护开关采用RCD，Ra值可以较大，但是一旦开关失灵，触电危险更高。

2)TT系统的短路保护。使用剩余电流动作断路器时，应满足式(6)要求。

3) TT系统防电击和短路保护分析。① 保护接地电阻难以降低，接地故障电流较小，必须采用剩余电流RCD作为防电击保护电器。② 和TN系统一样应进行线路短路保护，剩余电流断路器的瞬时或短延时过流脱扣器整定电流应符合式(6)要求。TT和TN系统同样不仅要进行防电击，还要进行短路保护。道路照明线路长，短路电流也很小，这与采用TN还是TT系统无关，TT系统也要满足线路短路时，断路器在规定时间内切除故障电流。一些设计错误地认为采用了RCD就是安全配电，只注重间接接触电击的防护，忽视配电线路的保护。

5 结束语

TN系统和TT系统由于配电线路长导致单相短路故障电流、短路电流小，配电回路保护开关瞬时动作电流不能选择太大，TT系统接地故障保护必须采用RCD。如果TN和TT系统均采用带过载和短路保护的剩余电流断路器，TN系统采用断路器进行间接接触防护的同时，增加RCD作后备保护，配电保护可靠性优于TT系统。

无等电位联结的户外，除了保证保护电器切断故障电路的可靠性外，还应尽可能地降低用电设备预期间接接触电压。TN系统在保证配电安全的前提下，通过并联重复接地体、PE线比L线截面放大一级，可降低预期接触电压，进一步防止安全事故发生，更有利于供电可靠性，保证交通安全。

道路照明设计、施工、养护中应加强配电线路的绝缘、定期检测接地电阻、尽量减少线路故障发生。毕竟配电保护是一种补救措施，不能完全依赖保护开关，做好预防更为关键。