城市照明安全问题及解决措施

周再皝

厦门市市政工程设计院有限公司，福建 厦门 361000

0 引言

随着人们生活水平的提高，对城市功能性照明和景观夜景照明的需求越来越高，各种亮化工程、灯光工程等城市照明建设迅速。城市照明一定程度体现城市现代化建设水平及人民生活的幸福感重要指标，有利用提升城市形象。根据相关行业数据统计，城市照明用电量约占全国总用电量的10%。在城市照明快速发展过程，往往较为关注灯光所呈现出来的夜景效果，而电气安全问题常常容易被人民所忽视[1]。文章主要从城市照明存在安全问题入手进行解析，提出相关解决措施。

1 城市照明供电安全问题

城市照明主要由路灯、庭院灯及相关景观照明灯具组成，其杆件目前均为金属杆件，且经常设置于绿化带、人行道边上或构筑物上。遇上阴雨天，灯杆存在漏电可能性极大。另外，由于施工工艺问题，部分电缆接头处理不当，均会存在极大的安全隐患。

根据《城市道路照明设计标准》（CJJ 45—2015）中6.1.8条，“道路照明配电系统的接地形式应采用TT系统或TN-S系统，并应符合现行国家标准《低压配电设计规范》（GB 50054—2011）的相关规定。当采用剩余电流保护装置时，还应满足现行国家标准《剩余电流动作保护装置安装和运行》（GB 13955）的相关要求。” 目前两种接地系统在不同地区均有采用，本次针对两种系统存在安全问题简要分析[2]。

（1）采用TN-S系统时，一旦发生单相接地故障，由于TN-S系统灯杆都是通过PE线进行连接的，故障电流将会沿PE传导，加之户外无法实施等电位联结，其他灯杆将会带电，扩大故障范围，增加人身电击事故概率。此外，城市道路照明供电距离长，发生故障时，末端短路电流小，若开关整定不合理，保护开关将无法开展可靠动作，会导致故障扩大。

（2）采用TT系统时，电源线和路灯的保护接地线是分开，其主要优点如下：①TT型式的接地系统发生单相接地故障不会将故障电压传导，在一定程度上，将故障范围控制在单根路灯范围，保障人员安全。②TT保护系统的接地故障保护采用剩余电流动作保护器RCD，接地故障保护灵敏性很高，从而保证了间接接触电击保护的有效性。但同时存在以下几个问题：其一，由于TT系统没有PE线，一旦发生单相接地故障，电流相对TN-S系统更小，故障保护要通过RCD进行，RCD整定值需要通过线缆、灯具等设备进行合理计算，但由于室外环境的特殊性，要使RCD完全躲过正常计算电流比较困难。同时，由于RCD整定值不合理将会频繁误动作，降低城市道路照明配电回路的供电可靠性，这将会给城市快速路、主干路或者交通枢纽等带来一定的安全隐患。其二，发生故障时，TT系统并未通过PE分压，故单灯的接触电压达到220 V，相对TN-S的110 V则更高更危险。其三，根据《建筑物电气装置》（GB 16895.21—2011/IEC 60364-4-41:2001） 415.1.2条，“不能将RCD的装用作为唯一的保护措施，也不能为它的装用而取消按照411～414规定的其中一种保护措施”。显然，在单相接地故障的情况下，TT系统的故障电流更小，过电流保护器较难实现完整保护，而RCD仅作为附加保护，在故障情况TT系统的保护基本依靠RCD过电流保护，一旦出现RCD损坏，将会极大威胁到行人的人身安全。

一般来说，减少电击方法无非是两种：①保护装置的快速动作；②降低接触电压。目前行业认可采用TT系统主要是因为TT系统没有带PE线，没有传导故障电压的危险性，危险源控制在一处。笔者认为，不管危险源几处，最重要的是能快速切除或者降低接触电压。综上考虑，笔者认为TN-S系统可以通过多种措施实现多层保护，更适合应用于城市照明。

2 TN接地系电气安全措施

2.1 适当降低系统接地电阻值

根据《低压配电设计规范》（GB 50054—2011）5.2.11条“当TN系统相导体与无等电位联结作用的地之间发生接地故障时，为使保护导体和与之连接的外露可导电部分的对地电压不超过50 V”；当位于潮湿环境，则不超过25 V。公式表述如下。

正 常 环 境：RB/RE≤50/(U0-50)，其 中U0=220 V，即RB≤0.29RE。

潮 湿 环 境：RB/RE≤25/(U0-25)，其 中U0=220 V，即RB≤0.13RE。

如图1所示，根据单相故障分析，Uf=IdRB，降低接触电阻可以有效降低预接触电压。因此，在TN-S系统中，可以建议系统接地电阻≤2Ω[3]。

图1 TN系统发生接地故障时的故障电压分析图

2.2 选择可调式电子式剩余电流断路器（带接地故障保护）

由于城市道路照明中用电负荷相对较小，通常情况下载流量、压降及热稳定度都可以满足要求，设计中往往忽略了灵敏度的验算。根据《低压配电设计规范》（GB 50054—2011）6.2.4条“当短路保护电器为断路器时，被保护线路末端的短路电流不应小于断路器瞬时或短延时过电流脱扣器整定电流的1.3倍”。

例如：道路照明某供电回路，供电距离800 m，所带负荷15 kW。根据计算负荷Ijs=15/(0.38×1.732×0.95)= 25.32 A，拟选用Ir1=In=32 A，电缆采用YJV-0.6/1.0-5×25。

根据《工业与民用配电设计手册》（第四版）11.2.4故障情况下的自动切断电源

Ik=[(0.8～1.0)U0Sk1k2 ] / [1.5ρ(1+m)L]，其中m=S/Spe（相线截面/保护线接线）。其中相线截面＜95 mm2， 且为单根电缆，故k1=1，k2=1。

式中(0.8～1.0)为电源侧阻抗系统，是考虑接地故障回路省略变压器阻抗和高压侧系统阻抗导致的误差进行的修正，当故障点远离变压器、线路截面积较小、变压器容量较大时，取高值，反之，取低值；1.5为由于短路引起的发热，电缆电阻增大系数；U0为相对地电压，V；S为相导体截面，mm2；ρ为20°时导体的电阻率，Ωmm2/m；L为电缆长度，m；m为材料相同的每相导体总截面与PE导体截面之比。

（1）若采用B特性断路器，整定电流Ir3=5In，Ik≥1.3Ir3=1.3×5×32=208 A。代 入Ik计 算 公 式，求 得S≥42.55 mm2，选用电缆5×50，设计中采用5×25无法满足灵敏度要求。

（2）采用电子式可调断路器，整定电流Ir2=2.5In，Ik≥1.3Ir3=1.3×2.5×32=104A 。代入Ik计算公式，求得S≥21.27 mm2，选用电缆5×25。

2.3 合理加大PE线截面

根据上述公式，加大PE线截面可有效加大单相末端短路电流，提高灵敏度，从而确保保护开关的可靠性。

2.4 增设附加保护—RCD

当采用短路保护器可以实现末端单相接地故障时，通过加装RCD可以实现双层保护。

3 低压直流供电系统

根据《电流对人和家畜的效应》（GB/T 13870.1—2008/IEC/TS 60479-1:2005）中3.3.2直流/交流等效因数k=IDC-纤维性颤动/IAC-纤维性颤动，例如，在心室纤维性颤动50%概率，5s时间内摆脱为例，查表得IDC-纤维性颤动≈110 mA，IAC-纤维性颤动≈40 mA，K≈110/40=2.75。根据相关数据，一般情况下k≈2.4，即干燥情况下UAC=50 V安全电压时，可认为UDC=120 V是安全电压[4]。

因此，在园区景观照明或者供电距离较短的城市道路照明中，可考虑采用直流120 V及以下电压供电，可有效预防照明安全隐患问题。在长距离的城市道路照明，尤其是长度在3～4 km跨海大桥，可采用DC 220 V或者DC 375 V相对同电压等级的交流电，传输距离更远，更加安全。直流回路同时配置直流RCD，可以提供双层保护[5]。

4 结束语

综上所述，城市亮化美化应以安全为第一位，室外照明等用电设施供电应合理选择安全防护措施，从预接触电压、接地系统形式、交直流等因数综合考虑比选，接地系统优先考虑采用TN-S系统加单灯剩余电流保护和线路剩余电流，或采用直流RCD新型低压直流配电电气安全防护。电气设计工程师应根据项目情况，选择合理的设计方案，确保人身和财产安全。