基于TN-S 与TT 系统的对比分析及新型漏电监测装置设计研究

顾新艳

南通市城市照明管理处，江苏 南通 226006

0 引言

目前，因路灯杆漏电导致路人电击死亡的新闻报道较多，造成许多路人的恐慌情绪，这对于城市稳定发展具有不利影响。为了保障室外照明设施的安全性，减少漏电事故的发生，保障路人的安全，文章对照明设施现状进行分析，对比了TN-S 系统和TT 系统，并介绍了笔者单位和一家社会范围合作开发的新型漏电监测设备，希望能够结合自己所学专业知识，为城市照明事业的发展提供参考。

1 照明设施运行现状

1.1 电缆绝缘层受损严重

照明设施处于室外，天气环境多变，特别是夏季温度太高，照明设施运行在较高的温度和湿度下，电缆的绝缘层可能发生老化、击穿，导致灯杆和电缆出现漏电现象[1]。尤其在雷雨天，因道路积水，照明设施，如电缆井、路灯灯杆等用电设施的电源连接点浸泡在水中，加上接头处缠绕的防水绝缘胶带日久老化，很容易造成漏电伤人事故。由于高温、恶劣环境等客观因素的影响，电缆绝缘层受损严重。

1.2 剩余电流动作保护器难以推广

目前，有些单位为防范照明设施电缆因漏电而造成电击伤人事故，在照明控制箱内每根出线电缆处加装剩余电流动作保护器，一旦发生漏电，立刻跳闸，切断该回路电源。但是因该保护器动作灵敏，电缆接头受潮导致绝缘性能下降，保护器经常误动作，导致照明设施大片关灯[2]。每次都要人工检查恢复，工作量大，剩余电流动作保护器很难在照明设施上推广运用。甚至有些照明设施管理单位，之前已经在控制箱内安装了剩余电流动作保护器，后因该保护器频繁跳闸，最后都进行拆除，不再使用。

1.3 路灯低压配电系统安全性低

照明设施接地故障安全保护的设置与其配电系统的接地形式有直接关系，合理采用接地形式，做好室外照明装置的接地故障安全保护，才能保证其用电的安全性和可靠性[3]。室外照明设施属于Ⅰ类电击防护等级的用电设备，其金属杆体、电气控制设备等容易被行人接触。路灯低压配电系统送电半径长（一般为几百米）、用电负荷分散，行人触及的可能性较大，非常危险。

2 室外照明配电系统的接地形式

城市道路照明的接地方式，按新修订的《城市道路照明设计标准》（CJJ 45—2015）[4]规定，宜采用TN-S 或者TT 系统。国际标准要求户外电气装置应采用TT 系统，我国的行业标准正在逐步向国际标准靠拢。

2.1 TN-S 系统

电源端变压器低压侧中性点直接接地，电气装置的外露可导电部分通过一条导线连接至电源中性点，中性线（N 线）与保护线（PE 线）分开，整个系统应全部采用单独的PE 线[5]。

2.2 TT 系统

电源端有一点直接接地，电气装置的外露可导电部分应接到在电气上独立于电源系统的接地线上，对于系统配备的PE 可另外增设接地[6]。

3 接地系统接地故障时的安全要求

3.1 TN-S 系统

TN-S 系统接地故障保护动作特性应符合要求：

式中：Zs为接地故障回路阻抗（相-保回路阻抗），Ω；Ia为保证保护电器在规定的时间内自动切断故障回路的动作电流，A；U0为相线对地标称电压，V。

可以看出，TN-S 系统对保护动作特性要求的实质是接地故障电流大于或等于保护电器在相应规定时间内切除故障的动作电流，这样保护电器才能有效、可靠地切断故障电流。

3.2 TT 系统

TT 系统接地故障保护动作特性应符合要求：

式中：RA为外露可导电部分的接地电阻和PE 线电阻，Ω；Ia为保证保护电器在规定的时间内自动切断故障回路的动作电流，A。当采用剩余电流动作保护器（RCD）时，Ia为RCD 的额定动作电流。

保护动作的条件是当外露导电体对地电压达到或超过50 V 时，保护电器应在规定的时间内动作，这时故障电流应大于保护电器的动作电流Ia。

4 TN-S 系统与TT 系统对比

4.1 室外照明安全性方面

4.1.1 TN-S 系统室外照明安全性更高

虽然国家相关规范对户外照明灯具的接地保护没有明确要求，路灯的低压配电系统的接地保护也有不同做法，但在国内，室外照明还是多采用TN-S 系统。主要原因是TN-S 系统的接地故障电流取决于故障回路电阻的大小，而接地故障电压是故障电流在相应电阻上的压降，即TN-S 系统接地故障电压是故障电流在保护线电阻上的压降如果暂不考虑故障点电阻，TN-S 系统的故障回路电阻小，故障电流大，优势在于线路首端的过电流保护器能够在规定的时间内切断故障电流，从而可以兼做接地故障保护。而且当本级过电流保护因某种原因拒动，线路上一级过电流保护也能够动作，起到故障后备保护的作用。

4.1.2 TT 系统室外照明安全性较差

TT 系统接地故障电压是故障电流在保护线电阻及负荷侧接地极电阻上的压降。TT 系统的故障回路电阻大，极大地遏止故障电流，这时故障电流通常很小，不能触发线路首端的过电流保护动作，更无后备保护。TT系统往往要增加剩余电流动作断路器作接地故障保护。

4.2 危险区域范围控制方面

4.2.1 TN-S 系统可扩大危险区域范围

当照明设施发生接地故障时，其外壳上产生的预期接触电压会超过安全电压。因其接地故障电流很大，如果保护电器选用合理，会立刻动作，切断电源。但在实际环境中，如果故障点发生的不是金属性接地故障，接地点的接地电阻难以预测，很可能具有很大的电阻，使故障接地电流大幅降低，保护器不能立即切断故障回路，灯杆外壳长时间带有危险电压。在同一变压器供电范围内，TN-S 系统内PE 线是连通状态，任一处发生接地故障，其故障危险电压可沿PE 线传导至同一配电线路上的其他照明设施上，扩大了危险区域的范围。因此，TN-S 系统必须作等电位联结来消除沿PE 线传导来的故障电压的危害，因此一般不适用于无等电位联结的户外场所。

4.2.2 TT 系统可控制危险区域的范围

当照明设施发生接地故障时，接地故障电流较小，故障电流通常不足以使熔断器或断路器动作或迅速动作。而且对地故障电压会大大超过安全电压，该电压可以使触及的行人发生电击。采用剩余电流动作保护器能快速切断故障回路。即使漏电剩余电流动作保护器未动作，由于采用了TT 系统，该接地故障电压也不会传至其他照明设施，减少了故障电压的蔓延，缩小了危险区域的范围，降低了碰触概率，减少了电击事故。因此，室外照明配电系统的接地形式宜采用TT 系统。而且，TT 系统的电气装置外露可导电部分与电源端接地分开单独接地，装置外壳为地电位且不会导入电源侧接地故障电压，防电击安全性优于TN-S 系统，但需要安装RCD。

4.3 TT 系统保护器误动作较多

室外如果采用TT 系统，也有比TN-S 系统不可靠的地方。室外照明线路送电距离一般有几百米，线路本身泄漏电流较大，尤其到了雨雪天气，夏天雷击等不确定因素较多，TT 系统的保护器误动作就会增多。

从以上分析得出，在户外照明配电的接地保护应用中，采用哪种接地形式，现在还没有最优办法。户外照明设施在各种环境下的正常泄漏电流也没有权威可信的数据可查。从理论上来讲，采用TT 系统加剩余电流动作保护器，在安全性方面比TN-S 系统更具有优势，更是一种值得推广的接地形式。但是，在室外环境中，TT 系统本身的缺点也特别明显。如果出现经常性的跳闸，这对照明设施的正常运行和维护工作会带来极大影响。目前国内还是优先采用TN-S 系统，很少采用TT 系统。

5 新型漏电监测装置设计

目前照明设施TN-S 系统接地系统使用中还是存在不足之处，比如不能迅速处理漏电安全的问题。如何才能既避免漏电伤人事故的发生，又能减少维护人员的工作量、保障照明设施正常运行，这一直是困扰照明行业人员的问题。针对这个问题，笔者所在单位和一家社会单位合作开发了一套照明设施新型漏电监测装置，专门用来解决照明设施漏电的问题。

5.1 监测原理

漏电监测用零序电流互感器作为取样元件，发生接地故障时，各相电流的矢量和不为零，零序电流互感器的二次侧感应电流被智能监测设备检测到。当超过设定的阈值时，执行单元动作，切断相应的供电输出，达到保护的目的。

5.2 实现功能

5.2.1 监测配电箱端

对配电箱内每个路灯支路电缆的漏电电流进行监测。一旦发现某个漏电电流超过预定的漏电阈值，智能监控终端会自动断开相应的断路器，停止向该支路电缆供电，并向监控中心发送报警数据，将相关漏电信息报送给单位的值班控制中心。控制中心立刻派出维护人员到现场处理故障。待专业维护人员到现场排除故障后，由监控中心复位报警信号，恢复到正常控制状态。

5.2.2 监测路灯灯杆端

对路灯灯杆内的电缆线漏电流进行监测。一旦发现灯线漏电流超过预设的漏电阈值，灯杆智能监测报警控制器将自动切断该路灯电源，并向监控中心发送报警数据。专业人员去现场排除故障后，再恢复正常控制状态。

5.2.3 智能监控中心

智能监控中心可以定时采集各处配电箱内每个支路电缆有无漏电流数据，可远程修改各智能监测终端的监测报警控制器的漏电阈值。对监测或接收到的漏电报警信息可以通过短信发送给相关管理人员。可对报警复位，远程重新送电，管理人员可以通过手机App 查看个监测点相关信息。

5.3 运行效果

目前，该新型漏电监测系统已稳定运行了2 年多，在平时的运行中，时刻对照明线路进行漏电监测，解决了照明设施漏电问题，可以准确、及时地控制电源输出，达到漏电保护效果。该套系统可以将漏电保护的动作电流值显示在控制中心的电脑上，根据现场每条线路的实际状况进行远程修改，比传统的漏电保护器更加智能、可靠。管理人员可以根据系统日常记录的漏电数据分析判断电缆老化、损伤的程度，立即停运严重漏电回路，修复后再运行。

截止到目前，全市照明控制箱内已有70%的电缆线路安装了该新型漏电监测装置，争取尽快做到照明设施线缆全覆盖。

6 结束语

通过以上分析，文章发现在城市照明设施系统中，无论是采用TN-S 系统还是TT 系统，都存在一定的不足。即使大量采用TN-S 系统，在漏电安全方面还是不能做到万无一失，安全隐患仍然存在。在安全故障不能及时排除的情况下，针对仍然存在的安全隐患，只能采取主动监测手段。因此文章提出了一种新型实用漏电监测装置来专门解决照明设备漏电问题。实验证明这一装置既提高了照明设施运行的安全性，又实现了城市照明管理智能化，对城市照明设施的安全管理具有重要的意义。