浅谈城市照明系统剩余电流保护

洪 行 凯

(浙江巨磁智能技术有限公司, 浙江 嘉兴 314000)

0 引 言

在城市照明配电系统中,路灯供电电压为380/220 V,电源一般就近从公用变压器或路灯专用变压器引出到路灯控制箱,再通过低压线缆配出到各个路灯。该配电系统可能产生的电气安全问题有多种,最大的问题在于线路绝缘损坏所导致异常的漏电流。 针对该问题,本文介绍了城市照明配电系统的剩余电流保护措施。

1 城市照明配电系统简介

在CJJ 45—2015 《城市道路照明设计标准》中第6.1.8条对道路照明配电系统的接地形式要求应采用TT系统或TN-S系统,并应符合现行国家标准GB 50054—2011《低压配电设计规范》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GB 13955—2017《剩余电流动作保护装置安装和运行》的相关要求。

1.1 TT系统

TT系统接线图如图1所示。电源中性点直接接地,用电设备外露可导电部分也直接接地。这两个接地必须是相互独立的,设备接地可以是每个设备都有各自独立的接地装置,也可以若干设备共用1个接地装置。

图1 TT系统接线图

1.2 TN-S系统

TN-S系统接线图如图2所示。电源中性点直接接地,用电设备外露可导电部分通过PE线连接到电源中性点,与系统中性点共用接地体,而不是连接到自己专用的接地体,N线和PE线分开。

图2 TN-S系统接线图

这两种系统主要强调对用电设备外露可导电部分进行接地,当发生漏电时,漏电流可以从接地线导入大地,从而避免对人体造成危害。

2 城市照明配电系统剩余电流保护措施

用电现场接地不良的情况时有发生,因此还需要加装剩余电流动作保护器进行保护。无论道路照明配电系统的接地形式采用TT系统还是TN-S系统,每个灯杆都存在漏电的可能性。如果加装在路灯控制箱中,一旦某根路灯由于绝缘下降发生漏电,将导致该路灯控制箱所控制的一整片街区的路灯都跳闸熄灭。因此,在每根路灯上加装漏电流检测保护装置进行单根路灯的漏电流保护是较为合理的[1]。

LED照明采用直流供电。LED基本电路图如图3所示。

图3 LED基本电路图

市电220 V电压源经过降压、整流、滤波之后使LED工作。直流电和交流电都会在此电路中存在[2]。

一旦该电路对外壳绝缘发生下降,交流漏电和直流漏电皆有可能发生。

根据GB/T 6829—2017《剩余电流动作保护电器(RCD)的一般要求》,将剩余电流保护装置的类型分为以下几种类型。漏电流类型如图4所示。

图4 漏电流类型

(1) AC型剩余电流保护装置:只对突然施加及缓慢上升的正弦交流剩余电流进行可靠保护。

(2) A型剩余电流保护装置:在AC型的基础上增加了对含有脉动直流分量的剩余电流进行可靠保护。

(3) B型剩余电流保护装置:在A型基础上又增加了对平滑直流漏电以及高频复合波剩余电流进行可靠保护。

目前,现有的剩余电流保护装置大多为AC型,仅能对交流漏电流保护。A型漏电流保护装置在国内的电动汽车充电桩中比较常见,一些高档小区的漏电流保护装置也会使用A型。B型漏电流保护装置一般仅在出口的电动汽车充电桩中使用。目前较为常见的AC型和A型漏电保护装置的工作原理如下:AC型和A型漏电流保护一般采用互感器的方式来实现,其检测电流原理依据电磁感应原理。电磁感应原理示意图如图5所示。该示意图是常见的采用零序互感器进行漏电流检测的方式,被测电流I1通过一次绕组,在磁环内产生交变磁通,使二次线圈感应出相应的二次电流I2。通过采样二次电流I2来判断被测电流大小。

图5 电磁感应原理示意图

由上述原理可知,只有在电流交变时,才会产生相应的交变磁场,才能在二次侧感应到电流,故这两者均只能检测交流漏电流,不能检测直流漏电流。A型漏电流互感器磁特性有所改进,尽管脉动直流产生的磁通变化较小,也能进行检测保护。

AC型和A型漏电流互感器不仅不能检测到直流漏电流,直流漏电流反而会对AC型和A型漏电流互感器产生一定的影响,使互感器失准,甚至不工作。

如果回路中有直流漏电成分,会在AC型和A型漏电流互感器产生一个稳定的磁场,这样会使互感器的B-H曲线发生变化。直流漏电流下AC型的磁化曲线如图6所示。图中,b曲线是没有直流漏电成分时的交流漏电磁感应强度,而d曲线是叠加了直流漏电成分的交流漏电磁感应强度,可以明显看到,d曲线的峰值变小,即检测到的交流漏电流值变小,使检测失准,发生漏电危害时,漏电流保护装置可能拒动作,造成触电隐患。直流漏电流下A型的磁化曲线如图7所示。A型漏电流互感器也会受到直流漏电流的影响。

图6 直流漏电流下AC 型的磁化曲线

图7 直流漏电流下A型的磁化曲线

在城市照明系统中,非常有必要使用带直流漏电保护功能的漏电流保护产品,可以使照明供电系统更加安全可靠。

MAGTRON公司的B型漏电流传感器产品采用磁通门原理,基于磁性材料的非线性磁化特性,在交变激励信号的作用下,磁芯反复处于饱和和非饱和的状态。若不存在漏电流时,则检测线圈输出为正负上下对称的波形;若有漏电流产生时,漏电流会有相应的磁场,而这个磁场会使磁芯在前半周期提前饱和,在另外半个周期使磁芯延迟饱和,从而会使激励周期内的检测信号正负半周不对称,出现振幅差,通过振幅差来检测电流大小。

基于此原理,不管是交流或者直流,都会产生磁场,从而影响激励信号,通过信号的变化判断漏电流大小。故MAGTRON的B型漏电流传感器可检测交流漏电流以及直流漏电流。

基于B型漏电传感器的城市照明配电系统接线图如图8所示,我们可以在城市照明配电系统单根路灯中都加装MAGTRON的B型漏电流传感器,当单根路灯中产生漏电流时,可以及时发出信号,切断单根路灯的电源[3]。

图8 基于B型漏电传感器的城市照明配电系统接线图

3 结 语

城市照明配电系统存在单个路灯发生漏电的可能性,一旦发生单个路灯漏电,就会导致此控制箱所控制的所有路灯将跳闸熄灭。本文介绍了城市照明配电系统的剩余电流保护措施,以MAGTRON的B型漏电漏电流传感器为例,在城市照明配电系统单根路灯中进行加装,结果显示可提升城市照明配电系统的安全性和可靠性。