照明設(shè)計(jì)中垂直接地體的探討

吳明波

(北京清華城市規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，北京 100084)

1 保護(hù)接地

保護(hù)接地就是將正常情況下不帶電，而在絕緣材料損壞后或其他情況下可能帶電的電器金屬部分(即與帶電部分相絕緣的金屬結(jié)構(gòu)部分)用導(dǎo)線與接地體可靠連接起來的一種保護(hù)接線方式。

保護(hù)接地用于供電系統(tǒng)中，用以保證當(dāng)電氣設(shè)備因絕緣損壞而漏電時(shí)產(chǎn)生的對(duì)地電壓不超過安全范圍。如果電器未采用接地保護(hù)，當(dāng)某一部分的絕緣損壞或某一相線碰及外殼時(shí)，電器的外殼將帶電，人體萬一觸及到該絕緣損壞的電器設(shè)備外殼 (構(gòu)架)時(shí)，就會(huì)有觸電的危險(xiǎn)。相反，若將電器設(shè)備做了保護(hù)接地，單相接地短路電流就會(huì)沿接地裝置和人體這兩條并聯(lián)支路分別流過。一般地說，人體的電阻大于1000歐，接地體的電阻按規(guī)定不能大于4歐，所以流經(jīng)人體的電流就很小，而流經(jīng)接地裝置的電流很大。這樣就減小了電器設(shè)備漏電后人體觸電的危險(xiǎn)。

實(shí)踐證明，采用保護(hù)接地是當(dāng)前我國(guó)低壓電力網(wǎng)中的一種行之有效的安全保護(hù)措施。

2 保護(hù)接地的選擇和使用

保護(hù)接地又分為接地保護(hù)和接零保護(hù)，兩種不同的保護(hù)方式使用的客觀環(huán)境又不同，因此如果選擇使用不當(dāng)，不僅會(huì)影響客戶使用的保護(hù)性能，還會(huì)影響電網(wǎng)的供電可靠性。

那么如何才能正確合理地選擇和使用保護(hù)接地呢?一、要認(rèn)識(shí)和了解接地保護(hù)與接零保護(hù)，掌握這兩種保護(hù)方式的不同點(diǎn)和使用范圍;二、要正確選擇接地保護(hù)和接零保護(hù)方式;三、要依據(jù)兩種保護(hù)方式的不同設(shè)置要求，規(guī)范設(shè)計(jì)、施工工藝標(biāo)準(zhǔn)。

根據(jù)IEC規(guī)定，在道路照明系統(tǒng)中，接地方式分為TT系統(tǒng)、TN系統(tǒng)、IT系統(tǒng)。其中TN系統(tǒng)又分為TN-C、TN-S、TN-C-S系統(tǒng)。

2.1 TT方式供電系統(tǒng)

TT方式是指將電氣設(shè)備的金屬外殼直接接地的保護(hù)系統(tǒng)，稱為保護(hù)接地系統(tǒng)，也稱TT系統(tǒng)。第一個(gè)符號(hào)T表示電力系統(tǒng)中性點(diǎn)直接接地;第二個(gè)符號(hào)T表示負(fù)載設(shè)備外露不與帶電體相接的金屬導(dǎo)電部分與大地直接聯(lián)接，而與系統(tǒng)如何接地?zé)o關(guān) (見圖1)。在TT系統(tǒng)中負(fù)載的所有接地均稱為保護(hù)接地，特點(diǎn)如下:

(1)當(dāng)電氣設(shè)備的金屬外殼帶電(相線碰殼或設(shè)備絕緣損壞而漏電)時(shí)，由于有接地保護(hù)，可以大大減少觸電的危險(xiǎn)性。但是，低壓斷路器 (自動(dòng)開關(guān))不一定能跳閘，造成漏電設(shè)備的外殼對(duì)地電壓高于安全電壓，屬于危險(xiǎn)電壓。

(2)當(dāng)漏電電流比較小時(shí)，即使有熔斷器也不一定能熔斷，所以還需要漏電保護(hù)器作保護(hù)。

(3)TT系統(tǒng)適用于接地保護(hù)占很分散的地方。

圖1 TT系統(tǒng)

2.2 TN方式供電系統(tǒng)

這種供電系統(tǒng)是將電氣設(shè)備的金屬外殼與工作零線相接的保護(hù)系統(tǒng)，稱作接零保護(hù)系統(tǒng)，用 TN表示 (見圖2)。它的特點(diǎn)如下:

1.一旦設(shè)備出現(xiàn)外殼帶電，接零保護(hù)系統(tǒng)能將漏電電流上升為短路電流，這個(gè)電流很大，是 TT系統(tǒng)的5.3倍，實(shí)際上就是單相對(duì)地短路故障，熔斷器的熔絲會(huì)熔斷，低壓斷路器的脫扣器會(huì)立即動(dòng)作而跳閘，使故障設(shè)備斷電，比較安全。

2.TN系統(tǒng)節(jié)省材料、工時(shí)，在我國(guó)和其他許多國(guó)家廣泛得到應(yīng)用，可見其優(yōu)點(diǎn)比TT系統(tǒng)多。

TN方式供電系統(tǒng)中，根據(jù)其保護(hù)零線是否與工作零線分開而劃分為TN-C、TN-S和TN-C-S等。

(1)TN-C方式供電系統(tǒng)

圖2 TN系統(tǒng)

它是用工作零線兼作接零保護(hù)線，可以稱作保護(hù)中性線，用PEN表示這種供電系統(tǒng)的特點(diǎn)如下:

①由于路燈配電系統(tǒng)三相負(fù)載很難平衡，工作零線上有不平衡電流，對(duì)地有電壓，所以與保護(hù)線所聯(lián)接的電氣設(shè)備金屬外殼有一定的電壓。

②如果工作零線斷線，則保護(hù)接零的漏電設(shè)備外殼帶電。

③如果電源的相線碰地，則設(shè)備的外殼電位升高，使中性線上的危險(xiǎn)電位蔓延。

④TN-C系統(tǒng)干線上使用漏電保護(hù)器時(shí)，工作零線后面的所有重復(fù)接地必須拆除，否則漏電開關(guān)合不上;而且，工作零線在任何情況下都不得斷線。所以，實(shí)用中工作零線只能讓漏電保護(hù)器的上側(cè)有重復(fù)接地。

⑤TN-C方式供電系統(tǒng)只適用于三相負(fù)載基本平衡情況。

(2)TN-S方式供電系統(tǒng)

它是把工作零線N和專用保護(hù)線PE嚴(yán)格分開的供電系統(tǒng)，稱作TN-S供電系統(tǒng)，其特點(diǎn)如下:

①系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，專用保護(hù)線上不帶電流，只是工作零線上有不平衡電流。PE線對(duì)地沒有電壓，所以電氣設(shè)備金屬外殼接零保護(hù)是接在專用的保護(hù)線PE上，安全可靠。

②工作零線只用作單相照明負(fù)載回路。

③專用保護(hù)線PE不許斷線，也不許進(jìn)入漏電開關(guān)。

④干線上使用漏電保護(hù)器，工作零線不得有重復(fù)接地，而PE線有重復(fù)接地，但是不經(jīng)過漏電保護(hù)器，所以TN-S系統(tǒng)供電干線上也可以安裝漏電保護(hù)器。

⑤TN-S方式供電系統(tǒng)安全可靠，適用對(duì)安全要求較高的配電線路。

(3)TN-C-S方式供電系統(tǒng)

在配電線路中，如果前部分是TN-C方式供電，而下一部分采用TN-S方式供電系統(tǒng)，則可以在系統(tǒng)后部分現(xiàn)場(chǎng)總配電箱分出 PE線，這種系統(tǒng)稱為TN-C-S供電系統(tǒng)。TN-C-S系統(tǒng)的特點(diǎn)如下。

①工作零線N與專用保護(hù)線PE相聯(lián)通，當(dāng)線路不平衡電流比較大時(shí)，電氣設(shè)備的接零保護(hù)受到零線電位的影響。負(fù)載越不平衡，燈桿外殼對(duì)地電壓偏移就越大。所以要求負(fù)載不平衡電流不能太大，而且在PE線上應(yīng)作重復(fù)接地。

②PE線在任何情況下都不能進(jìn)入漏電保護(hù)器，因?yàn)榫€路末端的漏電保護(hù)器動(dòng)作會(huì)使前級(jí)漏電保護(hù)器跳閘造成大范圍停電。

③對(duì)PE線除了在總箱處必須和N線相接以外，其他各分箱處均不得把N線和PE線相聯(lián)，PE線上不允許安裝開關(guān)和熔斷器。

通過上述分析，TN-C-S供電系統(tǒng)是在 TN-C系統(tǒng)上臨時(shí)變通的作法。當(dāng)三相電力變壓器工作接地情況良好、三相負(fù)載比較平衡時(shí)，TN-C-S系統(tǒng)在施工用電實(shí)踐中效果還是可行的。但是，在三相負(fù)載不平衡，工地有專用的電力變壓器時(shí)，必須采用TN-S方式供電系統(tǒng)。

3 接地極

接地極是直接與土壤接觸，用以與大地作為一定流散電阻的電氣連接的金屬導(dǎo)體或?qū)щ娊M，將電流或電壓接入大地的放電通道，為減少接地電阻，一般成組使用構(gòu)成接地網(wǎng)的電極。接地母線是指將電流或電壓接入接地網(wǎng)的連接線，或?qū)⒔拥貥O連接成一體的導(dǎo)體。接地極是指與大地相連的一端，接地母線指連接接地匯流排和接地極的PE線，又稱接地總線。

接地極包括水平接地極和垂直接地極，用于把電流泄漏至大地的導(dǎo)體。通常接地極利用直徑50mm的鍍鋅鋼管或L50*50的鍍鋅角鐵，接地母線是鍍鋅扁鐵40*4mm。

4 道路照明接地設(shè)計(jì)與驗(yàn)收規(guī)范

《城市道路照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》 (CJJC45—2006)6.1.9條款規(guī)定:道路照明配電系統(tǒng)的接地形式宜采用TN-S系統(tǒng)或TT系統(tǒng)，金屬燈桿及構(gòu)件、燈具外殼、配電及控制箱屏等的外露可導(dǎo)電部分，應(yīng)進(jìn)行保護(hù)接地，并應(yīng)符合國(guó)家現(xiàn)行相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求。

《電氣裝置安裝工程接地裝置施工及驗(yàn)收規(guī)范》(GB50169—2006)3.3.1條款與《城市道路照明工程施工及驗(yàn)收規(guī)程》(CJJ 89—2001)6.3.2條款規(guī)定:接地體頂面埋設(shè)深度應(yīng)符合設(shè)計(jì)，當(dāng)無規(guī)定時(shí)不應(yīng)小于0.6米。(該條款為強(qiáng)制性條文，必須執(zhí)行);

《電氣裝置安裝工程接地裝置施工及驗(yàn)收規(guī)范》(GB50169—2006)3.3.2條款與《城市道路照明工程施工及驗(yàn)收規(guī)程》(CJJ 89—2001)6.3.3條款規(guī)定:垂直接地體的間距不宜小于其長(zhǎng)度的2倍。

《城市道路照明工程施工及驗(yàn)收規(guī)程》 (CJJ 89—2001)6.2.5條款規(guī)定:保護(hù)接零時(shí)，在線路分支、首端及末端應(yīng)安裝重復(fù)接地裝置，接地裝置的接地電阻不應(yīng)大于 10 Ω。6.2.7條款規(guī)定:燈桿、配電箱等金屬電力設(shè)備采用接地保護(hù)時(shí)，其接地電阻不應(yīng)大于4 Ω。

5 常見照明項(xiàng)目接地現(xiàn)狀

5.1 接地現(xiàn)狀

常見照明項(xiàng)目接地采取TN-S或TT系統(tǒng);垂直接地極采用2.5米長(zhǎng)利用直徑50mm的鍍鋅鋼管或L50*50的鍍鋅角鐵。垂直接地體的間距大于其長(zhǎng)度的2倍。接地體頂面埋設(shè)深度大于0.6米。

5.2 施工中發(fā)現(xiàn)的問題

(1)目前接地極敷設(shè)采用人工打敷。由于接地極體積較小，考慮施工成本等因素，開挖的接地極敷設(shè)探坑深度最大只能保證在1.5左右，剩余1.6米的打入深度內(nèi)含管線很難被提前發(fā)現(xiàn)，加上采用人工打敷，無法準(zhǔn)確判斷接地極打入時(shí)尖端受壓、受阻力的變化，往往一錘子下去，發(fā)現(xiàn)已經(jīng)破壞了地下管線才停止施工。

(2)地下管線信息變動(dòng)或不準(zhǔn)確帶來的安全隱患

地下管線信息未根據(jù)城市道路改造做出及時(shí)調(diào)整、地下管線單位提供的管線信息和數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確等也是造成接地接敷設(shè)時(shí)破壞地下管線的一個(gè)重要原因。

在以往的工程施工管理中，發(fā)現(xiàn)地下管線的地面標(biāo)識(shí)標(biāo)志后，工程管理人員會(huì)主動(dòng)和管線管理單位取得聯(lián)系，尋求施工段面內(nèi)各類地下管線的埋設(shè)位置、埋設(shè)深度等信息。但隨著城市道路、綠地的不斷改造，加上原本有些地下管線施工時(shí)采用的是非開挖敷設(shè)，導(dǎo)致收集到的管線信息不準(zhǔn)確，甚至和實(shí)際情況偏差很大，致使接地極敷設(shè)時(shí)施工人員的誤判，發(fā)生事故。

6 垂直接地體埋設(shè)分析與探討

(1)為什么垂直接地體要相隔5米?

探討:留出充分的電荷放電空間，這個(gè)應(yīng)該是經(jīng)驗(yàn)得出來的，和土壤的質(zhì)量等因素有關(guān)系，一般要求接地電阻小于4歐姆，如果距離不夠的話，可以適當(dāng)?shù)倪M(jìn)行加密。打下的接地體當(dāng)然還是有用的。

(2)接地體頂面埋設(shè)深度應(yīng)符合設(shè)計(jì)，當(dāng)無規(guī)定時(shí)不應(yīng)小于0.6米

探討:接地極的深度跟接地電阻沒什么關(guān)系，埋設(shè)深度是為了滿足其泄流時(shí)不對(duì)地面上人員和設(shè)備造成損害，所以施工請(qǐng)按相關(guān)規(guī)程要求來做。要說跟面積有點(diǎn)關(guān)系還扯得上點(diǎn)說法，在其土壤電阻率一定的時(shí)候，當(dāng)然是接地極的面積越大越好了單個(gè)接地極的接地效果能好到什么樣這也要看埋設(shè)地的土壤電阻率是不是很低，本身材料的阻值是不是很低，天氣等情況來決定。

(3)接地電阻計(jì)算是只考慮復(fù)合水平接地網(wǎng)的電阻呢?還是復(fù)合水平接地網(wǎng)的電阻和垂直接地極的電阻并聯(lián)呢?

探討:只考慮復(fù)合水平接地網(wǎng)的電阻。根據(jù)理論和模擬實(shí)驗(yàn)，垂直接地體對(duì)降低接地網(wǎng)工頻接地電阻的作用很小，約為2～8%，而且地網(wǎng)面積越大，影響越小，而垂直接地體主要是為了加強(qiáng)沖擊電流的擴(kuò)散作用。因此在計(jì)算接地電阻時(shí)，不考慮垂直接地極。

(4)垂直接地體一定要2.5米長(zhǎng)嗎?

探討:國(guó)家規(guī)范對(duì)垂直接地體長(zhǎng)度沒有任何要求，只需接地電阻滿足國(guó)家規(guī)范就行。

(5)接地體的埋入深度不足但是數(shù)量增加是否可以滿足接地電阻要求

探討:①首先，這樣做肯定是要比原設(shè)計(jì)的效果好很多的，因?yàn)榻拥仉娏魇茄亟拥伢w向周圍大地?cái)U(kuò)散的，你這樣做使得接地極擴(kuò)散的面積增大了，所以接地電阻肯定或變小，但這樣回增加施工的工作量和增加連接接地極間的接地線的數(shù)量。

②理論上可以，因?yàn)樵龃蠼拥鼐W(wǎng)面積是可以減小接地電阻的。

垂直埋設(shè)的接地體多用直徑50mm、長(zhǎng)2.5m的園鋼或角鋼，其每根垂直埋設(shè)接地體的散流電阻:

注:式中P—土壤電阻率 (Ω*m);L—接地體長(zhǎng)度 (cm);d—接地鐵管或園鋼的直徑 (cm)若垂直接地體采用角鋼等效直徑d=0.84b

從上式可以看出，在不改變接地極材料型號(hào)時(shí)，真正的變量只有L，即接地體的長(zhǎng)度，故可以做出減短接地棒長(zhǎng)度的調(diào)整，同時(shí)，為保證接地電阻達(dá)到規(guī)范要求，應(yīng)相應(yīng)增加接地棒的數(shù)量，作為合成接地體。

合成電阻計(jì)算公式為:

注:式中，Rgo—單根垂直接地體的接地電阻 (Ω);ηL—接地體的利用系數(shù);n—垂直接地體的并聯(lián)根數(shù)。

接地體的利用系數(shù)與相鄰接地體之間的距離a和接地體長(zhǎng)度L的比值有關(guān)，通常取a/L=3，同時(shí)接地體以行形式排列時(shí)，ηL在0.9～0.95之間。

結(jié)合上述兩個(gè)公式，可以估算出以下結(jié)論:采用兩根1.5米接地棒與采用一根2.5米接地棒作為路燈接地極的接地電阻效果基本相同。

(6)基礎(chǔ)的開挖制作是否可以替代接地棒敷設(shè)的深坑?

探討:不可以，基礎(chǔ)的開挖后為澆注混凝土。混凝土與普通土壤電阻率差距數(shù)倍、或數(shù)十倍。

注:陶黏土土壤電阻率為10，混凝土在水中土壤電阻率為40～55，砂礫土壤電阻率為1000～2500表層土夾石、下層礫石土壤電阻率為600。

(7)增加垂直接地極的優(yōu)點(diǎn)有哪?

探討:①將接地系統(tǒng)向縱深方向發(fā)展是提高高土壤電阻率地區(qū)及城區(qū)地網(wǎng)安全性的重要措施。

②增加垂直接地極能有效地降低接地系統(tǒng)的接地電阻，但在有限面積的接地網(wǎng)上布置過多的垂直接地極時(shí)，降阻效果將趨于飽和。

③增設(shè)垂直接地極對(duì)于降低接觸電壓和跨步電壓具有非常顯著的作用，一是垂直極的引入，降低了地電位升 (GPR)，而接觸及跨步電壓均與GPR有著直接的關(guān)系。二是因?yàn)樵鲈O(shè)垂直極后，大部分故障電流通過垂直極流入大地，相應(yīng)減少了水平導(dǎo)體的散流量，因此地表面的水平方向電流密度大大減少，造成水平方向電場(chǎng)強(qiáng)度大大降低。

(8)采用兩根1.5米接地棒替代一根2.5米接地棒是否實(shí)用

探討:①增加了施工難度，原先只需挖一個(gè)接地棒的敷設(shè)基坑，現(xiàn)需要挖兩個(gè)接地棒的敷設(shè)基坑，工作量增加一倍。

②接地棒埋設(shè)深度:接地棒長(zhǎng)度+敷設(shè)深度(大于0.6米);2.5米接地棒敷設(shè)深度為3.1米，1.5米接地棒敷設(shè)深度為2.1米。

常見地下管線敷設(shè)深度:給水管大于0.7米;污水管1～4米;雨水管1～3米;通訊電纜1.3～1.5米;燃?xì)夤?1.3～1.5米;電力電纜大于0.7米。

可以看出敷設(shè)1.5米接地棒替代2.5米接地棒對(duì)于降低破壞給水管、通訊電纜、燃?xì)夤?、電力電纜幾率的貢獻(xiàn)微乎其微。相反敷設(shè)兩根接地棒增加了破壞地下管線的幾率。

如:一根接地棒破壞地下管線的概率為0.1，兩根接地棒破壞地下管線的概率為1－(1－0.1)* (1－0.1)=0.19

(9)可否將燈桿接地與避雷接地合并呢?

探討:避雷針與電器設(shè)備的外殼是不能共用一個(gè)接地極的;如果雷擊到避雷針上，雷電流通過構(gòu)架接地引下線流散到地中，由于構(gòu)架電感和接地電阻的存在，在構(gòu)架上會(huì)產(chǎn)生很高的對(duì)地電位，高電位對(duì)附近的電氣設(shè)備或帶電的導(dǎo)線會(huì)產(chǎn)生很大的電位差。如果兩者間距離小，就會(huì)導(dǎo)致避雷針構(gòu)架對(duì)其它設(shè)備或?qū)Ь€放電，引起反擊閃絡(luò)而造成事故。

為限制接地導(dǎo)體電位升高，避雷針必須良好接地，并與設(shè)備保持一定的距離;避雷針與變配電設(shè)備不但不能連接，而且在地面上的空間距離不得小于5米，避雷針接地網(wǎng)與電氣設(shè)備接地網(wǎng)之間的地下凈距離不得小于3米。