城市道路照明設(shè)施接地保護(hù)形式

蔡衛(wèi)強(qiáng)

(南通市城市照明管理處，江蘇 南通　226007)

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城市道路照明設(shè)施接地保護(hù)形式

蔡衛(wèi)強(qiáng)

(南通市城市照明管理處，江蘇 南通226007)

摘要：城市路燈遍布城市大街小巷，路燈因下雨漏電，導(dǎo)致行人觸電悲劇時(shí)有發(fā)生，路燈的安全可靠讓人擔(dān)憂。本文通過(guò)對(duì)路燈常用接地形式TT系統(tǒng)和TN-S系統(tǒng)的分析指出，悲劇產(chǎn)生的罪魁禍?zhǔn)撞皇窍掠?，而是設(shè)施本身就存在安全隱患。只要正確使用接地保護(hù)系統(tǒng)，路燈是可以安全可靠運(yùn)行的。

關(guān)鍵詞：城市道路照明；TT系統(tǒng)；聯(lián)網(wǎng)TT系統(tǒng)；TN-S系統(tǒng)；相線碰殼接地故障；漏電保護(hù)開(kāi)關(guān)

引言

我們經(jīng)?？梢钥吹疥P(guān)于路燈因下雨漏電，導(dǎo)致觸電事故發(fā)生的報(bào)道，生命只有一次，悲劇讓人深思。為什么下雨后路燈就會(huì)漏電觸死無(wú)辜的路人呢？筆者認(rèn)為原因主要有以下幾點(diǎn)：一是該設(shè)施本身就漏電，因下雨地面積水?dāng)U大了漏電范圍；二是該設(shè)施本身就漏電，但漏電電壓較低如小于50V，在干燥的環(huán)境中此電壓為安全電壓，而在潮濕的環(huán)境中絕非安全電壓；三是設(shè)施內(nèi)部帶電體絕緣損壞，雖未發(fā)生碰殼短路故障，一旦淹在水中，自然就漏電了。下面筆者就城市道路照明接地系統(tǒng)常用形式進(jìn)行分析探討，提出解決方案，供同行交流。

1城市道路照明接地保護(hù)形式

《城市道路照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》中規(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)，明確了道路照明應(yīng)采用的接地形式。

TT系統(tǒng)：是指將電氣設(shè)備的金屬外殼直接接地的保護(hù)系統(tǒng)，也稱為保護(hù)接地系統(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)備的金屬外殼部分與大地直接連接，而與電源端接地?zé)o關(guān)，接地形式見(jiàn)圖1。道路照明采用TT系統(tǒng)時(shí)，金屬燈桿(電器設(shè)備金屬外殼)只與接地裝置用導(dǎo)線連接，而與變壓器的中性線不用導(dǎo)線接通。

圖1　TT系統(tǒng)Fig.1　TT system

聯(lián)網(wǎng)TT系統(tǒng)：部分城市采用保護(hù)接地時(shí)，用專門(mén)的PE線將所有的燈桿接地極與控制箱接地極連成接地網(wǎng)絡(luò)，但不與變壓器中性點(diǎn)連接，有資料稱之為聯(lián)網(wǎng)TT系統(tǒng)，接地形式見(jiàn)圖2。

圖2　聯(lián)網(wǎng)TT系統(tǒng)Fig.2　TT network system

TN-S系統(tǒng)：是把工作零線N和專用保護(hù)線PE嚴(yán)格分開(kāi)的供電系統(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)“N”表示負(fù)載采用接零保護(hù)；第三個(gè)符號(hào)“S”表示工作零線與保護(hù)線是嚴(yán)格分開(kāi)的，所以PE線稱為專用保護(hù)線，在電源端PE線必須與變壓器中性點(diǎn)連接，如不連接則變成了TT系統(tǒng)，其接地形式見(jiàn)圖3。

圖3　TN-S系統(tǒng)Fig.3　TN-S system

2城市道路照明采用TT系統(tǒng)的分析

當(dāng)發(fā)生相線碰殼接地故障時(shí)，其等效電路圖見(jiàn)圖4。故障電流計(jì)算公式Id=U/(R0+Rd+R相) ，式中U為電源電壓，Rd為燈桿接地電阻，R0為變壓器中性點(diǎn)接地電阻，R相為相線阻抗，如短路點(diǎn)距電源的距離500m，采用VV5×16電纜，查資料得20℃時(shí)導(dǎo)線電阻為1.097Ω/km，當(dāng)在單相對(duì)地短路計(jì)算時(shí)，其值取20℃時(shí)電阻的1.5倍，則R相=1.097×0.5×1.5=0.82Ω。

圖4　TT系統(tǒng)等效電路圖Fig.4　The equivalent circuit diagram of TT system

若R0=4Ω，Rd=4Ω(規(guī)程規(guī)定燈桿接地電阻不大于4Ω)，則Id=220/(4+4+0.82) =24.94A?！兜蛪号潆娫O(shè)計(jì)規(guī)范》中規(guī)定，當(dāng)要求切斷故障回路的時(shí)間小于或等于5s時(shí)，短路電流Id與熔斷器熔體額定電流In的比值不應(yīng)小于表1的規(guī)定。

表1　切斷接地故障回路時(shí)間小于或等于5s的Id/In最小比值

顯然短路電流太小，無(wú)法使熔斷器在規(guī)定時(shí)間內(nèi)動(dòng)作。這時(shí)設(shè)備外殼對(duì)地電壓Upe=U×Rd/(R0+Rd+R相)=220×4 /(4+4+0.82)=99.77V 。這個(gè)電壓足以使觸及的行人發(fā)生電擊(國(guó)際電工委員會(huì)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，人身電擊安全電壓限值為50V)。

由以上計(jì)算分析知道，在本系統(tǒng)中一旦發(fā)生相線碰殼接地故障，既無(wú)法在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)切斷保護(hù)開(kāi)關(guān)，又出現(xiàn)了危險(xiǎn)電壓，所以很不安全。若沒(méi)有長(zhǎng)期從事城市照明工作，電氣設(shè)計(jì)師會(huì)生搬硬套有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求加裝漏電保護(hù)開(kāi)關(guān)，那完全是一種責(zé)任推卸。因?yàn)閺谋拘袠I(yè)多年的實(shí)踐，漏電開(kāi)關(guān)無(wú)法在城市照明中推廣，其原因有：1)室外路燈線路比較長(zhǎng)，在正常情況下，都會(huì)存在泄漏電流，有技術(shù)人員根據(jù)《工業(yè)與民用配電設(shè)計(jì)手冊(cè)》估算后認(rèn)為選用300～500mA的漏電動(dòng)作電流就能讓漏電保護(hù)開(kāi)關(guān)正常工作，這是沒(méi)有考慮天氣潮濕、下雨、水淹等情況，因?yàn)樵谏鲜銮闆r下線路、電氣元器件的泄漏電流會(huì)大大增加。筆者工作單位也安裝過(guò)漏電開(kāi)關(guān)進(jìn)行試驗(yàn)，整定動(dòng)作電流500mA，好天情況下漏電開(kāi)關(guān)能正常工作，一到潮濕天氣就誤動(dòng)作。江蘇南通市開(kāi)發(fā)區(qū)東方大道高架路(9個(gè)控制點(diǎn))因漏電開(kāi)關(guān)跳閘2014年全年達(dá)到220次。試想一個(gè)城市有多少個(gè)控制點(diǎn)，每個(gè)控制箱內(nèi)有多少條線路，這樣的誤動(dòng)作將導(dǎo)致路燈維護(hù)電工對(duì)使用漏電保護(hù)開(kāi)關(guān)的極度不信任而棄用。2)鎮(zhèn)流器漏電、補(bǔ)償電容一端脫落碰殼等故障都會(huì)造成漏電開(kāi)關(guān)動(dòng)作，而處理這些故障的緊迫性遠(yuǎn)沒(méi)有達(dá)到立即斷電導(dǎo)致片區(qū)滅燈的程度。3)不管什么型號(hào)的漏電開(kāi)關(guān)都注有“每月按一次”或英文“text monthly”，那是測(cè)試按鈕，像南通中等城市筆者工作單位管轄的表區(qū)有768處，全年12個(gè)月要跑近萬(wàn)次(平均每天25次)去測(cè)試開(kāi)關(guān)證明其保護(hù)功能有效，這要增加多少工作量。通過(guò)以上分析，在城市道路照明中加裝漏電保護(hù)開(kāi)關(guān)是不現(xiàn)實(shí)的，因此TT系統(tǒng)在城市道路照明中使用是存在問(wèn)題的。

3城市道路照明采用聯(lián)網(wǎng)TT系統(tǒng)的分析

實(shí)際上現(xiàn)在很多城市采用保護(hù)接地時(shí)，一個(gè)路燈專變供電的路燈燈桿有幾十根，有的根根打接地極，有的隔桿打一根接地極，再用專門(mén)的PE線連成接地網(wǎng)絡(luò)，這時(shí)Rd很容易小于1Ω，當(dāng)發(fā)生相線碰殼接地故障時(shí)，若其它條件都不變，則故障電流Id=U/(R0+Rd+R相)=220/(4+1+0.82)=37.8A，Upe=220×1/(4+1+0.82)=37.8V<50V，為“安全電壓”。

通過(guò)計(jì)算短路電流依然較小，無(wú)法在規(guī)定時(shí)間內(nèi)切斷保護(hù)開(kāi)關(guān)，設(shè)備外殼對(duì)地電壓大大下降為小于50V的安全電壓。然而50V以下的電壓真的都安全嗎，決定人是否被傷害的直接因素是通過(guò)人體的電流I=U/R,顯然還與電阻有關(guān)。當(dāng)通過(guò)人體的電流超過(guò)50mA時(shí)，觸電傷害會(huì)危及人的生命，人體的電阻也因個(gè)體而異，一般取1kΩ，所以U=IR=50mA×1kΩ=50V，安全電壓是這么來(lái)的。而當(dāng)下雨天(尤其當(dāng)前環(huán)境問(wèn)題造成我國(guó)酸雨已成為普遍性的污染問(wèn)題)人的電阻會(huì)大大降低，顯然此時(shí)的安全電壓應(yīng)更低，《城市照明設(shè)計(jì)與施工》推薦的潮濕環(huán)境安全電壓不宜超過(guò)25V。采用聯(lián)網(wǎng)的TT系統(tǒng)，盡管漏電電壓已從整百伏降為37.8V，在下雨天依然不是安全電壓，這就是為什么雨天導(dǎo)致路燈觸電事故頻發(fā)的重要原因。

4城市道路照明采用TN-S系統(tǒng)的分析

當(dāng)發(fā)生相線碰殼接地故障時(shí)，其等效電路圖見(jiàn)圖5。

圖5　TN-S系統(tǒng)等效電路圖Fig.5　The equivalent circuit diagram of TN-S system

Rd為重復(fù)接地電阻，《城市道路照明工程施工及驗(yàn)收規(guī)程》規(guī)定接地電阻不大于10Ω。

如果相線與PE線規(guī)格一致，P點(diǎn)對(duì)中性點(diǎn)的電壓約為110V，則設(shè)備外殼對(duì)地電壓Upe=110×Rd/(R0+Rd)=110×10/(10+4)=79V>50V，為危險(xiǎn)電壓。

當(dāng)重復(fù)接地裝置比較多的情況下，R0和Rd值是接近的，實(shí)際測(cè)量中R0值稍小，假設(shè)均為4Ω，則Upe=110×Rd/(R0+Rd)=110×4/(4+4) =55V>50V，仍為危險(xiǎn)電壓。

存在危險(xiǎn)電壓不要緊，關(guān)鍵看能不能按照規(guī)范要求及時(shí)切斷故障電壓。短路電流Id=220/(R相+Rpe)，假設(shè)一條路燈線路長(zhǎng)500m，采用VV5×16電纜三相平衡控制，路燈檔距在30m左右，每相控制7個(gè)250W高壓鈉燈(考慮到路口容量會(huì)大一些)，功率因數(shù)補(bǔ)償?shù)?.8，則In>1.5Ij=1.5×3×7×0.44/0.8=17.33A，取In=25A。按照表1，Id應(yīng)不小于125A。計(jì)算得Id=220/(0.5×2×1.097×1.5) =133.7A，能及時(shí)切斷。

通過(guò)上面分析，為了滿足及時(shí)切斷故障，電纜截面的選用要進(jìn)行認(rèn)真計(jì)算。

5結(jié)語(yǔ)

1)城市道路照明采用TT系統(tǒng)或聯(lián)網(wǎng)TT系統(tǒng)，當(dāng)發(fā)生相線碰殼故障時(shí)，短路電流很小，無(wú)法在規(guī)定時(shí)間切斷開(kāi)關(guān)。如不裝漏電保護(hù)開(kāi)關(guān)，線路將長(zhǎng)時(shí)間帶故障運(yùn)行。當(dāng)發(fā)生相線碰殼故障時(shí)，聯(lián)網(wǎng)TT系統(tǒng)能使設(shè)備外殼對(duì)地電壓大大下降為小于50V的“安全電壓”，但安全電壓是相對(duì)而言的，如對(duì)小孩、小寵物(電阻較小)而言就不一定安全，一旦遇到下雨等潮濕天氣，觸電死亡事故的發(fā)生概率將急劇上升。實(shí)踐證明就目前而言在城市照明設(shè)施中全面安裝漏電保護(hù)開(kāi)關(guān)又是不現(xiàn)實(shí)的，故筆者認(rèn)為該系統(tǒng)在城市照明中使用是有待商榷的。

2)城市道路照明采用TN-S系統(tǒng)，當(dāng)發(fā)生相線碰殼故障時(shí)，只要合理配置，短路電流較大，能在規(guī)定時(shí)間切斷開(kāi)關(guān)，是符合規(guī)范要求的。在使用該系統(tǒng)時(shí)要注意供電半徑不能太長(zhǎng)、線徑不能太細(xì)、熔斷器或斷路器等保護(hù)開(kāi)關(guān)一定要匹配，同時(shí)在運(yùn)行中不能改變?cè)O(shè)施現(xiàn)狀，如在燈桿上加裝廣告、增加線路負(fù)荷、改變?nèi)坌九渲玫取?/p>

3)若城市照明設(shè)施內(nèi)部帶電體絕緣損壞(如電纜線頭裸露)，雖然沒(méi)有發(fā)生碰殼短路故障，但一旦淹在雨水中，也將導(dǎo)致觸電事故的發(fā)生，而且結(jié)果會(huì)更嚴(yán)重。也許有人要問(wèn)，雨水不是導(dǎo)體嗎？怎么不短路跳閘呢？大家應(yīng)該有這樣的經(jīng)歷，帶電的線頭淹在雨水中，水煮沸了，開(kāi)關(guān)也不跳。這是因?yàn)橛晁⒋蟮仉m然是導(dǎo)體，但也是有電阻的，電阻的大小與雨水及大地的成份有關(guān)。裸露的線頭經(jīng)水、大地與變壓器中性點(diǎn)構(gòu)成回路，回路電流往往不足以及時(shí)切斷開(kāi)關(guān)的。因此筆者建議，城市照明設(shè)施中電纜電線接頭的絕緣一定要好；盡可能避免在接線井里做接頭；表箱、燈桿門(mén)距地面要有一定的距離，防止水淹到電纜頭等帶電體；廣場(chǎng)綠地里的地?zé)簟⑼豆鉄舻纫妆粨p壞、因低矮易被水淹的照明設(shè)施宜采用低壓LED光源，實(shí)現(xiàn)24V以下低壓供電。

參考文獻(xiàn)

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Ground Protection Forms of City Road Lighting Facilities

Cai Weiqiang

(NantongUrbanLightingManagement,Nantong226007,China)

Abstract：City lights spread all over the city streets. Street light leakage because of rain leads to an electric shock tragedy from time to time. So street lights’ safety and reliability are worrying. By analyzing lights commonly used grounding form: TT system and TN-S system, this paper points out that the tragedy of the culprit is not the rain, but the facilities where there are some hidden trouble. As a result, street lights are safe and reliable to operate as long as people use grounding protection system correctly.

Key words:city road lighting; TT system; TT network system; TN-S system; with shell grounding fault line; leakage protection switch

中圖分類號(hào)：TM923

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

DOI:10.3969j.issn.1004-440X.2015.06.015