室外照明系統(tǒng)接地形式及接地電阻淺析

中信集團(tuán)武漢市建筑設(shè)計(jì)院 陳 車 / 李 蔚 / 劉 敏

1 引言

室外照明系統(tǒng)的接地形式是采用TN-S系統(tǒng)還是采用TT系統(tǒng)，一直是一個(gè)值得討論的問題。根據(jù)新頒布的《民用建筑電氣設(shè)計(jì)規(guī)范》JGJ16-2008（以下簡(jiǎn)稱新《民規(guī)》）第10.9.3規(guī)定“安裝于室外的景觀照明中距建筑物外墻20m以內(nèi)的設(shè)施，應(yīng)與室內(nèi)系統(tǒng)的接地形式一致，距建筑外墻大于20m宜采用TT接地形式”、“室外分支線路應(yīng)裝設(shè)剩余電流動(dòng)作保護(hù)器”。由此推廣到室外道路照明、庭院照明等也可參照此規(guī)定。

為什么規(guī)定20m的界線？為什么室外照明推薦采用TT接地形式？TT接地形式實(shí)施中有什么值得注意的地方？

2 規(guī)定20m界線的原因

筆者認(rèn)為有兩個(gè)原因，原因一：根據(jù)新《民規(guī)》條文說明第12.7.1條可知：兩個(gè)接地系統(tǒng)在電氣上要真正分開，在地下必須滿足一定的距離，否則兩個(gè)接地系統(tǒng)形式上是分開了，而電氣上實(shí)際仍未分開，理論上兩個(gè)接地系統(tǒng)互不影響的距離為無限遠(yuǎn)，實(shí)際工程可取20m。故要求室外照明距建筑物外墻20m以內(nèi)的設(shè)施，應(yīng)與室內(nèi)系統(tǒng)的接地形式一致，多為TN-S系統(tǒng)。

原因二：室外照明距建筑物外墻20m以內(nèi)時(shí)，配電線路較短，阻抗較小，當(dāng)線路末端發(fā)生單相接地故障時(shí)，其故障電流往往也較大，容易使斷路器或熔斷器動(dòng)作。故此時(shí)采用與建筑物接地形式一致的TN-S系統(tǒng)也較為安全。

3 室外照明系統(tǒng)采用兩種接地形式的比較

3.1 TN-S系統(tǒng)

圖1 兩種接地形式圖示

如圖1，TN-S接地形式是把中性線N和專用保護(hù)線PE嚴(yán)格分開，當(dāng)系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，專用保護(hù)線上沒有電流，只是中性線上有不平衡電流。PE線對(duì)地沒有電壓，所以電氣設(shè)備金屬外殼接地保護(hù)是接在專用的保護(hù)線PE上，安全可靠。但其缺點(diǎn)也很突出，主要有以下幾點(diǎn)：一是室外照明線路容易遭到損壞，如果PE線斷開，就起不到保護(hù)作用，可能導(dǎo)致電擊事故；二是建筑物內(nèi)部通常采用TN-S或TN-C-S接地形式，能保證安全的一個(gè)重要前提條件是建筑內(nèi)部均作了等電位聯(lián)結(jié)，室外照明環(huán)境卻難以實(shí)現(xiàn)等電位聯(lián)結(jié)，當(dāng)別處或其中某臺(tái)燈具發(fā)生接地故障時(shí)，引自電源的PE線還可能將故障電壓傳導(dǎo)至室外照明裝置外殼而造成危險(xiǎn)，王厚余先生編著的《低壓電氣裝置的設(shè)計(jì)安裝與檢驗(yàn)》第六章已對(duì)此問題詳盡論述；三是室外照明一般負(fù)荷比較分散，配電線路較長，當(dāng)線路末端發(fā)生單相接地故障時(shí)，其故障電流往往也較小，難以使線路首端的斷路器或熔斷器動(dòng)作，不能切斷故障電路，而導(dǎo)致危險(xiǎn)；四是供電回路增設(shè)了PE線，提高了工程造價(jià)。

3.2 TT系統(tǒng)

如圖1，TT接地形式是將電氣設(shè)備的金屬外殼直接接地，當(dāng)系統(tǒng)內(nèi)發(fā)生接地故障時(shí)，其故障回路阻抗除部分線路電阻外，還串聯(lián)有電源側(cè)的系統(tǒng)接地電阻RE和電氣裝置外漏導(dǎo)電部分的保護(hù)接地電阻RA。故其故障回路阻抗較TN系統(tǒng)的故障回路阻抗大，故障電流相對(duì)較小，一般不能用熔斷器或斷路器的瞬時(shí)過電流脫扣器兼做接地故障保護(hù)，而應(yīng)使用剩余電流保護(hù)器作接地故障保護(hù)，其保護(hù)靈敏度更高，更為安全可靠。但由于戶外潮濕等因素，如果線路過長，其泄漏電流較大，如果整定電流不當(dāng)（整定值過小），將會(huì)導(dǎo)致誤動(dòng)作，所以要求正確合理整定其動(dòng)作電流。

3.3 小結(jié)

由上述比較，筆者認(rèn)為當(dāng)室外照明配電線路較短，距建筑物外墻20m以內(nèi)時(shí)，其單相接地故障電流滿足斷路器或熔斷器動(dòng)作要求時(shí)，可采用TN-S接地形式。但考慮到“以人為本”、“安全第一”等因素，距建筑物外墻20m以外的室外照明接地形式宜優(yōu)先采用TT系統(tǒng)。

3.4 實(shí)例分析

3.4.1 例一

圖2 例一室外道路照明系統(tǒng)圖

圖3 例二室外道路照明系統(tǒng)圖

圖2 是筆者曾經(jīng)見到的某設(shè)計(jì)院室外道路照明的配電系統(tǒng)圖及說明。乍一看，圖紙沒什么問題， PE線、重復(fù)接地、剩余電流動(dòng)作保護(hù)器都有，好像很安全。但仔細(xì)琢磨，還是有不少問題。首先是設(shè)計(jì)者概念不清晰，系統(tǒng)混亂，不知是TN-S系統(tǒng)，還是TT系統(tǒng)。說是TN-S系統(tǒng)，卻要求每盞燈具單獨(dú)接地；說是TT系統(tǒng)，配電回路卻帶了PE線。其次是其未指定剩余電流動(dòng)作保護(hù)器的動(dòng)作電流整定值I△n。另外本實(shí)例采用三相斷路器控制三個(gè)單相回路燈具，不符合新《民規(guī)》10.7.7條“在照明分支回路中，不得采用三相低壓斷路器對(duì)三個(gè)單相分支回路進(jìn)行控制和保護(hù)”的規(guī)定。

設(shè)計(jì)者不惜成本的將PE線、重復(fù)接地、剩余電流動(dòng)作保護(hù)器都用上了，卻起到了相反的作用，增加了投資，卻失去了TT系統(tǒng)應(yīng)有的安全性。

3.4.2 例二

圖3是筆者推薦采用的室外照明配電系統(tǒng)圖，采用帶剩余電流保護(hù)的TT系統(tǒng)。

4 TT系統(tǒng)實(shí)施中的注意問題

4.1 TT系統(tǒng)接地電阻要求

當(dāng)室外照明采用TT接地形式時(shí)，其單燈接地電阻如何確定呢？筆者發(fā)現(xiàn)相關(guān)規(guī)范資料均未明確。下面來詳細(xì)分析一下其接地電阻要求。

4.1.1 理論依據(jù)

根據(jù)新《民規(guī)》第12.4.6條規(guī)定：

當(dāng)采用剩余電流動(dòng)作保護(hù)器時(shí)，接地電阻應(yīng)符合下式要求：

式中 RA—— 外露可導(dǎo)電部分的接地電阻和PE線電阻（Ω）；

I△n——剩余電流動(dòng)作保護(hù)器動(dòng)作電流（mA）。

而對(duì)于TT接地形式，PE線一般很短，電阻很小，可忽略不計(jì)，故RA即可當(dāng)作外露可導(dǎo)電部分的接地電阻，如圖1所示。

由（1）式可知，要確定的RA大小，只需確定剩余電流動(dòng)作保護(hù)器的I△n即可。

4.1.2 I△n的確定

由《工業(yè)與民用配電設(shè)計(jì)手冊(cè)》第三版第十一章第三節(jié)“接地故障保護(hù)”章節(jié)內(nèi)容可知，為避免誤動(dòng)作，剩余電流動(dòng)作保護(hù)器的整定值I△n應(yīng)大于正常運(yùn)行時(shí)線路和設(shè)備的泄漏電流總和的2.5～4倍，即

式中 IL—— 正常情況下，線路和燈具可能產(chǎn)生的最大泄露電流。

根據(jù)《工業(yè)與民用配電設(shè)計(jì)手冊(cè)》第三版“剩余電流動(dòng)作保護(hù)器”章節(jié)，配電線路的泄露電流估算值可見表1。

表1 220/380V單相及三相線路埋地、穿管沿墻泄露電流 mA/km

根據(jù)《燈具一般安全要求與試驗(yàn)》(GB7000.1-2002)第10.3節(jié)要求，室外I類燈具最大泄漏電流約1mA/套。當(dāng)室外照明為單相配線時(shí)，其燈具等總泄露電流為各燈具設(shè)備泄漏電流之和。

根據(jù)（2）式及表1等，筆者將不同截面、不同長度的聚乙烯絕緣和聚氯乙烯絕緣室外線路總泄露電流計(jì)算如下：

表2 單相室外照明線路（聚乙烯絕緣）總泄漏電流值（mA）

2、表中室外燈具間距按25m計(jì)算。

線路RCD動(dòng)作電流宜取值為30mA

線路RCD動(dòng)作電流宜取值為100mA

線路RCD動(dòng)作電流宜取值為300mA

表3 單相室外照明線路（聚乙烯絕緣）總泄漏電流值（mA）

由表1～3

可看出，對(duì)于一般室外照明回路，為防止正常運(yùn)行時(shí)誤動(dòng)作，其剩余電流動(dòng)作保護(hù)器動(dòng)作電流I△n不宜只取30mA，而應(yīng)根據(jù)線路材料、長度、所帶燈具數(shù)量等的不同，取值30mA、100mA或300mA等。

4.1.3 TT系統(tǒng)接地電阻計(jì)算

由上述分析及（1）式可知：

當(dāng)I△n=30mA時(shí)，RA≤ 25V/0.03A=833Ω ；

當(dāng)I△n=100mA時(shí)，RA≤ 25V/0.1A=250Ω ；

當(dāng)I△n=300mA時(shí)，RA≤ 25V/0.3A=83Ω。

根據(jù)上述計(jì)算可知，為保證可靠性，當(dāng)單燈接地電阻不大于83Ω時(shí)，可滿足上述I△n的各種取值要求。實(shí)際工程中，為保證可靠性，單燈接地電阻可適當(dāng)減小。

4.1.4 其它結(jié)論

由表1可知，室外照明線路宜采用聚乙烯絕緣的電線、電纜（如YJV型），而不宜采用聚氯乙烯絕緣的電線、電纜（如BV型、VV型），因聚氯乙烯絕緣的電線、電纜單位長度泄漏電流大得多。

4.2 TT系統(tǒng)剩余電流動(dòng)作保護(hù)器動(dòng)作靈敏度校驗(yàn)

現(xiàn)在來校驗(yàn)一下，當(dāng)回路I△n為300mA，單燈接地電阻為75Ω，發(fā)生接地故障時(shí)，剩余電流動(dòng)作保護(hù)器動(dòng)作的靈敏度、可靠性。按《低壓配電設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50054-95）規(guī)定，剩余電流保護(hù)的動(dòng)作電流I△n應(yīng)符合：

式中 Id—— 接地故障電流（A）

如圖4所示，當(dāng)發(fā)生接地故障時(shí)，忽略系統(tǒng)阻抗及變壓器阻抗，則相保回路總電阻：

圖4 TT系統(tǒng)發(fā)生接地故障時(shí)故障回路阻抗

式中 RE—— 電源重復(fù)接地電阻，一般不超過4Ω；

RL—— 相保回路線路總接地電阻，本情況下一般也只有幾Ω；

RT—— 人體接地電阻，而在潮濕環(huán)境人體接地電阻主要由人體內(nèi)阻抗決定，由《電流通過人體的效應(yīng) 第一部分：常用部分》（GB/T1380.1-1992）可知，此種情況下人體內(nèi)電阻約為1000Ω。

由式（4） 可知，RA取值為75Ω時(shí)，對(duì)Rphp值起決定作用的即為RA，故當(dāng)發(fā)生接地故障時(shí):

接地故障電流Id=U0/ Rphp,

可近似看作

Id=U0/ RA=220/75=2.9A ＞ 1.3×0.3=0.39 A

當(dāng)I△n=30mA、100mA時(shí)，更滿足靈敏度要求。

所以當(dāng)回路發(fā)生接地故障時(shí)，剩余電流動(dòng)作保護(hù)器能夠迅速動(dòng)作，切斷故障回路，保證安全。

4.3 TT系統(tǒng)室外照明保護(hù)電器的選擇性配合

根據(jù)《城市道路照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（CJJ45-2006）第6.1.6條要求：為避免單燈故障造成大面積滅燈，盡可能減小故障影響范圍，道路照明配電回路應(yīng)設(shè)保護(hù)裝置，每個(gè)燈具應(yīng)設(shè)有單獨(dú)保護(hù)裝置。

對(duì)于配電線路保護(hù)裝置為斷路器的TN-S道路照明回路，因發(fā)生單相接地故障時(shí)，回路短路電流較大，單燈保護(hù)裝置可選用熔斷器。

采用TT接地形式的道路照明回路可否選用熔斷器作為單燈保護(hù)裝置呢？我們先看一個(gè)例子，還是用3.4.2例二（圖3），假設(shè)選用熔體額定電流In為4A的熔斷器作為單燈保護(hù)裝置，校驗(yàn)配電回路保護(hù)電器是否滿足選擇性配合要求。

(4)先計(jì)算當(dāng)回路末端發(fā)生單相接地故障時(shí)的短路電流大小。

由圖3及式（4）可知，短路回路電阻為：

Rphp= RE+ RL+ RA

由已知條件可知：

RE= 4Ω ；RA = 30Ω ；

RL= 0.2km×0.87Ω/ km+0.4 km×2.18Ω/ km = 1Ω

故Rphp= RE+ RL+ RA= 35Ω

單相短路電流Id= U0/ Rphp= 220/35 = 6.3A

參照《低壓配電設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50054-95表4.4.8-1及表4.4.8-2可知：

切斷接地故障回路時(shí)間小于或等于5s的Id/In最小比值4.5；

切斷接地故障回路時(shí)間小于或等于0.4s的Id/In最小比值8。

本實(shí)例Id/In=6.3/4=1.6，遠(yuǎn)不能保證在5s內(nèi)切斷接地故障回路。

而本實(shí)例支線剩余電流保護(hù)器I△n=100mA，

由式（3），1.3×0.1= 0.13A ＜ 6.3A 可保證在不大于1s時(shí)間內(nèi)迅速切斷故障回路。

故本實(shí)例選用熔斷器作為單燈保護(hù)裝置無法滿足選擇性配合要求。

即使將燈具接地電阻降為10Ω，

Id= U0/ Rphp= 220/15 = 14.7A，Id/In= 14.7/4 = 3.7，

也不能滿足選擇性配合要求。燈具接地電阻再降低對(duì)滿足選擇性配合的幫助也不明顯，且成本增加較快。

換一個(gè)思路，將室外照明回路首端的剩余電流動(dòng)作保護(hù)器改為帶延時(shí)功能且作用于信號(hào)，而用單燈熔斷器來切斷接地故障電流。由新《民規(guī)》第12.4.6條可知，當(dāng)單燈接地電阻滿足公式RA≤ 50/Ia時(shí)(Ia為熔斷器在規(guī)定時(shí)間內(nèi)的有效熔斷電流)，即可保證用電回路安全。

由此可知上例中，RA≤ 50/4 = 12.5Ω，可取RA=10Ω。

故為保證選擇性，采用TT接地形式的道路照明回路可采用延時(shí)作用于信號(hào)的RCD與熔斷器結(jié)合的接地故障保護(hù)方式。也可采用兩級(jí)RCD保護(hù)方式，即照明回路首端RCD選用100mA或300mA延時(shí)型（延時(shí)0.3～0.4s），末端燈具RCD選用30mA無延時(shí)型，不過這種方式成本較高。

當(dāng)然對(duì)于供電連續(xù)性要求不高的室外景觀照明、庭院照明則不配置單燈保護(hù)裝置。

5 結(jié)論

1）采用TT接地形式室外照明線路宜采用聚乙烯絕緣的電線、電纜（如YJV型），而不宜采用聚氯乙烯絕緣的電線、電纜（如BV型、VV型），否則其剩余電流動(dòng)作保護(hù)的I△n應(yīng)整定得更高；

2）室外照明回路宜采用帶剩余電流動(dòng)作保護(hù)的TT接地形式，其動(dòng)作電流宜根據(jù)回路線路長度、燈具數(shù)量進(jìn)行估算，一般不宜取30mA，而應(yīng)取100mA或更高；

3）為保證選擇性，采用TT接地形式的道路照明回路可采用延時(shí)作用于信號(hào)的RCD與熔斷器結(jié)合的接地故障保護(hù)方式。也可采用兩級(jí)RCD保護(hù)方式，即照明回路首端RCD選用100mA或300mA延時(shí)型（延時(shí)0.3～0.4s），末端燈具RCD選用30mA無延時(shí)型。

限于筆者水平和資料來源，以上結(jié)論不一定正確，希望得到同行批評(píng)指正。

[1] 中國航空工業(yè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院.工業(yè)與民用配電設(shè)計(jì)手冊(cè)第三版[M].北京：中國電力出版社，2005.

[2] 王厚余.低壓電氣裝置的設(shè)計(jì)安裝與檢驗(yàn)第二版[M].北京：中國電力出版社，2007.