道路照明配電線路短路保護設計

鮑國棟

（中交第一公路勘察設計研究院有限公司，陜西 西安 710000）

0 引言

道路照明的載荷一般分布均勻且相對分散，其供配電系統的設計需適應道路照明載荷的特點，與傳統的供配電系統相比具有一定的差異性。道路照明為戶外用電，照明設備暴露在外室外，對用電的安全性要求較高。當電路發生短路故障時，需要響應短路保護，避免因為短路大電流對導線和載荷造成熱能或機械損害，道路照明配電系統設計需要滿足過載和短路保護要求。

1 道路照明線路故障分析

照明配電線路的故障類型可大體分為三類：短路、過載荷及接地故障。短路和過載荷屬于過電流類型的故障，短路和過載荷會發生線路電流過增，導致線路溫度快速升高，高溫將損毀線路，特別時線路的絕緣損壞。接地故障除了會產生大電流，造成線路損耗外，還會導致照明設備的外露部分帶電，產生致使工作人員和行人觸電的安全隱患。

依據《城市道路照明設計標準》，道路照明供電系統的接地方式一般采用TT 系統和TN-S 系統[1]。依據《低壓配電設計規劃》，當供電電路發生短路時，短路保護電路要求要在5 s 內完成響應，切斷短路線路。要求供配電線路設計中對過載電流、短路電流值進行準確核算，并設置接地保護。當選用TT 類型供電系統時，延時動作的剩余電能應能驅動斷路器，完成電路斷路，TT 類型供電系統必須配備漏電保護器。當照明供配電系統選用TN-S 型的供電系統時，斷路器要求要在短時間內完成電路斷路，并滿足短路保護靈敏度要求，當靈敏度不足時，需要采用一定的改進措施。在實際工程中，由于為了降低成本、節約變壓器的搭設數量，線路主干線周邊的支路和小規模道路照明供電線路，會將其搭接至主照明配電線路上，致使主配電線路供電距離和范圍的擴大，從而可能導致接地故障電流降低，短路保護靈敏度的不足[2]。必須采用相應線路保護改進設計方案，以保證道路照明配電線路對短路、過載、接地故障的保護要求。

2 短路電流參數核算

以某城市主干道為例，該車道為雙向六車道，全長為4 km，單向車道寬度是12 m，路段限速是60 km/h。根據城市道路照明標準，燈桿的高度設置為12 m，每套燈桿配置功率為250 W 的LED 燈，燈桿之間的距離設置為30 m。在路段的一端設置兩座路燈配電箱，每個配電箱負責一側的路燈配電，即一座配電箱負責一半路燈的供電，對一路配電箱的負載功率和負載電流進行計算[3]。LED 燈的功率因數按照0.95 折算，配電箱總負載功率為33 kW。

由于配電線路較長，工作載荷功耗大，供電照明的TN-S 系統采用5 芯的供電電纜，線路電纜規格選用YJV-0.6/1KV-5×35mm2，整個配電系統結構如圖1所示。根據配電設計手冊，可核算出高壓側的單相保護電阻值為0.03 mΩ，單相保護電抗值為0.35 mΩ；變壓器的單相保護電阻值為10 mΩ，單相保護電抗值為30 mΩ；母線的單相保護電阻值為1.8 mΩ，單相保護電抗值為2.2 mΩ；電纜的單相保護電阻值為15.8 mΩ，單相保護電抗值為1.8 mΩ。最終，線路末端的總阻抗為2.01 mΩ，按照公式I=U/（1.73×Z），可計算出線路末端的單相接地故障電流I=108.4 A。若直接按照負荷值選取斷路保護器參數，長延時選用的過流脫扣電流值為25 A，瞬時選用的過流脫扣電流為125 A。可見，所選瞬時保護電流值不能可靠的觸發瞬時保護，應對保護電流進行優化。

圖1 照明配電系統結構圖

3 提高線路故障保護靈敏度的優化措施

單相的接地故障電流的大小受供電線路的長度和截面積影響，增加供電線纜的橫截面積，同時縮短供電線路的長度，可以增大故障電流的值，從而達到提升故障響應的靈敏度[4]。該方法具有普遍適用性，在實際工程中應用較為廣泛。若選用的斷路器為非選擇型的斷路器，無法滿足線路短路保護的靈敏度要求，可改用脫扣延時時間可調的塑殼型斷路器。該類型斷路器可設置脫扣電流值的大小，從而達到提升故障保護靈敏度的目的。

由于供電電路較長，除了在配電線的起始端配置斷路器外，可在線路的中間位置增設額定電流值較小的微型斷路器。當線路末端發生短路故障時，增設的小電流斷路器首先響應并切斷電路。針對該文中的工程案例，可在距離配電控制柜600 m處增加小型斷路器，對配電線路進行優化，調整后的配電系統結構如圖2所示。由圖2 可知，系統中共有QFA 和QFB 兩種斷路器，其中QFA 斷路器的長延時脫扣電流值設置為25 A，瞬時脫扣電流值設為125 A，QFB 斷路器的長延時脫扣電流值設置為16 A，瞬時脫扣電流值設為80 A。

圖2 改進型照明配電系統結構圖

按照單相接地故障電流的計算公式，距離配電箱600 m 處的單相接地故障電流的數值為213 A。當QFB斷路器的前端部分出現接地故障時，QFA 可有效響應，及時可靠切斷電路。照明電路啟動時的瞬時沖擊電流為70 A，QFA 斷路器能夠避開沖擊電流的干擾，避免誤動作斷路。在線路的末端，其單相的故障接地電流數值為108 A，當在線路的末端出現接地故障時，QFB斷路器最先觸發響應，可及時有效切斷電路。線路后端的啟動沖擊電流值為35 A，QFB 能有效避開啟動沖擊電流的影響。通過兩級斷路器的配合，可有效提升線路保護的靈敏度。通過QFA 和QFB 斷路器的配合，可保證當全程線路的任何位置出現接地故障時，斷路器均能及時切斷線路，保護用電設備[5]。此外，斷路器有效避開了照明線路啟動瞬間大電流的干擾，避免發生誤斷電。

4 電流智能監控裝置的應用

文中所述的照明配電線路保護措施，可保證在線路發生漏電事故，電流達到預設值時實現線路的自動切斷，但會造成大范圍路燈的斷電。在未檢測出故障發生位置并排除故障前，無法恢復斷電段的道路照明的正常運行。照明智能監控系統正逐步被應用于道路照明線路中，利用照明智能監控系統，可實現對線路中的漏電電流異常值進行檢測并記錄，存儲配電線路中異常電流檢測數據，為接地故障的定位判斷提供依據。利用電流智能監控裝置，可彌補傳統線路過流保護裝置的不足，使得線路保護系統更為靈活，通過敏感元件及智能控制算法的應用，實現故障電路的快速斷路和精準定位。這不僅可快速有效保護照明配電線路，而且可以實現故障的快速排查和線路的迅速恢復運行[6]。

5 結論

該文以某路段照明供配電為例，具體分析了線路阻抗、負載功率及故障電流等參數，提出了若干項提高線路故障保護靈敏度的具體策略，分析了方案的特點及適用性。最后介紹了電流智能監控裝置的應用。