道路照明采用TN-S接地系統(tǒng)的探討

陳三元，肖麗紅

(中國市政工程中南設(shè)計(jì)研究總院有限公司，湖北 武漢 430010)

1 發(fā)生接地故障時(shí)自動(dòng)切斷電源的條件

根據(jù)GB50054-2011《低壓配電設(shè)計(jì)規(guī)范》第5.2.8條，TN-S系統(tǒng)中配電線路的間接接觸防護(hù)電器的動(dòng)作特性，應(yīng)符合下式的要求:

ZsIa≤U0

(1)

式中：Zs-接地故障回路的阻抗，Ω；Ia-保證間接接觸保護(hù)電器在規(guī)定時(shí)間內(nèi)切斷故障回路的動(dòng)作電流，A；U0-相電壓，即相線和地之間的標(biāo)稱電壓，V。

TN-S系統(tǒng)通常采用斷路器或者熔斷器作為保護(hù)電器。當(dāng)發(fā)生接地故障，切斷故障電路的時(shí)間≤5 s時(shí)，為滿足公式(1)的要求，對(duì)于斷路器和熔斷器，接地故障電流Id應(yīng)分別滿足如下要求：

(1)對(duì)于斷路器

Id≥1.3Iset3

(2)

式中：Iset3-斷路器瞬時(shí)過電流脫扣器整定電流，A。

(2)對(duì)于熔斷器

Id≥KrIr

(3)

式中：Ir-熔斷器熔斷體的額定電流，A；Kr-Id/Ir的最小允許值(切斷時(shí)間為5 s)，見表1。

表1 TN系統(tǒng)接地故障防護(hù)采用

熔斷器、斷路器不僅需要滿足接地故障保護(hù)的的要求，還要躲過照明啟動(dòng)瞬時(shí)電流，結(jié)合兩者的動(dòng)作特性可知，熔斷器更加容易滿足公式(1)的要求。

在饋電網(wǎng)絡(luò)短路容量、變壓器型號(hào)及容量確定的條件下，對(duì)斷路器或熔斷器動(dòng)作靈敏性的校驗(yàn)可以轉(zhuǎn)化成對(duì)配電電纜截面積及配電距離的校驗(yàn)，在任元會(huì)先生《道路照明配電系統(tǒng)接地方式和線路保護(hù)的探討》一文中有詳細(xì)介紹。從該文可以看出，當(dāng)線路采用熔斷器保護(hù)時(shí)，對(duì)于配電距離在800 m以下的情況，可以通過選用相對(duì)較為合理截面的電纜滿足回路接地故障保護(hù)的要求。這個(gè)供電距離對(duì)于道路照明是較為經(jīng)濟(jì)合理的。考慮到現(xiàn)實(shí)操作的需要，建議可采用隔離開關(guān)+熔斷器結(jié)合的方式，熔斷器對(duì)線路的過電流進(jìn)行保護(hù)，隔離開關(guān)則起到接通、分段負(fù)荷電流作用以及為檢修時(shí)提供可靠的隔斷。此外，按照CJJ45-2015《城市道路照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》第6.1.5條：“……各單相回路應(yīng)單獨(dú)進(jìn)行控制和保護(hù)……”，熔斷器應(yīng)該采用單相熔斷器。

采用熔斷器還有一個(gè)好處，照明干線電纜保護(hù)熔斷器與燈桿內(nèi)支電纜保護(hù)熔斷器的選擇性很容易滿足，這也提高了供電的可靠性。

2 相導(dǎo)體與大地發(fā)生接地故障需滿足的條件

在TN-S接地系統(tǒng)中，當(dāng)相導(dǎo)體與無等電位聯(lián)結(jié)作用的地發(fā)生接地故障時(shí)，由于接地故障電流不大，保護(hù)電器無法及時(shí)動(dòng)作，保護(hù)導(dǎo)體就會(huì)帶上故障電壓，并傳導(dǎo)到用電設(shè)備外殼，容易發(fā)生觸電危險(xiǎn)。由圖1可知，保護(hù)導(dǎo)體上的故障電壓為Uf=IdRB，其中Id為接地故障電流，A；RB為系統(tǒng)接地和與其并聯(lián)接地極的接地電阻，Ω。為避免觸電危險(xiǎn)，GB50054-2011《低壓配電設(shè)計(jì)規(guī)范》第5.2.11條規(guī)定，在沒有等電位聯(lián)結(jié)作用的正常干燥場(chǎng)所，需要滿足下式的要求

(4)

式中：RE-故障電流不是通過保護(hù)導(dǎo)體而是通過大地返回電源的接地故障的故障點(diǎn)與大地間的最小接觸電阻，Ω；U0-相電壓，即相線和地之間的標(biāo)稱電壓，V。

對(duì)于道路照明，路燈位于室外，雨天時(shí)地面極其潮濕，人體也完全可能被淋濕，接觸電壓限值應(yīng)取25 V，所以式(4)變成

(5)

將U0=220 V帶入代入上式中，可得

RB≤0.13RE

(6)

圖1 TN-S系統(tǒng)接地故障分析圖

因RE是個(gè)隨機(jī)值，所以難以統(tǒng)一規(guī)定RB的安全值。但可以明確一點(diǎn)，RB值應(yīng)盡量小(《建筑物電氣裝置600問》中認(rèn)為RB≤2Ω是有效的)，為此應(yīng)盡量降低系統(tǒng)接地的接地電阻，并盡量在PE線上做重復(fù)接地以減少RB值，如圖2所示。根據(jù)等效電路，RB為

(7)

圖2 TN-S系統(tǒng)重復(fù)接地分析圖

按照上述結(jié)果，道路照明TN-S系統(tǒng)重復(fù)接地的做法建議為：利用多芯電纜中一芯作為接地干線，除在配電線路始端、中間及末端重復(fù)接地外，為提高可靠性，每間隔3盞燈再做一次重復(fù)接地，重復(fù)接地電阻要求不大于10 Ω。在路燈基礎(chǔ)本身可作為自然接地體的情況下，通過由角鋼、扁鋼組成的人工接地網(wǎng)絡(luò)來實(shí)現(xiàn)此電阻值應(yīng)該是不難的。

3 在高壓側(cè)發(fā)生接地故障時(shí)低壓側(cè)過電壓的防護(hù)措施

根據(jù)GB/T16895.10-2010《低壓電氣裝置第4-44部分：安全防護(hù)電壓騷擾和電磁騷擾防護(hù)》442.2，若變電所高壓側(cè)有接地故障，低壓系統(tǒng)將會(huì)出現(xiàn)工頻故障電壓。按照該規(guī)范442.2.1條，在低壓系統(tǒng)PE導(dǎo)體多點(diǎn)重復(fù)接地時(shí)，工頻故障電壓為

Uf=0.5REIE

(8)

式中：RE-變電所接地裝置的接地電阻；IE-流過變電所接地裝置的高壓部分接地故障電流。

(1)10 KV配電網(wǎng)中性點(diǎn)不接地

根據(jù)GB50613-2010《城市配電網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計(jì)規(guī)范》第5.6.2條以及國家電網(wǎng)公司發(fā)布的《配電網(wǎng)技術(shù)導(dǎo)則》第5.8.4條，10 KV配電網(wǎng)中性點(diǎn)不接地時(shí)，單相接地故障電容電流不得大于10 A；CJJ89-2012《城市道路照明工程施工及驗(yàn)收規(guī)程》7.2.8條規(guī)定，照明路燈專用變壓器系統(tǒng)接地電阻不應(yīng)大于4 Ω，代入式(8)得到Uf=20 V，低于室外潮濕無等電位聯(lián)結(jié)的安全電壓限值25 V。

(2)10 KV配電網(wǎng)中性點(diǎn)經(jīng)小電阻接地

在此中性點(diǎn)接地方式下，接地故障電流不再是微小的電容電流，可達(dá)數(shù)百安乃至接近一千安，式(8)無法滿足安全電壓限值的要求。GB/T16895.10-2010《低壓電氣裝置 第4-44部分：安全防護(hù) 電壓騷擾和電磁騷擾防護(hù)》442.2.3條針對(duì)此問題提出如下措施：

(1)將高壓接地裝置和低壓接地裝置之間分開；

(2)改變低壓系統(tǒng)的接地方式，即采用TT方式；

(3)降低系統(tǒng)接地電阻。

對(duì)于道路照明來講，可采取措施(1)，路燈專用變壓器分設(shè)兩個(gè)接地極，將系統(tǒng)接地和保護(hù)接地分開設(shè)置。在做市政道路照明設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)了解當(dāng)?shù)?0 KV配電網(wǎng)中性點(diǎn)的做法，以便采用相應(yīng)措施，避免高壓側(cè)發(fā)生接地故障時(shí)給低壓系統(tǒng)帶來危險(xiǎn)過電壓。

4 防止PE線斷線的措施

PE線在TN-S系統(tǒng)安全防護(hù)中起著至關(guān)重要的作用，TN-S系統(tǒng)一旦出現(xiàn)PE線斷線的情況將帶來極大的安全隱患，且這種隱患在發(fā)生觸電事故前是難以發(fā)現(xiàn)的。為保證PE線的可靠導(dǎo)通，從設(shè)計(jì)、施工、維護(hù)等各個(gè)方面都需要采用相應(yīng)措施。

(1)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)

首先應(yīng)按照有關(guān)規(guī)范要求選擇相應(yīng)的PE線截面積。

建議在道路照明設(shè)計(jì)中，PE導(dǎo)體可以選擇與相導(dǎo)體等截面，這可能會(huì)帶來一定的投資增加，但卻可以提高PE線的機(jī)械強(qiáng)度和可靠性，并增大接地故障電流，提高線路保護(hù)電器的動(dòng)作靈敏性。

第二，保證照明干線的完整性。

在照明干線電纜與燈桿內(nèi)支電纜的連接方式上，目前有幾種常見的做法：

(1)兩段干線電纜在路燈燈桿內(nèi)通過接線端子對(duì)接，至燈具的支電纜亦引自接線端子；

(2)干線電纜在接線井去皮，燈桿內(nèi)支電纜T接于干線電纜上；

(3)燈桿內(nèi)支電纜在接線井通過穿刺線夾T接于干線電纜上。

第(1)種做法實(shí)際上為鏈?zhǔn)浇臃ǎ以S多地方采用這一做法。根據(jù)GB50052-2009《供配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》第7.0.4條：“當(dāng)部分用電設(shè)備距供電點(diǎn)較遠(yuǎn)，而彼此相距很近、容量很小的次要用電設(shè)備，可采用鏈?zhǔn)脚潆姡恳换芈翻h(huán)鏈設(shè)備不宜超過5臺(tái)，其總?cè)萘坎灰顺^10 KW……”，而實(shí)際中每條照明回路中的路燈數(shù)量一般都會(huì)超過5盞。此種接線方式可能是路燈漏電傷人事故不時(shí)發(fā)生的一個(gè)重要原因；第(2)、(3)種做法均保持了主電纜的基本完整性，提高了PE線的可靠性，但造價(jià)會(huì)增加。建議摒棄第(1)種做法，可以根據(jù)各地情況選擇后兩種做法。

(2)施工環(huán)節(jié)

除了嚴(yán)格按照國家有關(guān)施工規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行外，在道路照明交付使用前，應(yīng)該對(duì)PE線的導(dǎo)通性進(jìn)行測(cè)試，確保安全。

(3)運(yùn)維環(huán)節(jié)

應(yīng)該對(duì)PE線導(dǎo)電連續(xù)性進(jìn)行周期性檢驗(yàn)，并形成檢驗(yàn)報(bào)告存檔。具體周期可由管理部門來規(guī)定。

5 結(jié) 語

鑒于TN-S接地系統(tǒng)在道路照明系統(tǒng)中仍然大量使用，本文對(duì)路燈照明使用該系統(tǒng)時(shí)需要注意的若干問題進(jìn)行了分析，指出設(shè)計(jì)中需要注意的關(guān)鍵點(diǎn)，供各位同行參考、研討。