關于市政電氣設計中與接地有關的幾個問題

吳建榮

常州市市政工程設計研究院有限公司 江蘇 常州 213000

利用燈桿做接閃器時，對燈桿金屬的材質、厚度等沒有明確的要求，導致部分供應商在一些項目上直接使用不達標的燈桿，從而產生安全隱患。

1 市政電氣接地設計常見的問題

1.1 水處理構建物裝置

水處理構建筑物裝置是較常見的市政項目之一，經常會遇到地下或半地下裝置或者小型泵站。在此類電氣設計中，常見的接地問題包括：（1）等電位連接和接地混為一談；（2）忽略了防跨步電壓和防接觸電壓的設計。

地下或半地下水處理裝置由于環境相對潮濕，較易發生漏電危險。如果只考慮接地或把等電位連接與接地混為一談，則仍存在觸電隱患。接地設計時，一般只考慮電氣設備外殼與PE線聯結，但當發生短路、絕緣老化、中性點偏移或外界雷電而導致浴室潮濕環境出現危險電位差時，則仍可能會出現足以引起傷害的電位，并引發觸電事故。

小型泵站，由于泵房規模較小，預計年雷擊次數較小，達不到《建筑物防雷設計規范》GB50057中第三類防雷建筑物的要求，可以不設防。然而，部分電氣設計人員會提高要求按照三類防雷建筑設防，以為提高了設計標準，會更安全。但是，因此而忽略防跨步電壓和防接觸電壓設計的不在少數。當直擊雷作用于小型泵房的防雷裝置時，在微秒級的時間內，超大的雷電流經引下線到接地裝置，并泄放至大地中。在此過程中，引下線的電位會瞬間提升至數萬伏甚至數十萬伏，并由此危機人身或財產安全。

1.2 常規道路照明

常規道路照明設施包括燈具、線路、電柜和箱變等。照明系統除了常規的道路照明，還包括高架照明、隧道照明以及智慧照明等。在照明接地系統中，常見的問題包括：（1）TN-C-S與TN-S系統不分、重復接地與TT系統不分；（2）接閃器規格、接地材質的要求不明確。

TN-C-S系統是TN系統的一種，系統中一部分N導體和PE導體是合一的；TN-S系統中N導體和PE導體完全分開。早期的照明系統為了節能和控制，常將照明配電系統設計為三相四線，即道路一側為L1、L2、N和PE線、另一側L2、L3、N和PE線，來實現全夜全亮、半夜半亮（每側各關掉其中一相）的節能效果，并通過多條道路的照明負載來實現三相均衡。部分設計人員習慣性地認為四線即TNC-S系統。

根據CJJ45-2015要求，道路照明配電系統的接地形式應采用TT系統或TN-S系統。TT系統電源端有一點直接接地，

1.3 智慧照明

近年來，智慧照明項目越來越多，對于接地電阻的要求卻不盡相同。目前，上海、浙江、江蘇、江西、湖南等地都頒布了智慧燈桿的建設導則，國標GB/T40994-2021《智慧城市 智慧多功能桿 服務功能與運行管理規范》也于2022年3月1日實施。但是，各規范和導則對于智慧燈桿的接地電阻值的要求卻有偏差[1]。

《上海市道路合桿整治技術導則》第7.3.2條規定“金屬燈桿及構件、燈具外殼、配電及機箱等的外露可導電部分均應與保護導體相連接。路口布設區域綜合桿及綜合機箱接地電阻值≤1Ω，其他區域綜合桿及綜合機箱接地電阻值≤4Ω。”；《江蘇省城市照明智慧燈桿建設指南》第8.3.2條規定“桿體、懸臂、設備艙、掛載設備等所有裸露的金屬部件與接地端子之間應具有可靠的電氣連接，接地電阻應≤4Ω。”；《浙江省多功能智慧燈桿技術標準（征求意見稿）》第4.8.4條規定“智慧燈桿系統接地保護電阻不應大于4Ω。”；《江西省智慧燈桿建設技術標準（征求意見稿）》第4.6.3.5條規定“智慧燈桿接地電阻應符合《城市道路照明工程施工及驗收規程》CJJ89和《通信局（站）接地與防雷標準》GB50689的規定，其接地電阻不應大于4Ω。”；國標GB/T40994《智慧城市 智慧多功能桿 服務功能與運行管理規范》第5.5.2條規定“電氣接地系統設計應符合GB/T50065及GB50054的規定。”

通過上述各地導則和國標可知，智慧燈桿的接地電阻有≤1Ω和≤4Ω兩種。如果完全按照《上海市道路合桿整治技術導則》路口布設區域按≤1Ω，其他布設區域按≤4Ω執行，也不完全正確。

1.4 線路保護與線路安全

市政電氣項目大多具有用電負荷呈帶狀長條型或呈分散、點狀等特征，供電半徑較大。在低壓配電系統最常用的TN系統設計時，一般用過電流保護兼作接地故障保護。由于接地故障電流的計算較為麻煩，部分設計人員只考慮了電壓損失，而忽略了過電流保護的靈敏度。由此，發生由接地故障引起的間接接觸電擊或電弧、電火花引發的火災等安全事故不在少數。

1.5 10kV配變電

10kV配變電設計時，利用對地電容電流允許最大20A的限制條件，常采用中性點不接地系統。當中性點不接地系統發生故障后，故障信號作用于報警信號而不是跳閘，在2h內依然可以持續工作，同時，工作人員在收到故障信號后抓緊時間檢修，減少停電對用戶的影響。

2 市政電氣接地設計問題的解決對策

2.1 水處理構建物裝置相關問題的處理

地下或半地下潮濕環境下，電氣設計人員首先應該考慮等電位連接，確保所在環境下，人接觸的外露可導電設備沒有電壓差，從而沒有電擊危險。同時，為保證設備的正常運行和安全，必須進行接地，并每50m做重復接地[2]。

小型泵站提高要求按照第三類防雷建筑設防時，屋頂接閃器通過結構柱內的主鋼筋做自然引下線。當柱子少于10根時，在泵站引下線附近保護人身安全需采取以下防接觸電壓措施的其中一條：

（1）引下線3m范圍內地表層的電阻率不小于50kΩm，或敷設5cm厚瀝青層或15cm厚礫石層。

（2）外露引下線，其距地面2.7m以下的導體用耐1.2/50μs沖擊電壓10kV的絕緣層隔離，或用至少3mm厚的交聯聚乙烯層隔離。

（3）用護欄、警告牌使接觸引下線的可能性將至最低限度。

當柱子少于10根時，在泵站引下線附近保護人身安全需采取以下防跨步電壓措施的其中一條：

（1）引下線3m范圍內地表層的電阻率不小于50kΩm，或敷設5cm厚瀝青層或15cm厚礫石層。

（2）用網狀接地裝置對地面做均衡電位處理。

（3）用護欄、警告牌使進入距引下線3m范圍內地面的可能性減小到最低限度。

2.2 道路常規照明相關問題的處理

在實際項目中，TN-S系統使用較多，為了解決照明線路長、末端接地故障電流小的問題，常見的方法是做重復接地——每3盞燈做重復接地，重復接地的電阻不大于10Ω，發生接地故障時，照明線路約100m左右，可有效提高接地故障電流，確保斷路器的保護效果。

道路照明一般利用燈桿本身做接閃器和引下線，再利用路燈基礎做接地極。接閃器的材料、結構和最小面積可參照GB50057第5.2.1條，引下線的相關要求可參考第5.3.3條的規定，兩者必須同時滿足。實際工程中，路燈燈桿大多都是由Q235鋼卷制，外噴塑防腐蝕熱鍍鋅而成，且上下端直徑大小不一。因此，在設計中應要求燈桿鋼材的截面不小于100mm2，厚度不低于4mm，且應做熱鍍鋅處理。

2.3 智慧照明相關問題的處理

為了解決智慧照明接地電阻的問題，我們必須從智慧燈桿的定義這個源頭來探究。智慧燈桿是通過掛載各類設備，提供智慧照明、移動通信、城市監測、交通管理、信息交互和城市公共服務等功能的各類桿體狀城市部件。桿體綜合艙是智慧燈桿配套設備的安裝場所，可安裝光纜終端盒、智能網光、監控單元及交、直流配電單元等設備中的一種或多種設備，為智慧燈桿上的設施提供供電、公網等綜合服務。

由此可知，智慧燈桿包括了桿體、設備艙、智能燈具、掛載設備以及配套設施等。其中設備艙包括多路輸出的工業級開關電源、智慧燈桿網關、光纖收發器等；掛載設備包括但不限于視頻攝像機、交通指示設備、交通監控設備、環境/氣象傳感器、5G基站、LED顯示屏、網絡音柱、無線WiFi、一鍵呼叫設備、信息觸摸屏、充電樁等。涉及的電壓等級有AC～380/200V、DC12V、DC24V等多種規格，可以按照電壓等級進行分類，其中AC～380/220V的交流設備，其接地電阻≤4Ω；DC12/24V的直流設備，其接地電阻≤1Ω；共用接地系統的，其接地電阻≤1Ω。因此，智慧燈桿的接地電阻值應根據智慧燈桿上掛載設備的類型進行區分，只要包括弱電智能化設備的，其接地電阻應≤1Ω。如果智慧燈桿上只掛載照明、道路指示牌或其他交流AC～380/220V用電設備的，則其接地電阻應≤4Ω。

2.4 線路保護與線路安全問題的處理

工程設計中，過電流保護兼作接地故障保護時，應先計算最小接地故障電流，然后再根據《低壓配電設計規范》GB50054的要求進行靈敏度的計算：

在三相交流系統中，可能發生三相短路故障、兩相間短路故障、兩相接地短路和單相接地短路。通常而言，三相短路電流最大，兩相短路電流次之，單相短路電流最小。當短路點發生在發電機附近或變壓器中性點接地的附近時，兩相或單相短路電流有可能大于三相短路電流。一般情況下，只要考慮單相故障電流Id 能滿足靈敏度要求即可。按照《三相交流系統短路電流計算》GB/T15544的方法，單相短路電流需要根據出線回路的變壓器、低壓母線、出線電纜、零序阻抗等參數進行各種等效換算，過程非常復雜。在實際設計過程中，很多電力系統的參數也無法獲取，由此導致不少設計人員忽略靈敏度的校驗。

為了簡便計算，可以引入電源側阻抗系數——考慮接地故障回路省略變壓器阻抗和高壓側系統阻抗導致的誤差進行的修正，將最小接地故障電流近似公式為：

式中，0.8～1.0 ——電源側阻抗系數，當故障點原理配電變壓器、線路截面積較小、變壓器容量較大時，取高值（如0.95～1.00），反之，取較低值；

1.5——由于短路引起發熱，電纜電阻的增大系數；

U0——相對低標稱電壓，V；

S ——相導體界面接，mm2；

K1——電纜電抗校正系數，當S≤95mm2時，取1.0，當S為120mm2和150mm2時，取0.96，當S≥185mm2時，取0.92；

K2——多根相導體并聯使用的校正系數，

n ——每相并聯的導體根數；

ρ ——20℃時的導體電阻率，Ω*mm2/m；

L ——電纜長度，m；

m ——材料相同的每相導體總結面積（Sn）與PE導體截面積（SPE）之比。

圖1 TN系統接地故障回路示意圖

通過這個簡化的近似公式，最小故障電流計算就非常方便。對于常用的一些變壓器和電纜規格，設計人員也可以直接查詢《工業與民用供配電設計手冊（第四版）》表11.2-4來核算電纜的最大保護長度。

當采用熔斷器作間接接觸防護時，切斷時間t≤5s和t≤0.4s，可分別根據《工業與民用供配電設計手冊（第四版）》的表11.2-5和表11.2-6來進行保護保護靈敏度校驗的判斷。

2.5 10kV配變電問題的處理

10KV配電系統由中性點不接地系統改為中性點經低電阻接地系統，可有效提升對地電容電流的最大值額度。同時，故障信號不能僅作為報警信號，而應作用于跳閘。接地故障電流采用零序電流保護，電壓互感器改為V-V接線。

低壓側的接地可分為兩種情況：

（1）變電所和低壓用戶在同一建筑內，共用接地設備；

（2）變電所和低壓用戶不在同一建筑內，低壓系統電源應獨立接地，接地電阻不大于4Ω。建筑物外不具備總等電位連接條件的，應該為TT系統，同時注意降低變電所接地電阻Rb，確保Id*Rb小于1200V，防止低壓側發生絕緣擊穿事故[3]。

3 市政電氣接地設計注意事項

水處理裝置、道路常規照明、智慧照明、配電線路、10KV變電所等市政常見項目，其電氣接地設計應重點關注。設計人員編制電氣設計方案時，需要研究不同構建物在電氣安全防護方面的要求，在此基礎上選擇防雷防護方法，由此提高防護措施的有效性與合理性。同時，必須提高電氣設備使用的科學性，使保護措施擁有保護效用同時，也可以為后續電路檢查與維修提供便利條件。

4 結語

本文通過總結分析市政電氣設計中常見的接地問題，提出了相應的解決措施，希望對市政建設人員有一定的幫助。