室外照明配電接地類型20m距離規(guī)定的探討

譚 激

（中國美術(shù)學(xué)院風(fēng)景建筑設(shè)計研究院，浙江杭州 310012）

室外照明配電接地類型20m距離規(guī)定的探討

譚 激

（中國美術(shù)學(xué)院風(fēng)景建筑設(shè)計研究院，浙江杭州 310012）

譚 激（1968-），男，高級工程師，從事建筑電氣與智能化設(shè)計研究工作。

計算了建筑物內(nèi)發(fā)生高、低壓接地故障時對鄰近建筑的室外人員、照明設(shè)備以及室外照明保護電器動作可靠性的影響。指出采用降低配電系統(tǒng)的接地電阻和室外照明燈具的保護接地電阻，以及選用合適的保護電器參數(shù)等措施，可以在鄰近建筑物的室外照明配電系統(tǒng)中采用TT接地類型。

TT系統(tǒng)；室外地面電位；預(yù)期接觸電壓；屏蔽效應(yīng)；互電阻；動作時間

0 引 言

在公園、廣場、住宅區(qū)等室外場所的照明配電中,由于較難實施等電位聯(lián)結(jié)措施,一般采用TT接地系統(tǒng),但是TT系統(tǒng)的應(yīng)用在工程設(shè)計中受到一些制約。本文針對不同情況下室外地面電位、電位差、保護電器動作時間與接觸(跨步)電壓的配合等進行了分析計算,探討室外照明配電系統(tǒng)采用TT接地系統(tǒng)的可行性。

1 接地類型20 m距離規(guī)定

部分電氣規(guī)范或設(shè)計手冊中要求以建筑物外墻外20m作為區(qū)分室外照明配電系統(tǒng)接地類型的分界線：距建筑物外墻20 m以內(nèi)的,應(yīng)與室內(nèi)的接地類型一致；距離大于20 m,則可采用TT接地形式。

室外照明配電接地類型20 m距離的規(guī)定,是為了減少兩個接地系統(tǒng)之間的影響,在發(fā)生接地故障時能夠及時切斷故障電源,但僅以20 m距離來確定接地系統(tǒng)類型并非最佳做法。

在理論上兩個接地系統(tǒng)需要相距無限遠(yuǎn)才能做到互不影響,這在實際工程中是不現(xiàn)實的。如果兩個鄰近的接地系統(tǒng)能夠在發(fā)生故障時保護電器能夠可靠動作、保證人身安全和設(shè)備正常運行,就可以認(rèn)為兩個接地系統(tǒng)之間不會相互影響。對于室外照明配電系統(tǒng)中接地類型的選擇,應(yīng)結(jié)合建筑物內(nèi)發(fā)生接地故障后對室外照明保護電器的動作可靠性的影響以及室外地面電位變化對人員或設(shè)備的影響來考慮。

2 建筑物內(nèi)發(fā)生接地故障情況時周圍地面的電位分布

當(dāng)故障電流I通過接地體注入大地向四周流散,距離建筑物不同距離的兩點間的電位差為

式中：ΣS－－－土壤中距基礎(chǔ)接地體距離為r的等電位面的表面積；

ρ－－－土壤電阻率。

2.1 建筑物基礎(chǔ)周圍故障電位分布計算推導(dǎo)

假設(shè)建筑采用平板式鋼筋混凝土基礎(chǔ),并忽略樁的影響,基礎(chǔ)長、寬分別為L、W,埋深為H?；A(chǔ)周圍故障電位分布如圖1所示。

圖1 基礎(chǔ)周圍故障電位分布

2.2 建筑物內(nèi)發(fā)生高壓接地故障對室外的影響

變電所發(fā)生高壓接地故障是在用戶變電所高壓進線開關(guān)前發(fā)生的接地故障,只能依靠上級變電所的出線保護電器切除。

2.2.1 高壓為小電阻（大電流）接地系統(tǒng)

高壓大電流接地系統(tǒng)如圖2所示。故障時建筑物基礎(chǔ)的電位Uf＝IERf。根據(jù)DL/T 620－1997《交流電氣裝置的過電壓保護和絕緣配合要求》,小電阻接地系統(tǒng)的故障電流范圍為100～1 000 A,故本文IE＝600 A。根據(jù)式(3),可計算變電所周圍室外地面故障電位分布,如表1所示。

圖2 高壓大電流接地系統(tǒng)

表1 高壓大電流系統(tǒng)故障時周圍地面電位

根據(jù)GB/T 16895.10－2010《低壓電氣裝置安全防護電壓騷擾和電磁騷擾防護》,發(fā)生此類故障時低壓電氣裝置上的工頻應(yīng)力電壓不得大于U0+1 200 V,其中U0為低壓系統(tǒng)相線對中性點的電壓。從表1可知,由于此類故障電流大,引起變電所基礎(chǔ)及其周圍地面的電位大幅升高,以TT方式對室外設(shè)備供電可能無法滿足規(guī)范要求。

若通過設(shè)置人工接地裝置等措施將變電所的接地電阻降低,則室外設(shè)備的應(yīng)力電壓可以滿足規(guī)范要求；同時室外地面的絕對電位值大幅降低,并將危險的電位差區(qū)域限制在較小的區(qū)域內(nèi),接地電阻越小,效果越明顯。

此類故障電流值無法通過計算得出,故障切除時間各個地區(qū)規(guī)定也不相同,所以具備條件的用戶變電所應(yīng)該通過設(shè)置人工接地體等措施盡量降低接地電阻,最大限度減少高壓暫態(tài)過電壓故障對室外低壓配電系統(tǒng)的影響和室外人員人身電擊事故隱患。

2.2.2 高壓為小電流接地系統(tǒng)

高壓側(cè)中性點不接地(即小電流)接地系統(tǒng)在建筑物內(nèi)的變電所發(fā)生高壓接地故障時的故障電流為單相電容電流,DL/T 620－1997規(guī)定其限值為30 A。發(fā)生此類故障時,變電所基礎(chǔ)電位最大值為Uf＝30×4＝120 V,產(chǎn)生的影響與建筑物內(nèi)發(fā)生低壓接地故障時類似。

2.3 建筑物內(nèi)發(fā)生低壓接地故障后對室外的影響

建筑物內(nèi)部發(fā)生低壓接地故障,根據(jù)其供電方式不同有以下幾種情況：①變電所在建筑物外以TN_C_S或TT方式供電；②獨立變電所,工作接地和保護接地分開；③變電所工作接地和保護接地合用。

前兩種情況示意圖如圖3所示(以TN_C_S為例),按式(3)計算室外地面電位分布。低壓接地故障時,建筑物基礎(chǔ)及周圍地面的電位僅升高幾十伏,室外地面電位變化幅度不明顯,均小于戶外場所跨步電壓安全值25 V。

圖3 TN-C-S供電方式

對于第三種情況,絕大部分故障電流通過PE線返回到電源中性點；極少部分故障電流經(jīng)過建筑鋼筋網(wǎng)、基礎(chǔ)接地體返回電源中性點,而經(jīng)過周圍土壤再回到電源中性點的故障電流接近于0,室外地面基本維持零電位。

因此,室內(nèi)低壓接地故障引起的室外地面電位升高對于室外人員安全和設(shè)備正常運行沒有影響,與外部電氣設(shè)備配電采用何種接地類型無必然聯(lián)系。

3 建筑物內(nèi)接地故障對室外配電系統(tǒng)保護電器動作可靠性的影響

確定接地類型時,需要考慮建筑物接地故障時對室外配電線路保護電器的影響(能否可靠動作)。對于建筑物內(nèi)發(fā)生接地故障且保護電器能快速切斷電源的情況,因故障持續(xù)時間很短,室內(nèi)外同時發(fā)生故障的概率極低。

高壓為小電流接地系統(tǒng)的變電所高壓側(cè)發(fā)生接地故障的持續(xù)時間達1～2 h；建筑物內(nèi)TN系統(tǒng)固定電氣設(shè)備發(fā)生接地故障,規(guī)范允許的最大切斷時間為5 s。這兩種接地故障的持續(xù)時間較長。

3.1 室內(nèi)外同時發(fā)生接地故障時接地屏蔽效應(yīng)

當(dāng)兩個或多個接地體并聯(lián)時,接地電流通過各個接地體同時流散,接地體周圍的電場發(fā)生重疊和畸變,造成散流電阻(即接地電阻)增大,即接地的屏蔽效應(yīng)。屏蔽效應(yīng)可看作在原并聯(lián)的接地電阻值上又增加了一個接地體之間相互作用的互電阻Rm。建筑物內(nèi)外同時(或先后)發(fā)生接地故障時,基礎(chǔ)接地體與室外電氣設(shè)備接地體之間的相互影響也與此類似,可將兩個不同形狀的接地體等效看作兩個半球接地體進行簡化計算。兩個半球接地體之間的互電阻為

式中：D－－－兩個等效半球接地體中心之間的距離。

因此,Rm可視作建筑物基礎(chǔ)接地體和室外燈具接地體之間的互電阻。

3.2 小電流接地系統(tǒng)的變電所高壓側(cè)發(fā)生接地故障

發(fā)生此類故障未切除時,低壓側(cè)發(fā)生室外照明燈具接地故障,其等效電路(一)如圖4所示, IE為高壓側(cè)單相接地電容電流,因系統(tǒng)中容抗很大,可假設(shè)IE不變。

圖4 等效電路（一）

設(shè)變壓器接線組別為DYn11,發(fā)生低壓接地故障相的相位為ω(ω＝0、±120°),電容電流相位θ超前120°。根據(jù)麥克斯韋方程以及等效電路,并考慮接地極間互電阻的影響,可得如下關(guān)系式：

設(shè)U0＝220 V,ω為0、±120°,室內(nèi)外先后發(fā)生高、低壓接地故障后,室外電氣設(shè)備保護電器動作及預(yù)期接觸電壓計算結(jié)果如表2所示。

表2 室內(nèi)高壓故障對室外低壓電氣設(shè)備保護電器動作影響

由表2可以看出：

(1)室外照明燈具與建筑物的距離、高壓單相接地電流對互電阻有一定影響,但因故障回路電流較大,互電阻對保護電器的動作時間幾乎沒有影響。

(2)土壤電阻率會明顯影響故障回路電流的大??；在高電阻率場所(IΔn＝300 mA)的RCD會短暫延時動作(150 ms),切斷時間有可能無法滿足接觸電壓與動作時間的配合要求。

(3)高壓故障電容電流與低壓故障的相位相同時,室外照明燈具處的接觸電壓有可能超過接觸電壓極限值220 V,且減少接地電阻對于降低接觸電壓值的效果不明顯。只要選用IΔn≤100 mA的RCD均能瞬時動作,基本可以保證人身安全。

3.3 建筑物內(nèi)部電氣設(shè)備發(fā)生低壓接地故障

變電所在建筑物外對建筑物以TN_C_S供電,內(nèi)部固定設(shè)備f1、f2處先后發(fā)生接地故障(見圖3),等效電路(二)如圖5所示。

圖5 等效電路（二）

圖5中,RA、RB遠(yuǎn)大于線路電阻RLa、RLb、RPE、RPEN,為簡化計算忽略RA、RB的影響,并按故障發(fā)生于同一相考慮,則有

根據(jù)等效電路,并考慮基礎(chǔ)接地體Rf與室外燈具RE之間互電阻的影響,有如下關(guān)系：

因此,可得：

為驗證Id能否使RCD可靠動作,應(yīng)按最小的Id可能值考慮,即UAO＝UBO＝110 V(靠近低壓進線處)。

若室外燈具采用獨立接地,因接地電阻較大,有可能造成RCD無法瞬動,故尚應(yīng)考慮燈具接地極相互并聯(lián)的情況,即先求出多根接地極并聯(lián)電阻,再將其等效為半球接地體,以求得并聯(lián)接地體與基礎(chǔ)接地體之間的互電阻。多根直線排列的燈具接地極相互并聯(lián)后的接地電阻為RA＝R0(1+Kb)/n,其中R0為單根接地極電阻值,n為并聯(lián)的接地極數(shù)量,K、b為連接接地體的形狀和間距系數(shù),b＝ρ/(2πR0S)＝0.1(S為接地極間距,以5 m計)。

按3.2節(jié)相同的條件,室內(nèi)外先后發(fā)生低壓接地故障后,室外電氣設(shè)備保護電器動作及預(yù)期接觸電壓計算結(jié)果如表3所示。

表3 室內(nèi)低壓故障對室外設(shè)備低壓保護電器動作影響

由表3可知,若燈具與建筑物距離較遠(yuǎn)時互電阻較小,IΔn≤100 mA的RCD均能夠保證可靠動作,并滿足動作時間和接觸電壓限值的配合要求。

室外燈具距離建筑物較近時互電阻較大,如果燈具僅采用獨立接地,會使流經(jīng)RCD的故障電流大幅減小,即使選用IΔn＝30 mA的RCD仍有可能無法動作。將室外燈具改用并聯(lián)或分組并聯(lián)接地后,可確保IΔn≤100mA的RCD在0.3 s內(nèi)動作,接觸電壓亦能滿足要求。變電所在建筑物內(nèi)的分析過程與結(jié)果也基本相同。

4 結(jié) 語

綜合分析可知,降低室外危險電位、限制危險電位范圍的方法是降低建筑物接地電阻；防止危險電位傳導(dǎo)至遠(yuǎn)處的方式是采用獨立接地；而燈具并聯(lián)接地、降低接地電阻則可以保證室外照明燈具發(fā)生第二次接地故障時保護電器能可靠動作。針對工程項目的具體情況,采取有針對性的、切實可行和安全有效的技術(shù)措施,可以選用TT系統(tǒng)作為鄰近建筑物的室外場所照明配電系統(tǒng)的接地類型。

[1] GB/T 50065-2011 交流電氣裝置的接地設(shè)計規(guī)范[S].

[2] 王洪澤，楊丹，王夢云.電力系統(tǒng)接地技術(shù)手冊[M].北京：中國電力出版社，2007.

[3] 川瀨太郎.接地技術(shù)與接地系統(tǒng)[M].馮允平，譯.北京：科學(xué)出版社，2001.

[4] 王厚余.低壓電氣裝置的設(shè)計安裝和檢驗[M].3版.北京：中國電力出版社，2012.

DiScuSSion of 20 m ProviSion of Grounding M ode For Outdoor Lighting DiStribution SyStem

TAN Ji
(Design Institute of Landscape&Architecture,China Acadmey of Art,Hangzhou 310012,China)

This paper calculated the influencing on outdoor people and lighting appliances,and the operating time of protective device for outdoor lighting appliancewhile the high and low voltage grounding faults occurred in buliding.It is pointed out that by using of lower grounding resistance of distribution system,protecting grounding resistance of outdoor lighting appliance,and proper choice of protective device,TT system can be applied in outdoor lighting distribution system near buildings.

TT SyStem；outdoor ground Poten tial；ProSPective touch voltage；Shielding effect；mu tual reSiStance；oPerating time

TU 856

B

1674-8417(2015)12-0015-06

2015- 06- 28