戶(hù)外燈具的接地形式

左 毅

(1.中油遼河工程有限公司, 遼寧 盤(pán)錦 124010;2.沈陽(yáng)建筑大學(xué) 信息與控制工程學(xué)院, 遼寧 沈陽(yáng) 110168)

0 引 言

在設(shè)計(jì)中經(jīng)常會(huì)遇到路燈低壓配電線(xiàn)路如何進(jìn)行接地故障保護(hù)的問(wèn)題。國(guó)家相關(guān)規(guī)范對(duì)戶(hù)外照明燈具的接地保護(hù)沒(méi)有明確的要求,對(duì)路燈的低壓配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)及其接地保護(hù)上有很多做法。

路燈低壓配電系統(tǒng)具有配電半徑長(zhǎng)(一般要幾百米,甚至上千米)、用電負(fù)荷分散、行人觸及的可能性大等特點(diǎn)。這種低壓配電系統(tǒng)發(fā)生三相或二相短路故障時(shí),一般用熔斷器或斷路器即可自動(dòng)切斷電源。接地故障線(xiàn)路較長(zhǎng),故障電流較小,常規(guī)的保護(hù)裝置無(wú)法很快地切斷故障線(xiàn)路,而路燈由于其安裝特點(diǎn),人容易接觸,發(fā)生電擊的危險(xiǎn)很大[1-3]。

1 路燈低壓配電的接地形式

路燈低壓配電的接地形式有兩種:TN系統(tǒng)和TT系統(tǒng)。分析路燈低壓配電線(xiàn)路的接地故障,首先要看接地形式。

(1) TN接地系統(tǒng)。接地故障保護(hù)的目的主要是防止人身間接觸電。TN系統(tǒng)接地故障保護(hù)動(dòng)作特性應(yīng)符合要求:

ZsIa≤U0

(1)

式中:Zs——接地故障回路阻抗(相-保回路阻抗),Ω;

Ia——保證保護(hù)電器在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)自動(dòng)切斷故障回路的動(dòng)作電流,A;

U0——相線(xiàn)對(duì)地標(biāo)稱(chēng)電壓,V。

式(1)也可以寫(xiě)成:

Ia≤U0/Zs=Id

(2)

式中:Id——接地故障電流,A。

可以看出,TN系統(tǒng)對(duì)保護(hù)動(dòng)作特性要求的實(shí)質(zhì)是接地故障電流大于或等于保護(hù)電器在相應(yīng)規(guī)定時(shí)間內(nèi)切除故障的動(dòng)作電流,這樣保護(hù)電器才能有效、可靠地切斷故障電流。

(2) TT接地系統(tǒng)。TT系統(tǒng)接地故障保護(hù)動(dòng)作特性應(yīng)符合要求:

RAIa≤50 V

(3)

式中:RA——外露可導(dǎo)電部分的接地電阻和PE線(xiàn)電阻,Ω;

Ia——保證保護(hù)電器在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)自動(dòng)切斷故障回路的動(dòng)作電流,A。

當(dāng)采用剩余電流動(dòng)作保護(hù)器(Residual Current Operated Protective Device,RCD)時(shí),Ia為RCD的額定動(dòng)作電流IΔn。

從式(3)可知,保護(hù)動(dòng)作的條件是當(dāng)外露導(dǎo)電體對(duì)地電壓達(dá)到或超過(guò)50 V時(shí)保護(hù)電器應(yīng)在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)動(dòng)作,這時(shí)故障電流Id應(yīng)大于保護(hù)電器的動(dòng)作電流Ia,即Id=(50/RA)≥Ia。

2 設(shè)置路燈接地故障保護(hù)的必要性

路燈和與其類(lèi)似的戶(hù)外照明裝置在發(fā)生接地故障時(shí),無(wú)論是哪一種配電方式和接地系統(tǒng),外露金屬構(gòu)件上預(yù)期的接觸電壓UC[1]都遠(yuǎn)大于安全值50 V,因此正確地設(shè)置接地故障保護(hù),對(duì)戶(hù)外照明裝置安全運(yùn)行非常重要。

3 路燈接地系統(tǒng)接地故障最長(zhǎng)切斷時(shí)間要求及其作用

TN和TT系統(tǒng)有一共同點(diǎn),即保護(hù)動(dòng)作的基本條件就是故障電流必須大于或等于保護(hù)電器的動(dòng)作電流。另外,根據(jù)IEC 60364-4-41:2005,作為接地保護(hù)的斷路器最長(zhǎng)切斷電源時(shí)間如表1所示,其中U0為交流或直流電對(duì)地的標(biāo)稱(chēng)電壓。當(dāng)TT系統(tǒng)采用過(guò)電流保護(hù)電器切斷電源,且其保護(hù)等電位聯(lián)結(jié)連接到電氣裝置內(nèi)的所有外界可導(dǎo)電部分時(shí),該TT系統(tǒng)可以采用表1中TN系統(tǒng)最長(zhǎng)的切斷電源時(shí)間。

表1 作為接地保護(hù)的斷路器最長(zhǎng)切斷電源時(shí)間 s

備注:1*切斷電源的要求可能是為了電擊保護(hù)之外的原因。

2*采用RCD切斷電源的時(shí)間要求見(jiàn)411.4.4的注、411.5.3的注4和411.6.4的注。

不管是TN還是TT接地系統(tǒng),作為接地故障保護(hù)的斷路器最長(zhǎng)切斷電源時(shí)間都要滿(mǎn)足表1的要求。IEC 60364-4-41:2005[4]同時(shí)還要求當(dāng)采用RCD作為接地故障保護(hù)時(shí),要滿(mǎn)足表1中最長(zhǎng)切斷電源時(shí)間的要求,即故障電流要大于5倍的RCD額定剩余動(dòng)作電流。因此,在接地保護(hù)開(kāi)關(guān)和導(dǎo)線(xiàn)規(guī)格、長(zhǎng)度的選擇時(shí),需要滿(mǎn)足表1和RCD對(duì)故障電流的要求。

4 以前路燈接地系統(tǒng)多采用TN系統(tǒng)的原因

TN、TT系統(tǒng)的接地故障電流取決于故障回路電阻的大小,而接地故障電壓則是故障電流在相應(yīng)電阻上的壓降,即TN系統(tǒng)是故障電流在保護(hù)線(xiàn)電阻上的壓降,而TT系統(tǒng)是故障電流在保護(hù)線(xiàn)電阻及負(fù)荷側(cè)接地極電阻上的壓降。很明顯,如果暫不考慮故障點(diǎn)電阻,TN系統(tǒng)的故障回路電阻小,故障電流大,優(yōu)勢(shì)在于線(xiàn)路首端的過(guò)電流保護(hù)器能夠在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)切斷故障電流,從而可以利用其兼做接地故障保護(hù),而且當(dāng)本級(jí)過(guò)電流保護(hù)因某種原因拒動(dòng),線(xiàn)路上一級(jí)過(guò)電流保護(hù)也能夠動(dòng)作,起到故障后備保護(hù)的作用;TT系統(tǒng)的故障回路電阻大,嚴(yán)重地遏止故障電流的大小,這時(shí)故障電流通常很小,而不能使線(xiàn)路首端的過(guò)電流保護(hù)動(dòng)作,當(dāng)然更無(wú)后備保護(hù)。因此,TN系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)化,不用專(zhuān)門(mén)設(shè)置接地故障保護(hù),而TT系統(tǒng)往往要增加剩余電流斷路器作接地故障保護(hù)。而且TN系統(tǒng)接地形式在民用建筑的單體設(shè)計(jì)中應(yīng)用也比較多,因此很多人在做路燈照明設(shè)計(jì)時(shí)采用TN系統(tǒng),這是不對(duì)的。

5 戶(hù)外路燈采用TN接地系統(tǒng)存在的問(wèn)題分析

(1) 過(guò)去TN接地系統(tǒng)中均采用接零保護(hù),即將金屬燈柱及座箱等與系統(tǒng)的PE線(xiàn)或PEN線(xiàn)相接,此時(shí)若發(fā)生接地故障,其接地電流Id=U/Zo,其中Zo為相-零回路阻抗,對(duì)于路燈常用的小截面電纜,其值一般為1 Ω/km左右。故理論上Id可達(dá)到百安培。但實(shí)際上如果故障點(diǎn)發(fā)生的不是金屬性接地故障,接地點(diǎn)的接地電阻難以預(yù)測(cè)。故障點(diǎn)如果不熔焊,可能產(chǎn)生電弧、電火花,其具有很大的電阻,使故障接地電流大幅降低,這樣保護(hù)電器不能動(dòng)作或延遲很久才動(dòng)作。另外,故障點(diǎn)的電弧、電火花溫度可能很高,易引燃附近的可燃物,存在電氣火災(zāi)隱患。故線(xiàn)路的保護(hù)裝置也很難可靠動(dòng)作。燈柱及座箱上會(huì)長(zhǎng)時(shí)間帶有危險(xiǎn)電壓,并且這種電壓還可能通過(guò)PE線(xiàn)或PEN線(xiàn)傳到系統(tǒng)的所有燈柱和座箱。從某種意義上講,其危及的面會(huì)更廣。

(2) 采用TN接地系統(tǒng)時(shí),所有的路燈或其他的戶(hù)外照明裝置的外殼都是通過(guò)PE線(xiàn)而相互連通的,而PE線(xiàn)又是與電源側(cè)相連的,當(dāng)戶(hù)外的某一燈具或電源側(cè)發(fā)生接地故障時(shí),故障電壓可沿PE線(xiàn)傳導(dǎo)至其他與PE線(xiàn)相連的所有設(shè)備及裝置(包括路燈)的外殼上,戶(hù)內(nèi)與PE線(xiàn)相連接的裝置外殼雖然也帶故障電壓,但由于戶(hù)內(nèi)的等電位聯(lián)結(jié),人體可同時(shí)觸及的可導(dǎo)電部分電位差很小,可以保證在觸及帶故障電壓的設(shè)備外殼時(shí)不觸電;戶(hù)外照明裝置處于無(wú)等電位聯(lián)結(jié)場(chǎng)所,此故障電壓與地面零電位的電壓差形成接觸電壓,如果該接觸電壓高于50 V(考慮到戶(hù)外可能存在的潮濕環(huán)境,應(yīng)取25 V),是不安全的。

以上TN系統(tǒng)存在的第一個(gè)問(wèn)題是極個(gè)別的,但絕不能輕視,第二個(gè)問(wèn)題時(shí)解決問(wèn)題的關(guān)鍵在于當(dāng)戶(hù)外的某燈具或電源側(cè)發(fā)生接地故障時(shí),電源側(cè)或每個(gè)燈具所帶的保護(hù)電器能及時(shí)有效地將故障電流切掉,這就需要保證故障電流足夠大,能使保護(hù)電器動(dòng)作,即滿(mǎn)足Idmin≥1.3Iset3,其中Idmin為被保護(hù)線(xiàn)路末端接地故障電流,Iset3為低壓斷路器瞬時(shí)過(guò)流脫扣器的整定電流。對(duì)于TN接地系統(tǒng),要提高接地故障的靈敏度,可以通過(guò)選用Dyn11接線(xiàn)組別變壓器,加大相導(dǎo)體及接地保護(hù)導(dǎo)體的截面積,采用帶短延時(shí)過(guò)電流脫扣器的斷路器和帶接地保護(hù)的斷路器等措施。對(duì)于本節(jié)提到的,在極個(gè)別情況下接地故障電阻也有可能變得很大,數(shù)值不確定,使得故障電流變小,保護(hù)電器不動(dòng)作。在提高接地故障靈敏度的方法中,最可靠的做法是每個(gè)燈具加RCD保護(hù),而RCD的額定電流不應(yīng)大于6 A,剩余電流為30 mA。

6 戶(hù)外路燈采用TT接地系統(tǒng)存在的問(wèn)題分析

(1) TT接地系統(tǒng)中均采用接地保護(hù),即將金屬燈柱及座箱等接地,此時(shí)若發(fā)生接地故障,其接地電流為

Id=U/(ro+rd)

(4)

式中:U——電源電壓,取220 V;

ro——電源處接地電阻;

rd——燈柱處接地電阻。

若ro=4 Ω,rd=10 Ω,由式(4)得Id=15.7 A。該故障電流通常還不足以使熔斷器或斷路器動(dòng)作或迅速動(dòng)作。如果采用斷路器做接地故障保護(hù),故障電流必須滿(mǎn)足Idmin≥1.3Iset3。如果瞬時(shí)過(guò)電流脫扣器的整定值取長(zhǎng)延時(shí)過(guò)電流脫扣器的5倍,斷路器長(zhǎng)延時(shí)脫扣器的整定值≤2.4 A時(shí)才能滿(mǎn)足要求,顯然不合適。燈柱座箱對(duì)地電壓Ud=Urd/(ro+rd)=157 V。該電壓足以使觸及的行人發(fā)生電擊。因此,采用TT接地系統(tǒng)的路燈配電回路的電源側(cè)須采用RCD。當(dāng)戶(hù)外照明裝置發(fā)生接地故障時(shí),PE線(xiàn)上流過(guò)故障電流,RCD內(nèi)流過(guò)相線(xiàn)和N線(xiàn)的電流并不相同,而是相線(xiàn)、N線(xiàn)、PE線(xiàn)電流的矢量和。如果RCD內(nèi)存在不平衡電流,脫扣器動(dòng)作。

電源側(cè)的RCD剩余電流一般取100 mA或300 mA。但戶(hù)外的接地故障回路情況很難明確,雨/雪天氣、干旱、接觸電阻的不確定性等因素都在不斷改變出現(xiàn)故障時(shí)故障回路的電流,使得不動(dòng)作或誤動(dòng)作的情況時(shí)有發(fā)生。

7 路燈配電及接地設(shè)計(jì)中應(yīng)遵循的一般原則

JGJ 16—2008《民用建筑電氣設(shè)計(jì)規(guī)范》中第10.9.3條規(guī)定:“距建筑物外墻大于20 m,宜采用TT接地形式”;第10.9.4中條規(guī)定:“室外分支線(xiàn)路應(yīng)裝設(shè)剩余電流動(dòng)作保護(hù)器”。CJJ 45—2015《城市道路照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》中第6.1.8條規(guī)定:“道路照明配電系統(tǒng)的接地形式應(yīng)采用TT系統(tǒng)或TN-S系統(tǒng)”。在實(shí)際的設(shè)計(jì)中,也可以這樣理解:

(1) 線(xiàn)路較短,故障電流較大,能滿(mǎn)足Idmin≥1.3Iset3時(shí)可以采用TN系統(tǒng),線(xiàn)路首端的過(guò)電流保護(hù)器除極特殊的情況外能在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)切斷故障電流,從而可以利用其兼作接地故障保護(hù),滿(mǎn)足間接接觸防護(hù)的要求。

(2) 線(xiàn)路較長(zhǎng),故障電流較小,不能滿(mǎn)足Idmin≥1.3Iset3時(shí)采用TT系統(tǒng),并在電源側(cè)設(shè)RCD保護(hù)。

① 根據(jù)負(fù)荷容量和類(lèi)別,確定計(jì)算電流IC。如一組三相的泛光燈(金鹵燈泡),設(shè)備容量Pe=10 kW,功率因數(shù)cosφ=0.85,則計(jì)算電流IC=18 A。

② 先假設(shè)該接地系統(tǒng)為T(mén)T,確定RCD的瞬動(dòng)過(guò)流脫扣器的整定電流,即Idmin≥1.3Iset3,Iset3=100 A≥5×18=90 A(見(jiàn)文獻(xiàn)[7]中第987頁(yè)),低壓斷路器為S263S-C20,因此Idmin≥130 A。Idmin的計(jì)算值可參見(jiàn)文獻(xiàn)[7]式(11.2-6),根據(jù)相對(duì)地電壓、相導(dǎo)體截面積、并聯(lián)導(dǎo)體根數(shù)、導(dǎo)體電阻率等參數(shù)計(jì)算。Iset3的取值可參見(jiàn)文獻(xiàn)[7]表11.3-4,根據(jù)瞬時(shí)脫扣器的脫扣形式(B,C,D)取值。

③ 還須滿(mǎn)足:RAIa≤25 V,Ia為RCD的額定動(dòng)作電流IΔn?？紤]到戶(hù)外照明裝置可能會(huì)處于雨/雪天氣或比較潮濕的環(huán)境中,因此安全電壓限制改為25 V;如果RCD的額定剩余動(dòng)作電流為IΔn,則故障電流必須大于5IΔn,才能保證RCD的動(dòng)作時(shí)間要求,一般情況下故障電流都能滿(mǎn)足要求,無(wú)須校驗(yàn)。

④ 滿(mǎn)足以上條件時(shí)可計(jì)算出配出電纜的最大長(zhǎng)度。當(dāng)實(shí)際電纜的長(zhǎng)度不大于最大長(zhǎng)度時(shí),此RCD可以兼作接地故障保護(hù)。當(dāng)實(shí)際電纜的長(zhǎng)度大于最大長(zhǎng)度時(shí),可以通過(guò)減小Iset3值或者增大線(xiàn)纜的截面積來(lái)滿(mǎn)足條件。

⑤ 對(duì)TT系統(tǒng)每一燈柱處需做接地。其接地電阻應(yīng)附合RdIΔn≤25 V,其中Rd為接地體的接地電阻,IΔn為RCD的額定剩余電流,若IΔn=30 mA,則Rd≤833 Ω,很容易滿(mǎn)足。

⑥ 根據(jù)IEC 60364-4-44 442.2,TT系統(tǒng)在高壓發(fā)生接地故障時(shí),低壓側(cè)的工頻故障電壓Uf無(wú)論RE與RB是否相連都為0,無(wú)需考慮。TN系統(tǒng)在RE與RB連接時(shí)Uf不為0。對(duì)于低壓側(cè)做等電位聯(lián)結(jié)的場(chǎng)所關(guān)系不大,但對(duì)于戶(hù)外燈具一般不具備等電位聯(lián)結(jié)條件時(shí),相對(duì)于TN接地系統(tǒng),TT接地系統(tǒng)具有一定的優(yōu)勢(shì)。

⑦ 有人建議對(duì)路燈等戶(hù)外燈具采用雙重或加強(qiáng)絕緣,這當(dāng)然好,將不會(huì)存在接地故障的問(wèn)題。但目前國(guó)內(nèi)還沒(méi)有類(lèi)似的產(chǎn)品出現(xiàn),即使出現(xiàn)此類(lèi)產(chǎn)品,因戶(hù)外燈具的成本將會(huì)增加,對(duì)于大量應(yīng)用戶(hù)外燈具的場(chǎng)所,投資方是否會(huì)接受增加的成本還很難說(shuō)。

8 每個(gè)路燈設(shè)RCD

路燈由于在戶(hù)外,遇到的情況復(fù)雜多變,如雨/雪天氣等,因此路燈分支回路的正常泄漏電流隨環(huán)境的變化也在不斷變化。各地的實(shí)際情況不盡相同,應(yīng)以實(shí)測(cè)值為準(zhǔn)。需特別注意的是,對(duì)于TN、TT系統(tǒng),之所以建議在每一路燈處安裝IΔn=30 mA的RCD,是因?yàn)橐ＷC每一路燈的剩余電流不超過(guò)30 mA。當(dāng)剩余電流超過(guò)30 mA時(shí),不管是正常的泄漏電流還是故障的泄漏電流,都會(huì)對(duì)人體造成傷害。因此,即使是正常的泄漏電流超過(guò)30 mA,也需要此處的RCD進(jìn)行分?jǐn)?。僅靠電源處的RCD作接地故障保護(hù)或斷路器兼作接地故障保護(hù)分?jǐn)噙h(yuǎn)不如每個(gè)燈具處安裝的RCD可靠,會(huì)受到很多因素的影響。這在IEC 60364-7-714[5]也有論述,如提到電話(huà)亭、候車(chē)亭、廣告牌等類(lèi)似的配套照明設(shè)備要求,應(yīng)設(shè)30 mA RCD作為附加保護(hù);對(duì)于TT接地系統(tǒng),不建議在電源側(cè)設(shè)總剩余電流保護(hù),會(huì)切斷整個(gè)戶(hù)外照明回路,擴(kuò)大故障的范圍,也對(duì)行人及車(chē)輛造成危險(xiǎn)。對(duì)于路燈回路,電源側(cè)的接地故障保護(hù)分?jǐn)嘁泊嬖谶@個(gè)問(wèn)題。對(duì)于設(shè)有剩余電流保護(hù)的戶(hù)外照明燈具,燈具的分?jǐn)嗖⒉恢匾?即使燈具處的正常泄漏電流過(guò)大而導(dǎo)致燈具處RCD分?jǐn)嘁矡o(wú)所謂,重要的是人的安全,這才是設(shè)計(jì)需要優(yōu)先考慮的問(wèn)題。從這個(gè)角度去看,RCD的整定值也應(yīng)為30 mA。

如果在路燈處設(shè)置RCD,接地故障主保護(hù)靠燈具處的RCD保護(hù),這樣電源側(cè)的接地故障保護(hù)電器相當(dāng)于后備保護(hù)。根據(jù)IEC 60364-4-41:2005附加保護(hù)的要求,不能將RCD作為唯一的接地故障保護(hù)措施,所以電源側(cè)的接地故障保護(hù)也要設(shè)置,也就是前面討論的接地系統(tǒng)是采用TN還是TT應(yīng)遵循的一般原則問(wèn)題,要根據(jù)接地系統(tǒng)設(shè)置電源側(cè)的接地故障保護(hù)開(kāi)關(guān)。另外,還要有其他的基本保護(hù)和獨(dú)立保護(hù)措施。這與現(xiàn)在很多國(guó)內(nèi)規(guī)范和文章所討論的路燈采用何種接地形式有所區(qū)別,以前所討論的都是把電源側(cè)的接地故障保護(hù)作為主保護(hù),路燈處的保護(hù)開(kāi)關(guān)反而作用不大。

每一路燈設(shè)剩余電流保護(hù),還有一個(gè)好處。當(dāng)某一路燈故障或剩余電流超過(guò)30 mA時(shí),該路燈的RCD就會(huì)分?jǐn)?很容易查找到有問(wèn)題的路燈。如果每一路燈沒(méi)有設(shè)剩余電流保護(hù),則故障時(shí)很可能會(huì)分?jǐn)嚯娫刺幍慕拥毓收媳Ｗo(hù)電器。如果這一回路的路燈比較多,則很難查找該回路哪個(gè)燈出現(xiàn)故障而導(dǎo)致的保護(hù)動(dòng)作,只能逐個(gè)排查,停電的檢修時(shí)間比較長(zhǎng)。

對(duì)于其他的戶(hù)外燈具,有些確實(shí)無(wú)法在燈具處設(shè)置剩余電流保護(hù),這樣不管是在電源側(cè)采用斷路器的瞬時(shí)脫扣器兼作接地故障保護(hù)還是采用RCD作接地故障保護(hù),都無(wú)法完全保障接地故障時(shí)及時(shí)、可靠地分?jǐn)喙收想娏?。這時(shí)接地形式對(duì)于燈具的保護(hù)不能起到?jīng)Q定性的作用,需要根據(jù)情況對(duì)燈具采用遮攔或外護(hù)物防護(hù)(不讓人接觸到)、雙重或加強(qiáng)絕緣(接觸不到帶電體)、特低電壓供電等措施,才能最大限度地保障人體接觸到戶(hù)外燈具時(shí)的安全,如室外的立面照明可以用圍欄圍起來(lái),草坪燈采用安全電壓等。

9 結(jié) 語(yǔ)

戶(hù)外燈具的接地形式現(xiàn)在還沒(méi)有一個(gè)定論,戶(hù)外燈具在各種環(huán)境下的正常泄漏電流也沒(méi)有權(quán)威可信的數(shù)據(jù)可依據(jù)。建議對(duì)于電話(huà)亭、候車(chē)亭、廣告牌等類(lèi)似的配套照明設(shè)備設(shè)30 mA RCD作為附加保護(hù),戶(hù)外每一路燈處設(shè)置RCD作為接地故障主保護(hù),電源處根據(jù)一般原則選擇TN、TT接地系統(tǒng)后,設(shè)置斷路器或RCD作為接地故障的后備保護(hù)。