城市道路照明及戶外用電設(shè)施安全風(fēng)險分析及防范

劉志華， 羅 新

(1. 武漢市政工程設(shè)計研究院有限責(zé)任公司，武漢 430023；2. 湖北生態(tài)工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，武漢 430200)

1 概述

城市道路照明是城市道路建設(shè)必不可少的配套設(shè)施之一，其燈桿常常安裝于人行道或靠近公交港灣站臺處(如圖1),與不特定人群有著可隨意接觸的空間，一旦燈桿帶電將引發(fā)極大的危險性(若采取極其沖動不理智的方法去施救，易引發(fā)多人傷亡事故)，按照國務(wù)院《安全事故報告和處理條例》規(guī)定，3人以下為一般事故，3人以上為較大事故。因此對于城市道路照明及戶外用電設(shè)施的安全保證措施應(yīng)得到高度重視。

圖1 典型道路照明標(biāo)準橫斷面圖

本文所探討的道路照明專指AC 380/220V電源接入。自帶電源系統(tǒng)的太陽能及風(fēng)光互補型路燈由于其自身具有較高的安全性保證，不在文本討論之列。

為安全起見，路燈可導(dǎo)電金屬外殼(燈桿及基礎(chǔ)法蘭)需作接地處理，那么接地的依據(jù)及目的何在，接下來筆者就相關(guān)規(guī)范進行分析。

GB 50054-2011《低壓配電設(shè)計規(guī)范》(以下簡稱“《低規(guī)》”)有以下條款。

5.2.3 電氣裝置的外露可導(dǎo)電部分，應(yīng)與保護導(dǎo)體相連接；

5.2.7 TN系統(tǒng)中電氣裝置所有外露可導(dǎo)電部分均應(yīng)通過保護導(dǎo)體與電源系統(tǒng)的接地點連接；

5.2.14 TT系統(tǒng)中配電線路內(nèi)由同一間接接觸防護電器保護的外露可導(dǎo)電部分應(yīng)用保護導(dǎo)體接至共用或各自的接地極上。

GB 50065-2011《交流電氣裝置的接地設(shè)計規(guī)范》則將交流電氣裝置劃分為高壓及低壓兩部分，以1kV為界，其中對于高壓部分有明確規(guī)定。

3.1.1 電力系統(tǒng)裝置或設(shè)備應(yīng)按規(guī)定接地。

而對于低壓部分也有相關(guān)規(guī)定：

7.1.2 對于單電源系統(tǒng)，TN電源系統(tǒng)在電源處應(yīng)有一點直接接地，裝置的可導(dǎo)電部分應(yīng)經(jīng)PE線接到接地點。

對于多電源系統(tǒng)規(guī)范要求較為繁瑣，但也明確規(guī)定裝置的可導(dǎo)電部分必須接地。

行業(yè)規(guī)范JGJ 16-2008《民用建筑電氣設(shè)計規(guī)范》也有類似規(guī)定，雖其權(quán)威性遜于上述兩個國標(biāo)。

行業(yè)規(guī)范CJJ 45-2015《城市道路照明設(shè)計標(biāo)準》關(guān)于接地只有原則性的規(guī)定，但同時強調(diào)應(yīng)滿足國標(biāo)《低規(guī)》及GB 13955-2017《剩余電流動作保護裝置安裝和運行》(以下簡稱“《剩余電流》”)的相關(guān)要求。

根據(jù)上述規(guī)范及條文，道路照明設(shè)計中,燈桿(包括基礎(chǔ)法蘭)必須接地，其作用就是安全防護及導(dǎo)出故障電流。

2 接地系統(tǒng)分析

按電源(系統(tǒng))側(cè)一點接地，不接地(或經(jīng)高阻抗接地)以及電氣裝置的地與系統(tǒng)側(cè)地有無直接電氣連接來劃分可分為三種接地型式，即TN、TT、IT。

TN系統(tǒng)又可細分為TN-S、TN-C及TN-C-S，由于TN-C及TN-C-S的N線會流經(jīng)三相不平衡電流及可能的故障電流，會使N線一定程度上帶有電壓，因此設(shè)計上要謹慎應(yīng)用，IT系統(tǒng)一般運用特殊要求場所，道路照明設(shè)計一般采用TN-S接地系統(tǒng)及TT接地系統(tǒng)。

下面分析TN-S及TT兩種接地系統(tǒng)的單相接地故障電壓及危險性。

(1)金屬性單相接地故障

1)TN-S系統(tǒng)

TN-S系統(tǒng)單相接地示意圖見圖2。

圖2 TN-S系統(tǒng)單相接地示意圖

對于TN-S系統(tǒng)，由于RA+RR遠大于RL+RE，可不考慮RA及RR的影響。而Ud=U·RE/(RL+RE)，由于截面小于25mm2的導(dǎo)體，規(guī)范要求PE線與相線同截面同材質(zhì)，即RE=RL，Ud=1/2U，對于220V系統(tǒng)而言，Ud=110V，若此時人體接觸帶電燈桿，人體所受電壓為UR=Ud·RR/(RA+RR)≈Ud，其中RR為人體與大地之間的接觸電阻，正常值為 1 000～ 2 000Ω，在潮濕狀態(tài)下約為500Ω，而RA按規(guī)范取值一般為4Ω。

2)TT系統(tǒng)

T7系統(tǒng)單相接地示意圖參見圖3。

圖3 TT 系統(tǒng)單相接地示意圖

Ud=U·(RB+RA)/(RA+RB+RL)，由于RB+RA遠大于RL，即Ud≈U，RA即系統(tǒng)接地阻值，一般情況下取值4Ω，RB即單燈接地阻值，工程上通常采用Φ50鋼管或L50×5 L=2 500mm的鍍鋅角鋼一根處理，根據(jù)《工業(yè)與民用供配電設(shè)計手冊》第四版表14.6.12常用人工地極的工頻接地電阻中的數(shù)據(jù)，采用L50×5 L=2 500mm的鍍鋅角鋼，當(dāng)土壤電阻率為100Ω·m時接地電阻為32.4Ω(后續(xù)為方便計算取32Ω)，當(dāng)土壤電阻率為250Ω·m時接地電阻為81.1Ω(后續(xù)為方便計算取81Ω)。

根據(jù)以上分析，發(fā)生金屬性碰殼即單相接地時，若不能及時切除故障，燈桿所帶故障電壓：TN-S系統(tǒng)為系統(tǒng)電壓的一半即110V，TT系統(tǒng)為系統(tǒng)電壓即220V，此時若人體接觸帶電燈桿，人體所承受的電壓分別約為110V和220V。

(2)非金屬性單相接地故障

絕緣擊穿即為非金屬性連接，呈低阻狀態(tài)。筆者查閱相關(guān)文獻沒能查閱到這方面的阻值資料，但依據(jù)筆者三年前參與過的一起電氣故障排查實例，了解到母線至分接配電箱處配電箱主開關(guān)(200A塑殼開關(guān))，由于上方漏水，導(dǎo)致開關(guān)進線處與背板之間出現(xiàn)碳化，在斷開所有負荷的情況下，均對地呈低阻狀態(tài)，用萬用表實測對地電阻值在10～30Ω之間，拆下開關(guān)觀察，開關(guān)進線處背后約1/4的部分全部碳化。

下面針對絕緣擊穿的阻值R′分別取值10Ω、20Ω和30Ω對TN-S系統(tǒng)和TT系統(tǒng)的故障電壓進行分析計算。

某道路照明工程采用YJV-0.6/1kV-5×25電纜進行供電，線路最末端約800m。

1)TN-S系統(tǒng)

TN-S系統(tǒng)非金屬性短路故障接地示意圖參見圖4。

圖4 TN-S系統(tǒng)非金屬性短路故障接地示意圖

電纜線路直流電阻值Rθ=P·CjL/S，式中Rθ為線路直流電阻， P為導(dǎo)體電阻率，銅芯電纜取值為0.028 2Ω·mm2，Cj為接入系數(shù)，多股線為1.02，L為線路長度，取800m，S為電纜截面，取25mm2，代入R=0.0282×1.02×800/25=0.92Ω，由于配電電纜采用五芯等截面電纜，故有RL=RN=RE=0.92Ω，Ud=U·RE/(RE+RL+R′)，當(dāng)R′分別取值10Ω、20Ω和30Ω時，計算后得到Ud分別對應(yīng)為0.078U、0.042U和0.029U，按U=220V計算，則燈桿的外殼所帶電壓分別為17V、9.2V和9.4V。

2)TT系統(tǒng)

TT系統(tǒng)非金屬性短路故障接地示意圖參見圖5。

圖5 TT系統(tǒng)非金屬性短路故障接地示意圖

Ud=(4+RB)/(4+RB+R′+RL)U，根據(jù)前面的計算結(jié)果，RL=0.92Ω，RB為32Ω或81Ω，R′分別取值10Ω、20Ω和30Ω，燈桿帶電電壓計算參見表1。

燈桿帶電電壓計算 表1

若此時人體接觸帶電燈桿，人體接觸電阻與燈桿接地電阻形成并聯(lián)效應(yīng)，此時并聯(lián)等效電阻Rb為：RB·RR/(RB+RR)計算結(jié)果見表2。

考慮并聯(lián)阻值影響后的帶電電壓修正結(jié)果見表3。

并聯(lián)等效電阻計算表 表2

燈桿帶電電壓計算表(考慮并聯(lián)阻值) 表3

TT系統(tǒng)下發(fā)生非金屬性短路人體接觸燈桿所承受的危險電壓表 表4

通過以上計算分析，可得出如下結(jié)論：(1)金屬性單相接地時，燈桿處故障電壓：TN-S系統(tǒng)，Ud=110V，人體接觸時危險性較大；TT系統(tǒng)，Ud=220V，人體接觸時危險性很大。(2)非金屬性絕緣擊穿故障時，燈桿處故障電壓：TN-S系統(tǒng)，Ud=9.2～17V，人體接觸時基本無危險；TT系統(tǒng)，Ud=115～193V，此時人體接觸時所承受的故障電壓為101～183V，危險性很大。

從TT系統(tǒng)及IT系統(tǒng)對接地系統(tǒng)的要求公式為R≤50/Id，參考其他文件，正常情況下人體所能承受的交流電壓的極限值是50V，從上面分析比較得出，TT系統(tǒng)單相接地或發(fā)生漏電故障時其危險性遠大于TN-S系統(tǒng)。一般來說，減少電擊危險的辦法無外乎兩種途徑：(1)保護裝置快速動作；(2)降低接觸電壓。

TN-S系統(tǒng)由于發(fā)生金屬性單相接地時，故障電流主要流經(jīng)相線和PE線，故障電流相對較大易引起保護裝置快速動作，但對于道路照明，由于存在線路過長的問題，此時供電回路阻值相對較大，線路過電流保護裝置不一定能保護到末端燈具(燈桿)單相接地，若此情形下發(fā)生末端單相短路將存在較大危險性。而對于非金屬性擊穿式絕緣降低的漏電情況，由于絕緣電阻存在不確定性，也存在一定的危險性，此情況下外接接地電阻如何處理均不能降低接觸電壓，此種情況下必須采取相應(yīng)的安全處理措施。

TT系統(tǒng)無論是金屬性單相接地短路還是非金屬性絕緣擊穿(或降低)故障都存在較高危險的接觸電壓，即使實現(xiàn)等電位，也存在區(qū)域外進入保護防范內(nèi)跨步電壓電擊的危險，因此必須有安全可靠的防范措施。

3 規(guī)范解讀

(1)TN系統(tǒng)

根據(jù)《低規(guī)》第5.2.8的規(guī)定：TN系統(tǒng)中配電線路的間接接觸防護電器的動作特性，應(yīng)符合下式要求：Ia≤U0/Zs，式中Zs為接地故障回路阻抗，U0為相導(dǎo)體對地標(biāo)稱電壓，Ia保證間接接觸保護電器在規(guī)定動作時間內(nèi)切斷故障回路的動作電流。

公式解讀：保護裝置動作電流應(yīng)小于預(yù)期故障電流，但回路阻值受供電距離及導(dǎo)線截面積的制約，不可能無限減小。

根據(jù)《低規(guī)》第5.2.13規(guī)定：TN系統(tǒng)中，配電線路采用過電流保護電器兼作間接接觸防護電器時，其動作特性應(yīng)符合本規(guī)范第5.2.8 條的規(guī)定，當(dāng)不符合規(guī)定時，應(yīng)采用剩余電流動作保護電器。

規(guī)范解讀：當(dāng)無法確定TN系統(tǒng)的保護是否滿足規(guī)范要求時，增加剩余電流保護電器，事實上就構(gòu)成了雙保險，提高了系統(tǒng)運行的安全性和可靠性。

(2)TT系統(tǒng)

根據(jù)《低規(guī)》第5.2.18的規(guī)定：TT系統(tǒng)中，配電線路的間接接觸防護的保護電器應(yīng)采用剩余電流動作保護電器或過電流保護電器。第5.2.15的規(guī)定：TT系統(tǒng)配電線路間接接觸防護電器的動作特性，應(yīng)符合下式的要求：RA·Ia≤50V，式中RA為外露可導(dǎo)電部分的接地電阻和保護導(dǎo)體電阻之和(Ω)。

規(guī)范解讀：在TT系統(tǒng)下，由于電源系統(tǒng)側(cè)接地電阻的存在，理論上回路最大單相短路故障電流Id≤220/4≤55A，因此Id是受限的，同樣RB由于受施工及場地原因的限制，理論上小于10Ω很難實現(xiàn)，故有Id≤220/(4+10)≤15.7A，因此TT系統(tǒng)采用斷路器或熔斷器作為間接防護動作電器，筆者認為存在很大的不確定性。

根據(jù)《剩余電流》第4.2.2.2的規(guī)定：TT系統(tǒng)的電氣線路或電氣設(shè)備必須裝設(shè)剩余電流保護裝置作為電擊事故的保護措施。

規(guī)范解讀：采用剩余電流保護裝置是TT系統(tǒng)存在的前置條件。既然TN系統(tǒng)允許加裝漏電保護，而TT系統(tǒng)必須加裝漏電保護，那兩者有何區(qū)別？

筆者認為：對于TN系統(tǒng)而言，在電源側(cè)接地電阻4Ω、有獨立的PE線、重復(fù)接地10Ω(規(guī)范無強制要求)、加裝漏電保護裝置的情況下，其優(yōu)點是容易實現(xiàn)過電流兼單相接地，加裝漏電保護裝置構(gòu)成雙重保護，而且重復(fù)接地容易實現(xiàn)(多個并聯(lián)即可)，但各設(shè)備沒有硬性的接地阻值要求。而對于TT系統(tǒng)，電源側(cè)接地電阻4Ω，無PE線要求(規(guī)范沒規(guī)定不同保護對象須單相接地，也可以PE線串接)。其優(yōu)點是節(jié)省投資(可節(jié)省PE線，也可不節(jié)省)，但單燈接地電阻有阻值要求，且阻值帶有不確定性，存在設(shè)計責(zé)任及工程驗收風(fēng)險。

現(xiàn)在業(yè)內(nèi)有一種觀點認為，TN系統(tǒng)有可能存在故障電壓反串增加危險，TT系統(tǒng)(不帶PE線)不會有故障電壓反串。但筆者認為，一個危險源的存在并不比十個危險源存在的危險性小，嚴格按規(guī)范行事，堅決杜絕安全隱患才是上策。從筆者多年的設(shè)計經(jīng)驗來看，TN系統(tǒng)輔以剩余電流保護裝置較TT系統(tǒng)安全可靠的多。

4 道路照明工程分析

道路照明有其獨特的特點：線路長、負荷分散，無法做到等電位或局部等電位處理，CJJ 45-2015《城市道路照明設(shè)計標(biāo)準》第6.15條規(guī)定：每個燈具應(yīng)設(shè)有單獨的保護裝置。設(shè)計院對單燈保護處理一般都選擇為帶漏電脫扣的斷路器作為單燈保護裝置，但由于安裝空間受限(特別是雙臂路燈或多回路供電燈具)，往往無法安裝。筆者建議，對于安裝空間受限場所，可采用分組控制，每三個燈具為一組(三相交錯供電或單相供電均可)，安裝一個戶外非金屬材質(zhì)的控制箱，控制箱的安裝高度應(yīng)考慮極端天氣下道路漬水的影響，保護電器可置于燈桿內(nèi)部其安裝高度亦應(yīng)考慮道路積水的影響，同時電源進線處應(yīng)作加強絕緣處理(防止電源進線部分出現(xiàn)絕緣故障)，電源埋管建議采用非金屬管材，進線建議采用電纜(絕緣強于電線)，且穿塑料軟管保護并固定。其他戶外用電設(shè)施(如戶外廣告牌、帶廣告及亮化的公交站臺)均建議作此處理。

斷路器脫扣電流可依據(jù)單燈額定電流的選擇。

國家標(biāo)準GB 50054-2011、GB 50065-2011及行業(yè)標(biāo)準CJJ 45-2015、CJJ 89-2012均沒有規(guī)定道路照明漏電保護脫扣電流值，筆者建議，參照《剩余電流》第5.7及5.8條的規(guī)定：末端及燈具或其他戶外用電設(shè)施按潮濕場所(考慮雨雪等惡劣天氣)的電氣設(shè)施應(yīng)選用剩余動作電流為16～30mA，可選用30mA一般型剩余電流保護裝置。另對于線路部分，筆者建議選用300mA動作電流可調(diào)節(jié)、延時動作型的剩余電流保護裝置。

根據(jù)《剩余電流》第7.5條規(guī)定，建議設(shè)計文件對電子式剩余電流裝置做相應(yīng)說明：根據(jù)電子元件有效工作壽命，工作年限一般為6年，超過規(guī)定年限應(yīng)進行全面檢測，并根據(jù)檢測結(jié)果決定可否繼續(xù)運行。

5 結(jié)束語

綜上所述，道路照明工程設(shè)計接地系統(tǒng)建議采用TN-S系統(tǒng)(可推廣至戶外用電設(shè)備)，并加末端防護，即單燈加裝漏電保護脫扣裝置。