關(guān)于漏電保護(hù)器在城市道路照明系統(tǒng)中的應(yīng)用

雷小雄

(深圳市燈光環(huán)境管理中心，廣東 深圳 518001)

引言

隨著我國現(xiàn)代化城市建設(shè)的快速發(fā)展，城市道路路燈的數(shù)量急劇增加。城市道路照明不僅美化了城市的市容，也給市民的生產(chǎn)與生活帶來很大便利。但是由于多種原因?qū)е碌某鞘械缆氛彰髟O(shè)施的不完善及運行維護(hù)管理的不到位，造成了許多電氣安全事故。

為了切實防止城市道路照明系統(tǒng)觸電傷亡事故的發(fā)生，我們需要對城市道路照明系統(tǒng)的環(huán)境及安全有著徹底的認(rèn)識，而且要嚴(yán)格依據(jù)本行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求對道路照明系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計、建設(shè)及維護(hù)[1-3]。同時對于一些雷暴日較多、雨季較長等自然氣候惡劣且地形復(fù)雜的城市，建設(shè)單位可對城市道路路燈系統(tǒng)中的防觸電關(guān)鍵設(shè)施提出更高安全的要求，采用一些有著更高安全性能特點的優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品[4-7]。

1 漏電保護(hù)器應(yīng)用現(xiàn)狀及問題

漏電保護(hù)器動作原理是利用系統(tǒng)的接地故障電流或電壓的能量引發(fā)保護(hù)器的脫扣器作出相應(yīng)的反應(yīng)。系統(tǒng)正常運行時系統(tǒng)的剩余電流幾乎為零，故漏電保護(hù)器的動作整定值可以整定得很小(一般為mA級)。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生人身觸電或設(shè)備外殼帶電時，出現(xiàn)較大的剩余電流，漏電保護(hù)器則通過檢測和處理這個剩余電流后可靠地動作，切斷故障電源。

筆者依據(jù)多年來從事城市道路照明的運行維護(hù)實踐經(jīng)驗，認(rèn)為導(dǎo)致目前城市道路路燈系統(tǒng)漏電傷人的主要原因是一方面系統(tǒng)中的絕緣與接地存在問題，另一方面設(shè)計與建設(shè)人員對于系統(tǒng)中漏電保護(hù)器的選型與應(yīng)用上存在許多認(rèn)識上的誤區(qū)。

1.1 設(shè)計上的認(rèn)識誤區(qū)所帶來的問題

項目設(shè)計師對于漏電保護(hù)器存在認(rèn)識上的誤區(qū)。這主要體現(xiàn)在：

1)一些設(shè)計單位設(shè)計人員誤認(rèn)為在道路照明線路系統(tǒng)采用TN-S的接地形式，且燈桿做好保護(hù)接地就行了，在供電系統(tǒng)不必選用漏電保護(hù)器了。

2)部分設(shè)計師雖然已認(rèn)識到城市道路照明系統(tǒng)應(yīng)安裝漏電保護(hù)器，在項目設(shè)計時僅在箱式變壓器的低壓側(cè)回路上設(shè)計了線路保護(hù)用的漏電保護(hù)器，未在燈桿下方上燈線部分設(shè)計單相漏電保護(hù)器。

3)將電子式漏電保護(hù)器與電磁式漏電保護(hù)器混同，設(shè)計時對漏電保護(hù)器的類型未作具體要求，導(dǎo)致電子式漏電保護(hù)器頻繁跳閘，給維護(hù)人員帶來很大不便。

4)雖然對于箱式變壓器低壓側(cè)配電回路及燈桿內(nèi)檢修門內(nèi)作二級漏電保護(hù)設(shè)計，但是對于兩級漏電保護(hù)器的技術(shù)參數(shù)未整定好，導(dǎo)致在對剩余電流保護(hù)器的選型上出現(xiàn)錯誤。實際應(yīng)用時，不是漏電保護(hù)器頻繁跳閘，就是因終端燈桿漏電時整個回路都跳閘，整個線路都停止工作。

1.2 系統(tǒng)維護(hù)人員的問題

一般來說，城市道路照明系統(tǒng)維護(hù)人員負(fù)責(zé)的區(qū)域與線路數(shù)量都比較大，運行維護(hù)工作繁重，在漏電保護(hù)器的運行維護(hù)方面，對他們的工作量影響較大的主要表現(xiàn)在：

1) 在潮濕天氣特別是雷雨季節(jié)時漏電保護(hù)器頻繁跳閘，維護(hù)人員需要及時趕到現(xiàn)場對其進(jìn)行復(fù)位，恢復(fù)照明。維護(hù)人員在四處奔走合閘的過程中常常顧此失彼。面對大量重復(fù)合閘作業(yè)，為了不耽擱他們其他的維護(hù)工作，一些維護(hù)人員干脆棄用漏電保護(hù)器，或使用過流保護(hù)器替換漏電保護(hù)器，這樣產(chǎn)生了線路上更大的安全事故隱患。

2) 由于漏電保護(hù)器僅安裝于箱式變壓器低壓回路上，一條上燈線的漏電可以引起街道照明線路整體跳閘，不僅行人受較大影響，維護(hù)人員查找漏電源頭時需要一根一根排查，費時費力。

3) 戶外采用易受電磁干擾的電子式漏電保護(hù)器，因其受外界影響較大，如故障電壓過低(一般電子式漏電保護(hù)器的整定動作電壓為50 V)，漏電保護(hù)器可能拒動，這樣的安全隱患維護(hù)人員較難發(fā)現(xiàn)，也不易解除故障。

2 漏電保護(hù)器在城市道路照明系統(tǒng)中的應(yīng)用

鑒于以上現(xiàn)狀及問題，在選擇漏電保護(hù)器時應(yīng)該考慮使用一些更安全更穩(wěn)定的漏電保護(hù)設(shè)備，升級城市道路照明系統(tǒng)的安全性能。

2.1 采用漏電保護(hù)器的必要性

目前，國內(nèi)的城市道路照明系統(tǒng)大多采用TN/TT系統(tǒng)的接地形式?！冻鞘械缆氛彰髟O(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》(CJJ 45—2015)。6.1.8中明確，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)，并應(yīng)符合《低壓配電設(shè)計規(guī)范》(GB 50054—2011)的相關(guān)規(guī)定。

在TT系統(tǒng)內(nèi)發(fā)生接地故障時，其故障回路阻抗較大，故障電流相對較小，熔斷器或過流斷路器在接地故障的情況下不容易動作，應(yīng)設(shè)置漏電保護(hù)器。

而在TN系統(tǒng)中，配電線路采用過電流保護(hù)電器兼作間接接觸防護(hù)電器時，其動作特性應(yīng)符合GB 50054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(hù)電器或過流保護(hù)器。對于更安全的角度考慮，TN-S系統(tǒng)中也應(yīng)設(shè)置漏電保護(hù)器。

由此可知，無論是對于TN-S或TT的接地系統(tǒng)，在供電回路前端都應(yīng)設(shè)漏電保護(hù)開關(guān)，當(dāng)燈具漏電發(fā)生時，漏電保護(hù)開關(guān)迅速切斷電源，保護(hù)了人身安全。一般的解決辦法就是要根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求在箱式變壓器低壓側(cè)的配電系統(tǒng)中增加漏電保護(hù)器。

對于道路邊的金屬燈桿而言，一方面燈桿內(nèi)的電纜線長期處于通電、高溫、水浸的影響，易出現(xiàn)電纜防護(hù)層絕緣老化，另一方面因燈具的鎮(zhèn)流器在高溫或潮濕天氣下長期運行造成絕緣老化形成的漏電現(xiàn)象導(dǎo)致燈桿帶電也是常見危險現(xiàn)象。更有甚者，一些低洼地段的燈桿檢修門內(nèi)的電纜接頭因雨水進(jìn)入而出現(xiàn)防護(hù)功能缺失，易出現(xiàn)芯線或接頭觸到燈桿的情形，此時電纜線對地通常為220 V交流電壓。此類情形下的燈桿應(yīng)視為Ι類直接接觸的帶電體而考慮防護(hù)措施。根據(jù)GB 50054等5.1.12條要求，應(yīng)設(shè)置剩余動作電流不超過30 mA的漏電保護(hù)器，作為附加防護(hù)措施。

2.2 以電磁式漏電保護(hù)器代替電子式漏電保護(hù)器

通過調(diào)查了解，我們發(fā)現(xiàn)不少地方城市道路照明系統(tǒng)中采用的漏電保護(hù)器為家用電子式漏電保護(hù)器。較少采用電磁式漏電保護(hù)器，主要原因除了電子式漏電保護(hù)器的價格大大低于電磁式漏電保護(hù)器，其中對選購兩者的結(jié)構(gòu)性能特點不了解也是一個重要原因。

電子式剩余電流保護(hù)器零序電流互感器的二次回路和脫扣器之間接入一個電子放大線路，互感器二次回路的輸出電壓經(jīng)過電子線路放大后再激勵剩余電流脫扣器，其主要由零序電流互感器、電子控制漏電脫扣器和斷路器組成。當(dāng)被保護(hù)電路中漏電或人身觸電時，只要漏電電流經(jīng)過電子線路放大后達(dá)到設(shè)計選擇動作電流值，零序電流互感器的二次繞組就輸出一個信號，并通過漏電脫扣器使斷路器動作，從而切斷電源起到漏電和觸電保護(hù)作用，結(jié)構(gòu)見圖1。

電磁式剩余電流保護(hù)器零序電流互感器的二次回路輸出電壓不經(jīng)任何放大，直接激勵剩余電流脫扣器，其主要由零序電流互感器、漏電脫扣器和斷路器組成。當(dāng)被保護(hù)電路中漏電或人身觸電時，只要漏電電流達(dá)到設(shè)計選擇動作電流值，零序電流互感器的二次繞組直接通過漏電脫扣器使斷路器動作，從而切斷電源起到漏電和觸電保護(hù)作用。其結(jié)構(gòu)見圖2。

圖1 電子式漏電保護(hù)器的結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure of electronic leakage protector

圖2 電磁式漏電保護(hù)器的結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure of electromagnetic leakage protector

電磁式與電子式漏電保護(hù)器的抗干擾性能比較如表1所示?？梢钥闯觯姶攀铰╇姳Ｗo(hù)器較電子式漏電保護(hù)器具有不受外接電壓的變化影響，更強的抗雷擊浪涌電流的干擾能力。電子式漏電保護(hù)器雖然價格較低，但是由于其自身電子電路易受外界電磁干擾，外接電壓較低時會出現(xiàn)拒動的現(xiàn)象，存在較大的安全隱患。對于具備戶外特點城市道路照明設(shè)施而言，應(yīng)選用抗干擾性能更強，誤動作較少的電磁式漏電保護(hù)器。

2.3 選擇合適的漏電保護(hù)器的漏電動作電流值

通常為了保證人身安全，對于漏電保護(hù)器的選用上，一般要求額定漏電動作電流應(yīng)不大于人體安全電流值。因國際上普通公認(rèn)30 mA為人體安全電流值，所以部分設(shè)計師選用30 mA的漏電保護(hù)器應(yīng)用于路燈低壓箱變中。

但是在實際道路照明系統(tǒng)中，每一回路所控制的燈桿數(shù)通常為5～25盞不等的路燈，長導(dǎo)線對地的容性漏電流，加上路燈電纜分支多、接頭多、接地電阻高，特別是南方溫濕度一年四季較高，使得線纜與燈具的絕緣度常處于較低狀態(tài)等因素，選用30 mA的漏電保護(hù)器顯然不現(xiàn)實。

假設(shè)道路照明箱變的一個低壓回路電纜采用YJV-1KV-4×25 電纜，回路總長度為1 km，上燈線采用電纜VV-3×2.5,每一個燈桿的上燈線為15米，燈桿數(shù)量按照《城市道路照明設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》(CJJ 45—2015)標(biāo)準(zhǔn)中表5.1.3對截光型配光布置的燈桿間距為S≤3H計算，燈桿數(shù)為22根。

電纜的泄漏電流根據(jù)表2 (數(shù)據(jù)來自 《工業(yè)與民用配電設(shè)計手冊(第四版)》 表11.7-16)取值計算。

表1 電磁式與電子式漏電保護(hù)器的抗干擾性能比較表

表2 220 V/380 V單相及三相電纜穿管泄漏電流參考值

燈具泄漏電流根據(jù)GB 7000.1—2015《燈具 第1部分：一般要求與試驗》的表10.3接觸電流或保護(hù)電流的限值，I類接觸電流的最大限值為0.7 mA，現(xiàn)取0.7 mA計算，則照明回路電纜的泄漏電流為70 mA；上燈低壓線纜的泄漏電流為6.24 mA(取三相供電于22個路燈桿中泄漏電流最大的一相)；燈具的泄漏電流為5.6 mA(取三相供電于22個路燈桿中泄漏電流最大的一相)；則該照明回路的總泄漏電流約為81.84 mA。

根據(jù)以上計算結(jié)果，照明系統(tǒng)的泄漏電流在未考慮外部氣候環(huán)境和其他干擾的的情況下漏電電流已經(jīng)超過81.84 mA，如果我們使用30 mA動作電流漏電保護(hù)器則根本無法合閘。

目前我國的城市道路照明線路的布置中，常常會出現(xiàn)：

1) 配電半徑長，一般要幾百米，甚至上千米；對地電容性漏電現(xiàn)象在所難免;

2) 用電負(fù)荷分散，電纜中間接頭較多；接頭處理上防水及絕緣水平不夠達(dá)到IP65以上。

綜合考慮外部干擾、安全要求及線路老化、運行維護(hù)等綜合需要，結(jié)合CJJ 45—2015標(biāo)準(zhǔn)，對于箱式變壓器低壓側(cè)的配電系統(tǒng)應(yīng)采用額定動作漏電電流300 mA以上的漏電保護(hù)器。

2.4 漏電保護(hù)器對雷電浪涌的預(yù)防

在城市道路照明系統(tǒng)中，路燈和箱變一般都安裝在戶外，極易受到雷電天氣的感應(yīng)雷擊，造成浪涌沖擊，其波形一般為8/20 μs，見圖4。如果漏電保護(hù)器不具備抗浪涌的能力，則易在雷電天氣經(jīng)常性跳閘，增加維護(hù)工作量，且影響道路照明服務(wù)的持續(xù)性。

圖3 8/20 μs雷電沖擊浪涌波形圖Fig.3 8/20 μs lightning surge waveform

以某低壓電氣廠家的漏電保護(hù)器為例，普通型抗浪涌電流能力為250 A,而IR型漏電保護(hù)器的抗浪涌電流能力可以達(dá)到3 000 A(性能見表3)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于普通的漏電保護(hù)器，減少外界雷電等浪涌干擾，進(jìn)而可以讓漏電保護(hù)器能夠穩(wěn)定持續(xù)工作。

表3 IR型漏電保護(hù)器性能參數(shù)表

在雷雨天氣或雷暴日比較多的地區(qū)，城市道路照明系統(tǒng)中采用IR型漏電保護(hù)器，可以避免因漏電開關(guān)的頻繁跳閘引起的道路照明中斷，保障城市道路照明的服務(wù)連續(xù)性。

2.5 配電線路中二級漏電保護(hù)器的之間動作時間的配合

城市道路照明的低壓側(cè)通常采用二級保護(hù)設(shè)計：一是在箱式變壓器的主回路上設(shè)計一級過流、漏電及繼電保護(hù)，二是在燈桿下端的檢修門設(shè)計過流與漏電保護(hù)。

通過對路燈系統(tǒng)故障模擬試驗得知，無論對于TN還是TT系統(tǒng)，當(dāng)路燈配電線路末端發(fā)生單相接地故障時，一般標(biāo)準(zhǔn)型電磁式漏電保護(hù)器通常在發(fā)生接地故障時可以在0.2 s以內(nèi)切斷故障電流。

由于設(shè)計人員忽略了二級漏電保護(hù)器之間的動作時間，在設(shè)計時選用了脫扣時間相同的標(biāo)準(zhǔn)型漏電保護(hù)器，造成了一旦一個燈桿漏電，整個街道回路都斷電跳閘的現(xiàn)象，不僅給附近居民行人車輛通行造成很大不便，也給維護(hù)人員在故障線路查找上帶來很大困難。

為了獲得兩個串聯(lián)的漏電保護(hù)器之間的最佳的配合，選擇一個比下游的標(biāo)準(zhǔn)型漏電保護(hù)器脫扣時間更長的延時型漏電保護(hù)器在箱式變壓器低壓配電回路中是十分有必要的，見圖4。

圖4 采用延時型漏電保護(hù)器示意圖Fig.4 Schematic diagram of time-delay leakage protector

圖5 A/AC型(普通)，A[IR]型(抗脈沖)，A[S]型(延時) 的脫扣曲線圖Fig.5 Release curve of A/AC (normal), A[IR](anti-pulse), A[S](delay)

由圖4和圖5可知，延時型漏電保護(hù)器可達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)型漏電保護(hù)器的脫扣時間的5倍。這不僅達(dá)到了兩級間的漏電保護(hù)器的配合，而且協(xié)助維護(hù)人員聚焦線路故障段，節(jié)省維護(hù)時間。

3 電磁式漏電保護(hù)器在城市道路照明系統(tǒng)中應(yīng)用的意義

1)有效減少誤跳閘的次數(shù)。電磁式漏電保護(hù)器可有效抵御感應(yīng)雷擊浪涌電流不超過300 A(8/20 μs)沖擊，IR型電磁式漏電保護(hù)器耐浪涌沖擊能力更能達(dá)到3 kA(8/20 μs)，大大減低了可能不必要的跳閘的次數(shù)，適合在雷暴日較多的地區(qū)城市道路照明使用。

2)保障城市道路照明系統(tǒng)的服務(wù)連續(xù)性。S型電磁式漏電保護(hù)器具有延時動作性能，在箱變系統(tǒng)低壓系統(tǒng)中，可與安裝于系統(tǒng)末端的電磁式漏電保護(hù)器配合，切斷末端的故障線路，有效防止照明系統(tǒng)上一級漏電保護(hù)器在燈桿檢修孔上燈線或燈具發(fā)生漏電時下一級漏電保護(hù)器未動作前誤跳閘進(jìn)而引起大面積的路燈熄滅，提高城市道路照明的亮燈率，保障城市道路照明的服務(wù)連續(xù)性。城市道路照明箱式變電站實景如圖6所示。

圖6 城市道路照明箱式變電站實景圖Fig.6 Scene of Urban Road Lighting Box Substation

3)有效提高職能部門運維安全管理水平。在城市照明系統(tǒng)中使用電磁式漏電保護(hù)器，當(dāng)燈具、電纜接頭、線路等處發(fā)生漏電情況時可及時動作，切斷故障線路，防止行人觸電傷亡事故等發(fā)生，有效提高運維部門的安全管理水平。

4 總結(jié)

漏電保護(hù)器對于城市道路照明的安全系統(tǒng)，是必要且關(guān)鍵的安全設(shè)施。項目建設(shè)單位在設(shè)計與選型應(yīng)高度重視，在正確認(rèn)識漏電保護(hù)器的基礎(chǔ)上，選用適合行業(yè)自身特點的電磁式漏電保護(hù)器。

延時(S型)和抗雷擊涌流干擾(IR型)漏電保護(hù)器正引起行業(yè)的重視，筆者認(rèn)為應(yīng)在對其試用與運行監(jiān)測的同時，加強對其研究其特點，最終選擇合適的漏電保護(hù)器應(yīng)用于城市道路照明配電系統(tǒng)中，以切實提高城市道路照明設(shè)施的安全性與運行維護(hù)水平。