市政道路照明采用TN-S接地方式時(shí)的接地故障保護(hù)分析

方 敏

(江西省城鄉(xiāng)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究總院，南昌 330000)

0 引言

在城市道路照明電氣設(shè)計(jì)中，燈具的金屬燈桿與不特定人群的接觸有著頻繁及不確定的特點(diǎn)，一旦燈桿帶電會(huì)存在較高的危險(xiǎn)。根據(jù)國(guó)務(wù)院《生產(chǎn)安全事故報(bào)告和處理?xiàng)l例》規(guī)定，3人以下為一般事故，3人以上為較大事故。因此，應(yīng)高度重視城市道路照明及戶外用電設(shè)施的安全措施。

市政道路照明的特點(diǎn)是：路燈供電線路長(zhǎng)、負(fù)荷小且分散、路燈屬于I類電氣設(shè)備；照明配電系統(tǒng)一般采用TN系統(tǒng)或TT系統(tǒng)。本文重點(diǎn)分析當(dāng)?shù)缆氛彰髋潆娤到y(tǒng)采用TN-S系統(tǒng)時(shí)380/220V電源接入的道路照明的電氣安全，指出其局限性，最后提出新的優(yōu)化方案。

1 TN-S系統(tǒng)應(yīng)用于市政道路照明時(shí)的兩個(gè)主要缺陷

(1)由于市政道路照明的配電線路較長(zhǎng)，按最不利因素考慮線路末端發(fā)生接地故障時(shí)，其接地故障電流小。

(2)市政道路照明為戶外環(huán)境，很難實(shí)施完善的等電位措施，如發(fā)生某些接地故障時(shí)，則可能導(dǎo)致電擊危險(xiǎn)。

2 需要明確的概念

在TN系統(tǒng)內(nèi)發(fā)生單相接地故障時(shí)，電源的切斷與低壓系統(tǒng)接地的接地電阻的阻值大小無關(guān)。

(1)TN-S系統(tǒng)單相接地示意圖見圖1。

TN系統(tǒng)內(nèi)的PE線是連通的，任一處發(fā)生接地故障，其故障電壓可沿PE線傳導(dǎo)至他處從而可能引起危害。

由于RA+RR>>RL+RE，因此可不考慮RA及RR的影響。若人體接觸帶電燈桿時(shí)，人體所承受的電壓為UR=Ud×RR/(RA+RR)≈Ud。其中，Ud為故障點(diǎn)處電壓。

圖1 TN-S系統(tǒng)單相接地示意圖

(2)根據(jù)GB 50054-2011《低壓配電設(shè)計(jì)規(guī)范》第5.2.8條，TN系統(tǒng)內(nèi)選用的自動(dòng)切斷電源的防護(hù)電氣或回路導(dǎo)體，應(yīng)能滿足在發(fā)生接地故障時(shí)，在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)切斷電源的要求：

ZsIa≤U0

(1)

式中，Zs為接地故障回路阻抗，包括相線、PEN線、PE線和變壓器阻抗，Ω;Ia為保證防護(hù)電器能在規(guī)定時(shí)間內(nèi)動(dòng)作的最小電流，為斷路器的瞬動(dòng)電流或?yàn)槿蹟嗥魅垠w額定電流In的若干倍，即Ia=KIn，A;U0為相導(dǎo)體對(duì)地標(biāo)稱電壓，V;在發(fā)生故障點(diǎn)阻抗可忽略不計(jì)的接地故障后，故障電流Id必須大于Ia才能使防護(hù)電器在規(guī)定時(shí)間內(nèi)動(dòng)作，即Id>Ia；而Id=U0/ZS；因此，U0/ZS>Ia。

從以上可知，在TN系統(tǒng)內(nèi)發(fā)生接地故障時(shí)，電源的切斷與低壓系統(tǒng)接地的接地電阻的阻值大小無關(guān)；保護(hù)裝置動(dòng)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。

3 市政道路照明采用TN-S系統(tǒng)時(shí)的配電保護(hù)分析

根據(jù)GB 50054-2011《低壓配電設(shè)計(jì)規(guī)范》，低壓配電線路應(yīng)裝設(shè)短路保護(hù)和過負(fù)荷保護(hù)。針對(duì)單相接地故障，本文重點(diǎn)分析短路保護(hù)。

3.1 短路保護(hù)分析

3.1.1 TN系統(tǒng)利用過電流防護(hù)電器兼做接地故障保護(hù)

引用規(guī)范：配電線路的短路保護(hù)電器，應(yīng)在短路電流對(duì)導(dǎo)體和連接處產(chǎn)生的熱作用和機(jī)械作用造成傷害之前切斷電源，且應(yīng)符合GB 50054-2011《低壓配電設(shè)計(jì)規(guī)范》的規(guī)定：當(dāng)短路保護(hù)電器為斷路器時(shí)，被保護(hù)線路末端的短路電流不應(yīng)小于斷路器瞬時(shí)或短延時(shí)過電流脫扣器額定電流的1.3倍。

保護(hù)措施：照明出線回路選用斷路器做為保護(hù)電器時(shí)，其瞬時(shí)或短延時(shí)過電流脫扣器的整定電流應(yīng)大于被保護(hù)線路末端的短路電流的1.3倍，這構(gòu)成了第一重保護(hù)。

但TN-S系統(tǒng)的配電線路過長(zhǎng)時(shí)，一般難以滿足靈敏度安全校驗(yàn)，當(dāng)發(fā)生線路末端接地故障時(shí)，過小的接地故障電流無法使線路首端的保護(hù)電器動(dòng)作，不能切斷故障電路，因此有必要裝設(shè)剩余電流動(dòng)作保護(hù)電器。

3.1.2 利用剩余電流動(dòng)作保護(hù)電器

引用規(guī)范：根據(jù)GB 50054-2011《低壓配電設(shè)計(jì)規(guī)范》第5.2.13條：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(shí)，其動(dòng)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(shí)，應(yīng)采用剩余電流動(dòng)作保護(hù)電器。

保護(hù)措施：當(dāng)?shù)谝恢乇Ｗo(hù)不能滿足時(shí)，可采用剩余電流動(dòng)作保護(hù)器，剩余電流值在100～300mA之間可調(diào)，這構(gòu)成了第二重保護(hù)，提高了系統(tǒng)運(yùn)行的安全性和可靠性。

3.1.3 實(shí)施單燈保護(hù)且對(duì)每套路燈做局部等電位連接作為附加防護(hù)

引用規(guī)范：根據(jù)CJJ 45-2015《城市道路照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》第6.15條規(guī)定：每個(gè)燈具應(yīng)設(shè)有單獨(dú)的保護(hù)裝置。

由于路燈屬于I類電氣設(shè)備，即其除了具有金屬外殼做為基本絕緣來防電擊以外，還具有經(jīng)PE線接地的手段。當(dāng)其絕緣損壞后，金屬外殼則帶危險(xiǎn)故障電壓，存在間接接觸電擊危險(xiǎn)。

根據(jù)IEC 60479圖表：電流路徑從左手到雙腳的交流電流(15～100Hz)對(duì)人效應(yīng)的約定的時(shí)間/電流區(qū)域的測(cè)試曲線可知，交流電流通過人體時(shí)因發(fā)生心室纖顫而電擊致死的人體電流閾值為30mA。

保護(hù)措施：每套路燈采用RCD防護(hù)電器自動(dòng)切斷電源做故障防護(hù)，剩余電流值建議選擇30mA。如果電子式RCD失效拒動(dòng)，待局部等電位聯(lián)結(jié)后，將接觸電壓限制在限制UL以下，人身也不致電擊致死，這就構(gòu)成了第三重保護(hù)。

3.2 配電線路保護(hù)計(jì)算

3.2.1 計(jì)算條件

(1)照明配電一般采用干式變壓器，本文以比較常用的變壓器容量160kVA為例進(jìn)行計(jì)算。160kVA及以下的變壓器，其阻抗電壓和低壓側(cè)母線規(guī)格一樣，其中阻抗電壓為4%，低壓側(cè)母線規(guī)格為L(zhǎng)MY-4(40×4)，配電變壓器聯(lián)結(jié)組別均為Dyn11。

(2)線路保護(hù)電器采用電子式斷路器，長(zhǎng)延時(shí)過電流脫扣器整定值Iset1取25A，瞬時(shí)過電流脫扣器整定值Iset3取5Iset1取，125A。

(3)配電線路長(zhǎng)度從200～1 000m，共分為17檔。

(4)線路采用交聯(lián)聚乙烯電纜(YJV)，五芯，N線和PE線與N線相同截面，截面為10mm2，16mm2，25mm2，35mm2四種規(guī)格。

(5)按照我國(guó)低壓系統(tǒng)的允許電壓偏差，電壓系數(shù)c取1.05。

3.2.2 計(jì)算公式

關(guān)于市政道路照明回路的單相接地故障電流是需要根據(jù)相-?；芈愤M(jìn)行計(jì)算。當(dāng)線路末端發(fā)生單相接地故障時(shí)，該相-?；芈分?，共有五種阻抗原件，分別是高壓系統(tǒng)、變壓器、低壓母線、低壓電纜和燈頭引接線，其單相接地故障電流：

(2)

式中，Rphp為回路各元件相保電阻之和，即Rphp=Rphp.s+Rphp.t+Rphp.m+Rphp.l+Rphp.y；Xphp為回路各元件相保電抗之和，即Xphp=Xphp.s+Xphp.t+Xphp.m+Xphp.l+Xphp.y；Rphp.s、Rphp.t、Rphp.m、Rphp.l、Rphp.y分別是高壓系統(tǒng)、變壓器、低壓母線、低壓電纜和燈頭引接線的相保電阻；Xphp.s、Xphp.t、Xphp.m、Xphp.l、Xphp.y分別是高壓系統(tǒng)、變壓器、低壓母線、低壓電纜和燈頭引接線的相保電抗。

3.2.3 計(jì)算結(jié)果

線路末端單相接地短路電流計(jì)算結(jié)果見表1。

3.2.4 靈敏度分析

短路保護(hù)電器為電子式斷路器時(shí)，根據(jù)表1所列的Id值，符合Id≥1.3Iset3的列于表2。

TN-S系統(tǒng)線路末端單相接地短路電流Id(A)(利用電纜PE線) 表1

滿足公式(Id≥1.3Iset3)的配電線路長(zhǎng)度限值(利用電纜PE線) 表2

說明：Iset1=25A，Iset3=5Iset1=125A

從表2可知，長(zhǎng)度在850m以上，即使電纜截面選擇35mm2也無法滿足接地故障保護(hù)要求；可以通過加大電纜截面來增加供電半徑并滿足接地故障保護(hù)要求。

3.2.5 改進(jìn)措施

在市政道路照明工程中，TN-S系統(tǒng)的缺點(diǎn)就是難以做有效的等電位聯(lián)結(jié)，當(dāng)配電線路較長(zhǎng)時(shí)，導(dǎo)致接地故障電流小，使得斷路器作為短路保護(hù)電器時(shí)無法進(jìn)行有效的保護(hù)。

如果沿照明線路通長(zhǎng)敷設(shè)一根等電位連接導(dǎo)體作為總等電位連接線，本文以沿照明線路通長(zhǎng)敷設(shè)一根截面為120mm2的電纜為例，則線路末端單相接地短路電流計(jì)算結(jié)果見表3。

其配電保護(hù)線路路長(zhǎng)度限值見表4。

從表3和表4可知，加設(shè)一根單芯120mm2電纜做為總等電位連接線時(shí)，線路末端的單相接地短路電流大幅提高，從而有效提高保護(hù)范圍。

TN-S系統(tǒng)線路末端單相接地短路電流Id/A(單獨(dú)敷設(shè)等電位聯(lián)結(jié)導(dǎo)體(單芯120mm2)) 表3

滿足公式(Id≥1.3Iset3)的配電線路長(zhǎng)度限值(單獨(dú)敷設(shè)等電位聯(lián)結(jié)導(dǎo)體(單芯120mm2)) 表4

說明：Iset1=25A，Iset3=5Iset1=125A

4 市政道路照明配電系統(tǒng)的探討

采用TN-S系統(tǒng)時(shí)，對(duì)于接地故障的保護(hù)設(shè)計(jì)思路整理如下。

(1)建議PE與相線等截面，且按公式(Id≥1.3Iset3)進(jìn)行校驗(yàn)。如配電線路較長(zhǎng)時(shí)，斷路器作接地故障保護(hù)難以達(dá)到規(guī)范要求，可采用加大電纜截面來提高線路末端單相接地故障電流，但電纜截面不建議超過35mm2。如仍不能滿足，則可以加設(shè)一根單芯120mm2電纜作為總等電位連接線，可有效提高供電半徑并滿足規(guī)范規(guī)定的接地故障保護(hù)要求。

(2)配電線路可采用剩余電流動(dòng)作保護(hù)電器。剩余電流值建議選擇100～300mA動(dòng)作電流可調(diào)、延時(shí)動(dòng)作型的剩余電流保護(hù)裝置。

(3)每套路燈采用RCD防護(hù)電器自動(dòng)切斷電源做故障防護(hù)。剩余電流值建議選擇30mA。

5 結(jié)束語(yǔ)

TN-S系統(tǒng)中，在總等電位連接(通長(zhǎng)敷設(shè)PE線或增設(shè)等電位聯(lián)結(jié)導(dǎo)體)和單燈局部等電位聯(lián)結(jié)的基礎(chǔ)上，以單相接地故障靈敏度校驗(yàn)為主，輔以剩余電流動(dòng)作保護(hù)電器，同時(shí)單燈實(shí)施RCD防護(hù)電器，基本可有效的進(jìn)行單相接地故障保護(hù)，但仍受配電線路長(zhǎng)度的制約。