也談室外道路照明配電系統(tǒng)的接地型式與安全防護(hù)

楊 林 潘世全 常 永 栗 克 巴 龍 商九坤

河南建筑材料研究設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司（450002）

0 概述

隨著人們生活水平的提高，室外道路照明已經(jīng)是現(xiàn)代生產(chǎn)、生活當(dāng)中必不可少的一部分，室外道路照明的主要功能是為行人和機(jī)動(dòng)車輛提供必要的亮度和照度，以滿足安全行駛的需求。 室外道路照明裝置屬于電擊防護(hù)等級(jí)I 類的用電設(shè)備，其金屬桿件等通常處于人體易于接觸到的范圍。當(dāng)照明裝置發(fā)生接地故障而使燈具的外露可導(dǎo)電部分呈現(xiàn)故障電壓時(shí),可能導(dǎo)致電擊事故,從而危及人身安全。 因此只有采用合理的接地形式，做好室外道路照明裝置的接地故障安全保護(hù),才能保證其用電的安全性和可靠性。

1 問(wèn)題的提出

CJJ 45—2006 《城市道路照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》6.1.9條規(guī)定：“道路照明配電系統(tǒng)的接地形式宜采用TNS 系統(tǒng)或TT系統(tǒng)……”并在條文解釋中對(duì)這兩種接地形式的特點(diǎn)進(jìn)行了闡述： 設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)的特點(diǎn)，結(jié)合路燈供電系統(tǒng)的具體情況，選擇采用TN-S系統(tǒng)或TT系統(tǒng)。 近年來(lái)，許多業(yè)界專家和學(xué)者對(duì)室外道路照明配電系統(tǒng)的接地形式進(jìn)行了很深入分析和討論，認(rèn)為道路照明配電系統(tǒng)采用TT接地系統(tǒng)更好。 但是也有部分業(yè)界人士認(rèn)為在室外道路照明設(shè)計(jì)中，應(yīng)直接采用TT接地形式而擯棄TN-S 接地形式。 究竟采用哪種接地形式更合適，應(yīng)根據(jù)具體情況并結(jié)合自身的特點(diǎn)，如用電負(fù)荷分散、工作環(huán)境相對(duì)惡劣、電纜線路較長(zhǎng)、受外界環(huán)境影響較大等進(jìn)行選擇。

2 室外道路照明中采用TT系統(tǒng)優(yōu)缺點(diǎn)分析

2.1 TT系統(tǒng)的特點(diǎn)

電源端有一點(diǎn)直接接地，配電裝置的外露可導(dǎo)電部分直接接地，此接地點(diǎn)獨(dú)立于電源端的接地點(diǎn)。

2.2 TT系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)

道路照明采用TT系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，已有許多文獻(xiàn)進(jìn)行了詳細(xì)的分析和闡述，主要集中在以下兩點(diǎn)：

TT系統(tǒng)的PE 線與電源端沒(méi)有直接的電氣聯(lián)系，因此，可以避免發(fā)生接地故障時(shí)， 因變壓器中性點(diǎn)對(duì)地電位升高造成的間接電擊事故。

TT系統(tǒng)在發(fā)生接地故障時(shí)， 故障回路包含電氣裝置外露可導(dǎo)電部分保護(hù)接地的接地極和電源處系統(tǒng)接地的接地極的接地電阻。與TN 系統(tǒng)相比，TT系統(tǒng)故障回路阻抗大，故障電流小，通常采用剩余電流動(dòng)作保護(hù)器RCD 作為接地故障保護(hù)裝置。接地故障保護(hù)的靈敏性很高，從而保障了間接接觸電擊保護(hù)的有效性。 因此，在正常情況下TT系統(tǒng)在道路照明配電中可以更好地保護(hù)靈敏度和安全性。

2.3 TT系統(tǒng)的局限性

TT系統(tǒng)要求電源端接地和用電設(shè)備端接地相互獨(dú)立，如在工業(yè)園區(qū)內(nèi),因場(chǎng)地限制,道路與建筑物間的距離很近,各種金屬管線路徑重疊,造成室外道路照明裝置、金屬管道和電氣設(shè)備之間的接地裝置難以實(shí)現(xiàn)相互獨(dú)立，難以實(shí)施TT系統(tǒng)接地。

另一方面，TT系統(tǒng)一個(gè)顯著的特點(diǎn)是保護(hù)靈敏度高，但這是它的優(yōu)點(diǎn)也是缺點(diǎn)。 因?yàn)楸Ｗo(hù)裝置的靈敏度和保護(hù)裝置的可靠性本身就是一對(duì)矛盾關(guān)系。 TT系統(tǒng)一般采用剩余電流動(dòng)作保護(hù)器RCD作為接地故障保護(hù)裝置，道路照明回路的正常漏電流，主要來(lái)自照明線路和燈具。 道路照明線路的正常漏電流通常在每公里幾十毫安，再加上照明燈具自身的漏電流（按每盞燈1 mA），根據(jù)規(guī)范要求，剩余電流動(dòng)作整定值應(yīng)等于或大于正常泄漏電流的2.5～4 倍，1 km 線路的剩余電流動(dòng)作保護(hù)整定值取200～500 mA 比較合適，而這還只是基于正常條件下的理論分析。 如果遇到天氣變化戶外環(huán)境惡劣，再者道路照明燈具本身質(zhì)量參差不齊， 部分燈具的防水性能較差，或遇上過(guò)分潮濕、下雨甚至浸水等情況，都會(huì)使回路漏電流增加。 此時(shí)，如果道路照明回路剩余電流整定值太小，必然引起保護(hù)電器誤動(dòng)作。由此可見(jiàn)，道路照明回路采用剩余電流動(dòng)作保護(hù)的剩余電流動(dòng)作值的整定極大地影響道路照明供電的可靠性。 目前困擾道路照明RCD 保護(hù)的一個(gè)大的難題就是開(kāi)關(guān)的誤動(dòng)作率很高，甚至有的工程管理部門為減少維護(hù)工作量，人為取消了回路的剩余電流動(dòng)作保護(hù)功能，讓回路處于“裸奔”狀態(tài)，這將對(duì)供電的安全性帶來(lái)更大的危害。

3 道路照明采用TN-S 系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)分析

3.1 TN-S 系統(tǒng)的特點(diǎn)

系統(tǒng)的電源端有一點(diǎn)直接接地，電氣裝置的外露可導(dǎo)電部分通過(guò)PE 線與電源端接地有直接的電氣聯(lián)系。

3.2 TN-S 系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)

TN-S 系統(tǒng)又被稱為大電流接地系統(tǒng)， 是因?yàn)楫?dāng)設(shè)備發(fā)生單相接地故障時(shí)候，如圖1 紅色線條所示，接地故障電流沿著PE 線返回變壓器中性點(diǎn)，單相接地故障電流被放大為單相短路電流，通過(guò)過(guò)流保護(hù)動(dòng)作來(lái)實(shí)現(xiàn)單相接地故障保護(hù)。

圖1 TN-S 系統(tǒng)無(wú)等電位聯(lián)結(jié)的接地故障分析

TN-S 系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是： 當(dāng)系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，PE線上沒(méi)有電流，只是N 線上有不平衡電流,電氣設(shè)備金屬外殼接地保護(hù)是接在專用的PE 保護(hù)線上，對(duì)地電壓為零。 如果系統(tǒng)內(nèi)發(fā)生接地故障的回路故障電流較大， 可利用過(guò)電流保護(hù)器兼作地故障保護(hù)。 當(dāng)線路較長(zhǎng)，導(dǎo)線截面小，過(guò)電流保護(hù)器不能滿足自動(dòng)斷電源的時(shí)間要求時(shí)， 也可采用RCD 作故障保護(hù)。 此外，TN 系統(tǒng)可采用局部等電位聯(lián)結(jié)作為附加防護(hù)，來(lái)進(jìn)一步降低接觸電壓，防止電擊事故的發(fā)生。因此TN-S 系統(tǒng)有更完備的安全防護(hù)措施。

3.3 TN-S 系統(tǒng)的缺點(diǎn)

在電氣安全防護(hù)方面，TN-S 系統(tǒng)常被人詬病的原因是PE 線的存在， 如果系統(tǒng)出現(xiàn)非本回路的接地故障，又無(wú)等電位聯(lián)結(jié)，在配電線路發(fā)生異常的情況下，如圖1 的L1 相上的P 點(diǎn)發(fā)生接地故障，接在L3 相和N 線之間的用電設(shè)備A 的外殼會(huì)因?yàn)镻E 線的存在而傳導(dǎo)故障電壓Uf，但該用電回路并沒(méi)有通過(guò)故障電流，所以本回路的保護(hù)電器不會(huì)動(dòng)作。 如果此故障電壓值超過(guò)接觸電壓限制，就有可能發(fā)生電擊事故， 為此，《低壓配電設(shè)計(jì)規(guī)范》GB 50054—2011 第5.2.11 明確要求，“當(dāng) TN 系統(tǒng)相導(dǎo)體與無(wú)等電位聯(lián)結(jié)作用的地之間發(fā)生接地故障時(shí)，為使保護(hù)導(dǎo)體和與之連接的外露可導(dǎo)電部分的對(duì)地電壓不超過(guò)50 V,其接地電阻的比值應(yīng)符合下式的要求：

式中：RB——所有與系統(tǒng)接地極并聯(lián)的接地電阻（Ω）；RE——相導(dǎo)體與大地之間的接地電阻（Ω）；U0——相導(dǎo)體與地標(biāo)稱電壓(V)。

對(duì)于道路照明而言，取電壓U0為220 V,上式經(jīng)整理后，有RB≤0.29RE,因RE是隨機(jī)值，所以難以對(duì)RB值規(guī)定一安全值，但可以肯定的是,在可能的情況下RB值應(yīng)盡量小。 因此，一方面，應(yīng)盡可能降低電源側(cè)的系統(tǒng)接地電阻， 此方法最為直接有效，而且投入較低。 事實(shí)上，目前采用的聯(lián)合接地系統(tǒng)，實(shí)測(cè)接地電阻通常在1 Ω 以下。另一方面，可以在保護(hù)線上多作重復(fù)接地，進(jìn)一步減小總的接地電阻。

4 TN-S 系統(tǒng)中接地故障保護(hù)靈敏度的保證

如前所述，TN-S 系統(tǒng)作為大電流接地系統(tǒng)，當(dāng)發(fā)生單相接地故障的時(shí)候，可以通過(guò)過(guò)流保護(hù)動(dòng)作來(lái)實(shí)現(xiàn)單相接地故障保護(hù)。 當(dāng)遇到饋電線路較長(zhǎng)，線路末端發(fā)生單相接地故障時(shí)，故障電流小，保護(hù)電器的接地故障保護(hù)靈敏性可能滿足不了在規(guī)定時(shí)間內(nèi)切斷故障電路的要求，因此，配電回路必須進(jìn)行保護(hù)電器靈敏度校驗(yàn)。

為保證過(guò)電流保護(hù)器的正確動(dòng)作，電氣設(shè)計(jì)人員在工程設(shè)計(jì)階段必須進(jìn)行準(zhǔn)確的接地故障電流計(jì)算。 而當(dāng)配電系統(tǒng)的參數(shù)，如系統(tǒng)短路容量、變壓器容量、斷路器或熔斷器參數(shù)等確定時(shí)，接地故障保護(hù)靈敏度的校驗(yàn)可簡(jiǎn)化為對(duì)回路截面和長(zhǎng)度的校驗(yàn)。 當(dāng)采用回路中的用熔斷器或斷路器進(jìn)行保護(hù)時(shí)，電纜截面與電纜長(zhǎng)度滿足對(duì)應(yīng)的選擇關(guān)系， 就可以認(rèn)為該配電回路能滿足接地故障保護(hù)靈敏性要求。 具體分析可詳見(jiàn)任元會(huì)老師的文章《道路照明配電系統(tǒng)接地方式和線路保護(hù)的探討》[1]。 從文章分析結(jié)果可以看出，無(wú)論是采用熔斷器還是普通微型斷路器，當(dāng)采用TN-S 接地系統(tǒng)的道路照明配電回路的長(zhǎng)度控制在800 m 以下時(shí)，基本可以保證回路接地故障保護(hù)靈敏性要求。 這個(gè)供電半徑對(duì)于道路照明也是比較經(jīng)濟(jì)合理的。 尤其是廠區(qū)內(nèi)部，道路大多圍繞著生產(chǎn)車間布置，而相關(guān)聯(lián)的生產(chǎn)車間之間又通常會(huì)設(shè)置單獨(dú)的電氣室，非常有利于TNS 接地系統(tǒng)道路照明的設(shè)置。

除此之外，對(duì)于個(gè)別更長(zhǎng)的線路，單相接地故障電流更小，不能滿足上述要求時(shí)，TN-S 系統(tǒng)還可以考慮采用以下方法，滿足保護(hù)靈敏度的要求：①裝設(shè)瞬時(shí)電磁脫扣值較小的斷路器， 如，2In≤Irm≤4In，它可對(duì)非常長(zhǎng)的回路提供人身保護(hù)，但必須檢驗(yàn)是否能躲過(guò)啟動(dòng)沖擊電流的影響；②可在回路上裝設(shè)RCD 剩余電流動(dòng)作保護(hù)器作接地故障保護(hù)，此時(shí)的RCD 不必是高靈敏度的， 可用幾安甚至十幾安； ③增大PE 線或相線的截面， 以減少環(huán)路阻抗；④增設(shè)輔助等電位連接，可以減少接地故障回路的阻抗，改善原有的防接觸電壓措施。

5 結(jié)論

室外道路照明關(guān)乎人身安全和財(cái)產(chǎn)安全，室外道路照明的接地型式不是一味的說(shuō)TT系統(tǒng)好或是TN-S 系統(tǒng)好，而是要結(jié)合具體情況分析。 對(duì)于有專用變壓器供電的、長(zhǎng)距離的市政道路照明，可優(yōu)先采用TT 接地系統(tǒng)，而對(duì)于廠區(qū)內(nèi)部，尤其是接近建筑物的道路照明，可優(yōu)先采用TN-S 系統(tǒng)，因?yàn)門N-S系統(tǒng)有更完備的安全防護(hù)措施來(lái)保證人身安全。