城市照明安全問題及解決措施

周再皝

廈門市市政工程設(shè)計(jì)院有限公司，福建 廈門 361000

0 引言

隨著人們生活水平的提高，對(duì)城市功能性照明和景觀夜景照明的需求越來越高，各種亮化工程、燈光工程等城市照明建設(shè)迅速。城市照明一定程度體現(xiàn)城市現(xiàn)代化建設(shè)水平及人民生活的幸福感重要指標(biāo)，有利用提升城市形象。根據(jù)相關(guān)行業(yè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，城市照明用電量約占全國總用電量的10%。在城市照明快速發(fā)展過程，往往較為關(guān)注燈光所呈現(xiàn)出來的夜景效果，而電氣安全問題常常容易被人民所忽視[1]。文章主要從城市照明存在安全問題入手進(jìn)行解析，提出相關(guān)解決措施。

1 城市照明供電安全問題

城市照明主要由路燈、庭院燈及相關(guān)景觀照明燈具組成，其桿件目前均為金屬桿件，且經(jīng)常設(shè)置于綠化帶、人行道邊上或構(gòu)筑物上。遇上陰雨天，燈桿存在漏電可能性極大。另外，由于施工工藝問題，部分電纜接頭處理不當(dāng)，均會(huì)存在極大的安全隱患。

根據(jù)《城市道路照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（CJJ 45—2015）中6.1.8條，“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)符合現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)《低壓配電設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50054—2011）的相關(guān)規(guī)定。當(dāng)采用剩余電流保護(hù)裝置時(shí)，還應(yīng)滿足現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)《剩余電流動(dòng)作保護(hù)裝置安裝和運(yùn)行》（GB 13955）的相關(guān)要求?！?目前兩種接地系統(tǒng)在不同地區(qū)均有采用，本次針對(duì)兩種系統(tǒng)存在安全問題簡要分析[2]。

（1）采用TN-S系統(tǒng)時(shí)，一旦發(fā)生單相接地故障，由于TN-S系統(tǒng)燈桿都是通過PE線進(jìn)行連接的，故障電流將會(huì)沿PE傳導(dǎo)，加之戶外無法實(shí)施等電位聯(lián)結(jié)，其他燈桿將會(huì)帶電，擴(kuò)大故障范圍，增加人身電擊事故概率。此外，城市道路照明供電距離長，發(fā)生故障時(shí)，末端短路電流小，若開關(guān)整定不合理，保護(hù)開關(guān)將無法開展可靠動(dòng)作，會(huì)導(dǎo)致故障擴(kuò)大。

（2）采用TT系統(tǒng)時(shí)，電源線和路燈的保護(hù)接地線是分開，其主要優(yōu)點(diǎn)如下：①TT型式的接地系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障不會(huì)將故障電壓傳導(dǎo)，在一定程度上，將故障范圍控制在單根路燈范圍，保障人員安全。②TT保護(hù)系統(tǒng)的接地故障保護(hù)采用剩余電流動(dòng)作保護(hù)器RCD，接地故障保護(hù)靈敏性很高，從而保證了間接接觸電擊保護(hù)的有效性。但同時(shí)存在以下幾個(gè)問題：其一，由于TT系統(tǒng)沒有PE線，一旦發(fā)生單相接地故障，電流相對(duì)TN-S系統(tǒng)更小，故障保護(hù)要通過RCD進(jìn)行，RCD整定值需要通過線纜、燈具等設(shè)備進(jìn)行合理計(jì)算，但由于室外環(huán)境的特殊性，要使RCD完全躲過正常計(jì)算電流比較困難。同時(shí)，由于RCD整定值不合理將會(huì)頻繁誤動(dòng)作，降低城市道路照明配電回路的供電可靠性，這將會(huì)給城市快速路、主干路或者交通樞紐等帶來一定的安全隱患。其二，發(fā)生故障時(shí)，TT系統(tǒng)并未通過PE分壓，故單燈的接觸電壓達(dá)到220 V，相對(duì)TN-S的110 V則更高更危險(xiǎn)。其三，根據(jù)《建筑物電氣裝置》（GB 16895.21—2011/IEC 60364-4-41:2001） 415.1.2條，“不能將RCD的裝用作為唯一的保護(hù)措施，也不能為它的裝用而取消按照411～414規(guī)定的其中一種保護(hù)措施”。顯然，在單相接地故障的情況下，TT系統(tǒng)的故障電流更小，過電流保護(hù)器較難實(shí)現(xiàn)完整保護(hù)，而RCD僅作為附加保護(hù)，在故障情況TT系統(tǒng)的保護(hù)基本依靠RCD過電流保護(hù)，一旦出現(xiàn)RCD損壞，將會(huì)極大威脅到行人的人身安全。

一般來說，減少電擊方法無非是兩種：①保護(hù)裝置的快速動(dòng)作；②降低接觸電壓。目前行業(yè)認(rèn)可采用TT系統(tǒng)主要是因?yàn)門T系統(tǒng)沒有帶PE線，沒有傳導(dǎo)故障電壓的危險(xiǎn)性，危險(xiǎn)源控制在一處。筆者認(rèn)為，不管危險(xiǎn)源幾處，最重要的是能快速切除或者降低接觸電壓。綜上考慮，筆者認(rèn)為TN-S系統(tǒng)可以通過多種措施實(shí)現(xiàn)多層保護(hù)，更適合應(yīng)用于城市照明。

2 TN接地系電氣安全措施

2.1 適當(dāng)降低系統(tǒng)接地電阻值

根據(jù)《低壓配電設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50054—2011）5.2.11條“當(dāng)TN系統(tǒng)相導(dǎo)體與無等電位聯(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50 V”；當(dāng)位于潮濕環(huán)境，則不超過25 V。公式表述如下。

正 常 環(huán) 境：RB/RE≤50/(U0-50)，其 中U0=220 V，即RB≤0.29RE。

潮 濕 環(huán) 境：RB/RE≤25/(U0-25)，其 中U0=220 V，即RB≤0.13RE。

如圖1所示，根據(jù)單相故障分析，Uf=IdRB，降低接觸電阻可以有效降低預(yù)接觸電壓。因此，在TN-S系統(tǒng)中，可以建議系統(tǒng)接地電阻≤2Ω[3]。

圖1 TN系統(tǒng)發(fā)生接地故障時(shí)的故障電壓分析圖

2.2 選擇可調(diào)式電子式剩余電流斷路器（帶接地故障保護(hù)）

由于城市道路照明中用電負(fù)荷相對(duì)較小，通常情況下載流量、壓降及熱穩(wěn)定度都可以滿足要求，設(shè)計(jì)中往往忽略了靈敏度的驗(yàn)算。根據(jù)《低壓配電設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50054—2011）6.2.4條“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)過電流脫扣器整定電流的1.3倍”。

例如：道路照明某供電回路，供電距離800 m，所帶負(fù)荷15 kW。根據(jù)計(jì)算負(fù)荷Ijs=15/(0.38×1.732×0.95)= 25.32 A，擬選用Ir1=In=32 A，電纜采用YJV-0.6/1.0-5×25。

根據(jù)《工業(yè)與民用配電設(shè)計(jì)手冊(cè)》（第四版）11.2.4故障情況下的自動(dòng)切斷電源

Ik=[(0.8～1.0)U0Sk1k2 ] / [1.5ρ(1+m)L]，其中m=S/Spe（相線截面/保護(hù)線接線）。其中相線截面＜95 mm2， 且為單根電纜，故k1=1，k2=1。

式中(0.8～1.0)為電源側(cè)阻抗系統(tǒng)，是考慮接地故障回路省略變壓器阻抗和高壓側(cè)系統(tǒng)阻抗導(dǎo)致的誤差進(jìn)行的修正，當(dāng)故障點(diǎn)遠(yuǎn)離變壓器、線路截面積較小、變壓器容量較大時(shí)，取高值，反之，取低值；1.5為由于短路引起的發(fā)熱，電纜電阻增大系數(shù)；U0為相對(duì)地電壓，V；S為相導(dǎo)體截面，mm2；ρ為20°時(shí)導(dǎo)體的電阻率，Ωmm2/m；L為電纜長度，m；m為材料相同的每相導(dǎo)體總截面與PE導(dǎo)體截面之比。

（1）若采用B特性斷路器，整定電流Ir3=5In，Ik≥1.3Ir3=1.3×5×32=208 A。代 入Ik計(jì) 算 公 式，求 得S≥42.55 mm2，選用電纜5×50，設(shè)計(jì)中采用5×25無法滿足靈敏度要求。

（2）采用電子式可調(diào)斷路器，整定電流Ir2=2.5In，Ik≥1.3Ir3=1.3×2.5×32=104A 。代入Ik計(jì)算公式，求得S≥21.27 mm2，選用電纜5×25。

2.3 合理加大PE線截面

根據(jù)上述公式，加大PE線截面可有效加大單相末端短路電流，提高靈敏度，從而確保保護(hù)開關(guān)的可靠性。

2.4 增設(shè)附加保護(hù)—RCD

當(dāng)采用短路保護(hù)器可以實(shí)現(xiàn)末端單相接地故障時(shí)，通過加裝RCD可以實(shí)現(xiàn)雙層保護(hù)。

3 低壓直流供電系統(tǒng)

根據(jù)《電流對(duì)人和家畜的效應(yīng)》（GB/T 13870.1—2008/IEC/TS 60479-1:2005）中3.3.2直流/交流等效因數(shù)k=IDC-纖維性顫動(dòng)/IAC-纖維性顫動(dòng)，例如，在心室纖維性顫動(dòng)50%概率，5s時(shí)間內(nèi)擺脫為例，查表得IDC-纖維性顫動(dòng)≈110 mA，IAC-纖維性顫動(dòng)≈40 mA，K≈110/40=2.75。根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)，一般情況下k≈2.4，即干燥情況下UAC=50 V安全電壓時(shí)，可認(rèn)為UDC=120 V是安全電壓[4]。

因此，在園區(qū)景觀照明或者供電距離較短的城市道路照明中，可考慮采用直流120 V及以下電壓供電，可有效預(yù)防照明安全隱患問題。在長距離的城市道路照明，尤其是長度在3～4 km跨海大橋，可采用DC 220 V或者DC 375 V相對(duì)同電壓等級(jí)的交流電，傳輸距離更遠(yuǎn)，更加安全。直流回路同時(shí)配置直流RCD，可以提供雙層保護(hù)[5]。

4 結(jié)束語

綜上所述，城市亮化美化應(yīng)以安全為第一位，室外照明等用電設(shè)施供電應(yīng)合理選擇安全防護(hù)措施，從預(yù)接觸電壓、接地系統(tǒng)形式、交直流等因數(shù)綜合考慮比選，接地系統(tǒng)優(yōu)先考慮采用TN-S系統(tǒng)加單燈剩余電流保護(hù)和線路剩余電流，或采用直流RCD新型低壓直流配電電氣安全防護(hù)。電氣設(shè)計(jì)工程師應(yīng)根據(jù)項(xiàng)目情況，選擇合理的設(shè)計(jì)方案，確保人身和財(cái)產(chǎn)安全。