關(guān)于市政電氣設(shè)計中與接地有關(guān)的幾個問題

吳建榮

常州市市政工程設(shè)計研究院有限公司 江蘇 常州 213000

利用燈桿做接閃器時，對燈桿金屬的材質(zhì)、厚度等沒有明確的要求，導(dǎo)致部分供應(yīng)商在一些項目上直接使用不達標的燈桿，從而產(chǎn)生安全隱患。

1 市政電氣接地設(shè)計常見的問題

1.1 水處理構(gòu)建物裝置

水處理構(gòu)建筑物裝置是較常見的市政項目之一，經(jīng)常會遇到地下或半地下裝置或者小型泵站。在此類電氣設(shè)計中，常見的接地問題包括：（1）等電位連接和接地混為一談；（2）忽略了防跨步電壓和防接觸電壓的設(shè)計。

地下或半地下水處理裝置由于環(huán)境相對潮濕，較易發(fā)生漏電危險。如果只考慮接地或把等電位連接與接地混為一談，則仍存在觸電隱患。接地設(shè)計時，一般只考慮電氣設(shè)備外殼與PE線聯(lián)結(jié)，但當發(fā)生短路、絕緣老化、中性點偏移或外界雷電而導(dǎo)致浴室潮濕環(huán)境出現(xiàn)危險電位差時，則仍可能會出現(xiàn)足以引起傷害的電位，并引發(fā)觸電事故。

小型泵站，由于泵房規(guī)模較小，預(yù)計年雷擊次數(shù)較小，達不到《建筑物防雷設(shè)計規(guī)范》GB50057中第三類防雷建筑物的要求，可以不設(shè)防。然而，部分電氣設(shè)計人員會提高要求按照三類防雷建筑設(shè)防，以為提高了設(shè)計標準，會更安全。但是，因此而忽略防跨步電壓和防接觸電壓設(shè)計的不在少數(shù)。當直擊雷作用于小型泵房的防雷裝置時，在微秒級的時間內(nèi)，超大的雷電流經(jīng)引下線到接地裝置，并泄放至大地中。在此過程中，引下線的電位會瞬間提升至數(shù)萬伏甚至數(shù)十萬伏，并由此危機人身或財產(chǎn)安全。

1.2 常規(guī)道路照明

常規(guī)道路照明設(shè)施包括燈具、線路、電柜和箱變等。照明系統(tǒng)除了常規(guī)的道路照明，還包括高架照明、隧道照明以及智慧照明等。在照明接地系統(tǒng)中，常見的問題包括：（1）TN-C-S與TN-S系統(tǒng)不分、重復(fù)接地與TT系統(tǒng)不分；（2）接閃器規(guī)格、接地材質(zhì)的要求不明確。

TN-C-S系統(tǒng)是TN系統(tǒng)的一種，系統(tǒng)中一部分N導(dǎo)體和PE導(dǎo)體是合一的；TN-S系統(tǒng)中N導(dǎo)體和PE導(dǎo)體完全分開。早期的照明系統(tǒng)為了節(jié)能和控制，常將照明配電系統(tǒng)設(shè)計為三相四線，即道路一側(cè)為L1、L2、N和PE線、另一側(cè)L2、L3、N和PE線，來實現(xiàn)全夜全亮、半夜半亮（每側(cè)各關(guān)掉其中一相）的節(jié)能效果，并通過多條道路的照明負載來實現(xiàn)三相均衡。部分設(shè)計人員習(xí)慣性地認為四線即TNC-S系統(tǒng)。

根據(jù)CJJ45-2015要求，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)。TT系統(tǒng)電源端有一點直接接地，

1.3 智慧照明

近年來，智慧照明項目越來越多，對于接地電阻的要求卻不盡相同。目前，上海、浙江、江蘇、江西、湖南等地都頒布了智慧燈桿的建設(shè)導(dǎo)則，國標GB/T40994-2021《智慧城市 智慧多功能桿 服務(wù)功能與運行管理規(guī)范》也于2022年3月1日實施。但是，各規(guī)范和導(dǎo)則對于智慧燈桿的接地電阻值的要求卻有偏差[1]。

《上海市道路合桿整治技術(shù)導(dǎo)則》第7.3.2條規(guī)定“金屬燈桿及構(gòu)件、燈具外殼、配電及機箱等的外露可導(dǎo)電部分均應(yīng)與保護導(dǎo)體相連接。路口布設(shè)區(qū)域綜合桿及綜合機箱接地電阻值≤1Ω，其他區(qū)域綜合桿及綜合機箱接地電阻值≤4Ω?！?；《江蘇省城市照明智慧燈桿建設(shè)指南》第8.3.2條規(guī)定“桿體、懸臂、設(shè)備艙、掛載設(shè)備等所有裸露的金屬部件與接地端子之間應(yīng)具有可靠的電氣連接，接地電阻應(yīng)≤4Ω?！?；《浙江省多功能智慧燈桿技術(shù)標準（征求意見稿）》第4.8.4條規(guī)定“智慧燈桿系統(tǒng)接地保護電阻不應(yīng)大于4Ω?！?；《江西省智慧燈桿建設(shè)技術(shù)標準（征求意見稿）》第4.6.3.5條規(guī)定“智慧燈桿接地電阻應(yīng)符合《城市道路照明工程施工及驗收規(guī)程》CJJ89和《通信局（站）接地與防雷標準》GB50689的規(guī)定，其接地電阻不應(yīng)大于4Ω。”；國標GB/T40994《智慧城市 智慧多功能桿 服務(wù)功能與運行管理規(guī)范》第5.5.2條規(guī)定“電氣接地系統(tǒng)設(shè)計應(yīng)符合GB/T50065及GB50054的規(guī)定?！?/p>

通過上述各地導(dǎo)則和國標可知，智慧燈桿的接地電阻有≤1Ω和≤4Ω兩種。如果完全按照《上海市道路合桿整治技術(shù)導(dǎo)則》路口布設(shè)區(qū)域按≤1Ω，其他布設(shè)區(qū)域按≤4Ω執(zhí)行，也不完全正確。

1.4 線路保護與線路安全

市政電氣項目大多具有用電負荷呈帶狀長條型或呈分散、點狀等特征，供電半徑較大。在低壓配電系統(tǒng)最常用的TN系統(tǒng)設(shè)計時，一般用過電流保護兼作接地故障保護。由于接地故障電流的計算較為麻煩，部分設(shè)計人員只考慮了電壓損失，而忽略了過電流保護的靈敏度。由此，發(fā)生由接地故障引起的間接接觸電擊或電弧、電火花引發(fā)的火災(zāi)等安全事故不在少數(shù)。

1.5 10kV配變電

10kV配變電設(shè)計時，利用對地電容電流允許最大20A的限制條件，常采用中性點不接地系統(tǒng)。當中性點不接地系統(tǒng)發(fā)生故障后，故障信號作用于報警信號而不是跳閘，在2h內(nèi)依然可以持續(xù)工作，同時，工作人員在收到故障信號后抓緊時間檢修，減少停電對用戶的影響。

2 市政電氣接地設(shè)計問題的解決對策

2.1 水處理構(gòu)建物裝置相關(guān)問題的處理

地下或半地下潮濕環(huán)境下，電氣設(shè)計人員首先應(yīng)該考慮等電位連接，確保所在環(huán)境下，人接觸的外露可導(dǎo)電設(shè)備沒有電壓差，從而沒有電擊危險。同時，為保證設(shè)備的正常運行和安全，必須進行接地，并每50m做重復(fù)接地[2]。

小型泵站提高要求按照第三類防雷建筑設(shè)防時，屋頂接閃器通過結(jié)構(gòu)柱內(nèi)的主鋼筋做自然引下線。當柱子少于10根時，在泵站引下線附近保護人身安全需采取以下防接觸電壓措施的其中一條：

（1）引下線3m范圍內(nèi)地表層的電阻率不小于50kΩm，或敷設(shè)5cm厚瀝青層或15cm厚礫石層。

（2）外露引下線，其距地面2.7m以下的導(dǎo)體用耐1.2/50μs沖擊電壓10kV的絕緣層隔離，或用至少3mm厚的交聯(lián)聚乙烯層隔離。

（3）用護欄、警告牌使接觸引下線的可能性將至最低限度。

當柱子少于10根時，在泵站引下線附近保護人身安全需采取以下防跨步電壓措施的其中一條：

（1）引下線3m范圍內(nèi)地表層的電阻率不小于50kΩm，或敷設(shè)5cm厚瀝青層或15cm厚礫石層。

（2）用網(wǎng)狀接地裝置對地面做均衡電位處理。

（3）用護欄、警告牌使進入距引下線3m范圍內(nèi)地面的可能性減小到最低限度。

2.2 道路常規(guī)照明相關(guān)問題的處理

在實際項目中，TN-S系統(tǒng)使用較多，為了解決照明線路長、末端接地故障電流小的問題，常見的方法是做重復(fù)接地——每3盞燈做重復(fù)接地，重復(fù)接地的電阻不大于10Ω，發(fā)生接地故障時，照明線路約100m左右，可有效提高接地故障電流，確保斷路器的保護效果。

道路照明一般利用燈桿本身做接閃器和引下線，再利用路燈基礎(chǔ)做接地極。接閃器的材料、結(jié)構(gòu)和最小面積可參照GB50057第5.2.1條，引下線的相關(guān)要求可參考第5.3.3條的規(guī)定，兩者必須同時滿足。實際工程中，路燈燈桿大多都是由Q235鋼卷制，外噴塑防腐蝕熱鍍鋅而成，且上下端直徑大小不一。因此，在設(shè)計中應(yīng)要求燈桿鋼材的截面不小于100mm2，厚度不低于4mm，且應(yīng)做熱鍍鋅處理。

2.3 智慧照明相關(guān)問題的處理

為了解決智慧照明接地電阻的問題，我們必須從智慧燈桿的定義這個源頭來探究。智慧燈桿是通過掛載各類設(shè)備，提供智慧照明、移動通信、城市監(jiān)測、交通管理、信息交互和城市公共服務(wù)等功能的各類桿體狀城市部件。桿體綜合艙是智慧燈桿配套設(shè)備的安裝場所，可安裝光纜終端盒、智能網(wǎng)光、監(jiān)控單元及交、直流配電單元等設(shè)備中的一種或多種設(shè)備，為智慧燈桿上的設(shè)施提供供電、公網(wǎng)等綜合服務(wù)。

由此可知，智慧燈桿包括了桿體、設(shè)備艙、智能燈具、掛載設(shè)備以及配套設(shè)施等。其中設(shè)備艙包括多路輸出的工業(yè)級開關(guān)電源、智慧燈桿網(wǎng)關(guān)、光纖收發(fā)器等；掛載設(shè)備包括但不限于視頻攝像機、交通指示設(shè)備、交通監(jiān)控設(shè)備、環(huán)境/氣象傳感器、5G基站、LED顯示屏、網(wǎng)絡(luò)音柱、無線WiFi、一鍵呼叫設(shè)備、信息觸摸屏、充電樁等。涉及的電壓等級有AC～380/200V、DC12V、DC24V等多種規(guī)格，可以按照電壓等級進行分類，其中AC～380/220V的交流設(shè)備，其接地電阻≤4Ω；DC12/24V的直流設(shè)備，其接地電阻≤1Ω；共用接地系統(tǒng)的，其接地電阻≤1Ω。因此，智慧燈桿的接地電阻值應(yīng)根據(jù)智慧燈桿上掛載設(shè)備的類型進行區(qū)分，只要包括弱電智能化設(shè)備的，其接地電阻應(yīng)≤1Ω。如果智慧燈桿上只掛載照明、道路指示牌或其他交流AC～380/220V用電設(shè)備的，則其接地電阻應(yīng)≤4Ω。

2.4 線路保護與線路安全問題的處理

工程設(shè)計中，過電流保護兼作接地故障保護時，應(yīng)先計算最小接地故障電流，然后再根據(jù)《低壓配電設(shè)計規(guī)范》GB50054的要求進行靈敏度的計算：

在三相交流系統(tǒng)中，可能發(fā)生三相短路故障、兩相間短路故障、兩相接地短路和單相接地短路。通常而言，三相短路電流最大，兩相短路電流次之，單相短路電流最小。當短路點發(fā)生在發(fā)電機附近或變壓器中性點接地的附近時，兩相或單相短路電流有可能大于三相短路電流。一般情況下，只要考慮單相故障電流Id 能滿足靈敏度要求即可。按照《三相交流系統(tǒng)短路電流計算》GB/T15544的方法，單相短路電流需要根據(jù)出線回路的變壓器、低壓母線、出線電纜、零序阻抗等參數(shù)進行各種等效換算，過程非常復(fù)雜。在實際設(shè)計過程中，很多電力系統(tǒng)的參數(shù)也無法獲取，由此導(dǎo)致不少設(shè)計人員忽略靈敏度的校驗。

為了簡便計算，可以引入電源側(cè)阻抗系數(shù)——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)致的誤差進行的修正，將最小接地故障電流近似公式為：

式中，0.8～1.0 ——電源側(cè)阻抗系數(shù)，當故障點原理配電變壓器、線路截面積較小、變壓器容量較大時，取高值（如0.95～1.00），反之，取較低值；

1.5——由于短路引起發(fā)熱，電纜電阻的增大系數(shù)；

U0——相對低標稱電壓，V；

S ——相導(dǎo)體界面接，mm2；

K1——電纜電抗校正系數(shù)，當S≤95mm2時，取1.0，當S為120mm2和150mm2時，取0.96，當S≥185mm2時，取0.92；

K2——多根相導(dǎo)體并聯(lián)使用的校正系數(shù)，

n ——每相并聯(lián)的導(dǎo)體根數(shù)；

ρ ——20℃時的導(dǎo)體電阻率，Ω*mm2/m；

L ——電纜長度，m；

m ——材料相同的每相導(dǎo)體總結(jié)面積（Sn）與PE導(dǎo)體截面積（SPE）之比。

圖1 TN系統(tǒng)接地故障回路示意圖

通過這個簡化的近似公式，最小故障電流計算就非常方便。對于常用的一些變壓器和電纜規(guī)格，設(shè)計人員也可以直接查詢《工業(yè)與民用供配電設(shè)計手冊（第四版）》表11.2-4來核算電纜的最大保護長度。

當采用熔斷器作間接接觸防護時，切斷時間t≤5s和t≤0.4s，可分別根據(jù)《工業(yè)與民用供配電設(shè)計手冊（第四版）》的表11.2-5和表11.2-6來進行保護保護靈敏度校驗的判斷。

2.5 10kV配變電問題的處理

10KV配電系統(tǒng)由中性點不接地系統(tǒng)改為中性點經(jīng)低電阻接地系統(tǒng)，可有效提升對地電容電流的最大值額度。同時，故障信號不能僅作為報警信號，而應(yīng)作用于跳閘。接地故障電流采用零序電流保護，電壓互感器改為V-V接線。

低壓側(cè)的接地可分為兩種情況：

（1）變電所和低壓用戶在同一建筑內(nèi)，共用接地設(shè)備；

（2）變電所和低壓用戶不在同一建筑內(nèi)，低壓系統(tǒng)電源應(yīng)獨立接地，接地電阻不大于4Ω。建筑物外不具備總等電位連接條件的，應(yīng)該為TT系統(tǒng)，同時注意降低變電所接地電阻Rb，確保Id*Rb小于1200V，防止低壓側(cè)發(fā)生絕緣擊穿事故[3]。

3 市政電氣接地設(shè)計注意事項

水處理裝置、道路常規(guī)照明、智慧照明、配電線路、10KV變電所等市政常見項目，其電氣接地設(shè)計應(yīng)重點關(guān)注。設(shè)計人員編制電氣設(shè)計方案時，需要研究不同構(gòu)建物在電氣安全防護方面的要求，在此基礎(chǔ)上選擇防雷防護方法，由此提高防護措施的有效性與合理性。同時，必須提高電氣設(shè)備使用的科學(xué)性，使保護措施擁有保護效用同時，也可以為后續(xù)電路檢查與維修提供便利條件。

4 結(jié)語

本文通過總結(jié)分析市政電氣設(shè)計中常見的接地問題，提出了相應(yīng)的解決措施，希望對市政建設(shè)人員有一定的幫助。