關(guān)于城市夜景照明接地的探討

劉翠卓

(同方股份有限公司，北京 100083)

引言

隨著旅游行業(yè)的興起，城市建設(shè)的腳步也隨之加快，各大城市為了展示地方特色與歷史人文景觀，爭相“亮”了起來。城市夜景照明的發(fā)展，也代表了一個(gè)時(shí)代的進(jìn)步，以這種方式展現(xiàn)城市風(fēng)貌的同時(shí)，也進(jìn)一步促進(jìn)了經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，使人民生活幸福感得到提升。在城市夜景照明的設(shè)計(jì)實(shí)施過程中，除了要實(shí)現(xiàn)具有地域代表性的特色景觀效果與人文效果，做到節(jié)能環(huán)保外，電氣安全顯得尤為重要，接地安全更是電氣安全的一個(gè)重要組成部分。

本文主要就城市夜景照明多種接地方式中的TN-S與TT接地系統(tǒng)進(jìn)行討論研究。

1 接地系統(tǒng)的概念與分類

所謂接地，即在系統(tǒng)、裝置或設(shè)備的給定點(diǎn)與局部地之間做電連接。每個(gè)配電系統(tǒng)都需要考慮兩個(gè)接地的設(shè)置問題，一個(gè)是電源端帶電導(dǎo)體的一點(diǎn)接地，即系統(tǒng)接地；另一個(gè)是電氣裝置的外露可導(dǎo)電部分的接地，即保護(hù)接地。根據(jù)兩個(gè)接地的不同設(shè)置，低壓系統(tǒng)接地的型式可分為TN(包括TN-C、TN-C-S、TN-S)、TT和IT等3種。其中：

第一個(gè)字母(代表電源端對地的關(guān)系)： T——電源端直接接地；I——電源端不接地或經(jīng)高阻抗接地。

第二個(gè)字母(代表電氣裝置的外露可導(dǎo)電部分對地的關(guān)系)：T——電氣裝置的外露可導(dǎo)電部分直接接地，電氣上獨(dú)立于電源端的接地點(diǎn)；N——電氣裝置的外露可導(dǎo)電部分與電源端接地有直接的電氣連接。

N短橫線后的字母(代表中性導(dǎo)體與保護(hù)接地導(dǎo)體的配置情況)：C——中性導(dǎo)體與保護(hù)接地導(dǎo)體是合一的；S——中性導(dǎo)體和保護(hù)接地導(dǎo)體是分開的。

2 景觀照明接地型式與接地電阻值的選取

(1)關(guān)于城市夜景照明接地型式的相關(guān)規(guī)范規(guī)定?！冻鞘幸咕罢彰髟O(shè)計(jì)規(guī)范》(JGJ/T 163—2008)[1]第8.3.2條規(guī)定：安裝于建筑本體的夜景照明系統(tǒng)應(yīng)與該建筑配電系統(tǒng)的接地型式相一致。安裝于室外的景觀照明中距建筑外墻20 m以內(nèi)的設(shè)施應(yīng)與室內(nèi)系統(tǒng)的接地型式相一致；距建筑物外墻20 m以外的部分宜采用TT接地系統(tǒng)，將全部外露可導(dǎo)電部分連接后直接接地。

(2)關(guān)于景觀照明設(shè)計(jì)接地的現(xiàn)狀分析。通過學(xué)習(xí)分析以往見到的一些景觀照明的電氣設(shè)計(jì)圖紙，不難發(fā)現(xiàn)，設(shè)備端的保護(hù)接地在接地型式以及接地電阻阻值的選取上，很少能引起廣大設(shè)計(jì)師的注意，大部分圖紙是直接套用其他項(xiàng)目的設(shè)計(jì)圖紙，要么是接地型式的分類有問題，要么是接地電阻阻值的大小選取不合理，沒有考慮每個(gè)項(xiàng)目的特殊性，不加以區(qū)分接地形式，統(tǒng)一要求設(shè)備處接地電阻值不大于4 Ω，有些設(shè)計(jì)圖紙甚至要求接地電阻值不大于1 Ω。一方面，如此低的接地電阻，通在室外空曠的場所單獨(dú)打人工接地極并不容易實(shí)現(xiàn)；另一方面，對于TN或TT接地系統(tǒng)，雖然采取一些措施達(dá)到了4 Ω甚至1 Ω的接地電阻值，實(shí)際上完全沒有必要，耗費(fèi)了不必要的人力物力財(cái)力，造成了極大的資源浪費(fèi)，起到的作用卻是微乎其微的。下面就接地電阻阻值的選取進(jìn)行一下簡單的舉例計(jì)算。

表1引自《工業(yè)與民用供配電設(shè)計(jì)手冊》(第四版)[2]表14.6-10，計(jì)算前提為假設(shè)土壤電阻率為200 Ω·m(以黃土為例)。

①如采用垂直式接地極(長度為3 m：參考表1的注1)，則R=60 Ω，達(dá)到4 Ω需并聯(lián)15根；

表1 均勻土壤中人工接地極接地電阻簡易計(jì)算式

(2)如采用單根水平式接地極(單根長度為60 m：參考表1的注2)，則R=6 Ω，達(dá)到4 Ω需兩根并聯(lián)。

另外，根據(jù)在華北地區(qū)某項(xiàng)目施工現(xiàn)場的實(shí)際測量數(shù)據(jù)，垂直敷設(shè)3根長度2.5 m的熱鍍鋅角鋼，熱鍍鋅角鋼埋設(shè)間距5 m，熱鍍鋅角鋼之間用-40×4的熱鍍鋅扁鋼焊接，實(shí)際測出的接地電阻值接近20 Ω，與上述簡易計(jì)算數(shù)據(jù)基本吻合。綜上，通過人工接地達(dá)到4 Ω的接地電阻值，理論上是可以實(shí)現(xiàn)的，但是需要耗費(fèi)額外的物力人力資源。

3 TT接地系統(tǒng)接地電阻的相關(guān)規(guī)范規(guī)定

根據(jù)《低壓電氣裝置 第4-41部分:安全防護(hù) 電擊防護(hù)》(GB/T 15895.21—2020)[3]411.5.3 2)條：

RA×I△n≤50 V

(1)

式中：RA——接地極和外露可導(dǎo)電部分的保護(hù)導(dǎo)體的電阻之和，單位為歐姆(Ω)；

I△n——RCD的額定剩余動(dòng)作電流，單位為毫安(mA)。

注：滿足規(guī)定的切斷電源時(shí)間要求的預(yù)期剩余故障電流，顯著大于RCD的額定剩余動(dòng)作電流(通常為5I△n)。

圖1 TT系統(tǒng)單相接地故障示意圖Fig.1 Schematic diagram of TT system single phase grounding fault

注：預(yù)期接觸電壓50 V為假設(shè)的保證人體安全的最低條件，潮濕場所此值取為25 V，I△n為保障回路在規(guī)定時(shí)間內(nèi)的可靠動(dòng)作的最小電流，只要滿足這兩個(gè)假設(shè)的最小條件，即可保證回路發(fā)生接地故障時(shí)能夠可靠動(dòng)作。

計(jì)算示例：

依照規(guī)范的規(guī)定，對于回路安裝的RCD額定剩余動(dòng)作電流要求為30 mA的室外景觀照明回路，RA≤25/(5×0.03)=166.7 Ω(考慮室外潮濕情況，此處安全電壓限制取25 V)。

4 舉例說明實(shí)際工程中具體做法的建議

(1)某室外景觀夜景照明工程舉例。

項(xiàng)目概況：本項(xiàng)目位于華北平原地區(qū)，某景觀廊道工程，廊道東西向長約4.2 km，景觀照明部分共設(shè)置了20臺配電箱，在南北兩岸廊道分散設(shè)置，按每側(cè)10臺配電箱均勻布置計(jì)算，平均每臺配電箱最遠(yuǎn)供電距離約210 m，配電箱進(jìn)線電源就近取自附近對應(yīng)的預(yù)裝式變電站。

以下內(nèi)容為摘自圖紙說明部分的一段原話：室外照明采用TN-S接地系統(tǒng)，在配電箱處做接地，以φ40熱鍍鋅鋼管作為垂直接地極，間隔5 m，打3根，以-40×4熱鍍鋅扁鋼作為水平接地線，接地電阻不大于4 Ω；若現(xiàn)場條件不滿足要求，根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況自行調(diào)整，調(diào)整接地極或利用結(jié)構(gòu)接地連接，以滿足接地電阻要求。另附其中一臺配電箱系統(tǒng)圖，如圖2所示。

圖2 配電箱系統(tǒng)圖Fig.2 Distribution box system diagram

針對此配電箱的其他問題此處不做討論，以下就本項(xiàng)目的接地系統(tǒng)選取及接地電阻取值的做法發(fā)表一些個(gè)人看法。

①如果順著此設(shè)計(jì)思路，本項(xiàng)目采用TN-S接地系統(tǒng)，依前文所述，這是一種電源端直接接地、電氣裝置的外露可導(dǎo)電部分與電源端接地有直接的電氣連接、中性導(dǎo)體和保護(hù)接地導(dǎo)體是分開的接地系統(tǒng)。關(guān)于TN-S接地系統(tǒng)間接接觸防護(hù)的自動(dòng)切斷電源防護(hù)措施的規(guī)定如下：

根據(jù)《低壓電氣裝置 第4-41部分:安全防護(hù) 電擊防護(hù)》(GB/T 15895.21—2020)[3]411.4.4條規(guī)定：

ZS×Ia≤U0

(2)

式中：ZS——故障回路的阻抗，單位為歐姆(Ω)，它包括下列部分的阻抗：

Ia——在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)能使切斷電器自動(dòng)動(dòng)作的電流，單位為安培(A)。采用剩余電流保護(hù)器時(shí)，其動(dòng)作電流是在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)切斷電源的剩余動(dòng)作電流。

U0——交流或直流線對地的標(biāo)稱電壓，單位為伏特(V)。

經(jīng)過對以上公式的觀察分析，該公式中并沒有出現(xiàn)接地電阻的符號RA，如果采用TN-S接地系統(tǒng)，當(dāng)發(fā)生接地故障時(shí)，故障電流是沿著PE線返回電源的。電源回路的切斷與用電設(shè)備處接地電阻值的阻值大小是沒有直接關(guān)系的，因此說明中規(guī)定接地電阻值不大于4 Ω的說法是不妥的。此時(shí)配電箱處的接地的設(shè)置，是為了在低壓電源進(jìn)線處將電源端的系統(tǒng)接地做一次重復(fù)接地，以降低PE線對地的電位，使PE線對地的電位更接近地電位，因此，只要能夠保證PE線能與地可靠的電氣連接即可，并不需要對接地電阻做出不大于4 Ω的規(guī)定。

②本項(xiàng)目采用TN-S接地系統(tǒng)是存在缺點(diǎn)的。首先，由于多了一條保護(hù)線，會造成項(xiàng)目成本的增加以及資源的浪費(fèi)，是有悖于國家提倡的節(jié)能環(huán)保號召的；其次，采用TN-S接地系統(tǒng)，由于多了一條自電源端引來的PE線，采用同一變壓器供電的PE線都是互相連通的，任何一處發(fā)生接地故障時(shí)，其故障電壓都有可能沿著PE線傳導(dǎo)到其他的地方，而室外不具備等電位聯(lián)結(jié)的條件，不能消除沿PE線從其他地方傳導(dǎo)來的故障電壓，而此時(shí)配電回路內(nèi)是不存在故障電流的，剩余電流動(dòng)作保護(hù)電器對此也束手無策，從而有可能導(dǎo)致電擊事故的發(fā)生。

③針對本項(xiàng)目，筆者認(rèn)為最合適的做法是采用TT接地系統(tǒng)，在配電箱處單獨(dú)做接地裝置，此接地裝置應(yīng)獨(dú)立于電源端的接地。從室外預(yù)裝式變電站到景觀照明配電箱的電源進(jìn)線采用三相四芯電纜(三芯相線+一芯中性線)，自景觀照明配電箱采用單相三芯電纜(線)(假設(shè)燈具回路采用單相～220 V供電)給燈具供電，供電半徑210 m，電纜截面積為4 mm2，以下將對此做法進(jìn)行計(jì)算分析(圖3)。

圖3 TT系統(tǒng)室外景觀照明單相接地故障示意圖Fig.3 Distribution box system diagram Schematic diagram of single-phase grounding fault of TT system outdoor landscape lighting

如圖3所示，末端燈具(設(shè)備)處發(fā)生單相接地故障時(shí)，人體的預(yù)期接觸電壓為從景觀照明配電箱到末端燈具的一段PE線與景觀照明配電箱處接地極RA上的電壓降之和，因此只要滿足(RA+RPE)×I△n≤25 V即可。

RPE的近似計(jì)算：

根據(jù)《建筑電氣常用數(shù)據(jù)》(19DX101-1)[4]表3.24，截面積為4 mm2的單相交流220 V聚氯乙烯絕緣銅芯電線的電阻為5.172 Ω/km，則RPE≈1.1 Ω；

RA的計(jì)算：

根據(jù)式(1)，RA+RPE≤166.7 Ω，RA≤165.6 Ω。這個(gè)接地電阻值在本項(xiàng)目的室外情況下，相對來說是比較容易實(shí)現(xiàn)的。

(2)關(guān)于本項(xiàng)目的總結(jié)思考。

經(jīng)過對以上所舉例項(xiàng)目的一系列分析，筆者認(rèn)為最合理的做法是采用TT接地系統(tǒng)，既大大節(jié)省了電線電纜的成本，又顯著提高了電氣的安全性，針對此項(xiàng)目來說，應(yīng)該是最優(yōu)選擇。

本項(xiàng)目建設(shè)地點(diǎn)在華北平原地區(qū)某公園，土壤條件比較好，電阻率相對比較低，比較容易就能實(shí)現(xiàn)TT系統(tǒng)所要求的接地電阻值；如果前提條件換了，項(xiàng)目在別的地方(比如山區(qū))，土壤電阻率比較高，而且因現(xiàn)場條件限制，不能通過換土、加對土壤無污染的降阻劑等方法來降低土壤的電阻率，這種情況下，可能TT系統(tǒng)在本項(xiàng)目中就不一定是最優(yōu)的接地系統(tǒng)，而需要采取其他接地的接地方式(比如TN系統(tǒng))，或者加隔離變壓器等，本文在此不作深入展開。

5 關(guān)于夜景照明相關(guān)規(guī)范規(guī)定的引申思考

上文中提到的JGJ/T 163—2008[1]第8.3.2條規(guī)定，關(guān)于“將全部外露可導(dǎo)電部分連接后直接接地”這點(diǎn)，相關(guān)規(guī)范、圖集并沒有給出具體的做法，《建筑物電氣裝置600問》[5]第8.9條給出的建議是要求TT系統(tǒng)內(nèi)同一RCD所保護(hù)的設(shè)備應(yīng)共用接地，這不失為一種好的做法。但是對于室外園林景觀照明來說，一般供電回路較多，供電線路較長，燈具數(shù)量種類繁多，如果每個(gè)回路都做單獨(dú)接地，工程量將十分復(fù)雜，不妨將《建筑物電氣裝置600問》[5]第8.9條的建議引申一下，即：在配電箱處單獨(dú)做接地極，此接地極獨(dú)立于電源端的接地，從室外預(yù)裝式變電站到景觀照明配電箱的電源進(jìn)線采用四芯電纜(三芯相線+一芯中性線)，自景觀照明配電箱采用單相三芯電纜(一芯相線、一芯中性線、一芯PE線)或者三相五芯電纜(三芯相線、一芯中性線、一芯PE線)，這樣，同一配電箱供電的任一回路發(fā)生接地故障時(shí)，回路首端設(shè)置的剩余電流動(dòng)作保護(hù)電器(需根據(jù)不同位置考慮動(dòng)作時(shí)限)都能及時(shí)切斷電源，防止在其它回路內(nèi)沿PE線傳導(dǎo)故障電壓。

綜上所述，針對不同地區(qū)、不同前提條件的項(xiàng)目，我們還要做到具體問題具體分析，結(jié)合項(xiàng)目現(xiàn)場的實(shí)際情況(比如現(xiàn)場的土壤電阻率情況、變壓器高壓側(cè)接地方式等)，本著以人為本的原則，首先考慮電氣的安全性，在此原則的基礎(chǔ)上，做到節(jié)約成本、節(jié)能環(huán)保，實(shí)現(xiàn)效果的最優(yōu)化、效益的最大化。