道路照明配电系统接地形式

分类：应用电子技术论文发表 时间：2020-12-12 09:52 关注：(1)

　　在工程设计中，电气设计师根据工程类型选择不同的保护接地方式。目前部分电气设计人员对TN和TT两种系统还无法准确区分，甚至认为同时使用两种系统更安全，增加了工程造价。针对TN-S和TT两种接地形式进行分析，结合工程实例，详细阐述在道路照明工程中如何科学合理地进行选择，以达到安全可靠的同时兼顾经济性目的。

　　关键词：道路照明；接地故障；故障防护；RCD

　　1故障防护的意义

　　低压配电系统故障类型主要有三种，短路、过负荷、接地故障，其中短路和过负荷统称为过电流。发生过电流会使配电线路和设备过热，温度急剧升高，如保护措施不当或者故障将导致设备损坏甚至发生火灾。而接地故障除可能出现上述不良后果，还会使配电设备外露可导电部位带电，当保护装置不能及时动作，接触电压超过允许值（一般为50V）时会发生电击事故。城市道路照明配电系统因其供电半径长、负荷小而分散、外露可导电部位易触等特点，在接地故障防护方面存在一定特殊性。

　　2城市道路照明配电系统故障防护措施

　　城市道路照明配电系统故障防护常用的系统有两种，分别为TN系统和TT系统。

　　2.1TN系统

　　TN系统在工业与民用建筑工程中应用广泛，但是应用于道路照明工程应注意以下两点。首先，道路照明或其他长距离小负荷用电设备的配电回路往往因回路阻抗较大而导致接地故障和相-中短路电流值偏小，保护电器难以达到动作要求。如果用断路器的瞬时过流脱扣器兼做接地故障保护，灵敏度不够。特别是一些电弧打火产生的接地故障，由于非金属性接触使得局部电阻值很大，故障电流更小且时断时续，这种故障隐蔽性更强，会使设备局部温升明显，容易引发火灾。其次，接地故障发生后如果保护电器不能在规定时间内切断电源，将产生远大于安全电压的接触电压并沿PE线传导至所有路灯金属外壳，此时的接触电压约为标称电压的1/2（当PE线与相线等截面时）或2/3（当PE线为相线截面一半时）。在220V/380V工频配电系统中，理论上接触电压可达110~147V，远大于人体允许承受的安全电压50V，而室外配电线路很难实施等电位联结，增加了触电危险概率。TN-S系统电路、TN-S等效电路如图1、图2所示。（1）式中：Id—故障电流（A）；U0—系统标称电压，此处为220V；Rphp、Xphp—相保阻抗（Ω）。PE线与N线同管埋地敷设且远离变电站时，10kV系统阻抗及电缆线路电抗值微弱可忽略，最终得：（2）式中：RX、XX—变压器电阻电抗（Ω），远离发电机端时可近似为变压器正序阻抗；Rph—相电阻（Ω）；RPE—保护线电阻（Ω）。k2点发生相—中短路时的计算方法同上，只是将PE线变为N线，如果等截面则短路电流同k1，如果PE线为相线截面一半则短路电流为k1处故障电流的3/2。综上可知，当保护电器满足k1处故障动作要求即可同时满足k2处保护动作，故设计时不必单独考虑。

　　2.2TT系统

　　TT系统如图3所示。TT系统由于各用电设备没有通过PE线连接，发生接地故障时危险电压无法通过PE线传导至整个配电系统。因此相对TN系统来说故障影响范围小，但其独立设置的接地极通常直接与地连接，接地电阻较大，故障电流相较于TN系统更小。TT系统等效电路图如图4所示。TT系统相—中短路（图3中k2处）时的保护同TN系统，不再赘述。当TT系统发生接地故障时，由于Id值急剧减小，无法使用断路器过流脱扣器兼做接地故障保护，必须采用RCD保护，此时需满足RAIΔn≤50V，其中RA表示可导电外露部分的接地电阻，IΔn表示触发保护装置切断动作的电流。为使保护电器可靠动作，需同时满足在规定时间内切断和在正常运行时不得误动作，IΔn应大于线路正常运行最大泄漏电流的2倍，且发生接地故障时的故障回路电流Id应大于IΔn的5倍。此时RA应满足：（4）此公式在工程应用中可用来确定TT系统下路灯单灯接地电阻值大小。

　　3保护电器过流保护整定要求

　　无论是TN还是TT系统，其过流保护动作特性均需满足以下条件：（6）式中：IZ—导体允许持续载流量（A）；Iset1—断路器反时限过流脱扣器整定值（A）；Iset3—断路器瞬时过流脱扣器整定值；IB—配电回路计算电流值；K1—反时限过流脱扣器可靠系数，一般情况下取1.1；K2—瞬时过流脱扣器可靠系数，照明回路LED光源时取值在3~5之间，一般情况取中值4。（8）可知，当需校验断路器瞬时脱扣可靠系数K时，将上述式（4）、（7）代入式（5）、（6），整理后得到K值的范围为又因断路器反时限过流脱扣器整定值一般不超过计算电流的1.7倍，进一步简化后得：（9）设计中可利用此公式校验断路器灵敏度是否满足要求，也为可靠系数的选取提供便利。

　　4工程实例计算

　　城市主干道，双向8车道，道路照明采用双侧对称布灯方式，每2km设一台路灯箱变，供电半径约1km，箱变带沿路照明、公交站台、广告灯箱等用电负荷，箱变采用S11型景观变，额定功率80kVA，联结方式为Dyn11，Uk=4.0%。该条道路交通流量较大，照度及亮度标准执行道路照明规范中间值，灯具拟采用高压钠灯，单灯功率250W（机动）+150W（人行），路灯平均间距35m。其中最长一条照明回路长1100m，干线电缆拟采用YJV-1kV-4×25+1×16铜芯电缆（TN）或YJV-1kV-4×25（TT），线路保护整定计算如下：（1）过负荷保护。其中变压器阻抗可查设备参数或通过计算获得，将上述结果代入式（8）得2.64≥K≥2.4，此范围基本无法整定断路器的瞬动脱口倍数。若选用带三段保护的B型断路器，其定时限保护脱扣器整定值Iset2需满足Id≥1.3Iset2，A，且下级（此处为各灯杆内）如采用断路器保护，为保证选择性，需同时满足Iset2，A≥1.3Iset3，B，此时的Iset1，B根据公式（4）应满足Iset1，B≥2.44A，取4A，则由公式（8）可知K值范围非常广，取Iset3，B=5Iset1，B=20A，则整理后可得69A≥Iset2，A≥26A，此时可选型号规格较多，容易满足要求；如采用熔断器保护，要同时满足时间整定要求，根据《低压配电设计规范》（GB50054—2011）第5.2.9条“仅供给固定式电气设备末端线路时其间接接触防护切断故障回路时间不宜大于5s”，此时要求熔断器Id/IN（IN为熔体额定电流）值不小于4.5，则由前述计算数据可得2.44≤IN≤89.7/4.5=19.93A，取4A即可，因此时Id远大于IN，根据熔断器时间-电流曲线可查得其切除故障电流时间为ms级，故干线断路器定时限脱口时间取0.2s即可满足要求。②TT系统，按式（2）得（此处RA与RB取值为规范要求限值），代入式（8）后发现K值没有选择区间，故只能使用RCD进行保护，这也是规范要求的。当采用RCD保护时，需使其躲过配电线路正常运行最大泄漏电流的2倍，即IΔn＞2IL（IL为线路最大正常泄漏电流）。线路正常运行时的最大泄漏电流由三部分组成，其中灯具与支线处泄漏电流在三相平衡均布情况下，其矢量和基本为零，故线路总泄漏电流即为配电干线泄漏电流。由参考文献查表可知，聚乙烯绝缘电缆25m2时的正常泄漏电流值为29mA/km，则本工程中IL=1.1×29=31.9mA；同时，为保证灵敏度需满足Id＞5IΔn，整理后得4920mA＞IΔn＞63.8mA，选100mA或300mA均可。此时RA5IΔn≤50V灯具处接地故障保护需满足，当RA为4Ω时，其保护额定电流最大值为12.5A，而灯具处计算电流2.44A，故选择4A熔断器或额定动作电流值为30mA的RCD保护均可以，此时支线与干线保护电器级间配合时间整定方式与TN系统类似，当上下级均采用RCD时，上级额定动作电流值要大于下级3倍，此时下级RCD选用瞬动型（动作时间不大于0.04s），上级RCD带短延时，整定时间0.1~0.15s即可满足要求。此时通过公式（3）可反推出RA值，当干线RCD额定动作电流值选300mA时，，此接地电阻在工程实施中容易满足。

　　5结语

　　（1）综上所述，道路照明应优先考虑TT系统，其沿路各灯杆内配熔断器保护，干线回路采用带三段保护（当考虑相—中短路时）或常规保护断路器，且需设置漏电保护装置，漏电额定动作电流值不大于300mA。当道路照明线路长度较短、电缆截面较大时，可采用TN-S系统，通常敷设PE线后可考虑每三盏灯距离做一次重复接地。建议不论采用TN-S或TT系统，其接地电阻值均应通过计算确定，在工程设计阶段应考虑到多方面因素影响，避免计算结果出现较大幅度偏差。（2）《城市道路照明设计规范》要求，在有条件时可采用Ⅱ类设备，此条意在使道路照明在实际运行中更加安全。由于Ⅱ类设备有双重绝缘或加强绝缘（如采用塑料灯杆、非金属外壳箱变等），无须保护接地，设计便于实施，但工程造价相应增加，且对于发生概率较小的相—中短路仍需进行保护整定及灵敏度校验，所以在工程实际中如果对安全性要求很高，且采购方希望使用特殊材质照明设备时可推荐一并考虑。（3）在《城市道路照明设计规范》1991年版本中对“可触及的金属灯杆和配电箱等金属照明设备均需保护接地，接地电阻应小于10Ω”的描述缺乏实操性。通过前文分析可知，TT系统在采用RCD做接地故障防护时，其接地电阻值可以大于10Ω，而对于TN系统，由于PE线的存在，单灯独立设置接地装置的意义也不大，故而在2006年版本中将此条删除，并增加了“道路照明配电系统的接地形式宜采用TN-S系统或TT系统……”。在现行的2015版本中更进一步明确“道路照明配电系统的接地形式应采用TT系统或TN-S系统，并应符合现行国家标准《低压配电设计规范》（GB50054—2011）的相关规定”。这里将对接地电阻值的硬性要求变为符合工程实际的满足理论防护要求，将“宜”变为“应”，并将TT系统前置，一系列细微变化体现出我国规范严谨性方面正在不断进步和完善，也从侧面反映出城市道路照明设计的接地形式选择上虽然没有明确指出采用哪种方式，但对TT系统的倾向性较为明显。（4）本文工程实例中TN-S系统采用YJV-1kV-4×25+1×16电缆，PE线阻抗值较大，限制了接地故障电流值，若改为YJV-1kV-5×25电缆，则Id可增大至115A，保护整定相对来说更加容易。同理，电缆截面越大接地故障电流越大，可利用断路器瞬动脱扣器兼做接地故障防护。此处还应说明一点，部分设计师在选择TN-S系统的工程时，要求PE线每隔一定距离重复接地一次，此做法在发生接地故障时，其故障电流就变为，由于PE导体电阻比重复接地阻值大很多，故而其分流作用就相对十分微弱。但也可使故障电流有少许增大，对保护电器动作灵敏度有促进提升作用，故在工程实际中可酌情采用。（5）从线路实际计算电流角度出发，如果能够在满足照度的前提下减小线路实际运行电流，由式（7）可知同样可以增大可靠系数取值范围。本文工程实例中，若将高压钠灯替换为LED光源，按1：1.3折算后的计算电流可降为17.5A，K值范围变为3.58≥K≥2.4，范围有少许增大；同时降低计算电流也有利于线路末端压降的控制和能源节约，应以推广。（6）从社会发展角度来看，当前城市经济发展迅速，智慧照明、智慧交通、5G网络技术等许多新兴产业均可结合道路照明统一实施。重要城市道路还需考虑景观照明等，一方面需要增加道路照明负荷甚至提高供电负荷等级，另一方面对配电系统故障防护提出更高要求，道路照明的重要性不断加强。

　　参考文献

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　　作者：袁亮