照明设计中垂直接地体的探讨

吴明波

(北京清华城市规划设计研究院，北京 100084)

1 保护接地

保护接地就是将正常情况下不带电，而在绝缘材料损坏后或其他情况下可能带电的电器金属部分(即与带电部分相绝缘的金属结构部分)用导线与接地体可靠连接起来的一种保护接线方式。

保护接地用于供电系统中，用以保证当电气设备因绝缘损坏而漏电时产生的对地电压不超过安全范围。如果电器未采用接地保护，当某一部分的绝缘损坏或某一相线碰及外壳时，电器的外壳将带电，人体万一触及到该绝缘损坏的电器设备外壳 (构架)时，就会有触电的危险。相反，若将电器设备做了保护接地，单相接地短路电流就会沿接地装置和人体这两条并联支路分别流过。一般地说，人体的电阻大于1000欧，接地体的电阻按规定不能大于4欧，所以流经人体的电流就很小，而流经接地装置的电流很大。这样就减小了电器设备漏电后人体触电的危险。

实践证明，采用保护接地是当前我国低压电力网中的一种行之有效的安全保护措施。

2 保护接地的选择和使用

保护接地又分为接地保护和接零保护，两种不同的保护方式使用的客观环境又不同，因此如果选择使用不当，不仅会影响客户使用的保护性能，还会影响电网的供电可靠性。

那么如何才能正确合理地选择和使用保护接地呢?一、要认识和了解接地保护与接零保护，掌握这两种保护方式的不同点和使用范围;二、要正确选择接地保护和接零保护方式;三、要依据两种保护方式的不同设置要求，规范设计、施工工艺标准。

根据IEC规定，在道路照明系统中，接地方式分为TT系统、TN系统、IT系统。其中TN系统又分为TN-C、TN-S、TN-C-S系统。

2.1 TT方式供电系统

TT方式是指将电气设备的金属外壳直接接地的保护系统，称为保护接地系统，也称TT系统。第一个符号T表示电力系统中性点直接接地;第二个符号T表示负载设备外露不与带电体相接的金属导电部分与大地直接联接，而与系统如何接地无关 (见图1)。在TT系统中负载的所有接地均称为保护接地，特点如下:

(1)当电气设备的金属外壳带电(相线碰壳或设备绝缘损坏而漏电)时，由于有接地保护，可以大大减少触电的危险性。但是，低压断路器 (自动开关)不一定能跳闸，造成漏电设备的外壳对地电压高于安全电压，属于危险电压。

(2)当漏电电流比较小时，即使有熔断器也不一定能熔断，所以还需要漏电保护器作保护。

(3)TT系统适用于接地保护占很分散的地方。

图1 TT系统

2.2 TN方式供电系统

这种供电系统是将电气设备的金属外壳与工作零线相接的保护系统，称作接零保护系统，用 TN表示 (见图2)。它的特点如下:

1.一旦设备出现外壳带电，接零保护系统能将漏电电流上升为短路电流，这个电流很大，是 TT系统的5.3倍，实际上就是单相对地短路故障，熔断器的熔丝会熔断，低压断路器的脱扣器会立即动作而跳闸，使故障设备断电，比较安全。

2.TN系统节省材料、工时，在我国和其他许多国家广泛得到应用，可见其优点比TT系统多。

TN方式供电系统中，根据其保护零线是否与工作零线分开而划分为TN-C、TN-S和TN-C-S等。

(1)TN-C方式供电系统

图2 TN系统

它是用工作零线兼作接零保护线，可以称作保护中性线，用PEN表示这种供电系统的特点如下:

①由于路灯配电系统三相负载很难平衡，工作零线上有不平衡电流，对地有电压，所以与保护线所联接的电气设备金属外壳有一定的电压。

②如果工作零线断线，则保护接零的漏电设备外壳带电。

③如果电源的相线碰地，则设备的外壳电位升高，使中性线上的危险电位蔓延。

④TN-C系统干线上使用漏电保护器时，工作零线后面的所有重复接地必须拆除，否则漏电开关合不上;而且，工作零线在任何情况下都不得断线。所以，实用中工作零线只能让漏电保护器的上侧有重复接地。

⑤TN-C方式供电系统只适用于三相负载基本平衡情况。

(2)TN-S方式供电系统

它是把工作零线N和专用保护线PE严格分开的供电系统，称作TN-S供电系统，其特点如下:

①系统正常运行时，专用保护线上不带电流，只是工作零线上有不平衡电流。PE线对地没有电压，所以电气设备金属外壳接零保护是接在专用的保护线PE上，安全可靠。

②工作零线只用作单相照明负载回路。

③专用保护线PE不许断线，也不许进入漏电开关。

④干线上使用漏电保护器，工作零线不得有重复接地，而PE线有重复接地，但是不经过漏电保护器，所以TN-S系统供电干线上也可以安装漏电保护器。

⑤TN-S方式供电系统安全可靠，适用对安全要求较高的配电线路。

(3)TN-C-S方式供电系统

在配电线路中，如果前部分是TN-C方式供电，而下一部分采用TN-S方式供电系统，则可以在系统后部分现场总配电箱分出 PE线，这种系统称为TN-C-S供电系统。TN-C-S系统的特点如下。

①工作零线N与专用保护线PE相联通，当线路不平衡电流比较大时，电气设备的接零保护受到零线电位的影响。负载越不平衡，灯杆外壳对地电压偏移就越大。所以要求负载不平衡电流不能太大，而且在PE线上应作重复接地。

②PE线在任何情况下都不能进入漏电保护器，因为线路末端的漏电保护器动作会使前级漏电保护器跳闸造成大范围停电。

③对PE线除了在总箱处必须和N线相接以外，其他各分箱处均不得把N线和PE线相联，PE线上不允许安装开关和熔断器。

通过上述分析，TN-C-S供电系统是在 TN-C系统上临时变通的作法。当三相电力变压器工作接地情况良好、三相负载比较平衡时，TN-C-S系统在施工用电实践中效果还是可行的。但是，在三相负载不平衡，工地有专用的电力变压器时，必须采用TN-S方式供电系统。

3 接地极

接地极是直接与土壤接触，用以与大地作为一定流散电阻的电气连接的金属导体或导电组，将电流或电压接入大地的放电通道，为减少接地电阻，一般成组使用构成接地网的电极。接地母线是指将电流或电压接入接地网的连接线，或将接地极连接成一体的导体。接地极是指与大地相连的一端，接地母线指连接接地汇流排和接地极的PE线，又称接地总线。

接地极包括水平接地极和垂直接地极，用于把电流泄漏至大地的导体。通常接地极利用直径50mm的镀锌钢管或L50*50的镀锌角铁，接地母线是镀锌扁铁40*4mm。

4 道路照明接地设计与验收规范

《城市道路照明设计标准》 (CJJC45—2006)6.1.9条款规定:道路照明配电系统的接地形式宜采用TN-S系统或TT系统，金属灯杆及构件、灯具外壳、配电及控制箱屏等的外露可导电部分，应进行保护接地，并应符合国家现行相关标准的要求。

《电气装置安装工程接地装置施工及验收规范》(GB50169—2006)3.3.1条款与《城市道路照明工程施工及验收规程》(CJJ 89—2001)6.3.2条款规定:接地体顶面埋设深度应符合设计，当无规定时不应小于0.6米。(该条款为强制性条文，必须执行);

《电气装置安装工程接地装置施工及验收规范》(GB50169—2006)3.3.2条款与《城市道路照明工程施工及验收规程》(CJJ 89—2001)6.3.3条款规定:垂直接地体的间距不宜小于其长度的2倍。

《城市道路照明工程施工及验收规程》 (CJJ 89—2001)6.2.5条款规定:保护接零时，在线路分支、首端及末端应安装重复接地装置，接地装置的接地电阻不应大于 10 Ω。6.2.7条款规定:灯杆、配电箱等金属电力设备采用接地保护时，其接地电阻不应大于4 Ω。

5 常见照明项目接地现状

5.1 接地现状

常见照明项目接地采取TN-S或TT系统;垂直接地极采用2.5米长利用直径50mm的镀锌钢管或L50*50的镀锌角铁。垂直接地体的间距大于其长度的2倍。接地体顶面埋设深度大于0.6米。

5.2 施工中发现的问题

(1)目前接地极敷设采用人工打敷。由于接地极体积较小，考虑施工成本等因素，开挖的接地极敷设探坑深度最大只能保证在1.5左右，剩余1.6米的打入深度内含管线很难被提前发现，加上采用人工打敷，无法准确判断接地极打入时尖端受压、受阻力的变化，往往一锤子下去，发现已经破坏了地下管线才停止施工。

(2)地下管线信息变动或不准确带来的安全隐患

地下管线信息未根据城市道路改造做出及时调整、地下管线单位提供的管线信息和数据不准确等也是造成接地接敷设时破坏地下管线的一个重要原因。

在以往的工程施工管理中，发现地下管线的地面标识标志后，工程管理人员会主动和管线管理单位取得联系，寻求施工段面内各类地下管线的埋设位置、埋设深度等信息。但随着城市道路、绿地的不断改造，加上原本有些地下管线施工时采用的是非开挖敷设，导致收集到的管线信息不准确，甚至和实际情况偏差很大，致使接地极敷设时施工人员的误判，发生事故。

6 垂直接地体埋设分析与探讨

(1)为什么垂直接地体要相隔5米?

探讨:留出充分的电荷放电空间，这个应该是经验得出来的，和土壤的质量等因素有关系，一般要求接地电阻小于4欧姆，如果距离不够的话，可以适当的进行加密。打下的接地体当然还是有用的。

(2)接地体顶面埋设深度应符合设计，当无规定时不应小于0.6米

探讨:接地极的深度跟接地电阻没什么关系，埋设深度是为了满足其泄流时不对地面上人员和设备造成损害，所以施工请按相关规程要求来做。要说跟面积有点关系还扯得上点说法，在其土壤电阻率一定的时候，当然是接地极的面积越大越好了单个接地极的接地效果能好到什么样这也要看埋设地的土壤电阻率是不是很低，本身材料的阻值是不是很低，天气等情况来决定。

(3)接地电阻计算是只考虑复合水平接地网的电阻呢?还是复合水平接地网的电阻和垂直接地极的电阻并联呢?

探讨:只考虑复合水平接地网的电阻。根据理论和模拟实验，垂直接地体对降低接地网工频接地电阻的作用很小，约为2～8%，而且地网面积越大，影响越小，而垂直接地体主要是为了加强冲击电流的扩散作用。因此在计算接地电阻时，不考虑垂直接地极。

(4)垂直接地体一定要2.5米长吗?

探讨:国家规范对垂直接地体长度没有任何要求，只需接地电阻满足国家规范就行。

(5)接地体的埋入深度不足但是数量增加是否可以满足接地电阻要求

探讨:①首先，这样做肯定是要比原设计的效果好很多的，因为接地电流是沿接地体向周围大地扩散的，你这样做使得接地极扩散的面积增大了，所以接地电阻肯定或变小，但这样回增加施工的工作量和增加连接接地极间的接地线的数量。

②理论上可以，因为增大接地网面积是可以减小接地电阻的。

垂直埋设的接地体多用直径50mm、长2.5m的园钢或角钢，其每根垂直埋设接地体的散流电阻:

注:式中P—土壤电阻率 (Ω*m);L—接地体长度 (cm);d—接地铁管或园钢的直径 (cm)若垂直接地体采用角钢等效直径d=0.84b

从上式可以看出，在不改变接地极材料型号时，真正的变量只有L，即接地体的长度，故可以做出减短接地棒长度的调整，同时，为保证接地电阻达到规范要求，应相应增加接地棒的数量，作为合成接地体。

合成电阻计算公式为:

注:式中，Rgo—单根垂直接地体的接地电阻 (Ω);ηL—接地体的利用系数;n—垂直接地体的并联根数。

接地体的利用系数与相邻接地体之间的距离a和接地体长度L的比值有关，通常取a/L=3，同时接地体以行形式排列时，ηL在0.9～0.95之间。

结合上述两个公式，可以估算出以下结论:采用两根1.5米接地棒与采用一根2.5米接地棒作为路灯接地极的接地电阻效果基本相同。

(6)基础的开挖制作是否可以替代接地棒敷设的深坑?

探讨:不可以，基础的开挖后为浇注混凝土。混凝土与普通土壤电阻率差距数倍、或数十倍。

注:陶黏土土壤电阻率为10，混凝土在水中土壤电阻率为40～55，砂砾土壤电阻率为1000～2500表层土夹石、下层砾石土壤电阻率为600。

(7)增加垂直接地极的优点有哪?

探讨:①将接地系统向纵深方向发展是提高高土壤电阻率地区及城区地网安全性的重要措施。

②增加垂直接地极能有效地降低接地系统的接地电阻，但在有限面积的接地网上布置过多的垂直接地极时，降阻效果将趋于饱和。

③增设垂直接地极对于降低接触电压和跨步电压具有非常显著的作用，一是垂直极的引入，降低了地电位升 (GPR)，而接触及跨步电压均与GPR有着直接的关系。二是因为增设垂直极后，大部分故障电流通过垂直极流入大地，相应减少了水平导体的散流量，因此地表面的水平方向电流密度大大减少，造成水平方向电场强度大大降低。

(8)采用两根1.5米接地棒替代一根2.5米接地棒是否实用

探讨:①增加了施工难度，原先只需挖一个接地棒的敷设基坑，现需要挖两个接地棒的敷设基坑，工作量增加一倍。

②接地棒埋设深度:接地棒长度+敷设深度(大于0.6米);2.5米接地棒敷设深度为3.1米，1.5米接地棒敷设深度为2.1米。

常见地下管线敷设深度:给水管大于0.7米;污水管1～4米;雨水管1～3米;通讯电缆1.3～1.5米;燃气管 1.3～1.5米;电力电缆大于0.7米。

可以看出敷设1.5米接地棒替代2.5米接地棒对于降低破坏给水管、通讯电缆、燃气管、电力电缆几率的贡献微乎其微。相反敷设两根接地棒增加了破坏地下管线的几率。

如:一根接地棒破坏地下管线的概率为0.1，两根接地棒破坏地下管线的概率为1－(1－0.1)* (1－0.1)=0.19

(9)可否将灯杆接地与避雷接地合并呢?

探讨:避雷针与电器设备的外壳是不能共用一个接地极的;如果雷击到避雷针上，雷电流通过构架接地引下线流散到地中，由于构架电感和接地电阻的存在，在构架上会产生很高的对地电位，高电位对附近的电气设备或带电的导线会产生很大的电位差。如果两者间距离小，就会导致避雷针构架对其它设备或导线放电，引起反击闪络而造成事故。

为限制接地导体电位升高，避雷针必须良好接地，并与设备保持一定的距离;避雷针与变配电设备不但不能连接，而且在地面上的空间距离不得小于5米，避雷针接地网与电气设备接地网之间的地下净距离不得小于3米。