兼顾安全和可靠的道路照明电击防护形式

陈壬贤，朱 涛，郑书洧

(国网北京市电力公司，北京 100031)

引言

道路照明是城市重要的基础设施，关系到城市的运行效率和市民的夜间出行安全。近年来，随着城市发展和技术进步，道路照明建设维护水平不断提高。但道路照明设施作为室外安装的低压电气设备，广泛分布于城市大街小巷，设施的安全性仍需高度重视。

道路照明设施对行人的电击事故主要分为两类：(1)行人触碰带电灯杆，造成接触电压触电；(2)行人脚踏带电积水，造成跨步电压触电。

灯杆或者积水带电，都是相导体发生接地故障引起的。接地故障的原因主要包括两方面：(1)环境原因，雨水漫过设备(包括灯杆检修门、配电箱、电缆线路等)；(2)设备原因，线路绝缘损坏(绝缘老化、外力破坏)、电器损坏。环境、设备两种因素都可能单独导致触电，而当两种因素同时存在时，漏电危险最大[1-6]。

道路照明中的电击事故反映出防护手段的不足。为防范电击事故，我国南方一些城市甚至采取拉闸灭灯的极端办法，在恶劣天气下给市民带来诸多不便乃至交通安全风险。当前采取的技术和管理手段未能杜绝路灯对行人的电击事故，仍有进一步探讨的必要。

1 现有的防护措施

低压配电的电击防护措施主要包括：直接接触防护(无故障条件下的基本防护)、间接接触防护(单一故障条件下的防护)、直接接触和间接接触两者兼有的防护[7-11]。

道路照明采用的直接接触防护(基本防护)措施为：将带电部分绝缘(基本绝缘)。该措施能防止人体与危险带电部分接触。道路照明采用的间接接触防护(故障防护)措施主要为：保护等电位联结和自动切断电源。保护等电位联结和自动切断电源措施相互配合。前者主要是设备外壳(灯具、灯杆)联结PE、PEN并接地，效果是在故障情况下限制对地电压值，并确保足够的故障回路电流，使得保护电器能灵敏切断电源；后者主要是过流保护电器(断路器、熔断器)或漏电保护器，效果是限制危险电压的作用时间。

道路照明电击事故，主要是基本绝缘损坏后，相导体发生接地故障(接触设备外壳或大地)，引起接触电压或跨步电压，此时主要依靠自动切断电源的间接接触防护措施，并与不同接地方式(保护等电位联结)相配合。道路照明常用的接地方式主要有TN-C、TN-S、TT三种类型，与自动切断电源措施配合如下：

(1)TN-C系统+过流保护

TN-C系统：整个系统的N、PE线是合一的，自动切断电源只能采用过流保护电器。这种接地方式过去采用较多，现在已不允许使用。根据CJJ45—2006《城市道路照明设计标准》，道路照明配电系统的接地形式宜采用TN-S系统或TT系统，但在未改造的现有道路照明设备中，仍然有采用TN-C接地方式的[14]。

(2)TN-S系统+过流保护

TN-S系统：整个系统的N、PE线是分开的，自动切断电源根据线路条件，可采用过流保护器或漏电保护器。过流保护器采用较多，漏电保护器在道路照明中实际应用很少。

(3)TT系统+漏电保护

TT系统：电力系统有一点直接接地，电气设备的外露导电部分通过保护线接至与电力系统接地点无关的接地极。TT系统由于接地故障回路阻抗较大，用过流保护兼做接地故障保护难以满足动作电流需要，只能装设漏电保护器。在道路照明中漏电保护器容易误动作，应用并未广泛。

2 现有防护措施存在的问题

下文分别从单一故障和双重故障两方面，评估现有防护措施的有效性和存在问题。

2.1 单一故障和双重故障的定义

此处的“单一故障”，不仅指基本防护失效(基本绝缘失效)，而可以拓展定义为：基本防护或故障防护两者之一失效，具体包括以下四种常见类型：

(1)基本防护失效

① 金属性接地：主要是相线对设备金属外壳接地，故障点被电流熔焊，阻抗可忽略不计。故障电流较大，只要合理确定供电距离和保护整定值，过流保护电器能够灵敏动作，切断故障电流。

② 非金属性接地：相线对外壳接地但存在接触电阻，或相线直接接地(与无等电位联结作用的大地、外部可导电部分发生接地故障)。故障点阻抗不可忽略，且阻抗值难以确定。故障电流较小，过流保护电器不能可靠动作。但故障电流已能引起危险的接触电压或跨步电压。尤其是雨天，由于人体总阻抗较低，接触电压即便限制到50V以下仍可能对人身构成危害。很小的电流就可能引起麻电、倒地，从而进一步增大接触面积，造成生命危险。从事故案例来看，多数发生在雨天，而故障设备的电源都没能及时切断。此类故障是现有措施防护效果不佳的薄弱环节，需要重点关注。

(2)故障防护失效

① PE或PEN断线：TN-C系统的PEN线，或者TN-S系统、TT系统的PE线发生断线。

② 自动切断电器失效：过流保护器或漏电保护器失效，在过流或漏电时将拒动。

此处的“双重故障”，指的是“先后发生的双重故障”。根据GB/T17045—2008《电击防护 装置和设备的通用部分》要求，基本防护和故障防护作为两个独立的防护措施，应当具有以下关系[13]。

1)两个独立的防护措施之间不应互有影响，以做到一个防护措施的失效不至于损害另一个防护措施。

2)两个独立的防护措施同时出现失效是不太可能的，因而通常不需要予以考虑。

其中第2条存在另一种情况，就是基本防护和故障防护其中之一已经失效，但未能对运维人员发出提示，以致第一故障长期存在。在这一时期内，再发生另第二故障，就构成双重故障，构成安全威胁。这种“先后发生的双重故障”，与第2条所指的同时发生的双重故障相比，可能性大大提高，需要引起重视。

2.2 单一故障和双重故障下的防护效果

如图1所示，通过单一故障和双重故障的流程图，可以看到故障的发生路径和故障导致的5种可能结果。

(1)单一故障

情况①：第一故障构成危险，另一防护措施对此起到有效防护，安全。

情况②：第一故障构成危险，另一防护措施对此起不到防护作用，形成“单一故障危险”。

(2)双重故障

情况③：第一故障不构成危险，能对运维人员形成提示(灭灯)，及时处理第一故障，安全。

情况④：第一故障不构成危险，不对运维人员形成提示，第二故障发生且构成危险，形成“双重故障危险”。

图1 单一故障和双重故障的流程图Fig.1 Flow chart of single fault and double fault

情况⑤：第一故障不构成危险，不对运维人员形成提示，第二故障发生但不构成危险，安全。

根据以上路径，分析不同故障组合和发生次序所导致的结果，如表1所示。

表1 单一故障和双重故障的危险性分析Table 1 Risk analysis for single fault and double fault

结合分析结果，总结现有防护形式存在问题如下。

1)TN-C系统+过流保护：安全性最低，可靠性较高。存在两类单一故障危险(非金属性接地、PEN断线)。行业标准已不允许道路照明系统采用此种接地方式。

2)TN-S系统+过流保护：安全性中等，可靠性较高。存在一种单一故障危险(非金属性接地)。对于非金属性接地故障，GB 50054—2011《低压配电设计规范》5.2.11通过规定“所有与系统接地极并联的接地电阻”与“相导体与大地之间的接地电阻”的比值来限制间接接触电压不超过50V，但实际上故障相导体接地电阻无法预测，难以保证达到规范要求。并且50V以下电压只能保证干燥环境下的安全，在潮湿环境下不能确保安全[12]。

(3)TT系统+漏电保护：安全性最高，但可靠性极低。道路照明线路正常泄漏电流较大，漏电保护器需要较高的整定值。而户外环境恶劣，正常泄露电流随着潮湿程度波动很大，难以准确整定。潮湿、覆冰、雷电、谐波等，都可能导致漏电保护器跳闸。从一些地区的实际应用情况来看，即便较大动作电流(300毫安以上)，仍无法避免频繁的误动作。这使得TT系统在道路照明的应用存在两难境地：加漏保，可靠性太低；不加漏保，危险太大。

3 可行的新方案(TN-S接地+过流保护+漏电监测)

3.1 新方案介绍

道路照明的安全性重要，可靠性也同样重要。尤其在雨天，如果道路照明大面积误动掉闸，将给车辆和行人带来较大危险。因此，道路照明的电击防护方案需要综合考虑安全性和可靠性两方面。建议采取的形式为：TN-S接地+过流保护+漏电监测。

(1)采用TN-S接地系统+过流保护电器，根据GB 50054—2011《低压配电设计规范》5.2.8要求核算接地故障的回路阻抗，合理确定供电半径，确保末端发生金属性接地故障时过流保护电器能够可靠动作。

(2)在电源点的低压出线各路分别加装漏电监测器，对线路的漏电流实时监测，漏电流异常时动作于报警信号，报警信息接到现有的路灯远程监控终端返回监控中心后台(24小时有人值班)。其功能类似于民用建筑中的“防火剩余电流动作报警系统”。根据漏电流实际大小、持续情况及不同道路等级的可靠性要求，决定是否远程控制切断电源，并派出抢修队伍前往现场。

3.2 新方案的特点

新方案的优势在于如下四点。

(1)在安全性方面：全面消除单一故障危险。发生金属性接地故障时能够通过过流保护电器可靠切断电源；发生非金属性接地故障时能够通过漏电监测器及时报警和处理，避免故障长期存在、无人处理的问题；不存在TN-C系统的PEN断线危险。

(2)在可靠性方面：道路照明中漏电保护整定困难、误动率高。此处漏电监测电器动作于报警信号，而不动作于跳闸，在及时发现和处理故障的同时，确保了道路照明运行的可靠性。报警信息通过远程监控终端及时返回，避免了采用漏电保护器自动切断电源所带来的维护人员不掌握故障跳闸信息、被动等待报修的情况。

(3)对现在常用的TN-S接地+过流保护的模式不需要进行太大变动，并且充分利用现在已经广泛使用的路灯远程监控设备。

(4)道路照明维护的未来发展方向是状态监测和状态检修，其中漏电流监测是一个重要方面。通过状态监测，变事后处理为事前防范，将问题解决于萌芽期。除了外力破坏情况，设备从绝缘降低到最终接地或短路故障一般会有个发展过程。如图2所示，通过对漏电流的长期监测，能够掌握设备运行状态，在不同阶段采取有效应对措施，从而提升设备科学管理水平。

图2 设备故障发展过程Fig.2 Process diagram of equipment failure

4 提升安全可靠性的其他措施

(1)双重故障的防范：关键是根据双重故障发生路径，及时发现第一故障，即：PE断线、自动切断电器失效。这只能通过定期检修来实现。对于防护设施的检查，包括PE线导通性的检验，对自动切断电器有效性的检验或定期轮换，甚至比对相线、N线的检查更重要。因为防护设施的故障不发出提示，不易发现，长期存在则容易发展成双重故障危险。

(2)将配电箱等设备、灯杆检修门置于防止积水淹渍的高度。

(3)提高设备(配电箱、灯具等)的防尘防水性能(IP等级)，并进行必要的清洁，降低污秽和潮湿造成的爬电、漏电风险。

(4)电缆接线处采取防水式接线盒，防止接头漏电。

(5)TN-S系统的PE线沿线路重复接地，降低系统保护接地电阻。

(6)双侧布置的路灯，两侧分别从不同的电源供电，确保在一侧故障断电时另一侧不受影响，能为道路提供基本照明。

5 总结

(1)道路照明设备电击事故时有发生，反映出现有电击防护措施的不足。事故多发于潮湿天气，主要机制是带电部分发生接地故障，引起设备金属外壳危险的接触电压或地面危险的跨步电压。

(2)道路照明的间接接触防护主要是自动切断电源措施，并与不同接地方式相配合。现有防护形式中，TN-C系统+过流保护模式存在两种单一故障危险(非金属性接地、PEN断线)，不允许使用；TN-S系统+过流保护存在一种单一故障危险(非金属性接地故障)；TT系统+漏电保护安全性较高，但可靠性太低，无法推广。

(3)TN-S接地+过流保护+漏电监测能够兼顾道路照明的安全性和可靠性，对单一故障危险形成有效防护，而不降低系统可靠性。对现有常用的TN-S系统不需要太大变动，并且实现对线路绝缘状况的状态监测，提升设备科学管理水平。

(4)双重故障危险的防范，关键是通过检修，及时发现和处理第一故障(PE断线、自动切断电器失效)。

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[14] 中华人民共和国建设部．CJJ45—2006城市道路照明设计标准[S]．北京：中国建筑工业出版社，2007．