城市道路照明TN-S系统单相接地故障保护探讨

骆志荣

（厦门市市政工程设计院有限公司， 福建 厦门 361002）

0 引言

城市照明以路灯照明应用居多，路灯用电负荷分散，供电半径很长，能达到几百米，一些取电困难的地区供电半径甚至会超过一千米，同时路灯设备受自然环境影响较大，容易被行人触碰，一旦灯杆带电将引发极大的危险性。因此对道路照明系统单相接地故障的电流计算和保护开关选择显得尤为重要。本文针对工程建设中最常用的TN-S配电系统的单相接地短故障护问题进行讨论

1 路灯TN-S接地系统型式介绍

厦门地区的路灯低压系统接地形式主要采用TN-S系统，其定义为：T表示电源端即变压器中性点直接接地;N表示电气装置外露可导电部分直接接地；S表示系统的中性线（N）应与保护线（PE）分开的，在变压器处工作接地与保护接地需要接至共用接地装置，即在箱变处PE线与变压器中性点（N）连接，PE线与每根路灯钢杆接地螺栓、灯具外壳、配电及控制箱等的外露可导电部分可靠连接，在线路分支、末端及中间适当位置处做重复接地形成联网，在任一地点的接地电阻不应大于4Ω。

2 单相接地故障电流计算

2.1 工程实例

某道路路灯照明供电电源为成套箱变，其中变压器型号为Dyn11/SCB11-200/10/0.4kV(Uk=4%)一台，10kV系统短路容量为100MVA，低压配电系统采用TN-S系统，其中一个路灯回路长度为900m，路灯间距为30 m，沿道路均匀布灯。灯具采用150W LED灯，回路终期总功率为6kW,补偿后功率因数为0.9；如图1所示：

图1 路灯照明TN-S系统配电示意图（其中一个回路）

2.2 单相接地故障电流计算

根据《工业与民用供配电设计手册》第四版（1）（以下简称《配四》）,TN-S系统发生单相接地故障时，单相接地故障电流为：

式中：ZS——回路中接地故障回路阻抗

Rphp——回路中各元件相保电阻的和；

Xphp——回路中各元件相保电抗的和。

RS.php、XS.php——10kV高压侧系统的相保电阻、电抗；

RT.php、XT.php——变压器的相保电阻、电抗；

RM.php、XM.php——低压侧母线段的相保电阻、电抗；

RL.php、XL.php——低压侧配电线路的相保电阻、电抗。

分别计算线路路灯配电干线线路电缆为 YJV-0.6/1kV-5x25、YJV-0.6/1kV-4x35+1x16、YJV-0.6/1kV-5x35，最不利点900米（即上图中f处）的单相接地故障电流值。

查《配四》表4.6-11可知，当10 kV系统短路容量为100MVA时，高压侧系统相保电阻、电抗为RS.php=0.11mΩ、XS.php=1.06mΩ。

查《配四》表4.6-13可知，当变压器采用Dyn11/SCB11-200/10/0.4kV(Uk=4%)，变压器的相保电阻、电抗为RT.php=10.12mΩ、XT.php=29.41mΩ。

由于配线母线长度较短，低压侧母线段的相保电阻、电抗本次计算中忽略不计，即RM.php=0mΩ、XM.php=0mΩ(母线长度较短，本次计算中忽略不计)。

查《配三》表4-25可知，交联聚乙烯绝缘电力电缆相保电阻、电抗分别为：RL.php=2.699mΩ/m、XL.php=0.192mΩ/m（电缆为 YJV-0.6/1kV-4x25+1x16），RL.php=2.106mΩ/m、XL.php=0.164mΩ/m（电缆为 YJV-0.6/1kV-4x25+1x25），RL.php=2.397mΩ/m、XL.php=0.191mΩ/m（电缆为 YJV-0.6/1kV-4x35+1x16），RL.php=1.503mΩ/m、XL.php=0.160mΩ/m（电缆为YJV-0.6/1kV-4x35+1x35）。

将以上参数带入公式 (1)、(2)、(3)分别计算路灯配电干线线路不同电缆截面、不同供电距离的单相接地故障电流值，如下表1所示：

由表1可以看出：

1、单相接地故障电流随着线路供电长度的增加而减少，不利于线路前端低压断路器短路保护的整定，是设计中值得关注的一个问题。

2、加大电缆的截面，尤其是PE线的截面，可以增大单相接地故障电流。因此在设计中，选择电缆PE 线截面时，除了要考虑一定机械强度外，还要能够承担单相接地故障电流的载流量，推荐采用5芯同截面的电缆。

3 TN-S系统照明配电线路低压断路器的选择

3.1 低压断路器的瞬时或短延时过电流的整定

上述工程实例，其回路终期总功率为6kW,功率因数为0.9，计算电流IC约为10.1A

根据《配四》公式（11.3-6、11.3-7）和表11.3-14可知：

3.2 单相接地故障电流灵敏度校验

根据参考文献（3）第6.2.4条要求：被保护线路末端的短路电流不应小于断路器瞬时或短延时过电流脱扣器整定电流的 1.3倍，即：

由表1可以看出，选择YJV-0.6/1kV-4x35+1x35才能满足低压断路器最小动作电流131.3A小于最不利点（900米）处的短路电流160.1A，保证断路器短路动作的灵敏度。

4 TN-S系统提高断路器动作灵敏性的措施

在实际应用中，为了减少变压器的设置数量，降低投资，一般是在主干道的道路照明设计的同时综合考虑周边次干道、支路等照明用电，导致配电线路过长，计算线路末端灯具处的单相接地故障电流值太小，干线断路器难以满足接地故障保护灵敏性的要求，为了提高低压断路器动作灵敏性，可以主要采取以下措施：

1、加大电缆的截面，尤其是PE线的截面，可以增大单相接地故障电流。

2、采用带短延时过电流脱扣器的断路器作间接接触防护。

短延时过电流脱扣器整定电流值Iset2通常只有瞬时过电流脱扣器整定电流值Iset3的 1/5～1/3左右，即：

由表1计算可得知在满足最不利点处末端灯具的单相接地故障保护灵敏性要求，可选择电缆YJV-0.6/1kV-4x25+1x16，减少了电缆的投资。

3、采用带剩余电流保护的接地故障保护断路器。

根据《低压配电设计规范》GB50054第5.2.9.1条规定TN系统配电线路或仅供给固定式电气设备用电的末端线路，间接接触保护电器动作时间不宜大于5 s。然而在对人体而言，在发生接地故障时，人碰到灯杆会接触到灯杆部分对地电压（人体预期接触电压）Uf，由图1工程实例可知900米处末端灯具（忽略系统及线路阻抗）高于正常情况下规定的50V和潮湿情况下规定的25 V的安全电压（Rd为重复接地电阻，RS为系统接地电阻）。Uf否会造成电击伤害，还与其持续通电时间长短相关，参考文献（2）图1-2（干燥和潮湿条件下预期接触电压Uf和允许最大持续时间t的关系曲线）可知，在电压114.4V允许最长持续通电时间约为0.15s，远小于断路器动作时间5s，会对人身构成威胁。需考虑在人体发生心室颤动危险前切断故障电流，设计时可在每个灯具处设置剩余电流保护装置，剩余电流动作值IRCD选择30mA，动作时间选择t选择0.1s；干线处剩余电流保护装置IRCD选择300mA，t选择0.2s。

为了避免了剩余电流保护装置正常运行时误动作，减少设备测试，在一些主要的城市道路路灯配电系统，可考虑在低压出线处加装剩余电流监测装置，当发生漏电流异常时，仅动作于报警信号而不动作于跳闸，信号返回监控中心，维护人员可根据漏电流的大小、持续情况，决定是否远程控制切断电源。

5 结束语

对于长距离的路灯TN-S系统配电线路，需要重视末端接地故障灵敏度的校验。对于少量供电距离长，线路末端灯具处的单相接地故障电流值小的道路，可采用加大敷设电缆的截面，尤其是PE线的截面和带短延时过电流脱扣器、剩余电流保护的断路器等方式来提高断路器动作灵敏性，确保人员生命财产安全。在城市的主要道路可采用剩余电流监测，兼顾道路照明的安全性和可靠性。