道路照明采用TN-S接地系统的探讨

陈三元，肖丽红

(中国市政工程中南设计研究总院有限公司，湖北 武汉 430010)

1 发生接地故障时自动切断电源的条件

根据GB50054-2011《低压配电设计规范》第5.2.8条，TN-S系统中配电线路的间接接触防护电器的动作特性，应符合下式的要求:

ZsIa≤U0

(1)

式中：Zs-接地故障回路的阻抗，Ω；Ia-保证间接接触保护电器在规定时间内切断故障回路的动作电流，A；U0-相电压，即相线和地之间的标称电压，V。

TN-S系统通常采用断路器或者熔断器作为保护电器。当发生接地故障，切断故障电路的时间≤5 s时，为满足公式(1)的要求，对于断路器和熔断器，接地故障电流Id应分别满足如下要求：

(1)对于断路器

Id≥1.3Iset3

(2)

式中：Iset3-断路器瞬时过电流脱扣器整定电流，A。

(2)对于熔断器

Id≥KrIr

(3)

式中：Ir-熔断器熔断体的额定电流，A；Kr-Id/Ir的最小允许值(切断时间为5 s)，见表1。

表1 TN系统接地故障防护采用

熔断器、断路器不仅需要满足接地故障保护的的要求，还要躲过照明启动瞬时电流，结合两者的动作特性可知，熔断器更加容易满足公式(1)的要求。

在馈电网络短路容量、变压器型号及容量确定的条件下，对断路器或熔断器动作灵敏性的校验可以转化成对配电电缆截面积及配电距离的校验，在任元会先生《道路照明配电系统接地方式和线路保护的探讨》一文中有详细介绍。从该文可以看出，当线路采用熔断器保护时，对于配电距离在800 m以下的情况，可以通过选用相对较为合理截面的电缆满足回路接地故障保护的要求。这个供电距离对于道路照明是较为经济合理的。考虑到现实操作的需要，建议可采用隔离开关+熔断器结合的方式，熔断器对线路的过电流进行保护，隔离开关则起到接通、分段负荷电流作用以及为检修时提供可靠的隔断。此外，按照CJJ45-2015《城市道路照明设计标准》第6.1.5条：“……各单相回路应单独进行控制和保护……”，熔断器应该采用单相熔断器。

采用熔断器还有一个好处，照明干线电缆保护熔断器与灯杆内支电缆保护熔断器的选择性很容易满足，这也提高了供电的可靠性。

2 相导体与大地发生接地故障需满足的条件

在TN-S接地系统中，当相导体与无等电位联结作用的地发生接地故障时，由于接地故障电流不大，保护电器无法及时动作，保护导体就会带上故障电压，并传导到用电设备外壳，容易发生触电危险。由图1可知，保护导体上的故障电压为Uf=IdRB，其中Id为接地故障电流，A；RB为系统接地和与其并联接地极的接地电阻，Ω。为避免触电危险，GB50054-2011《低压配电设计规范》第5.2.11条规定，在没有等电位联结作用的正常干燥场所，需要满足下式的要求

(4)

式中：RE-故障电流不是通过保护导体而是通过大地返回电源的接地故障的故障点与大地间的最小接触电阻，Ω；U0-相电压，即相线和地之间的标称电压，V。

对于道路照明，路灯位于室外，雨天时地面极其潮湿，人体也完全可能被淋湿，接触电压限值应取25 V，所以式(4)变成

(5)

将U0=220 V带入代入上式中，可得

RB≤0.13RE

(6)

图1 TN-S系统接地故障分析图

因RE是个随机值，所以难以统一规定RB的安全值。但可以明确一点，RB值应尽量小(《建筑物电气装置600问》中认为RB≤2Ω是有效的)，为此应尽量降低系统接地的接地电阻，并尽量在PE线上做重复接地以减少RB值，如图2所示。根据等效电路，RB为

(7)

图2 TN-S系统重复接地分析图

按照上述结果，道路照明TN-S系统重复接地的做法建议为：利用多芯电缆中一芯作为接地干线，除在配电线路始端、中间及末端重复接地外，为提高可靠性，每间隔3盏灯再做一次重复接地，重复接地电阻要求不大于10 Ω。在路灯基础本身可作为自然接地体的情况下，通过由角钢、扁钢组成的人工接地网络来实现此电阻值应该是不难的。

3 在高压侧发生接地故障时低压侧过电压的防护措施

根据GB/T16895.10-2010《低压电气装置第4-44部分：安全防护电压骚扰和电磁骚扰防护》442.2，若变电所高压侧有接地故障，低压系统将会出现工频故障电压。按照该规范442.2.1条，在低压系统PE导体多点重复接地时，工频故障电压为

Uf=0.5REIE

(8)

式中：RE-变电所接地装置的接地电阻；IE-流过变电所接地装置的高压部分接地故障电流。

(1)10 KV配电网中性点不接地

根据GB50613-2010《城市配电网规划设计规范》第5.6.2条以及国家电网公司发布的《配电网技术导则》第5.8.4条，10 KV配电网中性点不接地时，单相接地故障电容电流不得大于10 A；CJJ89-2012《城市道路照明工程施工及验收规程》7.2.8条规定，照明路灯专用变压器系统接地电阻不应大于4 Ω，代入式(8)得到Uf=20 V，低于室外潮湿无等电位联结的安全电压限值25 V。

(2)10 KV配电网中性点经小电阻接地

在此中性点接地方式下，接地故障电流不再是微小的电容电流，可达数百安乃至接近一千安，式(8)无法满足安全电压限值的要求。GB/T16895.10-2010《低压电气装置 第4-44部分：安全防护 电压骚扰和电磁骚扰防护》442.2.3条针对此问题提出如下措施：

(1)将高压接地装置和低压接地装置之间分开；

(2)改变低压系统的接地方式，即采用TT方式；

(3)降低系统接地电阻。

对于道路照明来讲，可采取措施(1)，路灯专用变压器分设两个接地极，将系统接地和保护接地分开设置。在做市政道路照明设计时，应了解当地10 KV配电网中性点的做法，以便采用相应措施，避免高压侧发生接地故障时给低压系统带来危险过电压。

4 防止PE线断线的措施

PE线在TN-S系统安全防护中起着至关重要的作用，TN-S系统一旦出现PE线断线的情况将带来极大的安全隐患，且这种隐患在发生触电事故前是难以发现的。为保证PE线的可靠导通，从设计、施工、维护等各个方面都需要采用相应措施。

(1)设计环节

首先应按照有关规范要求选择相应的PE线截面积。

建议在道路照明设计中，PE导体可以选择与相导体等截面，这可能会带来一定的投资增加，但却可以提高PE线的机械强度和可靠性，并增大接地故障电流，提高线路保护电器的动作灵敏性。

第二，保证照明干线的完整性。

在照明干线电缆与灯杆内支电缆的连接方式上，目前有几种常见的做法：

(1)两段干线电缆在路灯灯杆内通过接线端子对接，至灯具的支电缆亦引自接线端子；

(2)干线电缆在接线井去皮，灯杆内支电缆T接于干线电缆上；

(3)灯杆内支电缆在接线井通过穿刺线夹T接于干线电缆上。

第(1)种做法实际上为链式接法，且许多地方采用这一做法。根据GB50052-2009《供配电系统设计规范》第7.0.4条：“当部分用电设备距供电点较远，而彼此相距很近、容量很小的次要用电设备，可采用链式配电，但每一回路环链设备不宜超过5台，其总容量不宜超过10 KW……”，而实际中每条照明回路中的路灯数量一般都会超过5盏。此种接线方式可能是路灯漏电伤人事故不时发生的一个重要原因；第(2)、(3)种做法均保持了主电缆的基本完整性，提高了PE线的可靠性，但造价会增加。建议摒弃第(1)种做法，可以根据各地情况选择后两种做法。

(2)施工环节

除了严格按照国家有关施工规范标准执行外，在道路照明交付使用前，应该对PE线的导通性进行测试，确保安全。

(3)运维环节

应该对PE线导电连续性进行周期性检验，并形成检验报告存档。具体周期可由管理部门来规定。

5 结 语

鉴于TN-S接地系统在道路照明系统中仍然大量使用，本文对路灯照明使用该系统时需要注意的若干问题进行了分析，指出设计中需要注意的关键点，供各位同行参考、研讨。