关于市政电气设计中与接地有关的几个问题

吴建荣

常州市市政工程设计研究院有限公司 江苏 常州 213000

利用灯杆做接闪器时，对灯杆金属的材质、厚度等没有明确的要求，导致部分供应商在一些项目上直接使用不达标的灯杆，从而产生安全隐患。

1 市政电气接地设计常见的问题

1.1 水处理构建物装置

水处理构建筑物装置是较常见的市政项目之一，经常会遇到地下或半地下装置或者小型泵站。在此类电气设计中，常见的接地问题包括：（1）等电位连接和接地混为一谈；（2）忽略了防跨步电压和防接触电压的设计。

地下或半地下水处理装置由于环境相对潮湿，较易发生漏电危险。如果只考虑接地或把等电位连接与接地混为一谈，则仍存在触电隐患。接地设计时，一般只考虑电气设备外壳与PE线联结，但当发生短路、绝缘老化、中性点偏移或外界雷电而导致浴室潮湿环境出现危险电位差时，则仍可能会出现足以引起伤害的电位，并引发触电事故。

小型泵站，由于泵房规模较小，预计年雷击次数较小，达不到《建筑物防雷设计规范》GB50057中第三类防雷建筑物的要求，可以不设防。然而，部分电气设计人员会提高要求按照三类防雷建筑设防，以为提高了设计标准，会更安全。但是，因此而忽略防跨步电压和防接触电压设计的不在少数。当直击雷作用于小型泵房的防雷装置时，在微秒级的时间内，超大的雷电流经引下线到接地装置，并泄放至大地中。在此过程中，引下线的电位会瞬间提升至数万伏甚至数十万伏，并由此危机人身或财产安全。

1.2 常规道路照明

常规道路照明设施包括灯具、线路、电柜和箱变等。照明系统除了常规的道路照明，还包括高架照明、隧道照明以及智慧照明等。在照明接地系统中，常见的问题包括：（1）TN-C-S与TN-S系统不分、重复接地与TT系统不分；（2）接闪器规格、接地材质的要求不明确。

TN-C-S系统是TN系统的一种，系统中一部分N导体和PE导体是合一的；TN-S系统中N导体和PE导体完全分开。早期的照明系统为了节能和控制，常将照明配电系统设计为三相四线，即道路一侧为L1、L2、N和PE线、另一侧L2、L3、N和PE线，来实现全夜全亮、半夜半亮（每侧各关掉其中一相）的节能效果，并通过多条道路的照明负载来实现三相均衡。部分设计人员习惯性地认为四线即TNC-S系统。

根据CJJ45-2015要求，道路照明配电系统的接地形式应采用TT系统或TN-S系统。TT系统电源端有一点直接接地，

1.3 智慧照明

近年来，智慧照明项目越来越多，对于接地电阻的要求却不尽相同。目前，上海、浙江、江苏、江西、湖南等地都颁布了智慧灯杆的建设导则，国标GB/T40994-2021《智慧城市 智慧多功能杆 服务功能与运行管理规范》也于2022年3月1日实施。但是，各规范和导则对于智慧灯杆的接地电阻值的要求却有偏差[1]。

《上海市道路合杆整治技术导则》第7.3.2条规定“金属灯杆及构件、灯具外壳、配电及机箱等的外露可导电部分均应与保护导体相连接。路口布设区域综合杆及综合机箱接地电阻值≤1Ω，其他区域综合杆及综合机箱接地电阻值≤4Ω。”；《江苏省城市照明智慧灯杆建设指南》第8.3.2条规定“杆体、悬臂、设备舱、挂载设备等所有裸露的金属部件与接地端子之间应具有可靠的电气连接，接地电阻应≤4Ω。”；《浙江省多功能智慧灯杆技术标准（征求意见稿）》第4.8.4条规定“智慧灯杆系统接地保护电阻不应大于4Ω。”；《江西省智慧灯杆建设技术标准（征求意见稿）》第4.6.3.5条规定“智慧灯杆接地电阻应符合《城市道路照明工程施工及验收规程》CJJ89和《通信局（站）接地与防雷标准》GB50689的规定，其接地电阻不应大于4Ω。”；国标GB/T40994《智慧城市 智慧多功能杆 服务功能与运行管理规范》第5.5.2条规定“电气接地系统设计应符合GB/T50065及GB50054的规定。”

通过上述各地导则和国标可知，智慧灯杆的接地电阻有≤1Ω和≤4Ω两种。如果完全按照《上海市道路合杆整治技术导则》路口布设区域按≤1Ω，其他布设区域按≤4Ω执行，也不完全正确。

1.4 线路保护与线路安全

市政电气项目大多具有用电负荷呈带状长条型或呈分散、点状等特征，供电半径较大。在低压配电系统最常用的TN系统设计时，一般用过电流保护兼作接地故障保护。由于接地故障电流的计算较为麻烦，部分设计人员只考虑了电压损失，而忽略了过电流保护的灵敏度。由此，发生由接地故障引起的间接接触电击或电弧、电火花引发的火灾等安全事故不在少数。

1.5 10kV配变电

10kV配变电设计时，利用对地电容电流允许最大20A的限制条件，常采用中性点不接地系统。当中性点不接地系统发生故障后，故障信号作用于报警信号而不是跳闸，在2h内依然可以持续工作，同时，工作人员在收到故障信号后抓紧时间检修，减少停电对用户的影响。

2 市政电气接地设计问题的解决对策

2.1 水处理构建物装置相关问题的处理

地下或半地下潮湿环境下，电气设计人员首先应该考虑等电位连接，确保所在环境下，人接触的外露可导电设备没有电压差，从而没有电击危险。同时，为保证设备的正常运行和安全，必须进行接地，并每50m做重复接地[2]。

小型泵站提高要求按照第三类防雷建筑设防时，屋顶接闪器通过结构柱内的主钢筋做自然引下线。当柱子少于10根时，在泵站引下线附近保护人身安全需采取以下防接触电压措施的其中一条：

（1）引下线3m范围内地表层的电阻率不小于50kΩm，或敷设5cm厚沥青层或15cm厚砾石层。

（2）外露引下线，其距地面2.7m以下的导体用耐1.2/50μs冲击电压10kV的绝缘层隔离，或用至少3mm厚的交联聚乙烯层隔离。

（3）用护栏、警告牌使接触引下线的可能性将至最低限度。

当柱子少于10根时，在泵站引下线附近保护人身安全需采取以下防跨步电压措施的其中一条：

（1）引下线3m范围内地表层的电阻率不小于50kΩm，或敷设5cm厚沥青层或15cm厚砾石层。

（2）用网状接地装置对地面做均衡电位处理。

（3）用护栏、警告牌使进入距引下线3m范围内地面的可能性减小到最低限度。

2.2 道路常规照明相关问题的处理

在实际项目中，TN-S系统使用较多，为了解决照明线路长、末端接地故障电流小的问题，常见的方法是做重复接地——每3盏灯做重复接地，重复接地的电阻不大于10Ω，发生接地故障时，照明线路约100m左右，可有效提高接地故障电流，确保断路器的保护效果。

道路照明一般利用灯杆本身做接闪器和引下线，再利用路灯基础做接地极。接闪器的材料、结构和最小面积可参照GB50057第5.2.1条，引下线的相关要求可参考第5.3.3条的规定，两者必须同时满足。实际工程中，路灯灯杆大多都是由Q235钢卷制，外喷塑防腐蚀热镀锌而成，且上下端直径大小不一。因此，在设计中应要求灯杆钢材的截面不小于100mm2，厚度不低于4mm，且应做热镀锌处理。

2.3 智慧照明相关问题的处理

为了解决智慧照明接地电阻的问题，我们必须从智慧灯杆的定义这个源头来探究。智慧灯杆是通过挂载各类设备，提供智慧照明、移动通信、城市监测、交通管理、信息交互和城市公共服务等功能的各类杆体状城市部件。杆体综合舱是智慧灯杆配套设备的安装场所，可安装光缆终端盒、智能网光、监控单元及交、直流配电单元等设备中的一种或多种设备，为智慧灯杆上的设施提供供电、公网等综合服务。

由此可知，智慧灯杆包括了杆体、设备舱、智能灯具、挂载设备以及配套设施等。其中设备舱包括多路输出的工业级开关电源、智慧灯杆网关、光纤收发器等；挂载设备包括但不限于视频摄像机、交通指示设备、交通监控设备、环境/气象传感器、5G基站、LED显示屏、网络音柱、无线WiFi、一键呼叫设备、信息触摸屏、充电桩等。涉及的电压等级有AC～380/200V、DC12V、DC24V等多种规格，可以按照电压等级进行分类，其中AC～380/220V的交流设备，其接地电阻≤4Ω；DC12/24V的直流设备，其接地电阻≤1Ω；共用接地系统的，其接地电阻≤1Ω。因此，智慧灯杆的接地电阻值应根据智慧灯杆上挂载设备的类型进行区分，只要包括弱电智能化设备的，其接地电阻应≤1Ω。如果智慧灯杆上只挂载照明、道路指示牌或其他交流AC～380/220V用电设备的，则其接地电阻应≤4Ω。

2.4 线路保护与线路安全问题的处理

工程设计中，过电流保护兼作接地故障保护时，应先计算最小接地故障电流，然后再根据《低压配电设计规范》GB50054的要求进行灵敏度的计算：

在三相交流系统中，可能发生三相短路故障、两相间短路故障、两相接地短路和单相接地短路。通常而言，三相短路电流最大，两相短路电流次之，单相短路电流最小。当短路点发生在发电机附近或变压器中性点接地的附近时，两相或单相短路电流有可能大于三相短路电流。一般情况下，只要考虑单相故障电流Id 能满足灵敏度要求即可。按照《三相交流系统短路电流计算》GB/T15544的方法，单相短路电流需要根据出线回路的变压器、低压母线、出线电缆、零序阻抗等参数进行各种等效换算，过程非常复杂。在实际设计过程中，很多电力系统的参数也无法获取，由此导致不少设计人员忽略灵敏度的校验。

为了简便计算，可以引入电源侧阻抗系数——考虑接地故障回路省略变压器阻抗和高压侧系统阻抗导致的误差进行的修正，将最小接地故障电流近似公式为：

式中，0.8～1.0 ——电源侧阻抗系数，当故障点原理配电变压器、线路截面积较小、变压器容量较大时，取高值（如0.95～1.00），反之，取较低值；

1.5——由于短路引起发热，电缆电阻的增大系数；

U0——相对低标称电压，V；

S ——相导体界面接，mm2；

K1——电缆电抗校正系数，当S≤95mm2时，取1.0，当S为120mm2和150mm2时，取0.96，当S≥185mm2时，取0.92；

K2——多根相导体并联使用的校正系数，

n ——每相并联的导体根数；

ρ ——20℃时的导体电阻率，Ω*mm2/m；

L ——电缆长度，m；

m ——材料相同的每相导体总结面积（Sn）与PE导体截面积（SPE）之比。

图1 TN系统接地故障回路示意图

通过这个简化的近似公式，最小故障电流计算就非常方便。对于常用的一些变压器和电缆规格，设计人员也可以直接查询《工业与民用供配电设计手册（第四版）》表11.2-4来核算电缆的最大保护长度。

当采用熔断器作间接接触防护时，切断时间t≤5s和t≤0.4s，可分别根据《工业与民用供配电设计手册（第四版）》的表11.2-5和表11.2-6来进行保护保护灵敏度校验的判断。

2.5 10kV配变电问题的处理

10KV配电系统由中性点不接地系统改为中性点经低电阻接地系统，可有效提升对地电容电流的最大值额度。同时，故障信号不能仅作为报警信号，而应作用于跳闸。接地故障电流采用零序电流保护，电压互感器改为V-V接线。

低压侧的接地可分为两种情况：

（1）变电所和低压用户在同一建筑内，共用接地设备；

（2）变电所和低压用户不在同一建筑内，低压系统电源应独立接地，接地电阻不大于4Ω。建筑物外不具备总等电位连接条件的，应该为TT系统，同时注意降低变电所接地电阻Rb，确保Id*Rb小于1200V，防止低压侧发生绝缘击穿事故[3]。

3 市政电气接地设计注意事项

水处理装置、道路常规照明、智慧照明、配电线路、10KV变电所等市政常见项目，其电气接地设计应重点关注。设计人员编制电气设计方案时，需要研究不同构建物在电气安全防护方面的要求，在此基础上选择防雷防护方法，由此提高防护措施的有效性与合理性。同时，必须提高电气设备使用的科学性，使保护措施拥有保护效用同时，也可以为后续电路检查与维修提供便利条件。

4 结语

本文通过总结分析市政电气设计中常见的接地问题，提出了相应的解决措施，希望对市政建设人员有一定的帮助。