路灯接地保护系统的安全性分析

2022-11-16钱锴江苏省建筑设计研究院股份有限公司江苏南京210019

中国房地产业 2022年32期

文／钱锴江苏省建筑设计研究院股份有限公司江苏南京 210019

1、路灯配电线路设计的基本特征

比起其他公共设施，路灯输电线路的铺设距离较长，其负荷状态下会表现出明显的分散特征，因此传统的保护措施并不能起到良好效果。路灯的铺线高度较低，人触及难度较低[1]。尤其是对于未成年人，较低的触电高度会影响未成年人的生命安全。而部分地区为了保证路灯的安全性会通过设置熔断器，以便于在紧急状态下迅速处理。但实际上，路灯配电的特点致使其熔断器并不能发挥其作用。该线路的故障电流数值较小，部分熔断器也很难对小范围的电流波动产生反应。当人体靠近时，灯柱结构上电流会直接穿过人体，从而引发触电事故。

2、导致路灯接漏电的根本原因

路灯漏电的主要原因无外乎以下两种，线路损坏和剩余电流蓄积。但诱发两种情况的原因种类较多，所以论文也将其原因进行分类，以保证能够更加理性地分析漏电原因。

2.1 照明布局合理度低

在现代城市规划中，照明系统不仅为夜间提供基础的照明功能，其装饰作用也越来越受到相关人员重视，在此背景下各种规格的照明装置应运而生。但装饰性与功能性的结合也模糊了照明与装饰的界限，出现了较为极端的照明布局设计[2]。部分城市为了提高城市的美观度，会将不同规格的照明设备混合使用，这会导致照明系统中出现安全隐患，并增加电击事故的概率。在部分城市照明系统中，部分城市构造为了照顾城市的观赏性，会大量采购路灯设备作为装饰性建筑。但路灯设备密度增加会提高该地区的设备供电压力，并会迅速提高该区域的漏电概率。

2.2 建造标准化程度较低

建造过程中，施工人员对路灯建造并不重视，所以实际建造情况也很难符合国家的相关要求。部分地区气候环境复杂，而路灯设施由于长期暴露在空气中，也会因各种影响而损坏。尤其是在部分以绝缘材料为防漏电措施的城市中，风雨侵蚀会直接导致绝缘材料的破损脱落。研究证明，水对绝缘材料的影响较大，尤其是暴雨天气，其漏电概率会提升至6.8%。水淹还会直接影响灯杆以及配电柜中的相关部件，并致使路灯周围区域带电。部分施工人员本身操作素质较低，施工中会存在错误操作导致绝缘层的破损。

2.3 剩余电流处理不当

剩余电流的处理情况将直接关系到路灯是否会出现漏电，所以剩余电流的处理也是路灯设计中的重中之重。但在传统设计中，大多数路灯的剩余电流只是通过简单的动作保护器进行保护，以便应对线缆破损或是其他意外情况所造成的漏电。另外，剩余电流设定值低会提升误报率，提高动作电流值降低误报率，又会造成剩余电流装置起不到保护作用，规范中要求剩余电流装置只能作为辅助保护措施，但很多设计人员误将其作为防止漏电故障的主要保护措施，存在很大的安全隐患。

2.4 外部破坏原因

为了打造城市名片，大多数城市都通过大范围的市政建设来争取工作发展资源。但在建设的过程，不规范操作往往会对路灯的保护造成影响。而在一些私人工程中，错误操作会直接导致路灯线路的破坏，比如部分挖掘人员为了逃避法律的追责，甚至会私自接线。出现线材破损后，路灯周围区域出现漏电的概率就迅速增加。这不仅影响到行人的生命安全，还严重影响了路灯后期的功能维护。除了错误施工之外，部分人甚至会盗取关键零部件来获得经济利益，这也会影响到路灯的漏电保护。

3、路灯接地保护的安全性分析

我国常见的路灯接地保护方式主要有两种，分别为TT保护和TN保护。这两者保护方式有一定的区别，其接地保护能力也有所差异。

3.1 TT接地保护系统

从原理上讲，TT系统保护是指单灯接地，具体操作是将电气设备的外露部分直接导入地面。在触电事故发生时，由于人体阻值明显小于地面阻值，所以将电流导入地面后，就可以有效降低人的触电概率。即便是出现了漏电故障，该系统保护方式也能有效避免电流进入人体发生触电现象。不过该系统也存在不足，比如TT系统虽然可以降低对人体的伤害，但TT系统会提升系统的整体电位，造成设备的损坏。在实验室测试中，可以发现该情况下，TT系统保护的成功率仅仅只有21.73%，其处理效率远远达不到预期，有积累蓄电的可能。部分情况下，路灯漏电电流较小，以至于TT保护系统无法准确检测到。即便有熔断器进行电路保护，也很难对长期的外壳带电情况进行处理，也会带来不良影响。从TT保护的结构上可以看出，该保护形式只能用于分散保护需求中，而对于现在较为集中的保护需求，该类保护方式已经逐渐被淘汰，TT系统见图1。

图1 TT系统

路灯配线长度取平均值为300m，电源中心点接地电阻值为4Ω，电线的电阻率为6.5x10-3Ω/m，忽略大地电阻值，每根路灯单独设置接地极，再使用专门的PE线连成接地电阻，此时，相当于一定数量的路灯的接地电阻采用并联的方式连接，因此电阻可以低至1Ω，简化电路见图2。

图2 简化电路图

电流计算如下公式（1）：

路灯处的故障电压为：31.65x1=31.65V

式中，Ik为故障电流，Us为电源电压，Rl为相线电阻，R1为电源中性点电阻，R2为路灯接地电阻。

3.2 TN保护系统

在TN保护系统中，设置人员会通过安放接地装置来直接与系统中的导电部分进行连接，并利用导入电流来起到保护效果。这种保护系统能有效弥补TT保护系统的不足。由于该材料利用率较高，所以也成了TT保护系统的最佳替代。但随着利用率的增加，也逐渐发现了TN系统的不足之处。比如由TN系统所配出的路灯，因为没有等电位的保护，而存在很大的安全隐患，具体表现为：线路过长，造成线路阻抗过大，从而降低了保护电器的灵敏度，使得故障出现时保护电器不能正常动作，由PE线引来的短路电流因为PE线无法装设漏电保护装置，同样造成很大的安全隐患。以TN-S系统为例，系统见图3。

图3 TN-S系统图

图中，变压器内阻RT为0.02Ω，变压器接地电阻R1为4Ω，路灯配线长度为300m，路灯接地电阻R2，电阻值为4Ω，电线的电阻率为6.5x10-3Ω/m，忽略大地电阻值，路灯B处发生接地故障。

故障电流计算，见公式（2）：

式中，Ik为故障电流，US为电源电压，Rt为变压器内阻，R1为变压器接地电阻，R2为路灯接地电阻，Rl为相线电阻，Rn为中性线电阻，Rpe为地线电阻。

B点的故障电压值经计算为30.8V，低于安全电压50V，如不采取末端接地措施对故障电流进行分流，那么末端电压经计算会高达73V，因此，传统意义上的TN系统无法满足安全性的要求，简化电路见图4。

4、现阶段较为有效的接地保护策略

在现阶段，技术的限制使得我国还不具备发展新型接地保护系统的设计能力。针对于TN保护系统的劣势，相关技术人员也提出了针对性的解决方法，具体方案如下。

4.1 TN-C-S接地保护系统

该接地保护系统主要有两部分构成，其分别为TN-C与TN-S。在该模式下，可以利用该模式的特殊PE线与N线连接来保证路灯不会出现漏电[3]。不过要注意，此连接方式只能在较小的电压偏移内起作用。如果电压偏移量过大，就要通过反复接地来实现漏电控制。漏电保护器与PE线存在功能冲突，所以要尽可能保证两者的相对距离。还要避免两者的接触，以免导致大范围的停闸。除上述限制外，PE线只有在限定环境下才能够与N线之间相连，并且该线上不允许出现熔断器。

4.2 TN-S保护接地法

该保护方式主要通过分离PE线与N线来达到漏电保护的效果，理论上有较强的适用性。在表现特点上，该保护接地法与TN-C-S有较强的相似性，不过也有不同之处。该保护中的干线可以直接连接漏电保护器，工作状态下的零线也不用重复接地。在保护效果上，也更加安全可靠。尤其是在安全要求较高的现代配电设计中，其优势更加明显。从本质上来看，TN-C-S性质上更加接近于TN-S的过渡型，当三相负载表现良好时，TN-S的保护接地效果要明显高于TN-C-S，所以该保护接地法也是现代路灯建造的主流使用类型。

5、提升主流接地保护系统保护能力的相关策略

5.1 利用电流保护器来对剩余电流进行控制

剩余电流致使漏电的情况很多，所以剩余电流的处理也能有效降低接地保护系统的运行压力。电流保护器能及时检测线材的外皮损坏，并进一步阻止损坏的扩散，从而避免触电事故。电流保护器还能在故障发生时保护其他设备，从而避免设备的集体损坏。不过需要注意的是，部分电流保护器的电流敏感度较低，所以要根据照明设备的具体规格来对其敏感度进行调整，从而使其能充分恢复电路管理的功能。剩余电流动作保护器也会受其他自然因素的影响，安装时要避开高温、水浸等意外因素的影响。

5.2 利用漏电开关来对TN、TT保护系统进行功能补充

尽管TN-S漏电保护系统的泛用性已经比较高，但其应用中还存在问题，可尝试使用漏电开关来对其功能进行弥补。漏电开关可以有效保证漏电状态下的人身安全，从而减少人员伤亡[4]。针对施工过程中的暴力施工行为，核验人员也可以通过漏电开关来对其施工行为进行评判。如若施工中出现偷工减料、暴力施工等情况，漏电开关的异常数据就能成为审核的决定性证据。漏电开关的使用可以有效减少施工线缆的横截面积，也能变相降低有色金属的使用量，从而满足当代施工建造的节能环保需求。

5.3 加强对接地保护系统的保护

接地保护系统的生效也需要在一定条件内，如果无法满足该条件，那么自然无法起到良好的保护作用。在接地保护系统的保护上，相关人员要加强对其的重视，比如定期对路灯进行巡检，以保证接地保护系统时刻处于安全可用的状态。尤其是在TN-C-S保护系统的巡检中，要注意 PE线与N线的位置关系，以免出现意外情况。对于地震、洪水等意外灾害频繁的区域，要及时做好相应因素的预防。在旱涝灾害较为严重的区域，就要提前对接地保护装置做好防水处理，并定期检查防水装置的密封性。而当灾害发生后，要重新对密封性进行检修，以保证下一次灾害的应对效果。

5.4 设置人身防护措施

理论条件下，TN-S系统、TT系统保护期间，5s内接触灯杆依然会受到电击影响。虽然风险已经控制在最低范围内，但对人的影响依旧无法预知。针对该情况，除了要设置接地保护系统以外，还可以设计人身防护措施来避免5s内的电击影响。根据实验数据可得，人体可感知的最小电流为0.5mA，而挣脱电流为10mA，而致死电流为30mA，路灯虽为固定设备，但考虑到路灯为室外设备，根据GB51348-2019中的7.5.5-5规定，室外工作场所的用电设备应设置额定剩余动作电流不小于30mA的剩余电流保护器。路灯的形状在抓握的情况下发生漏电时，难以挣脱。根据GB50054-2011中的5.1.20规定，TN系统需要在0.4s内切除，TT系统需在0.2s内切除。但是只要能在规定时间内挣脱，就能降低电击所带来的影响。所以，就可以利用该特点来设置人身防护装置，按照规范规定，设置匹配的切除装置就可以保证触电人的安全脱出。

5.5 提高线路设计人员的专业性

在上文中可以看出，线路设计的合理性和科学性直接影响了接地保护系统的运作效率。比如PE线的位置处理不当时，不仅不能起到良好的保护效果，还会造成大范围地停电。因此，在设计人员的专业性考量上，相关部门应加强对其的审查，并务必做到持证入场作业。而对施工人员，则需要提前进行相关的要点告知，并在施工前加以演练，以免错误施工导致意外情况的出现。比如，在漏电开关的使用中，路灯保护系统中的漏电开关适用于传统室内使用方式有较大区别，所以要根据所采用的接地形式设置匹配系统的漏电开关[5]。