在設(shè)計(jì)中經(jīng)常會(huì)遇到路燈低壓配電線路如何進(jìn)行接地故障保護(hù)的問題。國家相關(guān)規(guī)范對(duì)戶外照明燈具的接地保護(hù)沒有明確的要求，對(duì)路燈的低壓配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)及其接地保護(hù)上有很多做法。

路燈低壓配電系統(tǒng)具有配電半徑長( 一般要幾百米，甚至上千米) 、用電負(fù)荷分散、行人觸及的可能性大等特點(diǎn)。這種低壓配電系統(tǒng)發(fā)生三相或二相短路故障時(shí)，一般用熔斷器或斷路器即可自動(dòng)切斷電源。

 

接地故障線路較長，故障電流較小，常規(guī)的保護(hù)裝置無法很快地切斷故障線路，而路燈由于其安裝特點(diǎn)，人容易接觸，發(fā)生電擊的危險(xiǎn)很大。

 

 

一、路燈低壓配電的接地形式路

燈低壓配電的接地形式有兩種: TN 系統(tǒng)和TT 系統(tǒng)。分析路燈低壓配電線路的接地故障，首先要看接地形式。

( 1) TN 接地系統(tǒng)。接地故障保護(hù)的目的主要是防止人身間接觸電。TN 系統(tǒng)接地故障保護(hù)動(dòng)作特性應(yīng)符合要求:

 

式中:

Zs———接地故障回路阻抗( 相-保回路阻抗) ，Ω;

Ia———保證保護(hù)電器在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)自動(dòng)切斷故障回路的動(dòng)作電流，A;

U0———相線對(duì)地標(biāo)稱電壓，V。

可以看出，TN 系統(tǒng)對(duì)保護(hù)動(dòng)作特性要求的實(shí)質(zhì)是接地故障電流大于或等于保護(hù)電器在相應(yīng)規(guī)定時(shí)間內(nèi)切除故障的動(dòng)作電流，這樣保護(hù)電器才能有效、可靠地切斷故障電流。

TT 接地系統(tǒng)。TT 系統(tǒng)接地故障保護(hù)動(dòng)作特性應(yīng)符合要求:

 

式中:

RA———外露可導(dǎo)電部分的接地電阻和PE線電阻，Ω;

Ia———保證保護(hù)電器在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)自動(dòng)切斷故障回路的動(dòng)作電流，A。

當(dāng)采用剩余電流動(dòng)作保護(hù)器( Residual CurrentOperated Protective Device，RCD) 時(shí)，Ia為RCD 的額定動(dòng)作電流IΔn。

保護(hù)動(dòng)作的條件是當(dāng)外露導(dǎo)電體對(duì)地電壓達(dá)到或超過50V 時(shí)保護(hù)電器應(yīng)在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)動(dòng)作，這時(shí)故障電流Id應(yīng)大于保護(hù)電器的動(dòng)作電流Ia，即Id = ( 50 /RA) ≥Ia。

 

二、路燈設(shè)置接地故障保護(hù)的重要性

路燈和與其類似的戶外照明裝置在發(fā)生接地故障時(shí)，無論是哪一種配電方式和接地系統(tǒng)，外露金屬構(gòu)件上預(yù)期的接觸電壓Uc都遠(yuǎn)大于安全值50V，因此正確地設(shè)置接地故障保護(hù)，對(duì)戶外照明裝置安全運(yùn)行非常重要。

 

 

 

三、路燈接地系統(tǒng)接地故障最長切斷時(shí)間要求及其作用

TN 和TT 系統(tǒng)有一共同點(diǎn)，即保護(hù)動(dòng)作的基本條件就是故障電流必須大于或等于保護(hù)電器的動(dòng)作電流。另外，根據(jù)IEC 60364-4-41: 2005，作為接地保護(hù)的斷路器最長切斷電源時(shí)間如表1所示，其中U0為交流或直流電對(duì)地的標(biāo)稱電壓。

當(dāng)TT 系統(tǒng)采用過電流保護(hù)電器切斷電源，且其保護(hù)等電位聯(lián)結(jié)連接到電氣裝置內(nèi)的所有外界可導(dǎo)電部分時(shí)，該TT 系統(tǒng)可以采用表1 中TN 系統(tǒng)最長的切斷電源時(shí)間。

 

不管是TN 還是TT 接地系統(tǒng)，作為接地故障保護(hù)的斷路器最長切斷電源時(shí)間都要滿足表1的要求。IEC 60364-4-41: 2005[4]同時(shí)還要求當(dāng)采用RCD 作為接地故障保護(hù)時(shí)，要滿足表1 中最長切斷電源時(shí)間的要求，即故障電流要大于5 倍的RCD 額定剩余動(dòng)作電流。

 

 

因此，在接地保護(hù)開關(guān)和導(dǎo)線規(guī)格、長度的選擇時(shí)，需要滿足表1和RCD 對(duì)故障電流的要求。

 

四、以往路燈接地系統(tǒng)多采用TN系統(tǒng)的原因

TN、TT 系統(tǒng)的接地故障電流取決于故障回路電阻的大小，而接地故障電壓則是故障電流在相應(yīng)電阻上的壓降，即TN 系統(tǒng)是故障電流在保護(hù)線電阻上的壓降，而TT 系統(tǒng)是故障電流在保護(hù)線電阻及負(fù)荷側(cè)接地極電阻上的壓降。

很明顯，如果暫不考慮故障點(diǎn)電阻，TN 系統(tǒng)的故障回路電阻小，故障電流大，優(yōu)勢在于線路首端的過電流保護(hù)器能夠在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)切斷故障電流，從而可以利用其兼做接地故障保護(hù)，而且當(dāng)本級(jí)過電流保護(hù)因某種原因拒動(dòng)，線路上一級(jí)過電流保護(hù)也能夠動(dòng)作，起到故障后備保護(hù)的作用; TT系統(tǒng)的故障回路電阻大，嚴(yán)重地遏止故障電流的大小，這時(shí)故障電流通常很小，而不能使線路首端的過電流保護(hù)動(dòng)作，當(dāng)然更無后備保護(hù)。

 

 

因此，TN 系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡化，不用專門設(shè)置接地故障保護(hù)，而TT 系統(tǒng)往往要增加剩余電流斷路器作接地故障保護(hù)。而且TN 系統(tǒng)接地形式在民用建筑的單體設(shè)計(jì)中應(yīng)用也比較多，因此很多人在做路燈照明設(shè)計(jì)時(shí)采用TN 系統(tǒng)，這是不對(duì)的。

 

五、戶外路燈采用TN接地系統(tǒng)存在的問題分析

( 1) 過去TN 接地系統(tǒng)中均采用接零保護(hù)，即將金屬燈柱及座箱等與系統(tǒng)的PE 線或PEN線相接，此時(shí)若發(fā)生接地故障，其接地電流Id =U/Zo，其中Zo為相-零回路阻抗，對(duì)于路燈常用的小截面電纜，其值一般為1 Ω/km 左右。故理論上Id可達(dá)到百安培。

但實(shí)際上如果故障點(diǎn)發(fā)生的不是金屬性接地故障，接地點(diǎn)的接地電阻難以預(yù)測。故障點(diǎn)如果不熔焊，可能產(chǎn)生電弧、電火花，其具有很大的電阻，使故障接地電流大幅降低，這樣保護(hù)電器不能動(dòng)作或延遲很久才動(dòng)作。

另外，故障點(diǎn)的電弧、電火花溫度可能很高，易引燃附近的可燃物，存在電氣火災(zāi)隱患。故線路的保護(hù)裝置也很難可靠動(dòng)作。燈柱及座箱上會(huì)長時(shí)間帶有危險(xiǎn)電壓，并且這種電壓還可能通過PE 線或PEN 線傳到系統(tǒng)的所有燈柱和座箱。從某種意義上講，其危及的面會(huì)更廣。

( 2) 采用TN 接地系統(tǒng)時(shí)，所有的路燈或其他的戶外照明裝置的外殼都是通過PE 線而相互連通的，而PE 線又是與電源側(cè)相連的，當(dāng)戶外的某一燈具或電源側(cè)發(fā)生接地故障時(shí)，故障電壓可沿PE線傳導(dǎo)至其他與PE線相連的所有設(shè)備及裝置( 包括路燈) 的外殼上，戶內(nèi)與PE線相連接的裝置外殼雖然也帶故障電壓。

但由于戶內(nèi)的等電位聯(lián)結(jié)，人體可同時(shí)觸及的可導(dǎo)電部分電位差很小，可以保證在觸及帶故障電壓的設(shè)備外殼時(shí)不觸電; 戶外照明裝置處于無等電位聯(lián)結(jié)場所，此故障電壓與地面零電位的電壓差形成接觸電壓，如果該接觸電壓高于50 V( 考慮到戶外可能存在的潮濕環(huán)境，應(yīng)取25V) ，是不安全的。

以上TN 系統(tǒng)存在的第一個(gè)問題是極個(gè)別的，但絕不能輕視，第二個(gè)問題時(shí)解決問題的關(guān)鍵在于當(dāng)戶外的某燈具或電源側(cè)發(fā)生接地故障時(shí)，電源側(cè)或每個(gè)燈具所帶的保護(hù)電器能及時(shí)有效地將故障電流切掉，這就需要保證故障電流足夠大，能使保護(hù)電器動(dòng)作，即滿足Idmin≥1. 3Iset3，其中Idmin為被保護(hù)線路末端接地故障電流，Iset3為低壓斷路器瞬時(shí)過流脫扣器的整定電流。

對(duì)于TN 接地系統(tǒng)，要提高接地故障的靈敏度，可以通過選用Dyn11 接線組別變壓器，加大相導(dǎo)體及接地保護(hù)導(dǎo)體的截面積，采用帶短延時(shí)過電流脫扣器的斷路器和帶接地保護(hù)的斷路器等措施。

對(duì)于本節(jié)提到的，在極個(gè)別情況下接地故障電阻也有可能變得很大，數(shù)值不確定，使得故障電流變小，保護(hù)電器不動(dòng)作。在提高接地故障靈敏度的方法中，最可靠的做法是每個(gè)燈具加RCD保護(hù)，而RCD的額定電流不應(yīng)大于6A，剩余電流為30mA。

 

六、戶外路燈采用TT接地系統(tǒng)存在的問題分析

(1)TT接地系統(tǒng)中均采用接地保護(hù)，即將金屬燈柱及座箱等接地，此時(shí)若發(fā)生接地故障，其接地電流為：

 

若ro=4Ω，rd=10Ω，由式(4)得Id=15.7A。

該故障電流通常還不足以使熔斷器或斷路器動(dòng)作或迅速動(dòng)作。如果采用斷路器做接地故障保護(hù)，故障電流必須滿足Idmin≥1.3Iset3。如果瞬時(shí)過電流脫扣器的整定值取長延時(shí)過電流脫扣器的5倍，斷路器長延時(shí)脫扣器的整定值≤2.4A時(shí)才能滿足要求，顯然不合適。

燈柱座箱對(duì)地電壓Ud=Urd/(ro+rd)=157V。該電壓足以使觸及的行人發(fā)生電擊。因此，采用TT接地系統(tǒng)的路燈配電回路的電源側(cè)須采用RCD。當(dāng)戶外照明裝置發(fā)生接地故障時(shí)，PE線上流過故障電流，RCD內(nèi)流過相線和N線的電流并不相同，而是相線、N線、PE線電流的矢量和。如果RCD內(nèi)存在不平衡電流，脫扣器動(dòng)作。

電源側(cè)的RCD剩余電流一般取100mA或300mA。但戶外的接地故障回路情況很難明確，雨/雪天氣、干旱、接觸電阻的不確定性等因素都在不斷改變出現(xiàn)故障時(shí)故障回路的電流，使得不動(dòng)作或誤動(dòng)作的情況時(shí)有發(fā)生。

 

戶外燈具的接地形式現(xiàn)在還沒有一個(gè)定論，戶外燈具在各種環(huán)境下的正常泄漏電流也沒有權(quán)威可信的數(shù)據(jù)可依據(jù)。

 

 

建議對(duì)于電話亭、候車亭、廣告牌等類似的配套照明設(shè)備設(shè)30mARCD作為附加保護(hù)，戶外每一路燈處設(shè)置RCD作為接地故障主保護(hù)，電源處根據(jù)一般原則選擇TN、TT接地系統(tǒng)后，設(shè)置斷路器或RCD作為接地故障的后備保護(hù)。