摘要通过对城市道路照明低压配电系统采用TN - S 和TT 两种接地型式安全性的比较, 对采用TT 系统时变电所的两个接地能否共用, 以及RCD 防误动和线路上、下级保护动作选择性配合等具体问题的分析, 说明了采用TT 系统的必要性和可行性。
         关键词       城市道路照明        接地型式         电击防护
         城市道路照明的电击防护关乎公众的人身安全,已逐渐为人们所重视。关注的焦点就是低压配电系统接地型式的选择及相关的一些问题。笔者不揣浅陋,也就有关的几个问题谈一点看法, 供讨论。
         1 TN - S 与TT 系统的比较
         作为间接接触防护, TN系统自动切断电源的条件为:
         Zs·Ia ≤ U0
         式中: Zs——— 接地故障回路的总阻抗, Ω;
         Ia——— 保证保护电器在规定的时间内自动切断故障回路的电流, A;
         U0———相线对地标称电压, 我国为220 V。
        根据IEC 有关技术报告的解释( IEC 1200 - 413:1996 电气装置指南, 第413 部分间接接触防护———自动断开电源) , 对固定式用电设备和配电回路故障, 即使预期接触电压UL > 50 V, 允许自动断开时间≤5 s, 是基于以下理由:
         a . 这些回路的故障少;
         b . 在故障时人们接触由这些回路供电的设备的可能性较小;
         c . 即使与发生故障的设备接触, 但易于摆脱;
         d . 有等电位联结, 因而降低了接触电压。
         由此可见, TN 系统采用简单可靠的过电流保护电器很容易满足上式的要求, 且对于室内电气装置实行等电位联结也并不困难, 这正是TN - S 系统在建筑物内部得以广泛应用的原因。
         然而, 对于道路照明( 包括其它室外照明) 而言, 基本不具备以上条件。道路照明处于室外公众场所, 且易受气候、人为等各种因素影响, 并基本不具备( 或实施不现实) 等电位联结条件。虽然也属固定式用电设备, 但事实表明, 人遭遇电击, 有时并不一定容易摆脱( 如手握广告灯箱金属柱) , 即使摆脱,往往也会造成严重的二次伤害。笔者所在城市, 媒体报道的数起道路照明及广告灯箱因漏电, 行人遭电击的案例摘要:
         a . 2002 年6 月23 日晚某城区, 一进城农民将驴栓在路灯灯杆上, 因灯杆有电, 驴被电倒, 主人为救驴, 也被电击而休克, 后经人工呼吸救活主人, 而驴则未能幸免一死( 江苏电视台“xxx”栏目) 。
         b . 2002 年7 月27 日晚7 时许, 市内一主干道,人行道上不锈钢广告灯箱漏电, 5 名男女行人因触及灯柱而先后被击倒, 所幸无伤亡( 《现代快报》) 。
         c . 2002 年8 月21 日, 市中心某商业大楼门前,一中学生因遭广告灯箱金属立柱电击, 身体剧烈抽搐、颤抖, 被灯箱“电吸”近1min, 经路人用力击打其手臂方才脱离, 被送医院救治后脱险( 《现代快报》) 。
         d . 2002 年8 月26 日晚9 时左右, 一老妇在某校门口散步时, 无意间手触及人行道一广告灯箱立柱, 被电击重重摔倒在地, 造成二次伤害, 经医院抢救脱险, 头部被缝8 针, 花去费用千余元。供电抢修部门现场检测发现灯箱外壳带电220 V, 箱内电缆破损是导致外壳带电的直接原因( 《现代快报》) 。
         e . 2004 年6 月29 日晚11 时, 一外地小伙在市区溜达, 无意中用手摸了一路边路灯灯杆, 当即感到手被电击, 路灯管理处接报到现场察看后发现, 路底座内有根电缆露头翘起, 接触到了灯杆内壁, 使灯杆带电( 220V) ( 《南京日报》) 。
        每逢夏季, 城市道路发生水涝的情况很普遍, 路灯灯杆漏电的后果更为严重。据报道, 某城市3 名行人在积水的人行道上行走时, 因路灯漏电, 遭电击死亡( 2007 年6 月27 日《长沙晚报》) 。
        总之, 道路照明的电击防护问题绝不可忽视。此外, TN - S 系统的配电距离受到过电流保护灵敏度和允许电压损失两种因素的制约, 通常情况下, 过电流保护灵敏度所确定的配电距离较按允许电压损失所确定的配电距离小很多, 这对道路照明很不利, 将会增加变电站的数量。实践证明, 很多设计往往只注重配电距离的扩大, 而疏于对过电流保护灵敏度的校验, 使事故因素在设计阶段即成为隐患, 而不易发现。在采用TT 系统时虽同样可能存在忽视过电流保护灵敏度校验的问题, 但因为具有高灵敏度的RCD, 而不影响间接电击防护的有效性。
         TN - S 系统增加了一根PE 线, 这对于长度以公里计的道路照明工程, 在经济上不可取, 而且PE 线还会传导故障电压( 如电源中性点的暂态过电压) ,即使安装RCD 也不解决问题。同时, 作为干线式配电的路灯线路, PE 干线一旦断开, 影响面和后果都很严重。
        相反, 如采用TT 系统, 则可以克服采用TN - S系统时存在的一些问题。因此, 无论从电击防护的角度, 还是道路照明的环境特性, 都决定了采用TT 接地系统的必要性。
        2 采用TT 系统, 变电所内的电源中性点接地与保护接地是分设还是共用
        有观点认为, 由于城市道路照明采用TT 系统时, 变电站( 箱式变) 中性点接地要与保护接地分开设置, 且相互间地中距离保持20 m。由于受客观条件的限制, 实现这一点非常困难。如果两个接地不分设而是共用, 则又成为了TN 系统。因而认为这是采用TT系统的“瓶颈”问题。
        有关这一问题, 无论是IEC还是国标, 对TN- S 和TT 系统的定义和区别, 都只在于用电设备外露导电部分与电源中性点的关系。前者通过PE 线与中性点直接相连接, 后者则与中性点无关, 而是直接接地。至于变电所内的中性点是如何接地并未有特别的要求, 两个接地既可以分设也可以共用, 这样做对采用TN- S 或是TT 系统并无影响。同一台变压器供电的低压配电系统, 一般宜采用一种型式的接地系统, 但也允许接入另外一种接地系统。
        其实, 采用TN 系统时也有同样的问题, 如采用TN 系统的变电所, 当10 kV 电源采用小电阻接地系统时, 为防止高压侧接地故障引起中性点暂态过电压窜入低压侧, 而要求采取将变电所内的两个接地分开设置的措施, 如图1 所示。
        此时, 变电所单独接地对于低压侧中性点工作接地来说, 即相当于TT 系统。可见, 与TT 系统两个接地共用有着相同的性质, 但却不影响TN 或TT 系统的运行。至于TN 和TT 系统在变电所两个接地分设或是共用情况下, 防止暂态过电压窜入低压侧对人身电击和绝缘的防护措施, 国标已分别有规定, 不再重复。事实上我国低压配电系统实行TT 系统的地区, 变电所内的两个接地也大多采用共用接地方式。因此对于变电所两个接地是分设还是共用, 主要需考虑的是暂态过电压的防护问题。对于TT 系统, 电源侧的两个接地共用时, 中性点暂态电压上升, 故障过电压Uf 不会传导至低压电气装置外露导电部分上,但将使低压设备电气绝缘承受过电压Us, Us = Uf +220V ( 向量相加) 。如能按下表所列时间切断电源,则对TT 系统内的绝缘是安全的。
         对于10 kV 不接地系统, 因为Id ≤ 20 A, RB ≤4 Ω, Uf不超过80 V, xx能满足表中要求; 对于10 kV 小电阻接地系统, 除有关国标的限制措施以外, 中压系统继电保护使中压开关跳闸, 时间在200ms 以内, 也能满足表中要求。而对于南京市, 10 kV采用的是中电阻( 100 Ω) 接地系统, 既限制了暂态过电压的幅值, 又能满足中压开关保护跳闸灵敏度的要求。可见, 变电所的两个接地采用共用方式, 对于TT 系统是安全的。这个问题不会成为在道路照明低压配电系统中采用TT 系统的障碍。
         3 采用TT 系统, RCD 的防误动和上、下级保护动作选择性配合问题
        城市道路照明采用TT 系统, 其自动切断接地故障的保护有两个问题要考虑。其一是采用过电流保护电器( 断路器或熔断器) 还是采用RCD; 其二是如果采用RCD, 如何防止其误动。
        对于前一个问题, 因IEC 在室外照明装置标准中, 对于道路照明, 为防止采用RCD 因误动而引发安全方面的危险( 主要指交通安全) , 提出“在TT系统接地极电阻足够小的情况下, 切断供电的保护可用熔断器和断路器”, 而不建议采用RCD。笔者认为这条措施对于城市道路照明来说, 只具有理论上的意义, 因为它同时要求满足RA· Ia ≤ 50 V ( RA: 外露可导电部分的接地电阻和PE 线电阻, Ω; Ia : 保证保护电器切断故障回路的动作电流, A) 的条件十分困难, 因为要Ia 很大, RA就必须很小。例如断路器长延时脱扣器电流为32 A, 使其在规定时间内可靠动作的电流Ia, 即使选择型开关利用短延时脱扣器作为接地故障保护, Ia 至少应为1 . 3 ×2 . 5 ×32 = 104( A) , RA则应≤ 50 / 104 = 0 . 48 ( Ω) , 其值非常小。倘若为非选择型开关, 则RA就必须更小, 这样做是很不现实的, 因此必须采用RCD。
         第二个问题是采用RCD, 如何防止其误动的问题。RCD 的误动包括两个方面: 一是RCD 的额定动作电流IΔn 选择不当而小于线路及设备的正常泄漏电流, 而引起误动; 其二是上级RCD 与下级熔断器之间难以实现选择性配合, 由灯柱底部熔断器至灯具这一范围内发生接地故障( 此部分故障要远多于干线部分的故障) 时, 上级RCD 即使IΔn 值选用100 ～500mA, 其高灵敏度仍将会非选择性动作, 造成整条线路的停电, 也即每盏灯的支路熔断器不能兼做接地故障保护, 这是采用TT系统的一个缺点。当然, 如果上、下两级都采用RCD, 是可以解决选择性配合问题的, 但这样一来, RCD无论是数量还是维护工作量都将会十分巨大。从现阶段来说, 恐难以为大多数路灯管理部门所接受, 还是应立足于下级保护采用简单可靠的保护电器( 主要为熔断器) 为好。总之, 这个问题解决不好, 将会使TT 系统在城市道路照明应用的可行性受到很大的质疑。
        照明线路上级采用RCD, 下级采用熔断器, 并主要作为间接电击防护。熔断器作为间接电击防护,按《低压配电设计规范》(GB 50054-95) 规定, 接地故障电流Id 与熔断器额定电流的倍数, 当熔体额定电流为4 ~ 10A 时, 切断电源时间≤5 s, 为4 . 5 倍;切断电源时间≤0 . 4 s, 为8 倍。现以400W高压钠灯为例: 钠灯的工作电流IB = 400 ×1 . 1 / ( 220 ×0 . 9)= 2 . 22 (A) ( 功率因数单灯补偿到0 . 9) , 熔体的额定电流Ir = 1 . 5 ×2 . 22 = 3 . 3 ( A) , 取为4 A, 并取切断电源时间≤ 0 . 4 s, 则保证熔断器可靠动作的电流Ia = 8 ×4 = 32 (A) 。中性点工作接地RB与保护接地电阻RA之和R = 220 / 32 = 6 . 9 ( Ω) , 若取RB= 4Ω, 则RA可取为2Ω。由于此时接地故障电流Id 较大, RCD 的额定动作电流IΔn 值可取为1 ~ 5 A, 并固定延时1 s。这样, 在灯杆支线部分发生接地故障时, 下级熔断器将在≤ 0 . 4s 时间内动作, 上级RCD 因有1s 延时而不会动作, 从而保证了上、下级间的选择性, 也xx可以符合安全表达式RA·IΔn ≤50V 的要求。同时, 由于RCD 的IΔn 值较大, 而不会因泄漏电流的原因而发生误动。
        但这里有个问题还需要作一点讨论, 即对于TT系统, 除了金属性接地故障, 其接地点阻抗可以忽略以外, 当发生电弧性接地故障时, 因为电弧具有很大的阻抗和压降, 限制了故障电流, 从而可能导致支路熔断器不能或不能及时切断电源。笔者认为这一问题虽可能存在, 但不至于引起安全方面的问题。据文献[ 1]介绍, 对接地故障电弧特性作分析及试验, 间隙击穿电压约为375 V, 电弧电压的维持值( 也即电弧压降) 一般为140 V。这样, 在故障回路中由于电弧阻抗的分压, 使得人的接触电压( 故障电流在PE 线和保护接地电阻RA上的压降) 必然小于50V, 故即使熔断器不动作, 也不会遭至间接电击, 至于电气火灾基本可不予考虑, 何况线路电源侧的RCD 也会在规定的时间内切断电源, 起到这一故障的后备保护作用。
        至于RA取值2Ω是容易实现的, 以砂质粘土为例,不同品质和不同含水率的电阻约为30 ~ 1 000 Ω·m,计算取100 Ω·m。若采用40 mm ×4 mm 镀锌扁钢埋地敷设, 长度约需90 m, 灯的间距若为30 m, 可将3 ～4 根灯杆为一组用埋地扁钢相连接即可( 成组接地) ,或根据实测情况确定连接的灯杆数。一般情况下, 无需将所有的灯杆用埋地扁钢相连。对于城市商业区及居住区的人行道路照明, 笔者认为RCD 的IΔn 值仍应取为30 mA, 且不宜采用在低压配电箱处集中接地并共用PE 线的做法。
         4 结语
         a . 道路照明处于户外公共场所, 其电击防护问题涉及公众人身安全, 道路照明低压配电系统采用TT 接地型式具有更好的安全性和合理性。
         b . 变电站工作接地与保护接地是分设或共用,应视具体条件确定, TT 系统内两个接地共用, 不影响系统的正常运行, 因此也不成为道路照明采用TT系统的“瓶颈”问题。
         c . 道路照明采用TT 系统, 且线路上、下级分别采用RCD 和熔断器, 为防止RCD 因正常泄漏电流造成误动和上、下级保护选择性配合, RCD 的IΔn 值宜取为1 ~ 5 A, 固定延时1 s, 下级熔断器切断电源时间应≤ 0 . 4 s, 并据此合理确定RB和RA值。

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