浅谈道路照明的接地故障保护

浅谈道路照明的接地故障保护
道路照明低压配电系统的特点，一为全室外环境，二为供电线路较长，三是负荷分散，四是短路电流较小（一般为100a左右）。

目前，全国范围内，对道路照明的接地形式和配电保护尚无一套成熟的理论依据和应用典范。

笔者根据十几年的工作经验及同行交流成果，翻阅了大量的文献资料后，写成此文。

目的在抛砖引玉，希望引来更多的同行和专家，共同解决这一困扰我们的安全问题。

1 道路照明低压接地系统的分类
1.1 道路照明配电系统宜采用tn-s系统或tt系统。

低压接地系统一般分为tn-s，tn-c，tn-c-s，tt，it等形式，根据《城市道路照明设计标准》第6.1.9条的要求“道路照明配电系统的接地形式宜采用tn-s系统或tt系统，金属灯杆及构件、灯具外壳、配电及控制箱屏等的外露可导电部分，应进行保护接地，并应符合国家现行相关标准的要求。

”因此，本文中只讨论与之有关的tn-s和tt 系统，并顺带提及与tn-s形式相似的tn-c-s系统，以免混淆，反致造成人身安全隐患。

1.2 tn-s系统和tn-c-s系统。

tn-s系统和tn-c-s系统都属于tn系统。

tn系统是电源端有一点（电源中性点）直接接地，电气装置的外露可导电部分通过保护中性导体（pen线）或保护导体（pe 线）连接到此接地点的系统。

因此，tn系统又叫保护接零系统。

tn 系统应用于道路照明的优点：①线路简单，供电可靠性高；②故障
回路阻抗比较小，故障电流较大，控制端易于检测和切断故障电流。

1.2.1 tn-s系统。

tn-s系统的中性导体（n线）和保护导体（pe 线）是分开的(见图1) ，它适用于设有变电所的公共建筑、医院、有爆炸和火灾危险的厂房和场所、单相负荷比较集中的场所以及一般的民用住宅等。

1.2.２ tn-c-s系统。

tn-c-s系统中部分线路的n线和pe线是合一的（见图2），它适用于不附设变电所的上述建筑和场所的电气装置。

1.3 tt系统。

tt系统是电源端有一点直接接地（电源中性点），电气装置的外露可导电部分直接接地，此接地点在电气上独立于电源端的接地点（见图三）。

tt系统属于保护接地系统，它适用于不附设变电所的上述建筑和场所的电气装置，尤其适用于无等电位联结的户外场所。

tt系统应用于道路照明的优点是：电源端的接地和道路照明配电装置的接地是分开的，避免了故障电压的相互串扰。

tt接线形式应用于道路照明系统又分为两种，一种是各灯杆单独接地，一种是在各灯杆单独接地的基础上，用pe线将各灯杆的接地连接起来。

后者是道路照明常用的接地形式，相比较而言，它有两个优点：①接地电阻更低；②符合《低压配电设计规范》gb 50054-95第4.4.12条“tt系统配电线路内由同一接地故障保护电器保护的外露可导电部分，应用pe线连接至共用的接地极上”之
规定。

后一种接线形式与tn-s系统的区别就在于：pe线与n线是断开的。

2 接地系统的选用
道路照明接地系统的选用应根据供电变压器采用的接地形式进
行选择。

一个原则就是尽量与变压器的接地形式保持一致，严禁tn 系统和tt系统混用。

否则，会发生公用端电气设备外壳带电（上百伏）的严重后果。

其原理根据图4，分析如下：
upe=220×r杆/r相+r杆+r变（2-1）
式中：upe——灯杆接地电压；r相——相线电阻；r变——变压器接地电阻；r杆——共同连接的灯杆及pe线的接地电阻。

故upe＜220×r杆/r杆+r变（2-2）
假设线路上有25杆灯，每根灯杆打一角钢接地极，共25根，变压器打四根角钢，粗略计算，6r杆<r变，
即upe＜220×r杆/r杆+6r杆（2-3）
upe＜220×1/7=31.5v
故une≈220-upe≈188v。

此时，公用端客户的电气设备外壳上就带有上百伏的高压。

以上是理论计算结果，在本人的工作实践中，也碰到过此类问题。

一条道路上的公用变压器（道路照明取自公用变）夜间零线带电，公用端用户设备外壳带电，白天一切正常。

经供电局检查，怀疑是
路灯线路故障，夜间断掉路灯电源后，电压正常。

后来的结果证实，确实是由于路灯接地故障引起的公用端客户的电气设备外壳带电，究其原因，主要是路灯采用tt系统，公用变采用tn系统，路灯与公用变的接地形式不一致所致。

选用tn系统还要注意的一点是：tn-c-s系统的n线与pe线分了以后，严禁合在一起，否则，也会带来电气安全隐患。

有些用户为了保险，在线路末端又将n线与pe线，误以为是重复接地的做法。

其实，也会导致设备外壳带电，反而不安全。

综上所述，道路照明接地系统的选择宜根据变压器的权属来选择，如是路灯专用变，适合采用tt系统；如是路灯公用变，接地形式应与公用变接地形式保持一致。

３道路照明接地故障保护措施
道路照明设备基本属于ⅰ类设备，ⅰ类设备自动切断电源的间接接触电击防护措施的保护原理在于当用电设备绝缘损坏时，应尽量降低接触电压值，并限制此电压对人体的作用时间，以避免导致电击死亡事故。

tn-s系统接地故障保护一般采用熔断器、断路器和剩余电流保护器进行保护。

对于tt系统，《城市道路照明设计标准》条文说明第6.1.9条规定“不能用熔断器或断路器的瞬时过电流脱扣器兼做接地故障保护，而应使用剩余电流保护器作接地故障保护”。

下面将具体阐述三种电器的选择方法。

3.1 熔断器。

熔断器选择应根据其时间-电流特性，约定时间和约定电流，过电流选择比，i2t特性和分段能力进行选择。

３.１.1 熔断器额定电流的确定。

道路照明的熔断器额定电流应按启动尖峰电流选择，并满足kr最小值的要求。

3.1.1.1 按启动尖峰电流选择：
ir≥kmic （3-1）
式中：ir——熔断体额定电流；ic——线路计算电流；km——熔断体选择计算系数，取决于电光源启动状况和熔断体时间电流特性，其值见表1。

3.1.１.2 满足切断接地电流故障时间要求选择：为使熔断器迅速切断故障线路，按规范要求（《低压配电设计规范》第
4.4.8条），其接地故障电流id与熔断体额定电流ir应满足下式要求。

id/ir≥ki （3-2）系数ki值见表2
为满足（3~2）的要求，单灯熔断器的ir不能选择过大，一般启动电流为正常工作电流的1.7倍，因此，单灯熔断器选ir≥2ic 即可。

3.1.2 开断电流校验。

熔断器最大开断电流应大于被保护线路最大三相短路电流有效值。

3.1.3 熔断器与熔断器的级间配合。

熔断器的级间配合要求包括过电流选择比和i2t特性两部分。

一般上下级熔断体额定电流选择比≥1.6:1即认为有选择性。

弧前熔断时间＜0.01s时，上级熔断
器的弧前i2t值应大于下级熔断器的熔断i2t值。

3.2 断路器。

断路器可用于照明线路的过载、短路和接地故障保护。

3.2.1 反时限过电流脱扣器：断路器反时限即长延时过电流脱扣器整定电流为：
iset1≥krel1ic （3-3）
iset1≤iz （3-4）
式中：iset1——长延时过电流脱扣器整定电流；ic——线路计算电流；iz——导体允许持续载流量；krel1——长延时过电流脱扣器可靠系数，取决于电光源启动状况和断路器特性，其值见表3。

3.2.2 瞬时过电流脱扣器：为保证断路器可靠切断接地故障电路，则应满足下式：
ikmin≥krel1iset3 （3-5）
式中：ikmin——被保护线路末端最小短路电流，krel1——脱扣器动作可靠系数；iset3——瞬时过电流脱扣器整定电流。

如线路较长，单相短路电流较小，不能满足（3-5）要求，可以采用剩余电流保护器作接地故障保护。

3.2.3 分断能力校验。

断路器的分断能力应大于等于被保护线路最大三相短路电流周期分量有效值。

3.3 剩余电流保护器。

剩余电流保护器（rcd）又称漏电开关，
剩余“漏电”电流保护器，是一种灵敏度很高的电气保护装置。

根据接地形式不同，剩余电流保护器的保护要求也不同。

3.3.1 tt系统：
3.3.1.1 rcd参数设置:①额定动作电流i△n：与tn系统相比，tt系统故障回路阻抗大，故障电流小，故障点未被熔焊而出现接地电阻，其阻值难以估算。

因此，用预期接触电压值来规定保护电器动作特性的要求，如（3-6），即当预期接触电压超过50v时，保护电器应在规定时间内切断故障电路。

iara≤50v （3-6）
式中：ra——电气装置外露导电部分接地极和pe线电阻之和；ia——使保护电器在规定时间内可靠动作的电流，在此时间为5s。

此时的ia即为rcd额定动作电流i△n。

漏电动作电流一般有30、50、100、300、500ma等几个级别，考虑到南方的阴雨潮湿天气，建议线路末端可取50～100ma进行保护，上下级电流比≥3:1，上级动作电流选300ma。

室内末端漏电保护的i△n一般都取30ma，可能有人会担心末端i△n取值过大。

其实，根据iec／tc64标准——1974年提出权威性iec——479文件“电流对人体的效应”：
取电击能量：i×t×k = 500×0.15”×0.67＝50 ma·s
已将安全界限由30ma·s放宽到50ma·s。

因此，线路末端i△n选用50ma是合理的。

i△n选用100ma，只
要缩短动作时间，保护也是安全的。

②额定不动作电流i△n0
额定漏电不动作电流i△n0，应不小于电气线路和设备的正常漏泄电流最大值的2倍。

3.3.1.2 接线图：
3.3.2 tn-s系统:
3.3.2.1 rcd参数设置:tn-s系统当相-零回路阻抗较大，过电流保护不能兼作接地保护故障时，应采用漏电电流保护。

此时也可将漏电保护器保护的线路和设备按局部tt系统处理，其rcd参数的设定与tt系统一样。

3.3.2.2 接线图：
应注意的是，在tn系统中，采用漏电保护器与未采用漏电保护器的设备如共用pe线，则当未采用漏电保护器的电气设备绝缘损坏而外壳带电时，漏电保护器保护的设备外壳也带电，有可能造成人身伤害。

因此，道路照明配电系统中的pe线不应与其他设备的pe线连接。

以上，是我对道路照明接地故障保护的一点浅见，希望各位专家和同行批评指正。

参考文献
1 中国航空工业规划设计研究院.组编.工业与民用配电设计手册第
三版.中国电力出版社
2 北京照明学会照明设计专业委员会编.照明设计手册第二版.中国电力出版社
3 《钢铁企业电力设计手册》编委会编.钢铁企业电力设计手册下册.
冶金工业出版社
4 李心林主编.注册电气工程师考试辅导教材及复习题解（供配电专
业技能部分）（第二版）.中国建筑工业出版社。