道路照明配电断路器短路灵敏度对配电线路长度的影响

道路照明配电断路器短路灵敏度对配电线路长度的影响
1、引言
随着我国现代化建设的不断发展,国家经济实力的不断增强,城乡建设也在发生着翻天覆地的变化,人民生活水平不断提高的同时，对生存环境的要求也在不断的加强。

道路照明作为其中的一个主要因素也必须适应新形势的需要，不仅要满足最基本的照明要求,更应能满足用电的安全性。

道路照明是属于I类电击防护等级的用电设备,其金属杆灯柱、计控箱壳体等常处于人体易接触的范围内。

当它们发生接地故障而使灯柱、控制箱金属壳体等呈现故障电压时,如果人体与之接触,将会导致电击,从而危及人身安全。

因此,只有做好道路照明的接地故障安全保护,采用合理的接地形式,才能保证其用电的安全性和可靠性。

2、配电线路的保护
根据现行的国家标准《低压配电设计规范》
（GB50054-2011）的定义，低压配电线路保护分为三种，即短路保护、过负荷保护、配电线路电气火灾保护。

在此我们重点要说的是短路保护。

2.1、短路保护
《低压配电设计规范》（GB50054-2011）中3.2.2条规定：
选择导体截面，应符合下列要求: （1）按敷设方式及环境条件确定的导体载流量，不应小于计算电流；（2）导体应满足线路保护的要求；（3）导体应满足动稳定与热稳定的要求；（4）线路电压损伤应满足用电设备正常工作及启动时端电压的要求；（5）导体最小截面应满足机械强度的要求。

配电线路的短路保护电器，应在短路电流对导体和联结处产生的热作用和机械作用造成危害之前切断电源。

当短路保护电器为断路器时，被保护线路末端的短路电流（Id）不应小于断路器瞬时或短延时过电流脱扣器整定电流（Ie）的1.3 倍。

道路照明配电出线回路供电线路长、负荷小，一般在出线回路首端安装断路器达到短路保护、过负荷保护及配电线路电气火灾保护目的，所以说断路器的选择计算整定值是非常重要的，断路器动作情况直接影响整个出线回路的安全。

2.1.1、根据电压降初步确定照明配电线路电缆截面及长度：路灯线路因为电压较低，不必计算电晕，不考虑电导（无漏电），一般只考虑电阻和电抗两个参数，路灯线路常用导线截面一般都小于120mm2，所以路灯线路电阻接近直流电阻，我们可以直接查表得到导线电阻/公里（Ω/km）和导线电抗/公里（Ω/km），现在城市道路照明一般都采用电缆穿管
敷设，由三相四线制供电，线路分支有两相三线线路和单相双线线路供电。

《城市道路照明设计标准》（CJJ45-2006）中6.1.5条规定，照明线路零线的材料、截面与相线相同，线路末端电压降损失简化计算公式：
（ΔU%）单相=2 Mi *（ΔUa%）；
（ΔU%）二相=1.5 Mi *（ΔUa%）；
（ΔU%）三相= Mi*（ΔUa%）
ΔUa%-单位长度线路电压损失百分数（%/A.km）可直接查表得出。

Mi-单位电流矩（A.km），Mi=I.L（A.km）。

I——线路计算电流。

L——线路始端至末端的距离（km）。

《电能质量供电电压偏差》（GB12325-2008）中4.2条：20kV及以下三相供电电压偏差为标称电压的士7%。

《城市道路照明设计标准》（CJJ45-2006 6.1.3条）允许电压损失，正常运行情况下，照明灯具端电压应维持在额定电压的90%-105%，对于380V供电则为354～407V；220V单相供电为额定电压的＋5％，－10％，则为198～231V，就是说只要末端电压不低于354V和198V，就符合要求。

为了估算电缆最大供电半径取三相供电线路末端电压降损失Δ
U%=7%（供电电源点-线路末端），这样根据用电负荷，我们可以初步估算出线路电缆长度，接下来估算相线（零线）截
面按如下公式计算：
铜线：S= IL / 54.4*ΔU
铝线：S= IL / 34*ΔU
P=UIcosΦI=P/（U.cosΦ）
I——导线中通过的最大电流(A)
L——导线的长度(M)
P——负载功率（W）
U——工作电压（V）
cosΦ——功率因素
ΔU——充许的电压降(V)
S——导线的截面积(mm2)
这样我们可以初步估算出相线（零线）电缆截面。

按《城市道路照明工程施工及验收规程》（CJJ89-2012 6.1.5条），保护线SPE的截面可按以下条件选择：
①当S≤10mm2时SPE=S
②当16mm2≤S≤35mm2时SPE=16mm2
③当S≥50mm2时SPE=0.5S
S：相线截面。

这里要说明的是这仅仅是满足了压降这个条件，很多施工设计人员就以该长度作为设计标准，这个概念是不完善的。

2.1.2 按末端路灯单相接地故障灵敏度来校验确定路灯干线
电缆最大长度：
道路照明供电线路长、负荷小、导线截面较小，则回路阻抗较大，故其末端单相短路电流较小，这样就有可能在发生末端单相或两相短路故障时干线保护开关不动作，在实际工作中也经常出现这样的问题，所以还要按末端路灯单相接地故障灵敏度来校验，才能确定路灯干线电缆最大长度。

以单相接地故障（短路电流小）效验为例来说明，先看断路器工作原理，如图1所示。

其中：1．主触头2．自由脱扣器3．过电流脱扣器4．分励脱扣器5．热脱扣器
6．欠电压脱扣器7．按钮
低压断路器的主触点是靠手动操作或电动合闸的。

主触点闭合后，自由脱扣机构将主触点锁在合闸位置上。

过电流脱扣器的线圈和热脱扣器的热元件与主电路串联，欠电压脱扣器的线圈和电源并联。

当电路发生短路或严重过载时，过电流脱扣器的衔铁吸合，使自由脱扣机构动作，主触点断开主电路。

当电路过载时，热脱扣器的热元件发热使双金属片上弯曲，推动自由脱扣机构动作。

当电路欠电压时，欠电压脱扣器的衔铁释放。

也使自由脱扣机构动作。

分励脱扣器则作为远距离控制用，在正常工作时，其线圈是断电的，在需要距离控制时，按下起动按钮，使线圈通电，衔铁带动自由脱扣机构动作，使主触点断开。

设断路器瞬时过电流脱扣器整定电流为Ie，线路计算电流为Ijs，照明线路末端的短路电流为Id。

根据《城市道路照明设计标准》（CJJ45-2006）中6.1.9条规定，道路照明配电系统的接地形式宜采用
TN-S系统或TT系统，铜芯电缆的截面积≥16mm2，零线重复接地，如图2所示。

及其可能发生的触电事故，如图3所示。

a、直接接触防护
故障电流等于相线对PE线短路电流，故障电流产生危险的接触电压，电源电压降至0.8Uo，当PE线和相线尺寸相同，接触电压是Uf=0.8×Uo/2=88V>UL（50V）断路器脱扣。

Uo－相线对地标称电压，220V
UL－安全电压限值，50V
b、间接接触防护
当单相接地故障发生在回路的最末端时，根据施耐德培训手册提供的TN系统短路电流计算公式有：
Id=（0.8.Uo.Sph）/ρ(1+m)L
Uo-相电压，220V。

Sph-相线截面（mm2）。

ρ-正常温度条件下导体的电阻率（Ω·mm），当温度为90°
C时ρ=0.0226。

m-相线截面与PE线截面之比m=Sph/Spe。

L-计算回路总长。

断路器瞬时脱扣条件：（Id/Ie）≥1.3
假设一路灯回路长600m，光源为250W高压钠灯（加电容补偿，cosφ=0.85，镇流器损耗为10%）功率P=275W。

灯间距为30m，共计N=17基路灯，采用一台100KV A的路灯专用箱变来供电，箱变内带3m长LMY-4（40X4）低压母线。

采用三相配电，电缆截面为YJV-4X25+1X16。

灯具引接线为BVV-3X2.5，灯杆高为10米，计算干线末端单相接地故障电流？
忽略（高压系统、变压器、低压母线、灯头引接线等）的影响。

代入公式有：Id=（0.8x220x25）/0.0226x（1+25/16）x600=126.63（A）
Ijsd=N[P/（Uo x cosφ）]=17x275/（220x0.85）=25（A），按Ie=1.3Ijsd 取值Ie=32.5（A），选用Ie=40(A) 的断路器，按（Id/Ie）≥1.3校验，
126.63/40=3.17≥1.3，灵敏度满足断路器瞬时脱扣要求。

道路照明供电负荷较小一般使用的是具有限流作用的微型断路器(MCB)符合GB10963 (idt IEC 60898)，例如：C120,
C65电流范围1A 至125A ,Icu = Ics，25 kA 以下,灵敏度一般在1.4-2.0范围内，按（Id/Ie）≥2.0校验，126.63/40=3.17≥2，灵敏度也满足断路器瞬时脱扣要求。

下面是道路照明常采用的TN系统，出线回路选用Multi 9断路器[4]所配置电缆的最大长度表：当脱扣条件不满足时我们可以减少磁脱扣设定值、加零序保护及配置RCD。

这里要说明一点的是对TN-S系统如断路器本身的保护条件不能满足瞬时脱扣要求，可加RCD提供保护。

对于有些城市道路照明工程，由于配电线路比较长，剩余电流比较大，根据《低压配电设计规范》（GB50054-2011）中6.4.3条规定：为减少接地故障引起的电气火灾危险而装设的剩余电流监测或保护电器，
其动作电流不应小于300mA。

当动作于切断电源时，应断开回路的所有带电导体，在出线回路首端装设RCD目的是防火灾保护。

3、结论：
本文主要是对道路照明配电的出线回路采用断路器保护实际应用提供一些设计上的参考数据。

在城市道路照明配电系统中，对线路短路保护不但要进行电压降计算确定照明配电线路电缆截面及长度，而且还要按末端路灯单相接地故障
来校验断路器短路灵敏度确定路灯干线电缆最大长度，这样才能保证干线末端路灯出现单相接地故障时断路器瞬时脱扣，保证线路及人生安全，这里要特别说明一点，对于有些城市道路照明工程由于供电电源点的问题，配电线路比较长在出线回路首端加设RCD，剩余电流取值一般在
100mA-300mA，其目的是防火灾保护，而不是人身安全保护。

参考文献
[1] GB50054-2011 《低压配电设计规范》
[2] CJJ45-2006 《城市道路照明设计标准》
[3] CJJ89-2012《按城市道路照明工程施工及验收规程》
[4] 《施奈德培训讲义》（2010）。