路灯配电系统若干问题的解析 王显嘉

路灯配电系统若干问题的解析王显嘉
摘要：本文在行文思路上首先通过相关的路灯配电系统的实例来进行文章的论述，对路灯配电系统中存在的问题，如单相接地保护灵敏度校验、保护设置、接地型式选择等等。

进行了详细的探究。

在整个路灯的保护中，首先就要从配电线路干线保护进行考虑和研究分析,无论是TN-S系统，还是TT系统，路灯配电干线中的问题都应该是重点研究的问题,只是根据不同的系统选择相应的合理的开关即可（例如B类断路器适应TN-S系统,RCD适应TT系统）。

在配电线路中，最容易出现的问题就是短路的问题，因此为了在最大程度上保障灯具的安全有效，就应该设置短路保护，而对于短路保护的选择也应该结合相应的系统进行设计。

关键词：路灯；漏电保护；TN-S；TT；配电系统；干线
引言：路灯照明的敷设在很多时候存在着复杂的特殊性，这与室内照明在本质上和规模上存在着很大的区别，不仅仅需要极大数级的电线，同时电荷也相对而言更加的分散，然而风险的符合却没有较大的容量，我国在很久以前就已经有相应的标准来对城市路灯设计进行了规范，然而因为很多方面的限制，致使在路灯配电系统方面的规定仍然较为不完善。

一、工程实例
在某个城市的路灯照明中应用SG-10/0.4kV,100kV•A,D,yn-11(Uk=4.5%)供电。

箱变内带3m长LMY-4 (40×4)低压母线。

系统短路容量Sd=200MV•A。

以箱变为起点,其中的一个路灯回路的线路长为990m,沿道路呈线状布灯(即中间无分支)。

路灯为金属灯杆(以下未指明的均同此),纵向布置间距为30m(该回路共有990/30=33套灯具),灯杆高为10m。

灯具为220V、250W高压钠灯(自带电容补偿,cosφ=0.85),镇流器损耗为10%。

路灯以L1、L2、L3依次配电,灯杆内灯具引接线为BVV-
3×2.5mm2。

路灯干线为三相配电,线路为VV-4×25+1×16mm2,穿PVC70管(用于分散接地的TT系统时,线路则为VV-4×25mm2,穿PVC70管)。

1.单相短路电流的计算
路灯线路中需要很多固定式配电设备必须具有的元素，例如过载以及漏电或短路保护。

在短路中，单相短路包括我们常说的接地故障以及L-N短路，下面我们就将通过实例对这两种情况进行研究和分析，同时通过相应的研究来具体和计算接地故障电流。

1.1工程实例的单相接地故障电流
单相接地故障电流在计算的方式上是要按照相-保回路来实现的。

单相接地故障如果发生在整个线路的最末端(即上图中f1)时,该相-保回路中,在阻抗元件上存在着很多的单元。

Rφp——回路各元件相保电阻之和,即
Rφp=Rφp.s+Rφp.t+Rφp.m+Rφp.l+Rφp.x;Xφp——回路各元件相保电抗之和,即
Xφp=Xφp.s+Xφp.t+Xφp.m+Xφp.l+Xφp.x。

其中的Rφp.s、Rφp.t、Rφp.m、Rφp.l、
Rφp.x,分别为前述的高压系统、变压器、低压母线、低压电缆、灯具引接线之相保电阻(Xφp含义类此,不重述)。

依照参考文献的表4-28~表4-34,就本工程实例而言:①高压系统
Rφp.s=0.05mΩ,Xφp.s=0.53mΩ。

②变压器
Rφp.t=(33.68×3)/3=33.68mΩ,Xφp.t=(63.64×3)/3=63.64mΩ。

③低压母线
Rφp.m=0.372mΩ,Xφp.m=0.451mΩ。

④低压电缆
Rφp.l=2.699×990=2672.01mΩ,Xφp.l=0.192×990=190.08mΩ。

⑤灯具引接线
Rφp.x=20.64×10=206.4mΩ,相保电抗Xφp.x=0.29×10=2.9mΩ。

因此,回路总相保电阻Rφp=0.05+33.68+0.372+2672.01+206.4=2912.5(mΩ),总相
保电抗Xφp= 0.53+63.64+0.451+190.08+2.9=257.6(mΩ)。

于
是,Id=220V/(2912.52+257.62!)mΩ=220V/2923.9mΩ=0.075kA=75A,此即本工程实例中,线路尽头灯具处的单相接地故障电流值。

1.2不同电缆截面时的单相接地故障电流
为便于比较,把上述工程实例中的电缆,分别换用VV-5×25、VV-4×35+1×16、
VV-5×35等不同截面的电缆,可求得不同情况下的单相接地故障电流(增减百分比均
以原VV-4×25+1×16为比较基准)。

①如果路灯线路存在着比较长的距离时,由于整个线路中的回路阻抗，就会导致末端存在着比较小的电流通过，而如此小的数值就会导致整个配电线路中的前
段保护存在着不足的问题。

(即图中的“干线开关”)之动作。

因此在路灯的配电设
计中最主要的问题就是短路等的问题。

②加大导线的截面(尤其是PE线的截面),
可以显著增大单相接地故障短路电流。

可谓“花钱不多,效果显著”,因此,它理应成
为提高路灯短路灵敏度(稍后讲述)的首选措施。

1.3L-N短路电流
对于发生概率很小的L-N短路,由于与单相接地故障同属单相短路,计算方法和
公式也就基本相同,但其区别也是明显的:接地故障跟PE线重复接地电阻值大小有关,可由RCD来担当保护;而L-N短路则与接地电阻大小无关,也无法利用RCD的漏
电保护功能来实施保护。

二、路灯线路干线开关的选择
2.1路灯干线开关保护的基本要求
为了保障路灯回路能够有效的得到保护，应至少包括两级:配电线路干线开关
保护和灯具短路保护。

干线开关的选择,除要按箱变内母线出口处三相短路电流来
校验其分断能力外,尚应保证开关在该回路灯具启动和工作时均不误动作,而在过载、短路或接地故障时则应可靠动作。

此外,干线开关还要尽量与其下一级保护(即上图中的“灯具开关”)做好级间配合,不越级跳闸。

路灯箱变内的变压器容量往往较小而阻抗较大,故箱变内低压母线出口处的三
相短路电流值较小,常规塑壳断路器的短路分断能力均可满足要求。

而为了使路灯
低压断路器可靠切断故障电路,必须校验断路器脱扣器动作的灵敏度Klm,即: If——路灯线路末端最小短路电流,对于TN系统为相—保短路(即单相接地故障)或L-N短路电流,对于TT系统为L-N短路电流;
Ir2——断路器短路过电流脱扣器的整定电流值。

前面已述及,路灯回路线路长、阻抗大,从而单相短路电流很小;若断路器短路过电流脱扣器的整定值设计较大,则
该短路电流可能不足以推动断路器可靠动作。

2.2TN-S系统配电线路干线开关的选取
2.2.1过载长延时保护
Ic——照明回路的计算电流。

就工程实例而言(33套灯具),回路计算电流
Ic=33×0.25×(1+10%)/(#3×0.38×0.85)=15.92A,故Ir1≥1.1×15.92A=17.51A,初取Ir1=20A。

2.2.2短路保护
照明用低压断路器的短路过电流脱扣器的整定电流为:Ir2≥Kr2•Ic。

式中,Ic——
照明回路的计算电流；
Kr2——短路过电流脱扣器的可靠系数。

经过足够次数的实践检验,在路灯回路中,为了可靠避让灯具启动之影响,Kr2可由路灯(基本为HID灯)的启动倍。

（指启
动电流与工作电流之比),再乘以一个裕量系数1.3来得到。

而根据相关资料,HID灯具的启动倍数一般介于1.3~1.9之间,因此取Kr2=1.9×1.3=2.47。

另一方面,Ir2也经常以长延时整定电流Ir1与整定倍数(特指断路器短路过电流脱扣器的整定电流与长延时整定电流之比)K的乘积形式来表达,即Ir2=K•Ir1,而Ir2≥2.47Ic,由此可得整定倍数K≥2.47(Ic/Ir1)。

降低回路运行电流或增大回路短路电流,对于拓宽K的取值范围都十分有利。

此外,断路器短路过电流脱扣器的整定倍数K一定要合理取值,其大小应有所限制:K 若整定太小,则无法避开灯具启动电流,可能导致开关误动;K若整定太大,又无法满足短路灵敏度要求,可能导致开关拒动。

就本工程实例而言,当路灯配电干线最末端发生接地故障(即图中的f2)时,灯具引接线(BVV线)的相保阻抗不再计入回路中。

可以计算得知此时的接地故障电流If=81A,代入式(4)中可得,1.966≤K≤3.119。

如此小的K值,已无法选用常见的A类断路器;而B类断路器(如CM1E)的K值的调节范围很大,故推荐选用。

对于本例而言,干线开关可选取K=2.0或2.5或3.0(短延时倍数)的CM1E。

若取中间值2.5,则
Ir2=K•Ir1=2.5×20A=50A(短延时脱扣器整定电流值)。

为了从动作时间方面来满足上、下级间配合,此处利用了B类断路器的短延时脱扣器的短延时功能而非瞬时脱扣器的瞬动功能。

另外,只要具体设计中保证路灯配电线路的N线截面不小于PE线截面,L-N短路电流就必然不小于接地故障电流。

因此,就可利用上述的B类断路器CM1E,来兼顾接地故障和L-N短路两种保护。

当然,当L-N短路忽略不计时,也可采用RCD来作为路灯干线开关(RCD的选择可参照下述关于TT系统的阐述)。

2.3TT系统配电线路干线开关的选取
TT系统路灯配电线路的干线开关,推荐采用RCD或其组合电器。

2.3.1过载长延时保护
与TN-S系统整定相同。

2.3.2短路保护
路灯配电采用TT系统时,干线开关一般要采用RCD来作为接地故障保护。

根据《漏电保护器安装和运行》(GB13955-1992),RCD额定漏电不动作电流的优选值为0.5倍的额定漏电动作电流I△n。

同时前者也不应小于回路的正常运行最大泄漏电流Ix的2倍。

路灯回路正常运行泄漏电流Ix主要由三部分组成:
各灯具正常泄漏电流Ix1、各灯具引接线正常泄漏电流Ix2和干线正常泄漏电流Ix3:
a.对于Ix1,根据《电光源的安全要求》(GB7248-87)规定,“B15d、B22d、E27、E40和G13型灯头的绝缘电阻,在正常气候下不应低于50MΩ,在潮湿气候下不应低于2MΩ”。

由此推算HID灯(220V)的正常泄漏电流,分别应是
220V/(50~2)MΩ=0.0044~0.11mA。

对于单相回路的路灯而言,灯具总泄漏电流即为各灯具泄漏电流之代数和。

而对于本文工程实例的三相回路而言,因路灯干线为三相配电且均衡分布,则其泄漏电流之矢量和Ix1基本为0。

b.单套灯具的引接线(BVV线,长度为10m)正常泄漏电流可查参考文献的表11-27,近似为50mA/km。

若为三相配电回路,可认为其矢量和Ix2为0。

c.根据相关资料,电缆干线线路正常泄漏电流可按21.66mA/km计算,故
Ix3=(990m/1000m)×21.66mA=21.44mA。

于是,一个完整的三相路灯回路的正常最大
泄漏电流理论值为Ix=Ix1+Ix2+Ix3≈21.44(mA)。

实测数据也基本与此相当。

因此,干线开关RCD的额定漏电动作电流I△n≥4Ix=4×21.44mA=85.76mA。

根据RCD的制作规格(优选值),I△n取值为100mA、300mA、500mA等,建议取值
300mA及以上。

当要和末端灯具开关RCD(0.1s)作时间上的配合时,干线开关RCD 的分断时间可取0.2s。

上述RCD的漏电保护功能,仅针对接地故障而言。

当接地故障和L-N短路需同时考虑时,则推荐采用“RCD+B类断路器”的组合型电器。

而B类断路器的选择,仍与TN-S系统的类同,不赘述。

三、重要结论
a. 长距离的路灯线路, 必须充分重视短路灵敏度的校验。

采用低压断路器时, 路灯短路灵敏度与断路器短路过电流脱扣器的整定倍数K密切相关, 而K的取值范围大致为: 2.47 ( Ic / Ir1) ≤K≤0.77 ( If / Ir1) 。

而校验路灯短路灵敏度时, 是否兼顾接地故障和L- N短路, 将直接关系到配电系统方案的不同。

采用低压断路器配电而短路灵敏度不足时解决途径: ①采用
D,yn11变压器。

②合理降低断路器的整定倍数K。

③适当加大PE和N线截面。

④适当减小回路正常运行电流。

b. 路灯TN- S系统宜以B类断路器作为干线开关,TT系统则宜以RCD或其组合电器作为干线开关。

路灯系统干线开关RCD之I△n要合理取值。

c. TT系统中, 接地电阻值较大时, 应采用RCD作灯具开关; 反之, 可用熔断器保护。

现阶段, 路灯若采用TT系统尚会受到一定的制约。

d. 路灯配电不推荐采用TN- C系统。

e. 路灯系统可考虑采用II类设备。

结束语：我国城市的发展迅速，作为在夜间为人们提供安全环境和照明的路灯，其的稳定安全性能是至关重要的，因此对于路灯照明的相关研究就应该落实到位，对于路灯中常见的问题应该进行全面而系统的研究和分析，尽可能的将路灯配电系统中的问题进行有效的预防和应对，本文对相关问题的研究仍然存在很大的局限和不足，盼望相关人士进行指点，以期共同为我国城市及道路发展提供帮助。

参考文献
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