06-01-16路灯配电系统若干问题的探讨

路灯配电系统若干问题的探讨李良胜（深圳市市政工程设计院518035）摘要探讨路灯配电系统中的单相接地保护灵敏度校验、保护设置、接地型式选择等。

关键词路灯灵敏度接地故障L-N短路接地型式RCD（漏电保护器）I(II)类设备1 引言相对于室内照明而言，室外路灯照明的安装及敷设环境较差，线路距离较长，可达1000m以上，负荷分散但容量不大。

我国虽于1992年就颁布了行业标准《城市道路照明设计标准》（CJJ 45-91）（以下简称《路灯规范》），但因当时条件限制，规范未能就路灯照明配电系统作出更为详尽而完善的规定。

随着我国城市及道路建设的进一步蓬勃开展，对于路灯照明的深入研究已迫在眉睫。

路灯配电系统的以下几个问题尤其值得关注：①单相短路；②灵敏度校验；③保护设置；④接地型式等。

2 工程实例某城市道路照明由一台SG-10/0.4kV，100kVA ，D,Yn-11（U k=4.5%）箱变供电。

箱变内带3m长LMY-4（40×4）低压母线。

箱变远离10kV系统内发电机组，系统短路容量S d =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+1×16 mm2，穿PVC70管（用于分散接地的TT系统时，线路则为VV-4×25 mm2，穿PVC70管）。

3 单相短路电流的计算路灯可归类于固定式配电设备（I类设备），其线路须有过载、短路或接地故障保护。

单相短路包括单相接地短路故障（以下简称“接地故障”，例如图1中的f1、f2）和相-中短路（以下简称“L-N短路”，例如图1中的f3）。

本节中的3.1及3.2小节，将以路灯的TN-S单相接地故障电流要按照相-保回路进行计算。

当线路最末端发生单相接地故障（即图1中f1）时，该相-保回路中，共有高压系统、变压器、低压母线、低压电缆、灯头引接线等五种阻抗元件，单相接地故障电流：I d=220/√（Rφp2+ Xφp2）⑴式中，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Rφ、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、p.s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=2672.01m Ω, Xφp.l=0.192×990=190.08mΩ。

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

φp.x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，I d=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。

3.2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），见表1。

表1 不同电缆截面时的灯具处单相接地故障电流从计算过程及表1看出：①当路灯线路很长时，因回路阻抗较大，故其末端单相短路电流的数值较小（甚至不足100A），这样就不利于线路前端的短路保护电器（即图1中的“干线开关”）之动作。

这也是路灯配电设计中值得关注的首要问题。

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。

3.3 L-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。

4路灯线路干线开关的选择4.1路灯干线开关保护的基本要求一个路灯回路的完整保护，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（即图1中的“灯具开关”）做好级间配合，不越级跳闸。

因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K lm，即：K lm= I f/I r2⑵式中：K lm≥1.3；I f——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；I r2——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。

4.2 TN-S系统配电线路干线开关的选取4.2.1过载长延时保护照明用低压断路器的长延时过电流脱扣器的整定电流为：I r1≥K r1•I c ⑶式中：K r1——长延时过电流脱扣器的可靠系数，取1.1；I c——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I c =33×0.25×(1+10%）/(√3×0.38×0.85）=15.92A，故I r1≥1.1×15.92A=17.51A，初取I r1=20A。

4.2.2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：I r2≥K r2•I c。

式中，I c——照明回路的计算电流；K r2——短路过电流脱扣器的可靠系数。

经过充分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，K r2可由路灯（基本为HID灯）的启动倍数（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K r2=1.9×1.3=2.47。

另一方面，I r2也经常以长延时整定电流I r1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I r2=K•I r1，于是有I r2=K•I r1≥2.47I c，由此可得整定倍数K≥2.47（I c/ I r1）。

另一方面，为了保证短路灵敏性，由式⑵可得到：I f≥1.3I r2 =1.3(K•I r1)，故K≤I f/(1.3I r1)=0.77（I f/ I r1）。

至此，即得到K取值范围的完整计算公式：2.47（I c/ I r1）≤K≤0.77（I f/ I r1）⑷式⑷表明，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1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I f=81A，代入到式⑷中就得到，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I r2=K•I r1=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）。

4.3 TT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。

4.3.1过载长延时保护与TN-S系统整定相同。

4.3.2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》（GB 13955-1992），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I x的2倍。

因此：I△n≥2•2I x即：I△n≥4I x⑸路灯回路正常运行泄漏电流I x主要由三部分组成：各灯具正常泄漏电流I x1、各灯具引接线正常泄漏电流I x2和干线正常泄漏电流I x3。

a. 对于I x1，根据《电光源的安全要求》（GB 7248-87）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2M Ω”。

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。