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戶外照明路燈的接地形式的選擇 路燈需要不需要設漏電保護

0 引言

  在設計中經常會遇到路燈低壓配電線路如何進行接地故障保護的問題。國家相關規范對戶外照明燈具的接地保護沒有明確的要求,對路燈的低壓配電系統設計及其接地保護上有很多做法。

  路燈低壓配電系統具有配電半徑長( 一般要幾百米,甚至上千米) 、用電負荷分散、行人觸及的可能性大等特點。這種低壓配電系統發生三相或二相短路故障時,一般用熔斷器或斷路器即可自動切斷電源。接地故障線路較長,故障電流較小,常規的保護裝置無法很快地切斷故障線路,而路燈由于其安裝特點,人容易接觸,發生電擊的危險很大。

1 路燈低壓配電的接地形式路

  燈低壓配電的接地形式有兩種: TN 系統和TT 系統。分析路燈低壓配電線路的接地故障,首先要看接地形式。

  ( 1) TN 接地系統。接地故障保護的目的主要是防止人身間接觸電。TN 系統接地故障保護動作特性應符合要求:

  式中:

  Zs———接地故障回路阻抗( 相-保回路阻抗) ,Ω;

  Ia———保證保護電器在規定的時間內自動切斷故障回路的動作電流,A;

  U0———相線對地標稱電壓,V。

  可以看出,TN 系統對保護動作特性要求的實質是接地故障電流大于或等于保護電器在相應規定時間內切除故障的動作電流,這樣保護電器才能有效、可靠地切斷故障電流。

  TT 接地系統。TT 系統接地故障保護動作特性應符合要求:

  式中:

  RA———外露可導電部分的接地電阻和PE線電阻,Ω;

  Ia———保證保護電器在規定的時間內自動切斷故障回路的動作電流,A。

  當采用剩余電流動作保護器( Residual CurrentOperated Protective Device,RCD) 時,Ia為RCD 的額定動作電流IΔn。

  保護動作的條件是當外露導電體對地電壓達到或超過50V 時保護電器應在規定的時間內動作,這時故障電流Id應大于保護電器的動作電流Ia,即Id = ( 50 /RA) ≥Ia。

2 設置路燈接地故障保護的必要性

  路燈和與其類似的戶外照明裝置在發生接地故障時,無論是哪一種配電方式和接地系統,外露金屬構件上預期的接觸電壓Uc都遠大于安全值50V,因此正確地設置接地故障保護,對戶外照明裝置安全運行非常重要。

  3 路燈接地系統接地故障最長切斷時間要求及其作用TN 和TT 系統有一共同點,即保護動作的基本條件就是故障電流必須大于或等于保護電器的動作電流。另外,根據IEC 60364-4-41: 2005,作為接地保護的斷路器最長切斷電源時間如表1所示,其中U0為交流或直流電對地的標稱電壓。

  當TT 系統采用過電流保護電器切斷電源,且其保護等電位聯結連接到電氣裝置內的所有外界可導電部分時,該TT 系統可以采用表1 中TN 系統最長的切斷電源時間。

  不管是TN 還是TT 接地系統,作為接地故障保護的斷路器最長切斷電源時間都要滿足表1的要求。IEC 60364-4-41: 2005[4]同時還要求當采用RCD 作為接地故障保護時,要滿足表1 中最長切斷電源時間的要求,即故障電流要大于5 倍的RCD 額定剩余動作電流。因此,在接地保護開關和導線規格、長度的選擇時,需要滿足表1和RCD 對故障電流的要求。

4 以前路燈接地系統多采用TN 系統的原因

  TN、TT 系統的接地故障電流取決于故障回路電阻的大小,而接地故障電壓則是故障電流在相應電阻上的壓降,即TN 系統是故障電流在保護線電阻上的壓降,而TT 系統是故障電流在保護線電阻及負荷側接地極電阻上的壓降。很明顯,如果暫不考慮故障點電阻,TN 系統的故障回路電阻小,故障電流大,優勢在于線路首端的過電流保護器能夠在規定的時間內切斷故障電流,從而可以利用其兼做接地故障保護,而且當本級過電流保護因某種原因拒動,線路上一級過電流保護也能夠動作,起到故障后備保護的作用; TT系統的故障回路電阻大,嚴重地遏止故障電流的大小,這時故障電流通常很小,而不能使線路首端的過電流保護動作,當然更無后備保護。因此,TN 系統設計簡化,不用專門設置接地故障保護,而TT 系統往往要增加剩余電流斷路器作接地故障保護。而且TN 系統接地形式在民用建筑的單體設計中應用也比較多,因此很多人在做路燈照明設計時采用TN 系統,這是不對的。

5 戶外路燈采用TN 接地系統存在的問題分析

  ( 1) 過去TN 接地系統中均采用接零保護,即將金屬燈柱及座箱等與系統的PE 線或PEN線相接,此時若發生接地故障,其接地電流Id =U/Zo,其中Zo為相-零回路阻抗,對于路燈常用的小截面電纜,其值一般為1 Ω/km 左右。故理論上Id可達到百安培。但實際上如果故障點發生的不是金屬性接地故障,接地點的接地電阻難以預測。故障點如果不熔焊,可能產生電弧、電火花,其具有很大的電阻,使故障接地電流大幅降低,這樣保護電器不能動作或延遲很久才動作。另外,故障點的電弧、電火花溫度可能很高,易引燃附近的可燃物,存在電氣火災隱患。故線路的保護裝置也很難可靠動作。燈柱及座箱上會長時間帶有危險電壓,并且這種電壓還可能通過PE 線或PEN 線傳到系統的所有燈柱和座箱。從某種意義上講,其危及的面會更廣。

  ( 2) 采用TN 接地系統時,所有的路燈或其他的戶外照明裝置的外殼都是通過PE 線而相互連通的,而PE 線又是與電源側相連的,當戶外的某一燈具或電源側發生接地故障時,故障電壓可沿PE 線傳導至其他與PE 線相連的所有設備及裝置( 包括路燈) 的外殼上,戶內與PE 線相連接的裝置外殼雖然也帶故障電壓,但由于戶內的等電位聯結,人體可同時觸及的可導電部分電位差很小,可以保證在觸及帶故障電壓的設備外殼時不觸電; 戶外照明裝置處于無等電位聯結場所,此故障電壓與地面零電位的電壓差形成接觸電壓,如果該接觸電壓高于50 V( 考慮到戶外可能存在的潮濕環境,應取25V) ,是不安全的。

  以上TN 系統存在的第一個問題是極個別的,但絕不能輕視,第二個問題時解決問題的關鍵在于當戶外的某燈具或電源側發生接地故障時,電源側或每個燈具所帶的保護電器能及時有效地將故障電流切掉,這就需要保證故障電流足夠大,能使保護電器動作,即滿足Idmin≥1. 3Iset3,其中Idmin為被保護線路末端接地故障電流,Iset3為低壓斷路器瞬時過流脫扣器的整定電流。對于TN 接地系統,要提高接地故障的靈敏度,可以通過選用Dyn11 接線組別變壓器,加大相導體及接地保護導體的截面積,采用帶短延時過電流脫扣器的斷路器和帶接地保護的斷路器等措施。對于本節提到的,在極個別情況下接地故障電阻也有可能變得很大,數值不確定,使得故障電流變小,保護電器不動作。在提高接地故障靈敏度的方法中,最可靠的做法是每個燈具加CD 保護,而RCD 的額定電流不應大于6A,剩余電流為30mA。

6 戶外路燈采用TT 接地系統存在的問題分析

  (1)TT接地系統中均采用接地保護,即將金屬燈柱及座箱等接地,此時若發生接地故障,其接地電流為

  若ro=4Ω,rd=10Ω,由式(4)得Id=15.7A。

  該故障電流通常還不足以使熔斷器或斷路器動作或迅速動作。如果采用斷路器做接地故障保護,故障電流必須滿足Idmin≥1.3Iset3。如果瞬時過電流脫扣器的整定值取長延時過電流脫扣器的5倍,斷路器長延時脫扣器的整定值≤2.4A時才能滿足要求,顯然不合適。燈柱座箱對地電壓Ud=Urd/(ro+rd)=157V。該電壓足以使觸及的行人發生電擊。因此,采用TT接地系統的路燈配電回路的電源側須采用RCD。當戶外照明裝置發生接地故障時,PE線上流過故障電流,RCD內流過相線和N線的電流并不相同,而是相線、N線、PE線電流的矢量和。如果RCD內存在不平衡電流,脫扣器動作。

  電源側的RCD剩余電流一般取100mA或300mA。但戶外的接地故障回路情況很難明確,雨/雪天氣、干旱、接觸電阻的不確定性等因素都在不斷改變出現故障時故障回路的電流,使得不動作或誤動作的情況時有發生。

7 結語

  戶外燈具的接地形式現在還沒有一個定論,戶外燈具在各種環境下的正常泄漏電流也沒有權威可信的數據可依據。建議對于電話亭、候車亭、廣告牌等類似的配套照明設備設30mARCD作為附加保護,戶外每一路燈處設置RCD作為接地故障主保護,電源處根據一般原則選擇TN、TT接地系統后,設置斷路器或RCD作為接地故障的后備保護。

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