河北省照明行业协会
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城市道路照明配电系统接地方式和配电线路保护的探讨-任元会
来源: | 作者:hbzmcc | 发布时间: 2012-03-12 | 5564 次浏览 | 分享到:

1 概述

        城市道路照明是关系城市安全和交通安全的重要因素,也是提升城市形象的标志之一。近十多年来越来越受到关注和重视。新修订的《城市道路照明设计标准》(CJJ45-2006)的发布和实施,将进一步提高城市道路照明水平;特别是新标准制订的节能指标——“照明功率密度”(LPD)最大限值,必将成为提高道路照明能效的重要保证。

在关注道路照明水平和能效的同时,还有一个关系到用电安全和可靠性的重要课题,即照明配电问题,往往不为人们重视。本文将重点探讨道路照明配电系统的接地方式和配电线路保护两个问题。

 2 城市道路照明配电系统采用TN接地方式存在的问题

2.1 TN-C接地方式的应用状况和存在的问题

        回顾历史,在上世纪50年代到70年代,工厂和民用建筑以及道路照明的本电系统,绝大多数采用了TN-C接地方式。对于道路照明,TN-C方式存在着严重的不安全因素;由于道路照明开灯条件,有可能在实际运行中出现三相电流严重不平衡;另外,当今道路照明大多使用气体放电灯,存在一定量的3次谐波和3的奇次倍数谐波,这两个因素可能使配电线路的中性线流过很大电流。而构成TN-C接地方式的PEN线与灯具外壳和金属电杆等外露导电部分相连接,致使这些外露导电部分在正常运行条件下(不只是故障条件下)就存在对地电位。此电位可能很高,这在人员通行的城市道路将带来间接电击的危险,因此是不允许的。

2.2 TN-S接地方式存在的问题

        当前大多数城市道路照明配电系统采用TN-S接地方式,和过去的TN-C接地方式相比,是一个很大的进步。由于PE线与N线分开,而与PE线相连接的灯具及电杆的外露导电部分,基本上接近于地电位,在正常运行条件下不会有电击危险。但是城市道路照明配系统采用TN-S接地方式仍然存在一定的缺陷,这和建筑物(包括工业和民用建筑)的使用条件存在很大差异,其主要缺陷有以下两点。

       (1)城市道路照明的配电线路一般比较长(和建筑物内配电线路相比),线路末端(按最不利因素考虑)发生接地故障时,其接地故障电流比较小;而采用TN-S方式,配电线路首端的保护电器通常是使用熔断器或断路器的瞬时过电流脱扣器兼作接地故障保护。此时,很难保证按《低压配电设计规范》(GB50054-95)的规定,在5s内切断故障电路。

       (2)道路照明处于户外环境,很难象建筑物内那样作完善的等电位联结,在发生某些接地故障时,有可能导致电击危险(不是必然出现,而是有可能出现)。

新颁布的《城市道路照明设计标准》(CJJ45-2006)第6.9.1条规定,配电系统宜采用TN-S或TT接地方式。笔者认为采用TT接地方式的合理性是勿庸置疑的(后文再分析),而采用TN-S接地方式则是有条件的,而且也并非最佳选择。

 

3 道路照明配电系统采用TN接地方式时接地故障保护的分析

3.1道路照明配电线路接地故障保护要求

        道路照明配电线路接地故障保护应符合GB50054-95的规定。当发生接地故障时,保证电器切断故障电路的时间不宜大于5s。即符合以下两式的要求。

使用熔断器时:    Id ≥ KrIr                            (1)

使用断路器时:    Id ≥ 1.3 Iset3                          (2)

式中Id—配电线路末端接地故障电流;

        Ir—熔断器熔体额定电流;

       Kr—切断接地故障电路时间不大于5s时,Id与Ir的最小比值;

        Iset3—断路器的瞬时过电流脱扣器整定电流.

注:按GB50054-95的规定,上式之Kr值如下:

熔体额定电流为12~63A时,Kr=5;

熔体额定电流为80~200A时,Kr=6。

        鉴于GB50054正在修订之中,新修订的规范,对式(1)、式(2)不会改变,但Kr值可能有变化。

3.2 配电线路及保护电器的设定

        这里,不针对某一条具体道路,来设计其线路和电器参数,而是按常用的情况来设定几种参数进行通用分析。

        (1)配电线路参数

①配电线路长度设定为400~1000m,分为6档。

②线路设定为铜芯聚氯乙烯绝缘及护套电缆(VV型)或交联聚乙烯电缆(YJV型),截面为16mm2、25 mm2、35 mm2三种五芯缆(包括N线、PE线),并假定N线和相线同截面,而PE线取相线截面的50%和同截面两种。

        (2)保护电器参数

①用熔断器时,Ir值取63A、50A、40A、32A、25A五级。

②用断路器时,其长延时过电流脱扣器整定值(Iset1)取63A、50A、40A、32A、25A五级,而瞬时过电流脱扣器整定值Iset3可取Iset1的5倍,即取315A、250A、200A、160A、125A等。

        (3)变压器设定为10/0.4kV、630kVA,油浸式,D,yn11接线,10kV侧短路容量为300MVA。

3.3 线路末端接地故障电流计算

        按照《工业与民用配电设计手册》(第三版)提供的计算方式,按上述线路参数计算的接地故障电流(Id)值列于表1。


3.4 接地故障保护灵敏性分析

        (1)使用熔断器时,根据表1中所列的Id值,符合公式(1)的熔断体电流Ir之最大允许值列于表2。


        (2)使用断路器时,根据表1中所列的Id值,符合公式(2)的Iset3值及相应的Iset1(按Iset3=5Iset1算出)的最大允许值列于表3。

          (3)分析

          ① 用熔断器时,按表2,线路长度在500m以下时,可以满足接地故障保护灵敏性要求;线路长度大于800m左右时,基本上不能满足保护要求,除非进一步加大电缆截面。

          ② 用断路器时,按表3,线路长度在500m以下时,可以满足接地故障保护要求;线路长度在800m以上时,基本上不能满足保护要求。

          ③ 从表2、表3可看出,能满足保护要求的,也是靠加大电缆截面才能达到。

          ④ 从表1、表2、表3可看出,加大电缆的PE线截面,比加大相线截面更有效,如用5×25mm2电缆比4×35+1×16 mm2电缆的接地故障电流(Id)明显要大。

 

4 道路照明配电系统采用TT接地方式的分析

        (1)TT接地方式的优点:前面曾分析,TN-S接地方式存在的问题正是TT方式优越之处。处于户外的道路照明配电系统在难以作等电位联结的条件下,用TT方式更为安全;当配电线路较长时,如前分析,用熔断器或断路器作接地故障保护都难以达到规范的要求。因此,采用剩余电流动作保护器(俗称漏电保护器)就容易达到规范的要求了。因为漏电保护器的动作电流一般都整定在1A以下,再长的线路也可以保证动作。

        (2)有人提出用TN-S方式,也可以用漏电保护器,可满足保护要求。应该说,既然使用了漏电保护器(实际上增加了漏电保护器),为什么不用TT方式呢?用TT更为安全,而且城市道路照明绝大多数采用金属杆,已有较好接地条件,何必还要用TN-S方式,再增加一条PE线呢?多花了钱,还没有任何益处,甚至还多了缺点。

 

5 漏电保护器动作电流的整定

        用漏电保护器作接地故障电流保护,其动作电流整定值(IΔn)应符合以下要求:

       (1)发生接地故障时,漏电保护器一定能保证可靠动作。

       (2)正常运行时,不应发生误动作。因为正常运行中,线路对地电容将产生漏泄电流,不同类型、不同敷设条件的电缆,其漏泄电流大小也不同。一般说,每公里塑料绝缘和护套电缆可达几十毫安,如果整定的IΔn太小,正常运行时,就有可能动作。有人说道路照明用漏电保护器容易误动作,因此不宜采用,就是因为IΔn 整定值太小的缘故。有的甚至按照室内插座回路IΔn取30mA搬到道路照明配电线路,显然是不妥的。应该知道,必须使正常漏泄电流小于漏电保护器的“不动作电流”(IΔno),并留有必要的余地;而产品规定:IΔno = IΔn,也就是说,如果漏泄电流超过整定值IΔn的1/2时,就有可能使之动作。所以,设计中IΔn整定值应等于或大于正常漏泄电流的2.5~3.0倍。按此原则,道路照明配电线路应按其长短,将IΔn整定为100~500mA为宜。

         (3)漏电保护断路器动作应有延时,以避免瞬时性接地故障造成断路,影响道路交通。

 

6 采用TT接地方式时的接地和对接地电阻要求

         (1)接地要求:TT接地方式应将用电设备单独接地,和配电变压器中性点工作接地分开。在建筑物内的多个设备用PE连接一起接地;道路照明灯杆分散,应每基灯杆单独接地,利用金属杆接地条件,增加一、二根接地极即可,不必将各电杆用PE连接到一起接地。

        (2)接地电阻要求:按GB500554-95规定,TT接地方式时接地故障保护应符合式(3)要求:

                         RA·Ia ≤ 50V                     (3)

         式中RA—外露可导电部分的接地电阻和PE线电阻(Ω);

                  Ia —保证保护电器切断故障回路的动作电流(A).

         按式(3)要求,如果漏电保护器的IΔn整定为100~500mA时,则可计算出RA不应大于500~100Ω。为可靠起见,留有必要余地,通常接地电阻不大于50~100Ω即可。和TN-S相比,甚至比TN-S的PE线重复接地电阻要求还低。

 

7 结束语

        (1)城市道路照明配电系统应采用TT接地方式。

        (2)如线路不很长,用熔断器或断路器兼作接地故障保护,经计算能符合GB50054-95规定时,也可以采用TN-S接地方式。

        (3)道路照明配电系统严禁采用TN-C接地方式。

        (4)采用TT方式和漏电保护时,其动作电流IΔn应大于正常漏泄电流的2.5~3.0倍;根据线路长短,IΔn宜整定为100~500mA。

 

参考文献

1 《低压配电设计规范》GB50054-95

2 《城市道路照明设计标准》GJJ45-2006

3 中国航空工业规划设计研究院.《工业与民用配电设计手册》第三版.中国电力出版社,2005,10

4 北京照明学会照明设计委员会.《照明设计手册》第二版.中国电力出版社,2006,12

5 任元会.道路照明配电系统的接地方式.《照明》2006年第7期