本文系首届杰青论文竞赛二等奖作品，发表于 《智能建筑电气技术》2019年第6期｡由于路灯照明负荷较小，且采用三相均匀供电，其供电半径一般会控制在500m左右，最远供电半径也会控制在1km左右，因此压降问题都能得到很好的控制。本文重点是对市政道路照明配电系统采用TN-S系统时的针对发生单相接地故障的配电保护分析，并给出合理化的意见。
第二届杰青论文竞赛将于6月1日截稿，详情可点击下图↓
0 引言
在城市道路照明电气设计中，灯具的金属灯杆与不特定人群的接触有着频繁及不确定的特点，一旦灯杆带电会存在较高的危险。根据国务院《生产安全事故报告和处理条例》规定，3人以下为一般事故，3人以上为较大事故。因此，应高度重视城市道路照明及户外用电设施的安全措施。
1 TN-S系统应用于市政道路照明时的两个主要缺陷
(1)由于市政道路照明的配电线路较长，按最不利因素考虑线路末端发生接地故障时，其接地故障电流小。(2)市政道路照明为户外环境，很难实施完善的等电位措施，如发生某些接地故障时，则可能导致电击危险。
2 需要明确的概念
在TN系统内发生单相接地故障时，电源的切断与低压系统接地的接地电阻的阻值大小无关。
TN系统内的PE线是连通的，任一处发生接地故障，其故障电压可沿PE线传导至他处从而可能引起危害。由于RA+RR>>RL+RE，因此可不考虑RA及RR的影响。若人体接触带电灯杆时，人体所承受的电压为UR=Ud×RR/(RA+RR)≈Ud。其中，Ud为故障点处电压。(2)根据GB50054-2011《低压配电设计规范》第5.2.8条，TN系统内选用的自动切断电源的防护电气或回路导体，应能满足在发生接地故障时，在规定的时间内切断电源的要求：
式中，Zs为接地故障回路阻抗，包括相线､PEN线､PE线和变压器阻抗，Ω；Ia为保证防护电器能在规定时间内动作的最小电流，为断路器的瞬动电流或为熔断器熔体额定电流In的若干倍，即Ia=KIn，A；U0为相导体对地标称电压，V；在发生故障点阻抗可忽略不计的接地故障后，故障电流Id必须大于Ia才能使防护电器在规定时间内动作，即Id>Ia；而Id=U0/ZS；因此，U0/ZS>Ia。从以上可知，在TN系统内发生接地故障时，电源的切断与低压系统接地的接地电阻的阻值大小无关；保护装置动作电流应小于预期故障电流，但回路阻值受供电距离及导线截面积的制约。
3 市政道路照明采用TN-S系统时的配电保护分析
根据GB50054-2011《低压配电设计规范》，低压配电线路应装设短路保护和过负荷保护。针对单相接地故障，本文重点分析短路保护。3.1.1 TN系统利用过电流防护电器兼做接地故障保护引用规范：配电线路的短路保护电器，应在短路电流对导体和连接处产生的热作用和机械作用造成伤害之前切断电源，且应符合GB50054-2011《低压配电设计规范》的规定：当短路保护电器为断路器时，被保护线路末端的短路电流不应小于断路器瞬时或短延时过电流脱扣器额定电流的1.3倍。保护措施:照明出线回路选用断路器做为保护电器时，其瞬时或短延时过电流脱扣器的整定电流应大于被保护线路末端的短路电流的1.3倍，这构成了第一重保护。但TN-S系统的配电线路过长时，一般难以满足灵敏度安全校验，当发生线路末端接地故障时，过小的接地故障电流无法使线路首端的保护电器动作，不能切断故障电路，因此有必要装设剩余电流动作保护电器。引用规范：根据GB50054-2011《低压配电设计规范》第5.2.13条：TN系统中，配电线路采用过电流保护电器兼作间接接触防护电器时，其动作特性应符合本规范第5.2.8条的规定，当不符合规定时，应采用剩余电流动作保护电器。保护措施：当第一重保护不能满足时，可采用剩余电流动作保护器，剩余电流值在100~300mA之间可调，这构成了第二重保护，提高了系统运行的安全性和可靠性。3.1.3 实施单灯保护且对每套路灯做局部等电位连接作为附加防护引用规范：根据CJJ45-2015《城市道路照明设计标准》第6.15条规定：每个灯具应设有单独的保护装置。由于路灯属于I类电气设备，即其除了具有金属外壳做为基本绝缘来防电击以外，还具有经PE线接地的手段。当其绝缘损坏后，金属外壳则带危险故障电压，存在间接接触电击危险。根据IEC60479图表：电流路径从左手到双脚的交流电流(15~100Hz)对人效应的约定的时间/电流区域的测试曲线可知，交流电流通过人体时因发生心室纤颤而电击致死的人体电流阈值为30mA。保护措施:每套路灯采用RCD防护电器自动切断电源做故障防护，剩余电流值建议选择30mA。如果电子式RCD失效拒动，待局部等电位联结后，将接触电压限制在限制UL以下，人身也不致电击致死，这就构成了第三重保护。
3.2.1 计算条件
(1)照明配电一般采用干式变压器，本文以比较常用的变压器容量160kVA为例进行计算。160kVA及以下的变压器，其阻抗电压和低压侧母线规格一样，其中阻抗电压为4%，低压侧母线规格为LMY-4(40×4)，配电变压器联结组别均为Dyn11。(2)线路保护电器采用电子式断路器，长延时过电流脱扣器整定值Iset1取25A，瞬时过电流脱扣器整定值Iset3取5Iset1取，125A。(3)配电线路长度从200~1000m，共分为17档。(4)线路采用交联聚乙烯电缆(YJV)，五芯，N线和PE线与N线相同截面，截面为10mm2，16mm2，25mm2，35mm2四种规格。(5)按照我国低压系统的允许电压偏差，电压系数c取1.05。
3.2.2 计算公式
关于市政道路照明回路的单相接地故障电流是需要根据相-保回路进行计算。当线路末端发生单相接地故障时，该相-保回路中，共有五种阻抗原件，分别是高压系统､变压器､低压母线､低压电缆和灯头引接线，其单相接地故障电流：
式中，Rphp为回路各元件相保电阻之和，即Rphp=Rphp.s+Rphp.t+Rphp.m+Rphp.l+Rphp.y；Xphp为回路各元件相保电抗之和，即Xphp=Xphp.s+Xphp.t+Xphp.m+Xphp.l+Xphp.y；Rphp.s､Rphp.t､Rphp.m､Rphp.l､Rphp.y分别是高压系统､变压器､低压母线､低压电缆和灯头引接线的相保电阻；Xphp.s､Xphp.t､Xphp.m､Xphp.l､Xphp.y分别是高压系统､变压器､低压母线､低压电缆和灯头引接线的相保电抗。考虑到高压系统､变压器､低压母线及灯头引接线部分的相保阻抗与低压电缆的相保阻抗相比很小，可忽略不计，因此，单相接地故障电流计算可简化为：Id=cUn/(R2php.l+X2php.l)。电缆的相保阻抗可参考工业与民用供配电设计手册(第四版)表4.2-42。
3.2.3 计算结果
3.2.4 灵敏度分析
短路保护电器为电子式断路器时，根据表1所列的Id值，符合Id≥1.3Iset3的列于表2。
从表2可知，长度在850m以上，即使电缆截面选择35mm2也无法满足接地故障保护要求；可以通过加大电缆截面来增加供电半径并满足接地故障保护要求。
3.2.5 改进措施
在市政道路照明工程中，TN-S系统的缺点就是难以做有效的等电位联结，当配电线路较长时，导致接地故障电流小，使得断路器作为短路保护电器时无法进行有效的保护。
如果沿照明线路通长敷设一根等电位连接导体作为总等电位连接线，本文以沿照明线路通长敷设一根截面为120mm2的电缆为例，则线路末端单相接地短路电流计算结果见表3。
其配电保护线路路长度限值见表4。
从表3和表4可知，加设一根单芯120mm2电缆做为总等电位连接线时，线路末端的单相接地短路电流大幅提高，从而有效提高保护范围。
4 市政道路照明配电系统的探讨
采用TN-S系统时，对于接地故障的保护设计思路整理如下。(1)建议PE与相线等截面，且按公式(Id≥1.3Iset3)进行校验。如配电线路较长时，断路器作接地故障保护难以达到规范要求，可采用加大电缆截面来提高线路末端单相接地故障电流，但电缆截面不建议超过35mm2。如仍不能满足，则可以加设一根单芯120mm2电缆作为总等电位连接线，可有效提高供电半径并满足规范规定的接地故障保护要求。(2)配电线路可采用剩余电流动作保护电器。剩余电流值建议选择100~300mA动作电流可调､延时动作型的剩余电流保护装置。(3)每套路灯采用RCD防护电器自动切断电源做故障防护。剩余电流值建议选择30mA。
5 结束语
TN-S系统中，在总等电位连接(通长敷设PE线或增设等电位联结导体)和单灯局部等电位联结的基础上，以单相接地故障灵敏度校验为主，辅以剩余电流动作保护电器，同时单灯实施RCD防护电器，基本可有效的进行单相接地故障保护，但仍受配电线路长度的制约。电气工程的安全防护至关重要且设计实施终身责任制，设计人员应充分认识到这一点并在设计中本着认真谨慎的态度，严格执行规范来确保人员生命财产安全。
作者简介
高级工程师
江西省城乡规划设计研究总院市政所
中国勘察设计协会电气分会青年专家组委员，擅长大型工业（国内外）项目供配电设计。
参考文献
[1]中国航空规划设计研究总院有限公司.工业与民用配电设计手册(第四版)[M].北京:中国电力出版社.2016.
[2]CJJ45-2015.城市道路照明设计标准.[S].北京.中国建筑工业出版社.2016.
[3]GB50054-2011.低压配电设计规范.[S].北京.中国计划出版社.2012.
[4]IECTS60479-2.Effectsof current on human beings and livestock-Part 2:Special aspects.2017.
[5]王厚余.建筑物电气装置600问[M].北京:中国电力出版社.2013.
文章节选自《智能建筑电气技术》杂志2019年第6期，《市政道路照明采用TN-S接地方式时的接地故障保护分析》，文章有删减，版权归《智能建筑电气技术》杂志所有，转载请注明出处。本文引用格式：[1]方敏.市政道路照明采用TN-S接地方式时的接地故障保护分析[J].智能建筑电气技术,2019,13(06):128-131.
