路灯接地计算

路灯配电系统若干问题昀撰讨2010-04-26 11:37:23| 分类： 默认分类 阅读200 评论0 字号：大中小 订阅 .

摘萋通过一路灯照明工程实例．探讨了路灯配电系统中的单相接地保护灵敏度枝验、保护设置、接地型式选择等问题。路灯的保护应包括两级：配电线路干线保护和灯具短路保护，在TN—S系统中，路灯配电干线开关可选用B类断路器，在1Tr系统中，可选用RCD或其组合电器。每个灯具处宜设置短路保护，TN-S中可选用熔断器，在1Tr系统中， 当接地电阻值较大时，可选用RCD作灯具的短路保护。路灯不宜采用TN--C系统，可考虑采用II类绝缘设备。

关键词 路灯 灵敏度 接地故障 L—N短路接地型式RCD (漏电保护嚣) I D 类设备

l 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1 000m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快速发展，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—10／0AkV，100kV·A。D,yn一11( =4．5％)箱变供电。箱变内带3m长LMY-4(40x4)低压母线。系统短路容量S =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、25OW高压钠灯(自带电容补偿，cosq)=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一3x2．5ram2。路灯干线为三相配电，线路为VV一4x25+lx16 mm ，穿PVC70管(用于分散接地的 I]r系统时，线路则为VV一4x25 mm ，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”， 如Tm~ ji、五)和相一中短路(以下简称“L-N短路”，如下图中白 )。本节中的3．1及3．2小节，将以路灯的TN—S系统为例，来具体计算接地故障电流。

3．1工程实例的单相接地故障电流

单相接地故障电流要按照相一保回路进行计算。当线路最末端发生单相接地故障(即上图 )时，该相一保回路中，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：从计算过程及上表看出：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)，这就不利于线路前端的短路保护电器(即图中的“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工广-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。

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

4．3 TT系统配电线路干线开关的选取

1Tr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Tr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 13955一l992)。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， 。同时前者也不应小于回路的正常运行最大泄漏电流 的2倍。因此：路灯回路正常运行泄漏电流厶主要由三部分组成：各灯具正常泄漏电流厶。、各灯具引接线正常泄漏电流和干线正常泄漏电流 ：

a．对于 ，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50MI~，在潮湿气候下不应低于2Mn”。由此推算HID灯(22OV)的正常泄漏电流， 分别应是220W(50—2)M1"1-0．0044一O．1lmA。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 基本为O。

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50ramkm。若为三相配电回路，可认为其矢量和 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 =(990m／1000m)

1．66mA=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 =厶+ + 一21．44 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，△，l≥=4×21．4mA=85．76mA。根据RCD的制作规格(优选值)， 取值为lOOmA、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O．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。

5 灯具的短路保护

单个灯具属于不可能过载的设备，故灯具处无须设置过载保护；而鉴于灯具分支线处的导线截面显著减小(跟干线相比)，因此每个灯具处宜设置短路保护。该短路保护电器的选择。应保证在灯具正常工作电流和启动尖峰电流下均不误动作。而短路时则应可靠动作。并按故障短路电流来校验其切断时间。

5．1 TN-一S系统的灯具短路保护

本工程实例中，每灯的工作电流为厶=250Wx(1+10％)／(0．85x220)V=1．45A。根据前述的4．2．2小节。为可靠躲开灯具启动电流，当选择熔断器作为灯具开关时。其熔体电流要大于灯具工作电流的2．47倍，则熔体额定电流取为4A。

路灯属于固定设备，根据《低压配电设计规范》(GB 50054—95，以下简称为《低规》)，其接地故障保护装置的切除故障时间不宜大于5s，此时就要求短路电流与熔体额定电流之比不应小于4．5(当熔体电流介于4—10A之间时)。而本文的第3节里，已求得接地故障电流为75A。故有灵敏系数

75M4A=l8．75，>4．5，就是说。可选取4A熔断器(RL1)作为250W灯具(cosq~=o．85)的短路保护。

灯具开关采用小电流的熔断器时。其短路灵敏系数基本都在十几以上。因此，短路时熔体通常会迅速(甚至0．01s以内)熔断6这样，只要干线开关(B类断路器)的短路短延时时间整定为O．2s，就完全可以通过动作时间来满足级间配合。

鉴于成本相对低廉的RL1熔断器已足以胜任单个灯具的短路保护。而MCB和RCD成本都相对较高，且不易解决防盗问题，故在TN—S系统中对后二者不予以讨论。

5．2 TT系统的灯=I短路保护

rI’I'系统一般通过预期接触电压来规定接地故障保护装置的动作特性。而路灯虽处室外环境，但其安装场所一般都较为开阔，一旦人畜触电，都较容易摆脱；此外，现有国内规范、标准等，均未明确将路灯安装场所归类到“特殊环境”。有鉴于此，路灯Tr系统的保护装置仍按符合下式条件即可：根据现有《路灯规范》，当忽略接触电阻和PE线电阻时，见要小于l0n。于是，保护电器的动作电流厶≤50v／l0n，即1o≤5A。而就工程实例而言，若250W灯具的保护电器欲选用熔断器．则其熔体电流至少应为4A(见前述第5．1节)。这就意味着，250W灯具的保护熔断器之熔体电流值，此时只能介于4 5A之间(理论值)，极为局促。显然此时不宜选用熔断器。但若《路灯规范》里规定的接地电阻值可适当下降，比如为4n，则动作电流厶取值范围有所扩宽，最大可达50V／4ft=12．5A。这对于常规的150．-400W的路灯灯具保护．已大致足够。此时的熔断器因动作电流甚小，也可兼作灯具处的I，-N短路保护。

若要维持规范里的10n接地电阻不变．则应采用高灵敏度、快速动作型、带短路保护功能的RCD。对于本工程实例，可选择额定电流 =6A、， =30mA、分断时间为0．1s的单相RCD(须带短路保护功能)。当然，灯具处选用RCD作保护，始终存在成本较高、防盗不易解决等问题。故仅在经济条件许可及管理完好的小区里，才考虑以RCD作为末端保护。

尽管规范未明确路灯线路是否要做到严格的级间配合，而在设计中则应尽量予以满足。当Tr系统的路灯采用上、下两级RCD保护时，若发生接地故障(常见)，通过RCD的动作时间差，无疑能满

足动作选择性要求；但若发生L—N短路(少见)，则动作选择性不一定能得以确保。值得一提的是，当灯具开关采用熔断器，而干线开关采用RCD时，则无论在分断时间或动作电流上，二者都较难配合。即当熔断器的负荷侧发生接地故障时，作为配电线路干线开关的RCD很可能出现越级跳闸。 ．

6 保护接地

关于路灯的保护接地， 《路灯规范》第5．1．9条规定： “可触及的金属灯杆和配电箱等金属照明设备均需保护接地，接地电阻应小于10n。”该规范条文较为笼统，既未阐明具体如何做保护接地，也未区分TN系统和Tr系统接地之差异。

6．1 TN—S系统的保护

接地从理论上讲，TN—S系统中发生短路时，短路电流并不流经大地。因此， 《路灯规范》是否硬性要求保护接地电阻为某一具体数值(如10n)，实际上对于人

身、设备安全以及保护电器之选取等。都不会产生实质性的影响。

在具体实践中，灯杆处是否要设置保护接地体(即PE线是否重复接地)，各地的设计方法不尽相同，但大都采取了每根灯杆或数根灯杆设置一组接地装置。而单纯从TN系统的自身定义来看．无论PE线有多长．它仅在电源处与N线互相接通并接地即可，PE线自身无须重复接地。对此， 《路灯规范》无明确要求。

总而言之，在TN—S系统里，尽管在灯杆处设置PE线接地装置的做法较为普遍，但其设置的理论依据并不充分。

6．2 TT系统的保护接地

Tr系统内，电源有一点与地直接连接．该接地极与负荷侧电气装置外露可导电部分的接地极无电气联系。但是。处于同一个路灯配电线路干线开关保护之下时，作为负荷侧电气装置的路灯灯杆处的各个保护接地极．到底是彼此连通，还是彼此独立呢?又该如何保证工作接地极与保护接地极“无电气联系 呢?

6．2．1各路灯的保护接地极共用

《低规》第4．4．12条规定： “Tr系统配电线路内，由同一接地故障保护电器保护的外露可导电部分．应用PE线连接至共用的接地极上”。就11'系统路灯的一条配电线路而言，该回路上的所有路灯及其线路(灯具开关之前)，均由本线路始端的干线开关(一般为RCD)提供接地故障保护。因此，若按《低规》，该回路中的所有路灯灯杆的外露可导电部分。就必须通过PE线接至共用的接地极，而不得采用彼此孤立的接地极。也惟有如此，本线路上任一点发生接地故障，都可以通过贯通的PE干线获得较大的短路电流，从而使得干线开关(RCD)能可靠动作，及时切除故障，这就是执行规范条文之优点所在。

共用接地极时，若接地故障发生在灯具开关RCD(， =30mA)之后(参见上图中的 )，则要求 ≤50V／0．03A=l 666f~即可；若接地故障发生在灯具开关RCD (，△，l=30mA)之前、干线开关RCD (，△，l=300mA)之后的外露可导电部分(参见上图中的点)，则|R^~

由此可见．共用接地体的Tr系统中。若同一回路的上下级均采用了RCD作为接地故障保护，则对保护接地电阻值的要求比较宽松．很容易满足。从而无须每灯杆处设置接地体。但若采用熔断

器作为灯具短路保护。则灯杆处保护的接地电阻越小越好(比如在4n以下)。

但各路灯共用了接地极的，I1'系统。需要单设PE线，且一处路灯发生接地故障，则故障电压就会绎过贯通的Pl0线蔓延至临近路灯上 ，这就丧 了，TT系统的独特优点。

6．2．2各路灯的保护接地极分设

TT系统的自身定义及其具体实践都表明：，TT系统中，同一接地保护装置下的不同被保护对象，其外露可导电部分也可分设接地体，无须强求共用接地体(但人可同时触及的外露可导电部分除外)。分设接地体可避免接地故障电压沿PE线蔓延；此外，供电电缆可采用四芯，较五芯为节省。 - 、但是，分设接地极的做法直接与上述的《低规》第4．4．12的条文规定相“冲突”。致使设计时难以抉择。而且，每处灯杆都要单设接地体，较为浪费接地钢材。

6．2-3工作接地极与保护接地极的间距问题

TT系统的工作接地极与保护接地极之间。应该是不存在电气联系的。而相关资料，如《民用建筑电气设计规范》(JGJ／T 16-92)第14．7．4．3条及其条文解释表明，工作接地和保护接地两个接地俸问，若要彻底脱离电气联系，则二者的最小净距不宜小于20m (对应于特定的土壤电阻率)。而路灯箱变的金属外壳、金属底座、基础钢筋等，都必须与PE线连通，因此，箱变处的接地体仅适合作为保护接地．而难以作为N线的工作接地。为此。变压器中性点处引出的N线必须另穿绝缘套管。拉到距离箱变20m以远的地方，单独设置工作接地体；且该接地点的半径20m以内。不得存在任何本配电系统的保护接地体。而这一点有时是较难实现的。它也成为路灯实施啊系统的一个瓶颈问题。

7 路灯采用TN—C系统合适吗?

路灯基本采用HID灯，它属于典型的非线性负荷其配电线路中含有以三次谐波为主的奇次谐波电流。理论分析和实验测定都表明。即便是三相完全平衡的气体放电灯线路，N线上通过的高次谐波仍达相线电流的30％以上；若为三相非平衡线路，~IJPEN线通过的谐波电流更大。于是，当路灯采用TN—C系统(非指TN—C．S系统)时，如此大的工作电流平时即在PEN线上流通，使得路灯金属灯杆和箱变的金属外壳上面，正常运行时也不可避免地带有较高的电位，可能造成触电威胁。更为严重的是，万--PEN线发生断线故障，

则相电压就通过灯具直接加在灯杆或箱变等设备外可导电的金属外壳上(而保护电器还难以觉察)，这是比较危险的。因此，路灯配电不推荐采用TN—C系统。

8.路灯采用Ⅱ类设备的可行性,

II类设备具有双重绝缘或加强绝缘，不需要PE线，不需要保护接地，且简单易行，可确保人身安全。它若用于路灯系统，应具备较强的可操作性和经济性。路灯系统采用II类设备时的可能措施：采用非金属外壳的箱变；塑料绝缘电缆全程(包括灯座内接头处)穿于塑料管中(不宜采用金属管)；灯杆内的灯具连线为双绝缘线BVV，且穿塑料管；灯具采用II类灯具。若无法保证后两条措施，则灯杆要制作成非金属灯杆(如水泥灯杆)，或在金属灯杆表面涂以符合规范的绝缘材料。

当然。当路灯系统内全部采用II类设备时，虽无须考虑接地故障保护了．但若要顾及L—N短路，则仍应进行 -N短路灵敏度校验并采用相应措施。

9 几点结论

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：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。采用低压路器配电而短路灵敏度不足时解决途径：①采用D，ynl1变压器。②合理降低断路器的整定倍数K。③适当]J~Jc．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 蜃合理取值。

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。

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