劉志華， 羅 新

(1. 武漢市政工程設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，武漢 430023；2. 湖北生態(tài)工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，武漢 430200)

1 概述

城市道路照明是城市道路建設(shè)必不可少的配套設(shè)施之一，其燈桿常常安裝于人行道或靠近公交港灣站臺(tái)處(如圖1),與不特定人群有著可隨意接觸的空間，一旦燈桿帶電將引發(fā)極大的危險(xiǎn)性(若采取極其沖動(dòng)不理智的方法去施救，易引發(fā)多人傷亡事故)，按照國(guó)務(wù)院《安全事故報(bào)告和處理?xiàng)l例》規(guī)定，3人以下為一般事故，3人以上為較大事故。因此對(duì)于城市道路照明及戶外用電設(shè)施的安全保證措施應(yīng)得到高度重視。

圖1 典型道路照明標(biāo)準(zhǔn)橫斷面圖

本文所探討的道路照明專指AC 380/220V電源接入。自帶電源系統(tǒng)的太陽(yáng)能及風(fēng)光互補(bǔ)型路燈由于其自身具有較高的安全性保證，不在文本討論之列。

為安全起見，路燈可導(dǎo)電金屬外殼(燈桿及基礎(chǔ)法蘭)需作接地處理，那么接地的依據(jù)及目的何在，接下來(lái)筆者就相關(guān)規(guī)范進(jìn)行分析。

GB 50054-2011《低壓配電設(shè)計(jì)規(guī)范》(以下簡(jiǎn)稱“《低規(guī)》”)有以下條款。

5.2.3 電氣裝置的外露可導(dǎo)電部分，應(yīng)與保護(hù)導(dǎo)體相連接；

5.2.7 TN系統(tǒng)中電氣裝置所有外露可導(dǎo)電部分均應(yīng)通過(guò)保護(hù)導(dǎo)體與電源系統(tǒng)的接地點(diǎn)連接；

5.2.14 TT系統(tǒng)中配電線路內(nèi)由同一間接接觸防護(hù)電器保護(hù)的外露可導(dǎo)電部分應(yīng)用保護(hù)導(dǎo)體接至共用或各自的接地極上。

GB 50065-2011《交流電氣裝置的接地設(shè)計(jì)規(guī)范》則將交流電氣裝置劃分為高壓及低壓兩部分，以1kV為界，其中對(duì)于高壓部分有明確規(guī)定。

3.1.1 電力系統(tǒng)裝置或設(shè)備應(yīng)按規(guī)定接地。

而對(duì)于低壓部分也有相關(guān)規(guī)定：

7.1.2 對(duì)于單電源系統(tǒng)，TN電源系統(tǒng)在電源處應(yīng)有一點(diǎn)直接接地，裝置的可導(dǎo)電部分應(yīng)經(jīng)PE線接到接地點(diǎn)。

對(duì)于多電源系統(tǒng)規(guī)范要求較為繁瑣，但也明確規(guī)定裝置的可導(dǎo)電部分必須接地。

行業(yè)規(guī)范JGJ 16-2008《民用建筑電氣設(shè)計(jì)規(guī)范》也有類似規(guī)定，雖其權(quán)威性遜于上述兩個(gè)國(guó)標(biāo)。

行業(yè)規(guī)范CJJ 45-2015《城市道路照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》關(guān)于接地只有原則性的規(guī)定，但同時(shí)強(qiáng)調(diào)應(yīng)滿足國(guó)標(biāo)《低規(guī)》及GB 13955-2017《剩余電流動(dòng)作保護(hù)裝置安裝和運(yùn)行》(以下簡(jiǎn)稱“《剩余電流》”)的相關(guān)要求。

根據(jù)上述規(guī)范及條文，道路照明設(shè)計(jì)中,燈桿(包括基礎(chǔ)法蘭)必須接地，其作用就是安全防護(hù)及導(dǎo)出故障電流。

2 接地系統(tǒng)分析

按電源(系統(tǒng))側(cè)一點(diǎn)接地，不接地(或經(jīng)高阻抗接地)以及電氣裝置的地與系統(tǒng)側(cè)地有無(wú)直接電氣連接來(lái)劃分可分為三種接地型式，即TN、TT、IT。

TN系統(tǒng)又可細(xì)分為TN-S、TN-C及TN-C-S，由于TN-C及TN-C-S的N線會(huì)流經(jīng)三相不平衡電流及可能的故障電流，會(huì)使N線一定程度上帶有電壓，因此設(shè)計(jì)上要謹(jǐn)慎應(yīng)用，IT系統(tǒng)一般運(yùn)用特殊要求場(chǎng)所，道路照明設(shè)計(jì)一般采用TN-S接地系統(tǒng)及TT接地系統(tǒng)。

下面分析TN-S及TT兩種接地系統(tǒng)的單相接地故障電壓及危險(xiǎn)性。

(1)金屬性單相接地故障

1)TN-S系統(tǒng)

TN-S系統(tǒng)單相接地示意圖見圖2。

圖2 TN-S系統(tǒng)單相接地示意圖

對(duì)于TN-S系統(tǒng)，由于RA+RR遠(yuǎn)大于RL+RE，可不考慮RA及RR的影響。而Ud=U·RE/(RL+RE)，由于截面小于25mm2的導(dǎo)體，規(guī)范要求PE線與相線同截面同材質(zhì)，即RE=RL，Ud=1/2U，對(duì)于220V系統(tǒng)而言，Ud=110V，若此時(shí)人體接觸帶電燈桿，人體所受電壓為UR=Ud·RR/(RA+RR)≈Ud，其中RR為人體與大地之間的接觸電阻，正常值為 1 000～ 2 000Ω，在潮濕狀態(tài)下約為500Ω，而RA按規(guī)范取值一般為4Ω。

2)TT系統(tǒng)

T7系統(tǒng)單相接地示意圖參見圖3。

圖3 TT 系統(tǒng)單相接地示意圖

Ud=U·(RB+RA)/(RA+RB+RL)，由于RB+RA遠(yuǎn)大于RL，即Ud≈U，RA即系統(tǒng)接地阻值，一般情況下取值4Ω，RB即單燈接地阻值，工程上通常采用Φ50鋼管或L50×5 L=2 500mm的鍍鋅角鋼一根處理，根據(jù)《工業(yè)與民用供配電設(shè)計(jì)手冊(cè)》第四版表14.6.12常用人工地極的工頻接地電阻中的數(shù)據(jù)，采用L50×5 L=2 500mm的鍍鋅角鋼，當(dāng)土壤電阻率為100Ω·m時(shí)接地電阻為32.4Ω(后續(xù)為方便計(jì)算取32Ω)，當(dāng)土壤電阻率為250Ω·m時(shí)接地電阻為81.1Ω(后續(xù)為方便計(jì)算取81Ω)。

根據(jù)以上分析，發(fā)生金屬性碰殼即單相接地時(shí)，若不能及時(shí)切除故障，燈桿所帶故障電壓：TN-S系統(tǒng)為系統(tǒng)電壓的一半即110V，TT系統(tǒng)為系統(tǒng)電壓即220V，此時(shí)若人體接觸帶電燈桿，人體所承受的電壓分別約為110V和220V。

(2)非金屬性單相接地故障

絕緣擊穿即為非金屬性連接，呈低阻狀態(tài)。筆者查閱相關(guān)文獻(xiàn)沒(méi)能查閱到這方面的阻值資料，但依據(jù)筆者三年前參與過(guò)的一起電氣故障排查實(shí)例，了解到母線至分接配電箱處配電箱主開關(guān)(200A塑殼開關(guān))，由于上方漏水，導(dǎo)致開關(guān)進(jìn)線處與背板之間出現(xiàn)碳化，在斷開所有負(fù)荷的情況下，均對(duì)地呈低阻狀態(tài)，用萬(wàn)用表實(shí)測(cè)對(duì)地電阻值在10～30Ω之間，拆下開關(guān)觀察，開關(guān)進(jìn)線處背后約1/4的部分全部碳化。

下面針對(duì)絕緣擊穿的阻值R′分別取值10Ω、20Ω和30Ω對(duì)TN-S系統(tǒng)和TT系統(tǒng)的故障電壓進(jìn)行分析計(jì)算。

某道路照明工程采用YJV-0.6/1kV-5×25電纜進(jìn)行供電，線路最末端約800m。

1)TN-S系統(tǒng)

TN-S系統(tǒng)非金屬性短路故障接地示意圖參見圖4。

圖4 TN-S系統(tǒng)非金屬性短路故障接地示意圖

電纜線路直流電阻值Rθ=P·CjL/S，式中Rθ為線路直流電阻， P為導(dǎo)體電阻率，銅芯電纜取值為0.028 2Ω·mm2，Cj為接入系數(shù)，多股線為1.02，L為線路長(zhǎng)度，取800m，S為電纜截面，取25mm2，代入R=0.0282×1.02×800/25=0.92Ω，由于配電電纜采用五芯等截面電纜，故有RL=RN=RE=0.92Ω，Ud=U·RE/(RE+RL+R′)，當(dāng)R′分別取值10Ω、20Ω和30Ω時(shí)，計(jì)算后得到Ud分別對(duì)應(yīng)為0.078U、0.042U和0.029U，按U=220V計(jì)算，則燈桿的外殼所帶電壓分別為17V、9.2V和9.4V。

2)TT系統(tǒng)

TT系統(tǒng)非金屬性短路故障接地示意圖參見圖5。

圖5 TT系統(tǒng)非金屬性短路故障接地示意圖

Ud=(4+RB)/(4+RB+R′+RL)U，根據(jù)前面的計(jì)算結(jié)果，RL=0.92Ω，RB為32Ω或81Ω，R′分別取值10Ω、20Ω和30Ω，燈桿帶電電壓計(jì)算參見表1。

燈桿帶電電壓計(jì)算 表1

若此時(shí)人體接觸帶電燈桿，人體接觸電阻與燈桿接地電阻形成并聯(lián)效應(yīng)，此時(shí)并聯(lián)等效電阻Rb為：RB·RR/(RB+RR)計(jì)算結(jié)果見表2。

考慮并聯(lián)阻值影響后的帶電電壓修正結(jié)果見表3。

并聯(lián)等效電阻計(jì)算表 表2

燈桿帶電電壓計(jì)算表(考慮并聯(lián)阻值) 表3

TT系統(tǒng)下發(fā)生非金屬性短路人體接觸燈桿所承受的危險(xiǎn)電壓表 表4

通過(guò)以上計(jì)算分析，可得出如下結(jié)論：(1)金屬性單相接地時(shí)，燈桿處故障電壓：TN-S系統(tǒng)，Ud=110V，人體接觸時(shí)危險(xiǎn)性較大；TT系統(tǒng)，Ud=220V，人體接觸時(shí)危險(xiǎn)性很大。(2)非金屬性絕緣擊穿故障時(shí)，燈桿處故障電壓：TN-S系統(tǒng)，Ud=9.2～17V，人體接觸時(shí)基本無(wú)危險(xiǎn)；TT系統(tǒng)，Ud=115～193V，此時(shí)人體接觸時(shí)所承受的故障電壓為101～183V，危險(xiǎn)性很大。

從TT系統(tǒng)及IT系統(tǒng)對(duì)接地系統(tǒng)的要求公式為R≤50/Id，參考其他文件，正常情況下人體所能承受的交流電壓的極限值是50V，從上面分析比較得出，TT系統(tǒng)單相接地或發(fā)生漏電故障時(shí)其危險(xiǎn)性遠(yuǎn)大于TN-S系統(tǒng)。一般來(lái)說(shuō)，減少電擊危險(xiǎn)的辦法無(wú)外乎兩種途徑：(1)保護(hù)裝置快速動(dòng)作；(2)降低接觸電壓。

TN-S系統(tǒng)由于發(fā)生金屬性單相接地時(shí)，故障電流主要流經(jīng)相線和PE線，故障電流相對(duì)較大易引起保護(hù)裝置快速動(dòng)作，但對(duì)于道路照明，由于存在線路過(guò)長(zhǎng)的問(wèn)題，此時(shí)供電回路阻值相對(duì)較大，線路過(guò)電流保護(hù)裝置不一定能保護(hù)到末端燈具(燈桿)單相接地，若此情形下發(fā)生末端單相短路將存在較大危險(xiǎn)性。而對(duì)于非金屬性擊穿式絕緣降低的漏電情況，由于絕緣電阻存在不確定性，也存在一定的危險(xiǎn)性，此情況下外接接地電阻如何處理均不能降低接觸電壓，此種情況下必須采取相應(yīng)的安全處理措施。

TT系統(tǒng)無(wú)論是金屬性單相接地短路還是非金屬性絕緣擊穿(或降低)故障都存在較高危險(xiǎn)的接觸電壓，即使實(shí)現(xiàn)等電位，也存在區(qū)域外進(jìn)入保護(hù)防范內(nèi)跨步電壓電擊的危險(xiǎn)，因此必須有安全可靠的防范措施。

3 規(guī)范解讀

(1)TN系統(tǒng)

根據(jù)《低規(guī)》第5.2.8的規(guī)定：TN系統(tǒng)中配電線路的間接接觸防護(hù)電器的動(dòng)作特性，應(yīng)符合下式要求：Ia≤U0/Zs，式中Zs為接地故障回路阻抗，U0為相導(dǎo)體對(duì)地標(biāo)稱電壓，Ia保證間接接觸保護(hù)電器在規(guī)定動(dòng)作時(shí)間內(nèi)切斷故障回路的動(dòng)作電流。

公式解讀：保護(hù)裝置動(dòng)作電流應(yīng)小于預(yù)期故障電流，但回路阻值受供電距離及導(dǎo)線截面積的制約，不可能無(wú)限減小。

根據(jù)《低規(guī)》第5.2.13規(guī)定：TN系統(tǒng)中，配電線路采用過(guò)電流保護(hù)電器兼作間接接觸防護(hù)電器時(shí)，其動(dòng)作特性應(yīng)符合本規(guī)范第5.2.8 條的規(guī)定，當(dāng)不符合規(guī)定時(shí)，應(yīng)采用剩余電流動(dòng)作保護(hù)電器。

規(guī)范解讀：當(dāng)無(wú)法確定TN系統(tǒng)的保護(hù)是否滿足規(guī)范要求時(shí)，增加剩余電流保護(hù)電器，事實(shí)上就構(gòu)成了雙保險(xiǎn)，提高了系統(tǒng)運(yùn)行的安全性和可靠性。

(2)TT系統(tǒng)

根據(jù)《低規(guī)》第5.2.18的規(guī)定：TT系統(tǒng)中，配電線路的間接接觸防護(hù)的保護(hù)電器應(yīng)采用剩余電流動(dòng)作保護(hù)電器或過(guò)電流保護(hù)電器。第5.2.15的規(guī)定：TT系統(tǒng)配電線路間接接觸防護(hù)電器的動(dòng)作特性，應(yīng)符合下式的要求：RA·Ia≤50V，式中RA為外露可導(dǎo)電部分的接地電阻和保護(hù)導(dǎo)體電阻之和(Ω)。

規(guī)范解讀：在TT系統(tǒng)下，由于電源系統(tǒng)側(cè)接地電阻的存在，理論上回路最大單相短路故障電流Id≤220/4≤55A，因此Id是受限的，同樣RB由于受施工及場(chǎng)地原因的限制，理論上小于10Ω很難實(shí)現(xiàn)，故有Id≤220/(4+10)≤15.7A，因此TT系統(tǒng)采用斷路器或熔斷器作為間接防護(hù)動(dòng)作電器，筆者認(rèn)為存在很大的不確定性。

根據(jù)《剩余電流》第4.2.2.2的規(guī)定：TT系統(tǒng)的電氣線路或電氣設(shè)備必須裝設(shè)剩余電流保護(hù)裝置作為電擊事故的保護(hù)措施。

規(guī)范解讀：采用剩余電流保護(hù)裝置是TT系統(tǒng)存在的前置條件。既然TN系統(tǒng)允許加裝漏電保護(hù)，而TT系統(tǒng)必須加裝漏電保護(hù)，那兩者有何區(qū)別？

筆者認(rèn)為：對(duì)于TN系統(tǒng)而言，在電源側(cè)接地電阻4Ω、有獨(dú)立的PE線、重復(fù)接地10Ω(規(guī)范無(wú)強(qiáng)制要求)、加裝漏電保護(hù)裝置的情況下，其優(yōu)點(diǎn)是容易實(shí)現(xiàn)過(guò)電流兼單相接地，加裝漏電保護(hù)裝置構(gòu)成雙重保護(hù)，而且重復(fù)接地容易實(shí)現(xiàn)(多個(gè)并聯(lián)即可)，但各設(shè)備沒(méi)有硬性的接地阻值要求。而對(duì)于TT系統(tǒng)，電源側(cè)接地電阻4Ω，無(wú)PE線要求(規(guī)范沒(méi)規(guī)定不同保護(hù)對(duì)象須單相接地，也可以PE線串接)。其優(yōu)點(diǎn)是節(jié)省投資(可節(jié)省PE線，也可不節(jié)省)，但單燈接地電阻有阻值要求，且阻值帶有不確定性，存在設(shè)計(jì)責(zé)任及工程驗(yàn)收風(fēng)險(xiǎn)。

現(xiàn)在業(yè)內(nèi)有一種觀點(diǎn)認(rèn)為，TN系統(tǒng)有可能存在故障電壓反串增加危險(xiǎn)，TT系統(tǒng)(不帶PE線)不會(huì)有故障電壓反串。但筆者認(rèn)為，一個(gè)危險(xiǎn)源的存在并不比十個(gè)危險(xiǎn)源存在的危險(xiǎn)性小，嚴(yán)格按規(guī)范行事，堅(jiān)決杜絕安全隱患才是上策。從筆者多年的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)來(lái)看，TN系統(tǒng)輔以剩余電流保護(hù)裝置較TT系統(tǒng)安全可靠的多。

4 道路照明工程分析

道路照明有其獨(dú)特的特點(diǎn)：線路長(zhǎng)、負(fù)荷分散，無(wú)法做到等電位或局部等電位處理，CJJ 45-2015《城市道路照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》第6.15條規(guī)定：每個(gè)燈具應(yīng)設(shè)有單獨(dú)的保護(hù)裝置。設(shè)計(jì)院對(duì)單燈保護(hù)處理一般都選擇為帶漏電脫扣的斷路器作為單燈保護(hù)裝置，但由于安裝空間受限(特別是雙臂路燈或多回路供電燈具)，往往無(wú)法安裝。筆者建議，對(duì)于安裝空間受限場(chǎng)所，可采用分組控制，每三個(gè)燈具為一組(三相交錯(cuò)供電或單相供電均可)，安裝一個(gè)戶外非金屬材質(zhì)的控制箱，控制箱的安裝高度應(yīng)考慮極端天氣下道路漬水的影響，保護(hù)電器可置于燈桿內(nèi)部其安裝高度亦應(yīng)考慮道路積水的影響，同時(shí)電源進(jìn)線處應(yīng)作加強(qiáng)絕緣處理(防止電源進(jìn)線部分出現(xiàn)絕緣故障)，電源埋管建議采用非金屬管材，進(jìn)線建議采用電纜(絕緣強(qiáng)于電線)，且穿塑料軟管保護(hù)并固定。其他戶外用電設(shè)施(如戶外廣告牌、帶廣告及亮化的公交站臺(tái))均建議作此處理。

斷路器脫扣電流可依據(jù)單燈額定電流的選擇。

國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 50054-2011、GB 50065-2011及行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)CJJ 45-2015、CJJ 89-2012均沒(méi)有規(guī)定道路照明漏電保護(hù)脫扣電流值，筆者建議，參照《剩余電流》第5.7及5.8條的規(guī)定：末端及燈具或其他戶外用電設(shè)施按潮濕場(chǎng)所(考慮雨雪等惡劣天氣)的電氣設(shè)施應(yīng)選用剩余動(dòng)作電流為16～30mA，可選用30mA一般型剩余電流保護(hù)裝置。另對(duì)于線路部分，筆者建議選用300mA動(dòng)作電流可調(diào)節(jié)、延時(shí)動(dòng)作型的剩余電流保護(hù)裝置。

根據(jù)《剩余電流》第7.5條規(guī)定，建議設(shè)計(jì)文件對(duì)電子式剩余電流裝置做相應(yīng)說(shuō)明：根據(jù)電子元件有效工作壽命，工作年限一般為6年，超過(guò)規(guī)定年限應(yīng)進(jìn)行全面檢測(cè)，并根據(jù)檢測(cè)結(jié)果決定可否繼續(xù)運(yùn)行。

5 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，道路照明工程設(shè)計(jì)接地系統(tǒng)建議采用TN-S系統(tǒng)(可推廣至戶外用電設(shè)備)，并加末端防護(hù)，即單燈加裝漏電保護(hù)脫扣裝置。