佘 奇, 楊 華, 梁 宏, 湯 燕

(中國建筑西南設(shè)計研究院有限公司, 四川 成都 610041)

0 引 言

城市發(fā)展過程中,路燈為市民日常生活提供必要的照明,同時作為展現(xiàn)城市形象的標志之一,在使用過程中的安全性、可靠性、穩(wěn)定性對整個城市來說至關(guān)重要。路燈常年處于戶外裸露的環(huán)境中,與行人等會有各種各樣不確定的接觸可能性,一旦路燈故障帶電,會存在較高的安全危險性,所以路燈配電設(shè)計的合理性顯得尤為重要。但實際設(shè)計過程中發(fā)現(xiàn)對于路燈的配電方式有各種各樣的做法,有些做法甚至不合理,存在較大的安全隱患。本文通過列舉實際工程中路燈配電的不同做法,結(jié)合規(guī)范中的要求,通過實例計算,為設(shè)計人員提供參考。

1 常見工程做法介紹

城市道路照明的特點:路燈供電距離遠,負荷小而分散,難以實施等電位聯(lián)結(jié)及外露可導電部分易接觸等。實際項目中設(shè)計路燈配電系統(tǒng)時做法多樣,本文列舉項目中路燈配電系統(tǒng)中典型做法[1-6]。

項目一:某城市道路供電回路長800 m,沿線均布24盞路燈,總功率13.2 kW,線路電纜為YJV-0.6/1 kV-1(4×35 mm2)。低壓配電系統(tǒng)采用TT系統(tǒng),沿供電線路通長敷設(shè)一條φ=12 mm熱鍍鋅圓鋼作為水平接地體,在干線處設(shè)置剩余電流動作值為500 mA的剩余電流保護裝置和In=25 A的小型斷路器作為照明回路的保護。

項目二:某道路為城市主干道,設(shè)計長度1 749 m,寬度40 m,雙向6車道,應用智能控制箱控制98個250 W和60 W(人行道)的LED燈,相鄰3盞路燈分別由A、B、C三相供電,將80 kVA 箱變設(shè)置于距道路起點875 m處,單相回路平均所帶燈具數(shù)量為8個,供電電纜采用YJV-0.6/1 kV-1(4×25 mm2)。低壓配電系統(tǒng)采用TT系統(tǒng),沿道路配電管線敷設(shè)一根鍍鋅接地扁鋼作為接地極,接地極經(jīng)扁鋼或圓鋼與每盞路燈外殼、燈桿和燈桿法蘭盤的埋地金屬螺栓進行等電位聯(lián)結(jié)。在箱變出線的相線和中性線間設(shè)置剩余電流保護器,整定電流為500 mA,整定時間4 s,延時動作;每盞路燈處設(shè)置剩余電流保護裝置,剩余電流動作值為30 mA,整定時間0.2 s。

項目三:以某城市道路為例,設(shè)定以下條件:該道路其中1臺供電箱變型號為S9-10/0.4 kV/100 kVA、Dyn11、Uk=4%、ΔP=1.5 kW。箱變內(nèi)低壓母線為TMY-4(40 mm×4 mm),長度為3 m。設(shè)定高壓側(cè)系統(tǒng)短路容量Ss″=200 MVA。以該箱變?yōu)槠瘘c,其中一個回路的供電線路長度為945 m,線路電纜為YJV-0.6/1 kV-1(4×25 mm2)。沿道路呈線性分布,路燈縱向布置間距為35 m,沿線共有高12 m的路燈27桿。每根燈桿配置220 V/400 W高光效高壓鈉燈光源,燈具采用歐標節(jié)能型電感鎮(zhèn)流器,鎮(zhèn)流器損耗為光源額定功率的15%。燈具自帶補償電容,補償后燈具功率因數(shù) cosφ=0.85。路燈干線為三相供電,路燈按三相相序依次配電。低壓接地系統(tǒng)采用局部 TT 接地制式(每根燈桿打獨立接地極)。該線路采用塑殼斷路器MCCB配置電子脫扣器及剩余電流動作值為300 mA的剩余電流保護裝置作為線路的過載、短路及接地故障保護。

項目四:某城市道路照明供電電源為成套箱變,其中變壓器型號為Dyn11/SCB11-200/10/0.4 kV(Uk=4%)一臺,10 kV系統(tǒng)短路容量為100 MVA,低壓配電系統(tǒng)采用TN-S系統(tǒng),路燈回路長度為900 m,路燈間距為30 m,沿道路均勻布燈。燈具采用150 W LED燈,回路終期總功率為6 kW,補償后功率因數(shù)為0.9,供電線路電纜為YJV-0.6/1 kV-1(5×35 mm2)。該線路采用帶剩余電流動作保護的接地故障保護斷路器,在每個燈具處設(shè)置剩余電流保護裝置,剩余電流動作值選擇30 mA,動作時間t選擇0.1 s;干線處剩余電流動作值選擇300 mA,t選擇0.2 s。

項目五:某城市道路長1 560 m、寬40 m,路燈采用雙側(cè)對稱布置方式,沿線每隔35 m布置一盞250/100 W雙頭LED路燈、共設(shè)置92盞;設(shè)置1臺S11-10/0.4 kV,50 kVA,Dyn11(Uk=4.5%)路燈箱變供電、1臺路燈控制箱,提供照明配電回路;照明配電電纜均采用YJV-0.6/1 kV-1(5×25 mm2),最長配電回路電纜長812 m,也是最大負荷回路(共28盞),每盞路燈分別輪流接自路燈配電電纜 A、B、C三相。低壓配電系統(tǒng)采用TN-S系統(tǒng),搭配RCD作為道路照明接地故障保護。

項目六:某城市主干道,長1 270 m,道路紅線寬40 m,機動車道為雙向4車道,寬15 m,兩側(cè)各綠化帶2.5 m、輔道寬6.0 m、人行道寬4 m。項目采用182 W+98 W的雙臂LED路燈,設(shè)置1臺S11-10/0.4 kV,160 kVA,Dyn11(Uk=4.5%)路燈箱變供電,采用VV-0.6/1 kV-1(4×35+1×16 mm2)電纜,引上至頂部燈具的分支線采用BV-2.5 mm2的絕緣導線。該工程采用TN-S接地系統(tǒng),電纜中的1×16 mm2作為PE線,每個路燈基礎(chǔ)下設(shè)置獨立接地,利用金屬燈桿的基礎(chǔ)鋼筋和接地角鋼做接地體,要求接地電阻不大于4 Ω。

綜合上述實際項目中道路照明系統(tǒng)的配電形式,目前常見的做法如下:當采用TT系統(tǒng)時,照明配電回路采用四芯電纜并通長敷設(shè)熱鍍鋅圓鋼或熱鍍鋅扁鋼;當采用TN-S系統(tǒng)時,照明出線回路采用五芯電纜;無論采用哪種系統(tǒng),每盞燈桿均需要單獨做接地,且每盞燈桿自帶30 mA剩余電流動作保護器。

2 道路照明設(shè)計依據(jù)

實際應用中由于城市道路照明供電距離遠、負荷小而分散,配電線路一般較長,導線截面小,線路末端發(fā)生接地故障時,其接地故障電流較小,過電流保護電器通常不能滿足自動切斷電源的時間要求。因此,在道路照明設(shè)計過程中有如下方面值得關(guān)注。

2.1 電壓降

CJJ 45—2015《城市道路照明設(shè)計標準》[7]規(guī)定:正常運行情況下,照明燈具端電壓應維持在額定電壓的90%～105%。因此,配電線路的末端電壓應控制在一定范圍內(nèi),保證路燈正常運行。

按照文獻[8]提供的計算方法,三相平衡負荷線路的電壓降計算方法:

Δu%=Δua%IL

(1)

式中:Δu%——線路電壓損失百分數(shù);

Δua%——三相線路每1 A·km的電壓損失百分數(shù);

I——負荷計算電流;

L——線路長度。

按照式(1)提供的計算方法,1 kV聚氯乙烯絕緣電力電纜用于三相380 V系統(tǒng)的電壓降如表1所示。

表1 1 kV聚氯乙烯絕緣電力電纜用于三相380 V系統(tǒng)的電壓降

分析表1,在相同功率因數(shù)下,電纜截面越大,電壓損失越小;在同一電纜截面下,功率因數(shù)越高,電壓損失越大。當線纜壓降不能滿足要求,進一步加大電纜截面為有效方法。

2.2 保護開關(guān)整定

道路照明配電回路保護開關(guān)的選擇需要滿足選擇性、可靠性及靈敏性的相關(guān)要求。

(1) 道路照明配電設(shè)計應符合GB 50054—2011《低壓配電設(shè)計規(guī)范》[9]的相關(guān)規(guī)定。

① TN-S系統(tǒng)中配電線路的間接接觸防護電器的動作特性,應符合要求:

ZSIa≤Uo

(2)

式中:ZS——接地故障回路的阻抗;

Ia——保證間接接觸保護電器在規(guī)定時間內(nèi)切斷故障回路的動作電流;

Uo——相電壓,即相線和地之間的標稱電壓。

TN-S系統(tǒng)通常采用斷路器作為保護電器。當發(fā)生接地故障,要求配電線路的間接接觸防護電器切斷故障回路的時間不宜大于5 s。

② TT系統(tǒng)的故障回路阻抗包括變壓器相線和接地故障點阻抗以及外露導電體接地電阻和變壓器中性點接地電阻。故障回路阻抗大,故障電流小,且按照IEC技術(shù)文件的解釋,其故障阻抗包括難以估計的接觸電阻。因此,TT系統(tǒng)的故障回路阻抗和故障電流是難以估算的,不能用TN系統(tǒng)的式(2)來驗算保護的有效性,而需用式(3)來驗算保護的有效性。TT系統(tǒng)配電線路間接接觸防護電器的動作特性,應符合以下要求:

RAIa≤50 V

(3)

式中:RA——外露可導電部分的接地電阻和保護導體電阻之和;

Ia——保證間接接觸保護電器在規(guī)定時間內(nèi)切斷故障回路的動作電流。

TT系統(tǒng)中,間接接觸防護的保護電器切斷故障回路的動作電流:當采用熔斷器時,應為保證熔斷器在5 s內(nèi)切斷故障回路的電流;當采用斷路器時,應為保證斷路器瞬時切斷故障回路的電流;當采用剩余電流保護器時,應為額定剩余動作電流。

③ 當短路保護電器為斷路器時,被保護線路末端的短路電流不應小于斷路器瞬時或短延時過電流脫扣器整定電流的1.3倍。即對于斷路器接地故障電流Id應滿足被保護線路末端的短路電流不應小于斷路器瞬時或短延時過電流脫扣器整定電流的1.3倍:

Id≥1.3Iset3

(4)

式中:Iset3——斷路器瞬時過電流脫扣器整定電流。

(2) 單相接地故障電流計算按照文獻[7]提供的計算方法:

(5)

Rphp=Rphp.S+Rphp.T+Rphp.M+Rphp.L

Xphp=Xphp.S+Xphp.T+Xphp.M+Xphp.L

式中:Zphp——回路中各元件相保阻抗;

Rphp、Xphp——回路中各元件相保電阻、電抗之和;

Rphp.S、Xphp.S——高壓側(cè)系統(tǒng)的相保電阻、電抗;

Rphp.T、Xphp.T——變壓器的相保電阻、電抗;

Rphp.M、Xphp.M——配電母線的相保電阻、電抗;

Rphp.L、Xphp.L——配電線路的相保電阻、電抗。

為保證防護電器能及時自動切斷電源的要求,接地故障電流Id應大于在規(guī)定時間內(nèi)切斷電源的可靠動作電流Ia,即Id≥Ia,同時需要滿足式(4)要求。

2.3 保護設(shè)置與接地形式

(1) 保護裝置設(shè)置需滿足CJJ 45—2015《城市道路照明設(shè)計標準》的要求:道路照明配電系統(tǒng)應具備短路保護和過負荷保護,各單相回路應單獨進行控制和保護,每個燈具應設(shè)有單獨保護裝置。

(2) 系統(tǒng)接地形式按照SJG 22—2011《深圳市LED道路照明工程技術(shù)規(guī)范》[10]的要求:本地區(qū)路燈配電系統(tǒng)接地形式宜選用TN-S系統(tǒng),滿足一定條件時,可采用TT系統(tǒng)。

① 采用TN-S系統(tǒng)時,整個系統(tǒng)的中性線(N)應與保護線(PE)分開,在始端PE線與變壓器中性點(N)連接,PE線與每根路燈鋼桿接地螺栓可靠連接,在線路分支、末端及中間適當位置處做重復接地形成聯(lián)網(wǎng)。每盞燈的相線應裝設(shè)熔斷器,熔斷器應固定牢靠,熔斷器及其他電器電源進線應上進下出或左進右出,燈頭處單相短路(或接地故障)電流不應小于該熔斷器熔體電流的4.5倍。路燈配電線路接地故障保護電器宜具有剩余電流動作保護功能,其整定值不宜小于300 mA。配電線路過電流保護電器采用斷路器時,應具有過負荷長延時保護特性和較低的短路過電流脫扣器整定電流倍數(shù);箱式變電站內(nèi)變壓器工作接地和保護接地應共用接地裝置。

② 采用TT系統(tǒng)時,燈具線路分支處保護電器應當采用剩余電流動作保護電器,并應當具有短路保護功能。該保護電器須考慮可靠防盜措施;接地故障保護電器的動作電流,與相應保護接地極的接地電阻的乘積,不得大于50 V,即需要滿足式(3)要求;電氣裝置外露可導電部分應當可靠保護接地,其保護接地極與變壓器中性點接地極應當無電氣聯(lián)系。

(3) 結(jié)合深圳市轄區(qū)內(nèi)一直以來均采用TN-S系統(tǒng),具有一定的實踐基礎(chǔ);TT系統(tǒng)在設(shè)計標準配套、場地條件要求和運營管理等方面,均存在一定制約因素,僅在這些瓶頸得以解決后方可采用TT系統(tǒng);TN-C系統(tǒng)在正常運行時,其PEN線作為外露可觸及導體,本身就有不平衡電流通過,這存在一定安全隱患,故規(guī)范并未采用;TN-C-S系統(tǒng)在未設(shè)專用路燈箱式變電站時可采用。

2.4 接地裝置

電纜截面與人工接地體需滿足CJJ 89—2012《城市道路照明工程施工及驗收規(guī)程》[11]中相關(guān)要求。

(1) 保護接地線必須有足夠的機械強度,應滿足不平衡電流及諧波電流的要求,并應符合下列規(guī)定:保護接地線和相線的材質(zhì)應相同,當相線截面在35 mm2及以下時,保護接地線的最小截面不應小于相線的截面;當相線截面在35 mm2以上時,保護接地線的最小截面不得小于相線截面的50%;采用扁鋼時不應小于4 mm×30 mm,圓鋼直徑不應小于10 mm。

(2) 每套燈桿除自帶30 mA剩余電流動作保護開關(guān)外,還需設(shè)置人工接地裝置,且接地電阻不大于4 Ω;人工接地裝置應符合下列規(guī)定:垂直接地體所用的鋼管,其內(nèi)徑不應小于40 mm、壁厚3.5 mm;角鋼應采用L50 mm×50 mm×5 mm以上,圓鋼直徑不應小于20 mm,每根長度不小于2.5 m,極間距離不宜小于其長度的2倍,接地體頂端距地面不應小于0.6 m。

當采用一體化燈桿時,參考GB 50343—2012《建筑物電子信息系統(tǒng)防雷設(shè)計規(guī)范》中要求:電子信息系統(tǒng)設(shè)備由TN交流配電系統(tǒng)供電時,從建筑物內(nèi)總配電柜(箱)開始引出的配電線路必須采用TN-S系統(tǒng)的接地形式。

3 工程應用分析

某項目為一條長約520 m圍墻邊的道路照明,一共設(shè)置12套一體化燈桿貼圍墻邊上安裝,每套燈桿設(shè)置2盞100 W燈具,每套燈桿均設(shè)置有監(jiān)控攝像機,沿圍墻通長設(shè)置有燈帶(24 V),要求燈帶與路燈同時開關(guān)。

設(shè)計采用TN-S系統(tǒng),照明回路(含燈帶)選取YJV-0.6/1 kV-1(5×25 mm2)電纜,開關(guān)長延時整定為40 A且?guī)?00 mA剩余電流保護;監(jiān)控采用單獨回路,采用YJV-0.6/1 kV-1(3×10 mm2)電纜,開關(guān)長延時整定為10 A且?guī)?00 mA剩余電流保護,一體化燈桿上監(jiān)控自備蓄電池電源。每套燈桿照明均設(shè)置30 mA剩余電流保護開關(guān),每套燈桿均設(shè)置獨立接地裝置,接地做法參見08D800-4 第65頁和第71頁,要求接地電阻不大于4 Ω。

4 結(jié) 語

通過對比分析國內(nèi)道路照明目前采用的接地形式,并按照當前規(guī)范要求,緊密結(jié)合工程實際應用,本文得出以下結(jié)論:采用TN-S或TT系統(tǒng)均應滿足規(guī)范對電壓降、靈敏度、線纜截面積及接地電阻等相關(guān)要求;當采用一體化燈桿時,建議采用TN-S系統(tǒng)。