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「路灯电流大小」 户外照明路灯的接地形式该如何选择?路灯是否需要设漏电保护?

恒瑞平台讯:

户外道路照明为夜间交通正常运行提供了重要保障,同时也是社会经济、文化和居民生活水平提高的需求,有时户外道路照明在夜间变成了一道靓丽的风景线。户外道路照明的目的是在夜间给机动车辆及行人提供必要的亮度,同时提供的照明质量符合行驶要求。保证实现这些功能的前提是安全用电,安全用电和很多因素有关,比如设计、施工、维护等。

我们在设计中经常会遇到路灯低压配电线路如何进行接地故障保护的问题。国家相关规范对户外照明灯具的接地保护没有明确的要求,对路灯的低压配电系统设计及其接地保护上有很多做法。树上鸟教育电气设计师在线教学网络课程!路灯低压配电系统具有配电半径长( 一般要几百米,甚至上千米) 、用电负荷分散、行人触及的可能性大等特点。这种低压配电系统发生三相或二相短路故障时,一般用熔断器或断路器即可自动切断电源。接地故障线路较长,故障电流较小,常规的保护装置无法很快地切断故障线路,而路灯由于其安装特点,人容易接触,发生电击的危险很大。

一、路灯低压配电的接地形式路

灯低压配电的接地形式有两种: TN 系统和TT 系统。分析路灯低压配电线路的接地故障,首先要看接地形式。

( 1) TN 接地系统。接地故障保护的目的主要是防止人身间接触电。TN 系统接地故障保护动作特性应符合要求:

式中:

Zs———接地故障回路阻抗( 相-保回路阻抗) ,Ω;

Ia———保证保护电器在规定的时间内自动切断故障回路的动作电流,A;

U0———相线对地标称电压,V。

可以看出,TN 系统对保护动作特性要求的实质是接地故障电流大于或等于保护电器在相应规定时间内切除故障的动作电流,这样保护电器才能有效、可靠地切断故障电流。

TT 接地系统。TT 系统接地故障保护动作特性应符合要求:

式中:

RA———外露可导电部分的接地电阻和PE线电阻,Ω;

Ia———保证保护电器在规定的时间内自动切断故障回路的动作电流,A。

当采用剩余电流动作保护器( Residual CurrentOperated Protective Device,RCD) 时,Ia为RCD 的额定动作电流IΔn。

保护动作的条件是当外露导电体对地电压达到或超过50V 时保护电器应在规定的时间内动作,这时故障电流Id应大于保护电器的动作电流Ia,即Id = ( 50 /RA) ≥Ia。

二、TT系统如何设置配电线路保护

路灯和与其类似的户外照明装置在发生接地故障时,无论是哪一种配电方式和接地系统,外露金属构件上预期的接触电压Uc都远大于安全值50V,因此正确地设置接地故障保护,对户外照明装置安全运行非常重要。

户外道路照明采用TT系统,系统接地与保护接地是相互独立、互不关联的,防止TN系统中沿着PEN线或者PE线传导危险故障电压的发生,这对于户外道路照明没有等电位联接情况下,TT系统比TN系统更加安全。

对于配电线路较长导致末端接地故障电流较小的问题,在TT系统中可以采用剩余电流动作保护器(RCD)来解决,一般剩余电流动作器的整定值都不大于1A,即使在长的线路也能满足要求。有人提出说采用RCD可能会造成误动作,发生这种情况恰恰是因为没有合理选择RCD的整定值的原因。

RCD的整定值应该不小于2.5~3倍正常情况下线路泄露电流,根据照明配电线路的长短,一般RCD的整定值可以取值为100mA到500mA之间。同时,为了避免一些瞬时性故障导致RCD切断电源,影响道路照明,应该设置一定的延迟时间。

三、路灯接地系统接地故障最长切断时间要求及其作用

TN 和TT 系统有一共同点,即保护动作的基本条件就是故障电流必须大于或等于保护电器的动作电流。另外,根据IEC 60364-4-41: 2005,作为接地保护的断路器最长切断电源时间如表1所示,其中U0为交流或直流电对地的标称电压。

当TT 系统采用过电流保护电器切断电源,且其保护等电位联结连接到电气装置内的所有外界可导电部分时,该TT 系统可以采用表1 中TN 系统最长的切断电源时间。

不管是TN 还是TT 接地系统,作为接地故障保护的断路器最长切断电源时间都要满足表1的要求。IEC 60364-4-41: 2005[4]同时还要求当采用RCD 作为接地故障保护时,要满足表1 中最长切断电源时间的要求,即故障电流要大于5 倍的RCD 额定剩余动作电流。

因此,在接地保护开关和导线规格、长度的选择时,需要满足表1和RCD 对故障电流的要求。

四、以往路灯接地系统多采用TN系统的原因

TN、TT 系统的接地故障电流取决于故障回路电阻的大小,而接地故障电压则是故障电流在相应电阻上的压降,即TN 系统是故障电流在保护线电阻上的压降,而TT 系统是故障电流在保护线电阻及负荷侧接地极电阻上的压降。

很明显,如果暂不考虑故障点电阻,TN 系统的故障回路电阻小,故障电流大,优势在于线路首端的过电流保护器能够在规定的时间内切断故障电流,从而可以利用其兼做接地故障保护,而且当本级过电流保护因某种原因拒动,线路上一级过电流保护也能够动作,起到故障后备保护的作用; TT系统的故障回路电阻大,严重地遏止故障电流的大小,这时故障电流通常很小,而不能使线路首端的过电流保护动作,当然更无后备保护。

因此,TN 系统设计简化,不用专门设置接地故障保护,而TT 系统往往要增加剩余电流断路器作接地故障保护。而且TN 系统接地形式在民用建筑的单体设计中应用也比较多,因此很多人在做路灯照明设计时采用TN 系统,这是不对的。

五、户外路灯采用TN接地系统存在的问题分析

我国户外道路照明接地型式最早采用TN-C系统,这种接地型式已经被国家规范明令禁止用在户外道路照明中。TN-C系统中N线和PE线合并为一条PEN线,TN-C系统对于道路照明会存在一些不安全因素。对于道路照明采用三相四线制进行配电时,或多或少存在一定程度的三相不平衡,使得PEN线中有电流通过。同时,气体放电类光源会使线路中存在3次及3奇数倍的谐波,由于谐波的存在会使PEN线中电流增加。这种两种情况都会使PEN线中电流变大。

对于TN-C系统的PEN线要和灯具金属外壳、灯杆金属外露可导电部分相连接,这样就造成了在正常运行下这些外露可导电部分对地带电位,更不要说故障情况下。如果对地带的电位大于人体安全电压就可能对行人造成电击事故。

后来大家逐渐认识到道路照明接地型式采用TN-C系统存在的不安全因素太多,所以用TN-S系统取代了TN-C系统。TN-S系统相比TN-C系统是把N线和PE线分开,这样将近似零电位的PE线与灯具金属外壳、灯杆金属外露可导电部分相连接,正常情况下不会存在电击危险。但是,当发生某些故障的情况下,TN-S系统仍然无法做到安全用电。

(1)在TN-S系统配电回路中如果某干线(相线)发生接地故障,由于大地故障阻抗较大造成故障电流较小,不足以使电源处保护装置动作,使得故障长期存在。

此时在系统的接地电阻上会产生故障电压,该故障电压会沿着PE线传导到道路照明外露可导电部分上,该故障电压超过人体安全电压时,可能会发生电击事故。

对于10kV变电所中高压设备保护接地与低压系统接地共用一个接地系统时,高压侧发生故障时,也可能会导致发生类似事故。户外道路照明产生上述问题原因在于没有等电位联结。

(2)道路照明的配电线路一般较长,在线路末端发生接地故障时,其接地故障电流较小。在TN-S系统中配电线路首端采用断路器或者熔断器兼做接地故障保护时,很难在规范规定5s时间内切断故障电路。

通过上述分析可知,道路照明应该严禁采用TN-C系统,选择TN-S系统也不是合理选择。同时在配电线路较短情况下选择TN-S系统也不是最佳选择。

六、户外路灯采用TT接地系统存在的问题分析

(1)TT接地系统中均采用接地保护,即将金属灯柱及座箱等接地,此时若发生接地故障,其接地电流为:

若ro=4Ω,rd=10Ω,由式(4)得Id=15.7A。

该故障电流通常还不足以使熔断器或断路器动作或迅速动作。如果采用断路器做接地故障保护,故障电流必须满足Idmin≥1.3Iset3。如果瞬时过电流脱扣器的整定值取长延时过电流脱扣器的5倍,断路器长延时脱扣器的整定值≤2.4A时才能满足要求,显然不合适。

灯柱座箱对地电压Ud=Urd/(ro+rd)=157V。该电压足以使触及的行人发生电击。因此,采用TT接地系统的路灯配电回路的电源侧须采用RCD。当户外照明装置发生接地故障时,PE线上流过故障电流,RCD内流过相线和N线的电流并不相同,而是相线、N线、PE线电流的矢量和。如果RCD内存在不平衡电流,脱扣器动作。

电源侧的RCD剩余电流一般取100mA或300mA。但户外的接地故障回路情况很难明确,雨/雪天气、干旱、接触电阻的不确定性等因素都在不断改变出现故障时故障回路的电流,使得不动作或误动作的情况时有发生。

最后,通过上述分析总结一下。户外灯具的接地形式现在还没有一个定论,户外灯具在各种环境下的正常泄漏电流也没有权威可信的数据可依据。

建议对于电话亭、候车亭、广告牌等类似的配套照明设备设30mARCD作为附加保护,户外每一路灯处设置RCD作为接地故障主保护,电源处根据一般原则选择TN、TT接地系统后,设置断路器或RCD作为接地故障的后备保护。

什么是TT、IT、TN系统?各个接地系统有什么区别?看完终于懂了!

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