06-01-16路灯配电系统若干问题的探讨

1、1路灯配电系统若干问题的探讨李良胜（深圳市市政工程设计院 518035 ）摘 要 探讨路灯配电系统中的单相接地保护灵敏度校验、保护设臵、接地型式选择等。关键词 路灯灵敏度接地故障 L-N 短路 接地型式 RCD （漏电保护器）1（11） 类设备1 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 1000m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进一步蓬勃开展，对于路灯照明的深入研究

2、已迫在眉睫。路灯配电系统的以下几个问题尤其值得关注：单相短路；灵敏度校验；保护设臵；接地型式等。2 工程实例某城市道路照明由一台 SG-10/0.4kV， 100kVA，D,Yn-11 （ U=4.5%）箱变供电。箱变 内带 3m长 LMY-4（ 40X4）低压母线。箱变远离10kV 系统内发电机组，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），纵向布臵间距为 30m （该回路共有990/30=33 套灯具），灯杆高为 10m 灯具为 220V、250W 高压钠灯（自带电容补偿，co

3、s $=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-3X2.5mnt 路灯干线为三相配电，线路为VV-4X25+1X16mm，穿 PVC70 管 （用于分散接地的 TT 系统时，线路则为 VV-4X25 mm2，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”，例如图 1 中的 f1、f2）和相-中短路（以下简称“ L-N 短路”，例如图 1 中的 f3）。本节中的 3.1 及 3.2 小节，将以路灯的 TN-S 系

4、统为例，先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-保回路进行计算。当线路最末端发生单相接地故障（即图1 中）时，该相-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：2Id=220/ V(Rep2+ Xep2)式中，Re p-回路各兀件相保电阻之和，即Rep= Rep.s+ Rep.t+Rep.m+ Rep.i+ Rep.x; Xep回路各元件相保电抗之和，即Xep= Xep.s+ Xep.t+Xep.m+ Xep.i+Xep.x。其中的 Rep.s、Rep.t、Re p.m、Rep.i、ReP.X，

5、分别为前述的高压系统、变压器、低压母线、低压电缆、灯具引接线之 相保电阻(Xep 含义类此，不重述)。依照参考文献的表 4-28表 4-34，就本工程实例而言：高压系统R,p.s=0.05mQ,Xep.s=0.53mQ。变压器Re p.t=(33.68X3)/3=33.68mQ,Xep.t=(63.64X3)/3=63.64mQ。低 压母线 Rep.m=0.372mQ, Xep.m=0.451mQ。低压电缆 Rem=2.699X990=2672.01mQ, XeP.I=0.192X990=190.08mQ。灯具引接线Rep.x=20.64X10=206.4mQ,相保电抗 Xep.x=0.29X

6、10=2.9mQ。因此，回路总相保电阻 Rep= 0.05+33.68+0.372+2672.01+206.4=2912.5(mQ)，总相保电抗 Xep=0.53+63.64+0.451+190.08+2.9=257.6 (mQ)。于是，Id=220V/V(2912.5 +257.6 ) mQ=220V/2923.9mQ=0.075kA=75A，此即本工程实例中，线 路尽头灯具处的单相接地故障电流值。3.2 不同电缆截面时的单相接地故障电流为便于比较，把上述工程实例中的电缆，分别换用VV-5X25、VV-4X35+1X16、VV-5X35 等不同截面的电缆，可求得不同情况下的单相接地故障电流(

7、增减百分比均以原VV-4X25+1X16 为比较基准)，见表 1。表 1不同电缆截面时的灯具处单相接地故障电流电缆截 面VV-5X16VV-4X25+1X16VV-5X25VV-4X35+1X16VV-5X35回路相 保阻抗(Q)3.512.922.342.631.74接地故 障电流(A)63759484126故障电流增减-16.0%0%25.3%12.2%68.0%从计算过程及表 1 看出：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),这样就不利于线路前端的短路保护电器(即图 1 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

8、。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 L-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 勺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

9、择，除要按箱变内母线出口处三相短路电流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（即图1 中的“灯具开关” ）做好级间配合，不越级3跳闸。因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。而为了使路灯低压断路器可靠切断故障电路， 必须校验断路器脱扣器动作的灵敏度Klm，即：Klm= If/Ir2式中：KmA1.3 ；If路灯线路末端最小短路电流，对于 TN 系统为相保短路（即单相接地故障） 或 L-N 短路

10、电流，对于 TT 系统为 L-N 短路电流；Ir2断路器短路过电流脱扣器的整定电流值。前面已述及，路灯回路线路长、 阻抗大， 从而单相短路很小； 若断路器短路过电流脱扣 器的整定值设计较大，则该短路电流可能不足以推动断路器可靠动作。4.2 TN-S 系统配电线路干线开关的选取4.2.1过载长延时保护照明用低压断路器的长延时过电流脱扣器的整定电流为：Ir1AKr1?Ic式中：Kri长延时过电流脱扣器的可靠系数，取1.1 ；Ic照明回路的计算电流。就工程实例而言（33 套灯具），回路计算电流lc=33X0.25X（1 + 10%） /（V3X0.38X0.85 ） =15.92A，故 1“A1.1

11、X15.92A=17.51A，初取 Ir1=20A=4.2.2短路保护照明用低压断路器的短路过电流脱扣器的整定电流为：Ir2A?|c。式中，lc照明回路的计算电流；&2 短路过电流脱扣器的可靠系数。经过充分足够次数的实践检验，在路灯回路中，为了可靠避让灯具启动之影响，Kr2可由路灯（基本为 HID 灯）的启动倍数（指启动电流与工作电流之比） ，再乘以一个裕量系数 1.3 来得到。而根据相关资料， HID 灯具 的启动倍数一般介于 1.31.9 之间，因此取 Kr2=1.9X1.3=2.47 。另一方面， Ir2也经常以长 延时整定电流 Ir1与整定倍数（特指断路器短路过电流脱扣器的整定

12、电流与长延时整定电流 之比）K 的乘积形式来表达，即lr2= K?lr1，于是有 lr2= K?lr1A2.47Ic,由此可得整定倍数 KA2.47 （Ic/ Ir1）。另一方面，为了保证短路灵敏性，由式可得到：IfA1.3Ir2=1.3（K?Ir1），故 KWIf/（1.3Ir1）= 0.77（ If/ Ir1）。至此，即得到 K 取值范围的完整计算公式：2.47（Ic/ Ir1）WKW0.77（If/ Ir1）式表明，降低回路运行电流或增大回路短路电流，对于拓宽 K 的取值范围都十分有利。此外，断路器短路过电流脱扣器的整定倍数K 一定要合理取值，其大小应有所限制：K 若整定太小，则无法避开

13、灯具启动电流，可能导致开关误动；K 若整定太大，又无法满足短路灵敏度要求,可能导致开关拒动。就本工程实例而言, 当路灯配电干线最末端发生接地故障 （即图 1 中的 f2）时, 灯具引 接线（BW线）的相保阻抗不再计入回路中。可以计算得知此时的接地故障电流lf=81A,代入到式中就得到，1.966WKW3.119。如此小的 K 值，已无法选用常见的A 类断路器；而B 类断路器（如 CM1）的 K 值的调节范围很大，故推荐选用。对于本例而言，干线开关可选 取 K=2.0 或2.5 或 3.0 （短延时倍数）的 CM1。若取中间值 2.5，贝UIr2=K?I “=2.5X20A=50A （短延时脱扣

14、器整定电流值） 。4为了从动作时间方面来满足上、下级间配合，此处利用了 B 类断路器的短延时脱扣器的短延时功能而非瞬时脱扣器的瞬动功能。另外，只要具体设计中保证路灯配电线路的N 线截面不小于 PE 线截面，L-N 短路电流就必然不小于接地故障电流。因此，就可利用上述的B 类断路器 CM1,来兼顾接地故障和L-N 短路两种保护。当然，当 L-N 短路忽略不计时，也可采用RCD 来作为路灯干线开关(RCD 勺选择可参照下述关于 TT 系统的阐述)。4.3 TT 系统配电线路干线开关的选取TT 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

15、同。4.3.2短路保护路灯配电采用 TT 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(GB13955-1992 ) , 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 Ino同时前者也不应小于回路的正常运行最大泄漏电流Ix的2 倍。因此：In 2?2Ix即：InA4Ix(5)路灯回路正常运行泄漏电流Ix主要由三部分组成：各灯具正常泄漏电流Ix1、各灯具引接线正常泄漏电流 1x2和干线正常泄漏电流 1x3oa.对于 Ixi,根据电光源的安全要求(GB7248-87 )规定，“ B15d、B22d、E27、E40和 G13 型灯头的绝缘电阻，

16、在正常气候下不应低于50MQ，在潮湿气候下不应低于2MQ”。由此推算 HID 灯(220V)的正常泄漏电流，分别应是220V/ ( 502) MQ=0.00440.11mA。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1x1基本为 0。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 50mA/km 若为三相配电回路，可认为其矢量和Ix2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 Ix3=(

17、990m/1000m)x21.66mA=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 Ix= Ix1+ Ix2+ Ix3 21.44(mA)o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 InA4Ix=4X21.44mA=85.76mAo根据 RCD 勺 制作规格(优选值)，In取值为 100mA 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 0.2s。上述 RCD 勺漏电保护功能，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，

18、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， 故灯具处无须设臵过载保护； 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臵短路保护。该短路保护电器的选 择，应保证在灯具正常5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-S 系统的灯具短路保护本工程实例中，每灯的工作电流为lc=250WX(1+10% /0.85X220V=1.45A。根据前述 的 4.2.2小节， 为可靠躲开灯具启动电流， 当

19、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 （GB50054-95 ）（以下简称为低规 ）， 其接地故障保护装臵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 410A 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 75A/4A=18.75，4.5，就是说，可选取 4A 熔断器（RL1）作为 250W 灯具（cos $ =0.85 ）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，

20、 短路时熔 体通常会迅速（甚至 0.01s 以内）熔断。这样，只要干线开关（B 类断路器）的短路短延时时间整定为 0.2s ，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 系统的灯具短路保护TT 系统一般通过预期接触电压来规定接地故障保护装臵的动作特性。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

21、 TT 系统的保护装臵仍按符合下式条件即可：R?laW50V式中：FA外露可导电部分的接地电阻和PE 线电阻之和（Q）;Ia保证保护装臵切断故障回路的动作电流（A）。根据现有路灯规范，当忽略接触电阻和 PE 线电阻时，FA要小于 10Q。于是，保护 电器的动作电流 laW50V/10Q,即 IaW5A。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 灯具保护的熔断器之熔体电流值，此时只能介于45A 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 4Q,则动

22、作电流 la取值范 围有所扩宽，最大可达 50V/4Q=12.5A。这对于常规的 150400W 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L-N 短路保护。若要维持规范里的 10Q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ln=6A、I s=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 乍保护，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 乍为末端保护。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

23、则应尽量予以满足。当 TT 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6设备均需保护接地，接地电阻应小于 10Q。”该规范条文较为笼统，既未阐明

24、具体如 何做保护接地，也未区分 TN 系统和 TT 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10Q）,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，灯杆处是否要设臵保护接地体（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臵一组接地装臵。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。

25、总而言之，在 TN-S 系统里，尽管在灯杆处设臵 PE 线接地装臵的做法较为普遍，但其设臵的理论依据并不充分。6.2 TT 系统的保护接地TT 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臵外露可导电部分的 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 装臵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 4412 条规定：“ TT 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

26、 TT 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，都可以通由贯通的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（ In=30mA 之后（参见图 1 中的 fi）, 则要求RA50V/0.03A=1666Q即可；若接地故障发生在灯

27、具开关 RCD（ In=30mA 之前、干 线开关 RC（ In=300mA 之后的外露可导电部分 （参见图 1 中的 f2点），则 FAW50V/0.3A=166Q。综合二者结果，接地电阻限值应取后者（即小于166Q）。由此可见，共用接地体的 TT 系统中，若同一回路的上下级均采用了RCD 乍为接地故障保护，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臵接地体。 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4Q以下）。但各路灯共用了接地极的 TT 系统，需要单设 PE 线，且一处路灯发生接地故障，则故障电压就会经过贯通的 PE 线蔓延至临近路灯上

28、，这就丧失了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，同一接地保护装臵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7TT 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

29、关资料（例 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体间，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，单独设臵工作接地体；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TT 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，则 PEN 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）