T T系统配电的路灯保护接地问题探讨 李顺康(上海核工程研究设计院,上海市 200233) Discussion on Protective Grounding of Streetlight with Power Distributed by TT System LI Shunkang(Shanghai Nuclear Engineering Research&Design Institute,Shanghai 200233,China) Abstract: A1l streetlights on the distibution rtrunk circuit of TT system adopt a common grounding electrode,which is capable of protecting human body against electric shock in extreme failures such as first 究竟应该是采用共用的接地极还是采用各自的接地 极,在《建筑电气》互动论坛上争议不小,一直未达 成共识。 2013年第9期《建筑电气》刊登了王厚余先生 撰写的《TT系统接地和防电击简析》 (以下简称 《TT系统简析》)一文,对TT系统配电的室外路灯 采用各自的接地极(以下简称“分地”)进行故障分 析:某一路灯发生中性线N接地故障后.因其N线 对地电位很低,导致接地故障电流很小,剩余电流动 作保护装置(以下简称RCD)可能拒动。这时如果 其他路灯发生相线L接地故障时,因第一次N线接 grounding of neutral line and secondary grounding of phase line.However,a quantitative analysis shows that human body can also be protected against electric shock mentioned above if all streetlights on the distribution trunk circuit of T T system adopt respective grounding electrodes after certain technical measures are taken. Key words:TT System; RCD; automatic power off;streetlight grounding;common grounding electrode;respective grounding electrodes;metallic 地处的分流作用,导致第二次L线接地故障(以下简 称“二次故障”)时RCD动作灵敏度下降。也可能拒 动,存在人身电击危险。 《TT系统简析》通过定性分析得到的结论是: grounding;nonmetallic grounding 摘要:TT系统配电干线回路上的所有路灯采 “正确的做法应是在全路灯回路内共用接地,为此需 在路灯回路的全长范围内敷设PE线.以实现各类灯 杆的接地互相连通而共用接地。” 用共用的接地极,可防范第一次发生中性线接地、 第二次发生相线接地的这种极端故障情况下的人身 电击危害。但通过定量分析可知.采用一定的技术措 施后.TT系统配电干线回路上的所有路灯采用各自 但是.笔者认为TT系统配电的路灯回路采用共 用的接地极(以下简称“共地”),未必是唯一选择。 的接地极,也可防范上述故障情况下的人身电击 危害。 关键词:TT系统:剩余电流动作保护装置: 自动切断电源;路灯接地;共用的接地板;各自的接 1 规范不同的规定及疑问 GB 16895.21—2011/IEC 60364—4—41:2005 地极:金属性接地:非金属性接地 中图分类号:TU856 文献标识码:A 《低压电气装置第4—41部分:安全防护电击防 护》(以下简称《电击防护》)在“411.5 TT系统” 章节第411.5.1条规定: “由同一个保护电器保护的 0 引言 TT系统配电的室外路灯.其金属灯杆保护接地 所有外露可导电部分.都应通过保护导体连接至这些 外露可导电部分共用的接地极上。多个保护电器串联 使用时.每个保护电器所保护的所有外露可导电部 作者信息 李顺康,男,上海核工程研究设计院,高级工程师,建筑设计所副总工程师。 3 !! 皇堕墅塑堡塑堡 http://www.jzdq.net.cn 垦篓塑!圭 壅2 建藐电乞。 ______●_●●I— BUII/13ING Zr314年第1期l ELECTRlCITY 分,都要分别符合这一要求。” 而不被发现;第二次接地故障,发生在配电回路另一 路灯的L线与其金属外壳上,此时,流经此路灯接地 极RA 的接地故障电流,d有分流现象产生:,d2经尺A 、 N线返回电源,,d1经RB返回电源,分流导致RCD也 可能拒动。 若路灯工程设计仅要求RA≤ ,实际施工结 GB 50054—2011《低压配电设计规范》(以下 简称《低规》)第5.2.14条规定: “TT系统中,配 电线路内由同一间接接触防护电器保护的外露可导 电部分.应用保护导体连接至共用或各自的接地极 上。当有多级保护时,各级应有各自的或共同的接 地极。” 其条文说明为: “当TT系统配电线路内由同一 保护电器保护的几个外露导电部分之间相距较远时, 果RA也的确呈极端高阻值,一旦发生上述的“二次 故障”,RCD不能可靠动作,则人身电击危险的可能 性是存在的。在这种极端故障情况下若要确保人身安 全,应遵守IEC标准《电击防护》中的“共地”规 定,详见((TT系统简析》一文,本文从略。 每个外露导电部分的保护导体可连接至各自的接地 极上。 当有多级保护时,如果被保护的各级外露导电 部分在一个建筑物内,则应采用共同的接地极;如 果被保护的各级外露导电部分在不同的建筑物内。 或在屋外相距较远的地方.则各级应采用各自的接 地极。” 3 “二次故障”的定量分析 有人认为这种“二次故障”可不予考虑,否则今 后均需要在设计时考虑两个独立故障叠加的话.设计 人员将无法正常开展设计工作。实际上,发生第一次 N线接地故障并悄然潜伏,它可能不立即带来危害, 也难以及时发现.与设计可不考虑同时发生都会危及 《电击防护》规定应“共地”,是否有失偏颇? 《低规》虽改成应“共地”或“分地”但却无限制条 件.是否若有所失? 2 “二次故障”的定性分析 ((TT系统简析》一文对于TT系统配电室外路灯 的“分地”情况.特别提到一种以往我们忽略的接地 安全但却互不关联的两个独立故障,并不相同。目 前,我国有关规范、标准和相关技术手册中,虽然未 要求电气设计应考虑这种故障情况,但我们在TT系 统配电的路灯电气设计时若能加以特别关注并采取合 理的技术措施.将其导致的人身电击危害可能性降至 最小,还是极具现实意义的。 可问题在于.为防范“二次故障”这种极端事故 故障危害,如图1所示。 第一次接地故障,发生在配电回路某路灯的 N线与其金属外壳上,因N线对地电位很低,接地 故障电流很小,RCD可能拒动,此故障将长期潜伏 情况下的人身电击危害,遵守IEC标准《电击防护》 压 图1路灯采用“分地”时“二次故障”示意 Fig.1 Schematic diagram of‘‘secondary failure’’of streetligh’’t with“respective grounding electrodes” 4 -垫 l塑 : http://www.jzdq.net.cn 中应“共地”的规定,是唯一之选吗? 图2是最不利情况下路灯采用“分地”时发生金 属性接地故障时的等效电路图。 3.1 安全电压、故障电流分流和RCD拒动 ≥300mA(计算公式1)可得/d×— >300mA IRB+RAI (计算公式2),RA1≥2.25 n(满足计算公式2即满 足计算公式1)。 根据GB 13955—2005《剩余电流动作保护装置 安装和运行》中的规定,配电回路正常的泄漏电流, 应该是不大于0.5,△ 。,而,△ 。的优选值是0.5 , 路灯处于室外。风吹雨淋。环境特殊,其安全电 压应取不大于AC 25 V。为避免预期接触电压超过 AC 25 V时RCD拒动。应考虑“二次故障”时故障 电流 的分流影响。 因此RCD采用,△ =300 mA保护的路灯配电干线回 路,在日常的定期检测时发现泄漏电流超过75 mA, 可认为已发生接地故障,就应该立即安排电工对此故 障回路进行逐段检测和检查,及时排除事故隐患。路 灯配电回路发生N线接地故障虽不易发现。但泄漏 电流超过75 mA,还是非常容易发现的。 基于上述原因,配电回路正常的泄漏电流可按最 不利情况考虑取75 mA且为反向。 假定:终端变电所变压器系统接地电阻为最大 值4Q。其回路始端设置的RCD额定剩余动作电流 ,△ :300 mA,所有路灯采用各自的接地极,RA1、 A2 至RA ,每个接地极接地电阻均为不大于30 n。 按/d≤ 计算,/d≤833 mA,就能保证接 RA 触发生L线接地故障的路灯金属外壳不会有超过 AC 25V的危险电位。 而一旦/d>833 mA,应做到保证RCD能可靠动 作。由于发生第二次接地故障时RCD检测到的电流 为∑,=,d一,d2,即等于流经变压器系统接地电阻RB 的故障电流 】,为避免故障电流分流导致RCD拒 按∑,一0‘25,△n≥,△n经换算可得/ax ≥375 mA,RA1≥3.28 l。 经上述分析可知:只要 A1不小于3.28 n,即 能确保RCD可靠动作。 3.2金属性接地故障的分析 动,需满足∑,≥,An。根据,d× } 根据3.1节的分析可知,分流可能会造成RCD 拒动,但只要 B与|RAl两者间保持一定的大小关 可靠动作。 :若 B与 A1两者间的大小关 节的条件,是不是电击致人死伤 我们不妨求证一下:适当 降低室外路灯“分地”做法的 保护接地极电阻阻值后,人身 安全是否能够确保? 假定:终端变电所变压器 系统接地电阻取最大值4 n, 图2路灯采用“分地”时“二次故障”(金属性)等效电路图 Fig.2 Equivalent circuit of“secondary failure”(Metallic)of streetlight with“respective grounding electrodes” 室外路灯配电干线采用VV一4 ×25mm 且供电长度为1 000m 注:RB为变压器系统接地电阻,n; A1为路灯保护接地极的最小电阻(N线接地故障处, 取配电回路的首端一个路灯),n; 为路灯保护接地极的最大电阻(L线接地故障处,取配电 (一般情况下,室外路灯的供 电距离以1000in为限,否则电 回路的末端一个路灯),n;RL3为相线回路的电阻(s<120mm2,可忽略电抗影响),n;R№为 中性线回路的电阻(S<120mm2,可忽略电抗影响),n。 气设计将难以为继),其回路始 端设置的RCD额定剩余动作 5 11墨 皇 堕塑堡堂 回璧堡照 圭堡塞2 http://www.jzdq.net.cn 建筑电乞。 __——_—_-——-_—_—___ BUILDING I21314年第1期l ELECTRlCllry 电流厶 =300mA,所有路灯采用各自的接地极,接 地电阻均为不大于30Q,则: RB=4 12 身安全的故障电压,ReD切除故障的时间不会超过 0.3 s,对防范“二次故障”情况下的绝大多数电击 事故而言,应该不成问题。 上述分析,虽然能证明RCD在这种故障情况下 RA =30Q RL3=1.5 p L 能可靠动作,却还不能证明确保人身安全.其原因在 于:TT系统配电的路灯工程,因RA一般远大于RB, 故在相线发生接地故障的接触电压相对就会很高.有 :l_5×0.018× =1.08 n RNn<1.08Q R=RAl+尺N ,未知(R<31.08 21) 注:因TT系统发生接地故障的短路电流很小, 导线电阻可按20℃时的1.25倍取值。但考虑到留有 安全裕量,本文依旧按1.5倍取值;20℃时铜导体 的电阻率取为0.01812・mm。/m。 参照《低压配电电气设计安装手册》 的实际工 程简便估算公式,可得如下计算结果(下述案例分 析、计算均按不利条件考虑): 0.8 』 =一 ——0.8 X 220 0.8 X 220 >—— RE3+R +(— ) RL3+R +RB R-I-RB d>5.02 A 按,d× RB-I_ L-RA1 ≥375 mA计算,可得RA1… ≥0.30 n。 经过分析和计算.可得: a.,△ =300 mA,RB=4 12,RA1在0.30~3O Q 区间,RCD能可靠动作; b.,△ =300 mA,RB=2 Q,RAl在0.15~30 Q 区间,RCD能可靠动作: e.,△ =300 mA,RB=1 12,RAl在0.08~30 Q 区间,RCD能可靠动作; d.,An=300 mA,RB=0.5 Q,RA1在0.04~3O n 区间,RCD能可靠动作。 根据历年媒体报道的很多电击致人死亡案例.大 都是事故已经发生,但事发现场的故障危险电压却并 未消失。而只要满足上述假定条件.一旦出现危及人 6 !! : http://www.jzdq.net.en 些极端情况甚至会接近 ,其RCD切除故障的时间 存疑。 为此,我们假定预期接触电压为AC 220 V进行 故障分析:依据IEC 1200—413(1996—03)《电气 装置导则第413部分:间接接触防护 自动切断电 源》(Electrical installation guide—Part 413:Protection against indirect contact‘__——Automatic disconnection of supply)“预期接触电压的最大持续时间”,查得其对 应的最大持续时间为0.04 s.如图3所示(L——正 常场所;L0——特殊场所)。 l 10 l t i 宣 I 留 I 神 \ 1 、 { L 、 、 \ 、、 、 、 预期接触电压Uf/V 图3预期接触电压的最大持续时间 Fig.3 Maximum duration of expected contact vohage 根据RCD的产品制造标准,无延时型的RCD, 其5,△n时的最大分断时间为0.04 s。据此,我们将确 保RCD动作的计算公式∑,一75≥ ,改为确保人 身安全的计算公式∑,一75≥5,△ (最大分断时间为 0.04 S),再参照与3.2节相同的分析、计算方法。 可分别得出下列计算结果: a.,△ =300 mA,RB=4 Q,RA1在1.80~30 Q 区间,ReD能可靠动作,且确保安全; b.,△ =300 mA,RB=2 Q,RA1在0.86~30 n 过AC 25 V,就应在规定时间内切除这个故障。为便 于分析,依据3.1节的∑,一0.25 la ≥,△ 换算成 RA × 区间,RCD能可靠动作,且确保安全; c. ,A =300 mA,RB:1 Q,RA1在0.41~30 n (RB+RA1) ≥1.25,A ,将能保证人身安 区间,RCD能可靠动作,且确保安全; d.厶 :300 mA,RB=0.5 n,RA1在0.19~30 Q 全的 A1最小值罗列于表1。 为论证表1中的数据是安全有效的.按图4简述 区间,RCD能可靠动作,且确保安全。 可见只要满足上述条件,一旦发生t 二次故障”。 可以避免人身电击危害 3.3非金属性接地故障的分析 如下(以 =300mA为例,余类同)。 以RB=4 n、RA1:3.28 Q、RA =30 Q为例, 当RCD能测出厶 、2,△ 、5厶 情况下,RCD产 品制造标准规定的无延时型RCD对于交流剩余电 流的最大分断时间标准值分别为0.3 S、0.15 s、 0.04 S,而此时在尺A 上呈现的预期接触电压分别为 AC 24.99 V、AC 44.94 V、AC 104.88 V。同时, 上述3.2节的分析.是基于发生“阻抗可忽略 不计的”金属性接地故障的计算结果。接下来,我们 将继续分析若是发生非金属性接地故障,接地极电阻 A】的大小变化,对人身安全又是怎样的一个影响。 从图4可知,在RA 上故障电压只要不超过 根据图3可以知道:预期接触电压为AC 50 V、 AC 25 V,人身安全就能确保;当RA 上故障电压超 AC 105 V、AC 220 V的允许最大持续时间分别为 (未表示低压屏总开关) 终端变电所 I 。 | 白,/ | / 鞋 鬣舔裳 蹶潼袭繇 (300+75)mA 458mA 833mA 24.99V 73v左右/0.3 S 30V,1 2s左右 (6oo+75)mA 823mA l 498mA 44 94V 140V; ̄右/0 15s 50V}0 45s左右 ;(1 500+75)mA l 92lmA 2 496mA 104 88V 220V左右/0.04s 105V,0 2s左右 ● 0.3s 再排r3=缱耳:_^/I 兰 — Y^rn—— iRCD 2 Ll 5IA" 0】5s 04s 0.,11 , L2 一 —— L3n —— —— d+ T = 非金属性故障接触电阻 x I / LN . —预期接触电压 IB ]f,d1 。 . 。. [ ]f,d2 “ “ " [ Il,d ” ( ) 图4路灯采用“分地”时“二次故障”(非金属性)等效电路图及相关技术参数 表 ● 能保证人身安全的A1最小值 ll | = | ... l || j l 系统接地电阻 B n \ 霞 n 1.72 O.86 ● 3.28 1. O.82 O.71 0.36 O.18 l3.28 1. 0.82 0.71 0.36 O.18 4 2 l 3.28 1. 0.82 0.5 O.41 0.22 , ● .1 ● 7 1 重 皇 堂堑堡夔莛 璧堡 圭堡盟 -www j 7 建 电丢 ——_——_l————lI BU I LD;NG Z口14年第1期l ELECTRICITY 0.45 S、0.2 S、0.04 S。 RA 上的预期接触电压在AC 25~45 V区间, RCD能检测到的电流必超过 ,其最大分断时间不 会超过0.3 S.而预期接触电压AC 50V的允许最大 持续时间为0.45 S左右,保证安全。 A 上的预期接触电压在AC 45~105 V区间, RCD能检测到的电流必超过2 ,其最大分断时间 不会超过0.15 S,而预期接触电压AC 105 V的允许 最大持续时间为0.2 S左右,保证安全。 尺A 上的预期接触电压在AC 105~220 V区间, RCD能检测到的电流必超过5厶 ,其最大分断时间 不会超过0.04 S,而预期接触电压AC 220V的允许 最大持续时间为0.04 S,也保证安全。 通过上述分析可见,对于 A1的确定,非金属性 接地故障已覆盖所有“二次故障”的各种情况(包括 金属性接地故障)。RAl、R B、 A 三者之间互为影 响,相互制约。表1的 A1最小值计算结果是基于 尺 尺A 为最高阻值且“二次故障”必须同时出现各 种巧合:一是N线接地故障恰巧发生在 A1处且为首 个路灯;二是L线接地故障恰巧发生在 A 处且为末 尾路灯:三是第二次接地故障发生前的泄漏电流正好 呈反向;四是发生L线非金属接地故障的兄 恰巧有 较大的接触电阻,其故障电流,I{因分流使RCD能检 测到的电流低于5 。考虑这些极端条件的巧合叠 加,已为极致,但尽管如此,只要满足表1要求,也 足呵保证人身安全无虞。 接触到多家RCD生产厂家的技术样本显示:无 延时一般型的RCD,在厶 2 J△ 5厶 情况下,其 最大分断时间分别为0.2 S、0.1 S、0.04 S,如此将更 为安全 以上海市为例,防雷中心给出的雷击风险评估 报告中给出的数据是:上海市土壤电阻率平均值为 P=25.0 Q・m:在平时的技术交流时获悉,供电局 独立变电所变压器系统接地电阻 R均不大于0.5 n 此时,在la =300 mA的路灯_丁程配电回路中,要求 每个路灯接地极接地电阻做到不大于30 n且不小于 0.4l Q,即能保证安全;依据表1可发现,在 8 —■—■ .201 .觋 8 http://www,jzdq ne!cli, =100 mA、厶 =30 mA的路灯_T程配电回路中,路灯 接地极电阻的要求更为宽松,实施更无难度,安全更 有保障,可以反证《TT系统简析》仅依据“两次故障” 定性分析便对路灯提出应“共地”的要求有待商榷。 3.4路灯采用“分地”的优点和要求 TT系统配电的路灯,采用“分地”方式并适当 降低每个路灯接地极电阻的做法,不但可以节省 投资,简单易行,且从电气安全角度看,也可能更 为安全: “共地”发生第一次中性线接地故障后因其 PE线的连通,整个故障配电回路已从TT系统变成 了TN—S系统,此时可能会带来终端变电所高压侧 发生接地故障和低压系统他处发生相线接大地故障这 两大危害: “分地”则互不影响,仅故障路灯存在这 种危害可能。故障影响范围大幅减小。室外没有或无 法设置等电位联结的情况下.路灯采用“分地”做法 可能更好。 采用TT系统配电的室外路灯工程,为有效防范 “二次故障”这种极端事故情况下的人身电击危害, 采用“分地”方式时应按下列要求进行电气设计: a.若配电干线回路很长致正常泄漏电流很大, RCD可采用 :300mA时,路灯每个保护接地极电 阻尺 均应不大于30 Q且不小于变压器系统接地电阻 尺B。 b.若配电干线回路较长致正常泄漏电流较大, RCD可采用厶 :100 mA时,路灯每个保护接地极电 阻R 均应不大于90 n且不小于变压器系统接地电阻 尺B。 c.若配电干线回路很短而正常泄漏电流很小. RCD可采用 =30 mA时,路灯每个保护接地极电 阻 均应不大于300 Q且不小于变压器系统接地电 阻 R。 d. 万一当路灯实际工程中出现不符合上述 a~c条要求的情况,电气设计人员可根据工程施 工现场R RA1和RA 的实测数据,验算确认 R ×— ≥1.25厶 能够成立,即可保证电气 ( B+ A1) … 安全。否则,应要求对 A 或RB进行降阻处理,直 到满足要求 4 结语 通过对{TT系统简析》一文的学习,笔者发现 自己以往对路灯采用“分地”的接地电阻仅要求满足 1C RA≤ J.的认识,虽不违反现行《低规》要求,但 △n 有所欠缺,不利电气安全。 笔者建议: a.采用TT系统配电的室外路灯,在能保证上 述3.4节要求时,宜采用“分地”方式;当不能保 证上述3.4节要求时,按{TT系统简析》一文的要 求,应采用“共地”方式。 b.要减少路灯电击致人死伤的事故,除正确设 计和文明施工、严格监理外,还必须确保路灯灯具质 量(如:灯具外壳、门孔的防护要求及灯具的防腐要 求等等)和电线电缆、配电回路保护电器的质量。另 外,市政路灯管理所或管理室外路灯的责任单位,也 应加强平时的维护保养工作,建立定期的巡查检测制 度。一旦在路灯配电箱RCD装设处检测到泄漏电流 超过0.25 ,应立即逐段检查该路灯配电回路,及 时排除故障,确保电气安全。 [1]中机中电设计研究院.GB 16895.21—2011 /IEC 60364—4—41:2005低压电气装置第4—41部分: 安全防护电击防护『S].北京:中国标准出版社,2012. 『2] 巾机中电设计研究院有限公司. GB 50054 —2011低压配电设计规范[S].北京:中国计划出版社, 2012. f 3 1 International Electrotechnical Commission. 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