周再皝

廈門市市政工程設(shè)計院有限公司，福建 廈門 361000

0 引言

隨著人們生活水平的提高，對城市功能性照明和景觀夜景照明的需求越來越高，各種亮化工程、燈光工程等城市照明建設(shè)迅速。城市照明一定程度體現(xiàn)城市現(xiàn)代化建設(shè)水平及人民生活的幸福感重要指標，有利用提升城市形象。根據(jù)相關(guān)行業(yè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計，城市照明用電量約占全國總用電量的10%。在城市照明快速發(fā)展過程，往往較為關(guān)注燈光所呈現(xiàn)出來的夜景效果，而電氣安全問題常常容易被人民所忽視[1]。文章主要從城市照明存在安全問題入手進行解析，提出相關(guān)解決措施。

1 城市照明供電安全問題

城市照明主要由路燈、庭院燈及相關(guān)景觀照明燈具組成，其桿件目前均為金屬桿件，且經(jīng)常設(shè)置于綠化帶、人行道邊上或構(gòu)筑物上。遇上陰雨天，燈桿存在漏電可能性極大。另外，由于施工工藝問題，部分電纜接頭處理不當，均會存在極大的安全隱患。

根據(jù)《城市道路照明設(shè)計標準》（CJJ 45—2015）中6.1.8條，“道路照明配電系統(tǒng)的接地形式應采用TT系統(tǒng)或TN-S系統(tǒng)，并應符合現(xiàn)行國家標準《低壓配電設(shè)計規(guī)范》（GB 50054—2011）的相關(guān)規(guī)定。當采用剩余電流保護裝置時，還應滿足現(xiàn)行國家標準《剩余電流動作保護裝置安裝和運行》（GB 13955）的相關(guān)要求?！?目前兩種接地系統(tǒng)在不同地區(qū)均有采用，本次針對兩種系統(tǒng)存在安全問題簡要分析[2]。

（1）采用TN-S系統(tǒng)時，一旦發(fā)生單相接地故障，由于TN-S系統(tǒng)燈桿都是通過PE線進行連接的，故障電流將會沿PE傳導，加之戶外無法實施等電位聯(lián)結(jié)，其他燈桿將會帶電，擴大故障范圍，增加人身電擊事故概率。此外，城市道路照明供電距離長，發(fā)生故障時，末端短路電流小，若開關(guān)整定不合理，保護開關(guān)將無法開展可靠動作，會導致故障擴大。

（2）采用TT系統(tǒng)時，電源線和路燈的保護接地線是分開，其主要優(yōu)點如下：①TT型式的接地系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障不會將故障電壓傳導，在一定程度上，將故障范圍控制在單根路燈范圍，保障人員安全。②TT保護系統(tǒng)的接地故障保護采用剩余電流動作保護器RCD，接地故障保護靈敏性很高，從而保證了間接接觸電擊保護的有效性。但同時存在以下幾個問題：其一，由于TT系統(tǒng)沒有PE線，一旦發(fā)生單相接地故障，電流相對TN-S系統(tǒng)更小，故障保護要通過RCD進行，RCD整定值需要通過線纜、燈具等設(shè)備進行合理計算，但由于室外環(huán)境的特殊性，要使RCD完全躲過正常計算電流比較困難。同時，由于RCD整定值不合理將會頻繁誤動作，降低城市道路照明配電回路的供電可靠性，這將會給城市快速路、主干路或者交通樞紐等帶來一定的安全隱患。其二，發(fā)生故障時，TT系統(tǒng)并未通過PE分壓，故單燈的接觸電壓達到220 V，相對TN-S的110 V則更高更危險。其三，根據(jù)《建筑物電氣裝置》（GB 16895.21—2011/IEC 60364-4-41:2001） 415.1.2條，“不能將RCD的裝用作為唯一的保護措施，也不能為它的裝用而取消按照411～414規(guī)定的其中一種保護措施”。顯然，在單相接地故障的情況下，TT系統(tǒng)的故障電流更小，過電流保護器較難實現(xiàn)完整保護，而RCD僅作為附加保護，在故障情況TT系統(tǒng)的保護基本依靠RCD過電流保護，一旦出現(xiàn)RCD損壞，將會極大威脅到行人的人身安全。

一般來說，減少電擊方法無非是兩種：①保護裝置的快速動作；②降低接觸電壓。目前行業(yè)認可采用TT系統(tǒng)主要是因為TT系統(tǒng)沒有帶PE線，沒有傳導故障電壓的危險性，危險源控制在一處。筆者認為，不管危險源幾處，最重要的是能快速切除或者降低接觸電壓。綜上考慮，筆者認為TN-S系統(tǒng)可以通過多種措施實現(xiàn)多層保護，更適合應用于城市照明。

2 TN接地系電氣安全措施

2.1 適當降低系統(tǒng)接地電阻值

根據(jù)《低壓配電設(shè)計規(guī)范》（GB 50054—2011）5.2.11條“當TN系統(tǒng)相導體與無等電位聯(lián)結(jié)作用的地之間發(fā)生接地故障時，為使保護導體和與之連接的外露可導電部分的對地電壓不超過50 V”；當位于潮濕環(huán)境，則不超過25 V。公式表述如下。

正 常 環(huán) 境：RB/RE≤50/(U0-50)，其 中U0=220 V，即RB≤0.29RE。

潮 濕 環(huán) 境：RB/RE≤25/(U0-25)，其 中U0=220 V，即RB≤0.13RE。

如圖1所示，根據(jù)單相故障分析，Uf=IdRB，降低接觸電阻可以有效降低預接觸電壓。因此，在TN-S系統(tǒng)中，可以建議系統(tǒng)接地電阻≤2Ω[3]。

圖1 TN系統(tǒng)發(fā)生接地故障時的故障電壓分析圖

2.2 選擇可調(diào)式電子式剩余電流斷路器（帶接地故障保護）

由于城市道路照明中用電負荷相對較小，通常情況下載流量、壓降及熱穩(wěn)定度都可以滿足要求，設(shè)計中往往忽略了靈敏度的驗算。根據(jù)《低壓配電設(shè)計規(guī)范》（GB 50054—2011）6.2.4條“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”。

例如：道路照明某供電回路，供電距離800 m，所帶負荷15 kW。根據(jù)計算負荷Ijs=15/(0.38×1.732×0.95)= 25.32 A，擬選用Ir1=In=32 A，電纜采用YJV-0.6/1.0-5×25。

根據(jù)《工業(yè)與民用配電設(shè)計手冊》（第四版）11.2.4故障情況下的自動切斷電源

Ik=[(0.8～1.0)U0Sk1k2 ] / [1.5ρ(1+m)L]，其中m=S/Spe（相線截面/保護線接線）。其中相線截面＜95 mm2， 且為單根電纜，故k1=1，k2=1。

式中(0.8～1.0)為電源側(cè)阻抗系統(tǒng)，是考慮接地故障回路省略變壓器阻抗和高壓側(cè)系統(tǒng)阻抗導致的誤差進行的修正，當故障點遠離變壓器、線路截面積較小、變壓器容量較大時，取高值，反之，取低值；1.5為由于短路引起的發(fā)熱，電纜電阻增大系數(shù)；U0為相對地電壓，V；S為相導體截面，mm2；ρ為20°時導體的電阻率，Ωmm2/m；L為電纜長度，m；m為材料相同的每相導體總截面與PE導體截面之比。

（1）若采用B特性斷路器，整定電流Ir3=5In，Ik≥1.3Ir3=1.3×5×32=208 A。代 入Ik計 算 公 式，求 得S≥42.55 mm2，選用電纜5×50，設(shè)計中采用5×25無法滿足靈敏度要求。

（2）采用電子式可調(diào)斷路器，整定電流Ir2=2.5In，Ik≥1.3Ir3=1.3×2.5×32=104A 。代入Ik計算公式，求得S≥21.27 mm2，選用電纜5×25。

2.3 合理加大PE線截面

根據(jù)上述公式，加大PE線截面可有效加大單相末端短路電流，提高靈敏度，從而確保保護開關(guān)的可靠性。

2.4 增設(shè)附加保護—RCD

當采用短路保護器可以實現(xiàn)末端單相接地故障時，通過加裝RCD可以實現(xiàn)雙層保護。

3 低壓直流供電系統(tǒng)

根據(jù)《電流對人和家畜的效應》（GB/T 13870.1—2008/IEC/TS 60479-1:2005）中3.3.2直流/交流等效因數(shù)k=IDC-纖維性顫動/IAC-纖維性顫動，例如，在心室纖維性顫動50%概率，5s時間內(nèi)擺脫為例，查表得IDC-纖維性顫動≈110 mA，IAC-纖維性顫動≈40 mA，K≈110/40=2.75。根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)，一般情況下k≈2.4，即干燥情況下UAC=50 V安全電壓時，可認為UDC=120 V是安全電壓[4]。

因此，在園區(qū)景觀照明或者供電距離較短的城市道路照明中，可考慮采用直流120 V及以下電壓供電，可有效預防照明安全隱患問題。在長距離的城市道路照明，尤其是長度在3～4 km跨海大橋，可采用DC 220 V或者DC 375 V相對同電壓等級的交流電，傳輸距離更遠，更加安全。直流回路同時配置直流RCD，可以提供雙層保護[5]。

4 結(jié)束語

綜上所述，城市亮化美化應以安全為第一位，室外照明等用電設(shè)施供電應合理選擇安全防護措施，從預接觸電壓、接地系統(tǒng)形式、交直流等因數(shù)綜合考慮比選，接地系統(tǒng)優(yōu)先考慮采用TN-S系統(tǒng)加單燈剩余電流保護和線路剩余電流，或采用直流RCD新型低壓直流配電電氣安全防護。電氣設(shè)計工程師應根據(jù)項目情況，選擇合理的設(shè)計方案，確保人身和財產(chǎn)安全。