谭 激

（中国美术学院风景建筑设计研究院，浙江杭州 310012）

室外照明配电接地类型20m距离规定的探讨

谭 激

（中国美术学院风景建筑设计研究院，浙江杭州 310012）

谭 激（1968-），男，高级工程师，从事建筑电气与智能化设计研究工作。

计算了建筑物内发生高、低压接地故障时对邻近建筑的室外人员、照明设备以及室外照明保护电器动作可靠性的影响。指出采用降低配电系统的接地电阻和室外照明灯具的保护接地电阻，以及选用合适的保护电器参数等措施，可以在邻近建筑物的室外照明配电系统中采用TT接地类型。

TT系统；室外地面电位；预期接触电压；屏蔽效应；互电阻；动作时间

0 引 言

在公园、广场、住宅区等室外场所的照明配电中,由于较难实施等电位联结措施,一般采用TT接地系统,但是TT系统的应用在工程设计中受到一些制约。本文针对不同情况下室外地面电位、电位差、保护电器动作时间与接触(跨步)电压的配合等进行了分析计算,探讨室外照明配电系统采用TT接地系统的可行性。

1 接地类型20 m距离规定

部分电气规范或设计手册中要求以建筑物外墙外20m作为区分室外照明配电系统接地类型的分界线：距建筑物外墙20 m以内的,应与室内的接地类型一致；距离大于20 m,则可采用TT接地形式。

室外照明配电接地类型20 m距离的规定,是为了减少两个接地系统之间的影响,在发生接地故障时能够及时切断故障电源,但仅以20 m距离来确定接地系统类型并非最佳做法。

在理论上两个接地系统需要相距无限远才能做到互不影响,这在实际工程中是不现实的。如果两个邻近的接地系统能够在发生故障时保护电器能够可靠动作、保证人身安全和设备正常运行,就可以认为两个接地系统之间不会相互影响。对于室外照明配电系统中接地类型的选择,应结合建筑物内发生接地故障后对室外照明保护电器的动作可靠性的影响以及室外地面电位变化对人员或设备的影响来考虑。

2 建筑物内发生接地故障情况时周围地面的电位分布

当故障电流I通过接地体注入大地向四周流散,距离建筑物不同距离的两点间的电位差为

式中：ΣS－－－土壤中距基础接地体距离为r的等电位面的表面积；

ρ－－－土壤电阻率。

2.1 建筑物基础周围故障电位分布计算推导

假设建筑采用平板式钢筋混凝土基础,并忽略桩的影响,基础长、宽分别为L、W,埋深为H。基础周围故障电位分布如图1所示。

图1 基础周围故障电位分布

2.2 建筑物内发生高压接地故障对室外的影响

变电所发生高压接地故障是在用户变电所高压进线开关前发生的接地故障,只能依靠上级变电所的出线保护电器切除。

2.2.1 高压为小电阻（大电流）接地系统

高压大电流接地系统如图2所示。故障时建筑物基础的电位Uf＝IERf。根据DL/T 620－1997《交流电气装置的过电压保护和绝缘配合要求》,小电阻接地系统的故障电流范围为100～1 000 A,故本文IE＝600 A。根据式(3),可计算变电所周围室外地面故障电位分布,如表1所示。

图2 高压大电流接地系统

表1 高压大电流系统故障时周围地面电位

根据GB/T 16895.10－2010《低压电气装置安全防护电压骚扰和电磁骚扰防护》,发生此类故障时低压电气装置上的工频应力电压不得大于U0+1 200 V,其中U0为低压系统相线对中性点的电压。从表1可知,由于此类故障电流大,引起变电所基础及其周围地面的电位大幅升高,以TT方式对室外设备供电可能无法满足规范要求。

若通过设置人工接地装置等措施将变电所的接地电阻降低,则室外设备的应力电压可以满足规范要求；同时室外地面的绝对电位值大幅降低,并将危险的电位差区域限制在较小的区域内,接地电阻越小,效果越明显。

此类故障电流值无法通过计算得出,故障切除时间各个地区规定也不相同,所以具备条件的用户变电所应该通过设置人工接地体等措施尽量降低接地电阻,最大限度减少高压暂态过电压故障对室外低压配电系统的影响和室外人员人身电击事故隐患。

2.2.2 高压为小电流接地系统

高压侧中性点不接地(即小电流)接地系统在建筑物内的变电所发生高压接地故障时的故障电流为单相电容电流,DL/T 620－1997规定其限值为30 A。发生此类故障时,变电所基础电位最大值为Uf＝30×4＝120 V,产生的影响与建筑物内发生低压接地故障时类似。

2.3 建筑物内发生低压接地故障后对室外的影响

建筑物内部发生低压接地故障,根据其供电方式不同有以下几种情况：①变电所在建筑物外以TN_C_S或TT方式供电；②独立变电所,工作接地和保护接地分开；③变电所工作接地和保护接地合用。

前两种情况示意图如图3所示(以TN_C_S为例),按式(3)计算室外地面电位分布。低压接地故障时,建筑物基础及周围地面的电位仅升高几十伏,室外地面电位变化幅度不明显,均小于户外场所跨步电压安全值25 V。

图3 TN-C-S供电方式

对于第三种情况,绝大部分故障电流通过PE线返回到电源中性点；极少部分故障电流经过建筑钢筋网、基础接地体返回电源中性点,而经过周围土壤再回到电源中性点的故障电流接近于0,室外地面基本维持零电位。

因此,室内低压接地故障引起的室外地面电位升高对于室外人员安全和设备正常运行没有影响,与外部电气设备配电采用何种接地类型无必然联系。

3 建筑物内接地故障对室外配电系统保护电器动作可靠性的影响

确定接地类型时,需要考虑建筑物接地故障时对室外配电线路保护电器的影响(能否可靠动作)。对于建筑物内发生接地故障且保护电器能快速切断电源的情况,因故障持续时间很短,室内外同时发生故障的概率极低。

高压为小电流接地系统的变电所高压侧发生接地故障的持续时间达1～2 h；建筑物内TN系统固定电气设备发生接地故障,规范允许的最大切断时间为5 s。这两种接地故障的持续时间较长。

3.1 室内外同时发生接地故障时接地屏蔽效应

当两个或多个接地体并联时,接地电流通过各个接地体同时流散,接地体周围的电场发生重叠和畸变,造成散流电阻(即接地电阻)增大,即接地的屏蔽效应。屏蔽效应可看作在原并联的接地电阻值上又增加了一个接地体之间相互作用的互电阻Rm。建筑物内外同时(或先后)发生接地故障时,基础接地体与室外电气设备接地体之间的相互影响也与此类似,可将两个不同形状的接地体等效看作两个半球接地体进行简化计算。两个半球接地体之间的互电阻为

式中：D－－－两个等效半球接地体中心之间的距离。

因此,Rm可视作建筑物基础接地体和室外灯具接地体之间的互电阻。

3.2 小电流接地系统的变电所高压侧发生接地故障

发生此类故障未切除时,低压侧发生室外照明灯具接地故障,其等效电路(一)如图4所示, IE为高压侧单相接地电容电流,因系统中容抗很大,可假设IE不变。

图4 等效电路（一）

设变压器接线组别为DYn11,发生低压接地故障相的相位为ω(ω＝0、±120°),电容电流相位θ超前120°。根据麦克斯韦方程以及等效电路,并考虑接地极间互电阻的影响,可得如下关系式：

设U0＝220 V,ω为0、±120°,室内外先后发生高、低压接地故障后,室外电气设备保护电器动作及预期接触电压计算结果如表2所示。

表2 室内高压故障对室外低压电气设备保护电器动作影响

由表2可以看出：

(1)室外照明灯具与建筑物的距离、高压单相接地电流对互电阻有一定影响,但因故障回路电流较大,互电阻对保护电器的动作时间几乎没有影响。

(2)土壤电阻率会明显影响故障回路电流的大小；在高电阻率场所(IΔn＝300 mA)的RCD会短暂延时动作(150 ms),切断时间有可能无法满足接触电压与动作时间的配合要求。

(3)高压故障电容电流与低压故障的相位相同时,室外照明灯具处的接触电压有可能超过接触电压极限值220 V,且减少接地电阻对于降低接触电压值的效果不明显。只要选用IΔn≤100 mA的RCD均能瞬时动作,基本可以保证人身安全。

3.3 建筑物内部电气设备发生低压接地故障

变电所在建筑物外对建筑物以TN_C_S供电,内部固定设备f1、f2处先后发生接地故障(见图3),等效电路(二)如图5所示。

图5 等效电路（二）

图5中,RA、RB远大于线路电阻RLa、RLb、RPE、RPEN,为简化计算忽略RA、RB的影响,并按故障发生于同一相考虑,则有

根据等效电路,并考虑基础接地体Rf与室外灯具RE之间互电阻的影响,有如下关系：

因此,可得：

为验证Id能否使RCD可靠动作,应按最小的Id可能值考虑,即UAO＝UBO＝110 V(靠近低压进线处)。

若室外灯具采用独立接地,因接地电阻较大,有可能造成RCD无法瞬动,故尚应考虑灯具接地极相互并联的情况,即先求出多根接地极并联电阻,再将其等效为半球接地体,以求得并联接地体与基础接地体之间的互电阻。多根直线排列的灯具接地极相互并联后的接地电阻为RA＝R0(1+Kb)/n,其中R0为单根接地极电阻值,n为并联的接地极数量,K、b为连接接地体的形状和间距系数,b＝ρ/(2πR0S)＝0.1(S为接地极间距,以5 m计)。

按3.2节相同的条件,室内外先后发生低压接地故障后,室外电气设备保护电器动作及预期接触电压计算结果如表3所示。

表3 室内低压故障对室外设备低压保护电器动作影响

由表3可知,若灯具与建筑物距离较远时互电阻较小,IΔn≤100 mA的RCD均能够保证可靠动作,并满足动作时间和接触电压限值的配合要求。

室外灯具距离建筑物较近时互电阻较大,如果灯具仅采用独立接地,会使流经RCD的故障电流大幅减小,即使选用IΔn＝30 mA的RCD仍有可能无法动作。将室外灯具改用并联或分组并联接地后,可确保IΔn≤100mA的RCD在0.3 s内动作,接触电压亦能满足要求。变电所在建筑物内的分析过程与结果也基本相同。

4 结 语

综合分析可知,降低室外危险电位、限制危险电位范围的方法是降低建筑物接地电阻；防止危险电位传导至远处的方式是采用独立接地；而灯具并联接地、降低接地电阻则可以保证室外照明灯具发生第二次接地故障时保护电器能可靠动作。针对工程项目的具体情况,采取有针对性的、切实可行和安全有效的技术措施,可以选用TT系统作为邻近建筑物的室外场所照明配电系统的接地类型。

[1] GB/T 50065-2011 交流电气装置的接地设计规范[S].

[2] 王洪泽，杨丹，王梦云.电力系统接地技术手册[M].北京：中国电力出版社，2007.

[3] 川濑太郎.接地技术与接地系统[M].冯允平，译.北京：科学出版社，2001.

[4] 王厚余.低压电气装置的设计安装和检验[M].3版.北京：中国电力出版社，2012.

DiScuSSion of 20 m ProviSion of Grounding M ode For Outdoor Lighting DiStribution SyStem

TAN Ji
(Design Institute of Landscape&Architecture,China Acadmey of Art,Hangzhou 310012,China)

This paper calculated the influencing on outdoor people and lighting appliances,and the operating time of protective device for outdoor lighting appliancewhile the high and low voltage grounding faults occurred in buliding.It is pointed out that by using of lower grounding resistance of distribution system,protecting grounding resistance of outdoor lighting appliance,and proper choice of protective device,TT system can be applied in outdoor lighting distribution system near buildings.

TT SyStem；outdoor ground Poten tial；ProSPective touch voltage；Shielding effect；mu tual reSiStance；oPerating time

TU 856

B

1674-8417(2015)12-0015-06

2015- 06- 28