刘志华， 罗 新

(1. 武汉市政工程设计研究院有限责任公司，武汉 430023；2. 湖北生态工程职业技术学院，武汉 430200)

1 概述

城市道路照明是城市道路建设必不可少的配套设施之一，其灯杆常常安装于人行道或靠近公交港湾站台处(如图1),与不特定人群有着可随意接触的空间，一旦灯杆带电将引发极大的危险性(若采取极其冲动不理智的方法去施救，易引发多人伤亡事故)，按照国务院《安全事故报告和处理条例》规定，3人以下为一般事故，3人以上为较大事故。因此对于城市道路照明及户外用电设施的安全保证措施应得到高度重视。

图1 典型道路照明标准横断面图

本文所探讨的道路照明专指AC 380/220V电源接入。自带电源系统的太阳能及风光互补型路灯由于其自身具有较高的安全性保证，不在文本讨论之列。

为安全起见，路灯可导电金属外壳(灯杆及基础法兰)需作接地处理，那么接地的依据及目的何在，接下来笔者就相关规范进行分析。

GB 50054-2011《低压配电设计规范》(以下简称“《低规》”)有以下条款。

5.2.3 电气装置的外露可导电部分，应与保护导体相连接；

5.2.7 TN系统中电气装置所有外露可导电部分均应通过保护导体与电源系统的接地点连接；

5.2.14 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接至共用或各自的接地极上。

GB 50065-2011《交流电气装置的接地设计规范》则将交流电气装置划分为高压及低压两部分，以1kV为界，其中对于高压部分有明确规定。

3.1.1 电力系统装置或设备应按规定接地。

而对于低压部分也有相关规定：

7.1.2 对于单电源系统，TN电源系统在电源处应有一点直接接地，装置的可导电部分应经PE线接到接地点。

对于多电源系统规范要求较为繁琐，但也明确规定装置的可导电部分必须接地。

行业规范JGJ 16-2008《民用建筑电气设计规范》也有类似规定，虽其权威性逊于上述两个国标。

行业规范CJJ 45-2015《城市道路照明设计标准》关于接地只有原则性的规定，但同时强调应满足国标《低规》及GB 13955-2017《剩余电流动作保护装置安装和运行》(以下简称“《剩余电流》”)的相关要求。

根据上述规范及条文，道路照明设计中,灯杆(包括基础法兰)必须接地，其作用就是安全防护及导出故障电流。

2 接地系统分析

按电源(系统)侧一点接地，不接地(或经高阻抗接地)以及电气装置的地与系统侧地有无直接电气连接来划分可分为三种接地型式，即TN、TT、IT。

TN系统又可细分为TN-S、TN-C及TN-C-S，由于TN-C及TN-C-S的N线会流经三相不平衡电流及可能的故障电流，会使N线一定程度上带有电压，因此设计上要谨慎应用，IT系统一般运用特殊要求场所，道路照明设计一般采用TN-S接地系统及TT接地系统。

下面分析TN-S及TT两种接地系统的单相接地故障电压及危险性。

(1)金属性单相接地故障

1)TN-S系统

TN-S系统单相接地示意图见图2。

图2 TN-S系统单相接地示意图

对于TN-S系统，由于RA+RR远大于RL+RE，可不考虑RA及RR的影响。而Ud=U·RE/(RL+RE)，由于截面小于25mm2的导体，规范要求PE线与相线同截面同材质，即RE=RL，Ud=1/2U，对于220V系统而言，Ud=110V，若此时人体接触带电灯杆，人体所受电压为UR=Ud·RR/(RA+RR)≈Ud，其中RR为人体与大地之间的接触电阻，正常值为 1 000～ 2 000Ω，在潮湿状态下约为500Ω，而RA按规范取值一般为4Ω。

2)TT系统

T7系统单相接地示意图参见图3。

图3 TT 系统单相接地示意图

Ud=U·(RB+RA)/(RA+RB+RL)，由于RB+RA远大于RL，即Ud≈U，RA即系统接地阻值，一般情况下取值4Ω，RB即单灯接地阻值，工程上通常采用Φ50钢管或L50×5 L=2 500mm的镀锌角钢一根处理，根据《工业与民用供配电设计手册》第四版表14.6.12常用人工地极的工频接地电阻中的数据，采用L50×5 L=2 500mm的镀锌角钢，当土壤电阻率为100Ω·m时接地电阻为32.4Ω(后续为方便计算取32Ω)，当土壤电阻率为250Ω·m时接地电阻为81.1Ω(后续为方便计算取81Ω)。

根据以上分析，发生金属性碰壳即单相接地时，若不能及时切除故障，灯杆所带故障电压：TN-S系统为系统电压的一半即110V，TT系统为系统电压即220V，此时若人体接触带电灯杆，人体所承受的电压分别约为110V和220V。

(2)非金属性单相接地故障

绝缘击穿即为非金属性连接，呈低阻状态。笔者查阅相关文献没能查阅到这方面的阻值资料，但依据笔者三年前参与过的一起电气故障排查实例，了解到母线至分接配电箱处配电箱主开关(200A塑壳开关)，由于上方漏水，导致开关进线处与背板之间出现碳化，在断开所有负荷的情况下，均对地呈低阻状态，用万用表实测对地电阻值在10～30Ω之间，拆下开关观察，开关进线处背后约1/4的部分全部碳化。

下面针对绝缘击穿的阻值R′分别取值10Ω、20Ω和30Ω对TN-S系统和TT系统的故障电压进行分析计算。

某道路照明工程采用YJV-0.6/1kV-5×25电缆进行供电，线路最末端约800m。

1)TN-S系统

TN-S系统非金属性短路故障接地示意图参见图4。

图4 TN-S系统非金属性短路故障接地示意图

电缆线路直流电阻值Rθ=P·CjL/S，式中Rθ为线路直流电阻， P为导体电阻率，铜芯电缆取值为0.028 2Ω·mm2，Cj为接入系数，多股线为1.02，L为线路长度，取800m，S为电缆截面，取25mm2，代入R=0.0282×1.02×800/25=0.92Ω，由于配电电缆采用五芯等截面电缆，故有RL=RN=RE=0.92Ω，Ud=U·RE/(RE+RL+R′)，当R′分别取值10Ω、20Ω和30Ω时，计算后得到Ud分别对应为0.078U、0.042U和0.029U，按U=220V计算，则灯杆的外壳所带电压分别为17V、9.2V和9.4V。

2)TT系统

TT系统非金属性短路故障接地示意图参见图5。

图5 TT系统非金属性短路故障接地示意图

Ud=(4+RB)/(4+RB+R′+RL)U，根据前面的计算结果，RL=0.92Ω，RB为32Ω或81Ω，R′分别取值10Ω、20Ω和30Ω，灯杆带电电压计算参见表1。

灯杆带电电压计算 表1

若此时人体接触带电灯杆，人体接触电阻与灯杆接地电阻形成并联效应，此时并联等效电阻Rb为：RB·RR/(RB+RR)计算结果见表2。

考虑并联阻值影响后的带电电压修正结果见表3。

并联等效电阻计算表 表2

灯杆带电电压计算表(考虑并联阻值) 表3

TT系统下发生非金属性短路人体接触灯杆所承受的危险电压表 表4

通过以上计算分析，可得出如下结论：(1)金属性单相接地时，灯杆处故障电压：TN-S系统，Ud=110V，人体接触时危险性较大；TT系统，Ud=220V，人体接触时危险性很大。(2)非金属性绝缘击穿故障时，灯杆处故障电压：TN-S系统，Ud=9.2～17V，人体接触时基本无危险；TT系统，Ud=115～193V，此时人体接触时所承受的故障电压为101～183V，危险性很大。

从TT系统及IT系统对接地系统的要求公式为R≤50/Id，参考其他文件，正常情况下人体所能承受的交流电压的极限值是50V，从上面分析比较得出，TT系统单相接地或发生漏电故障时其危险性远大于TN-S系统。一般来说，减少电击危险的办法无外乎两种途径：(1)保护装置快速动作；(2)降低接触电压。

TN-S系统由于发生金属性单相接地时，故障电流主要流经相线和PE线，故障电流相对较大易引起保护装置快速动作，但对于道路照明，由于存在线路过长的问题，此时供电回路阻值相对较大，线路过电流保护装置不一定能保护到末端灯具(灯杆)单相接地，若此情形下发生末端单相短路将存在较大危险性。而对于非金属性击穿式绝缘降低的漏电情况，由于绝缘电阻存在不确定性，也存在一定的危险性，此情况下外接接地电阻如何处理均不能降低接触电压，此种情况下必须采取相应的安全处理措施。

TT系统无论是金属性单相接地短路还是非金属性绝缘击穿(或降低)故障都存在较高危险的接触电压，即使实现等电位，也存在区域外进入保护防范内跨步电压电击的危险，因此必须有安全可靠的防范措施。

3 规范解读

(1)TN系统

根据《低规》第5.2.8的规定：TN系统中配电线路的间接接触防护电器的动作特性，应符合下式要求：Ia≤U0/Zs，式中Zs为接地故障回路阻抗，U0为相导体对地标称电压，Ia保证间接接触保护电器在规定动作时间内切断故障回路的动作电流。

公式解读：保护装置动作电流应小于预期故障电流，但回路阻值受供电距离及导线截面积的制约，不可能无限减小。

根据《低规》第5.2.13规定：TN系统中，配电线路采用过电流保护电器兼作间接接触防护电器时，其动作特性应符合本规范第5.2.8 条的规定，当不符合规定时，应采用剩余电流动作保护电器。

规范解读：当无法确定TN系统的保护是否满足规范要求时，增加剩余电流保护电器，事实上就构成了双保险，提高了系统运行的安全性和可靠性。

(2)TT系统

根据《低规》第5.2.18的规定：TT系统中，配电线路的间接接触防护的保护电器应采用剩余电流动作保护电器或过电流保护电器。第5.2.15的规定：TT系统配电线路间接接触防护电器的动作特性，应符合下式的要求：RA·Ia≤50V，式中RA为外露可导电部分的接地电阻和保护导体电阻之和(Ω)。

规范解读：在TT系统下，由于电源系统侧接地电阻的存在，理论上回路最大单相短路故障电流Id≤220/4≤55A，因此Id是受限的，同样RB由于受施工及场地原因的限制，理论上小于10Ω很难实现，故有Id≤220/(4+10)≤15.7A，因此TT系统采用断路器或熔断器作为间接防护动作电器，笔者认为存在很大的不确定性。

根据《剩余电流》第4.2.2.2的规定：TT系统的电气线路或电气设备必须装设剩余电流保护装置作为电击事故的保护措施。

规范解读：采用剩余电流保护装置是TT系统存在的前置条件。既然TN系统允许加装漏电保护，而TT系统必须加装漏电保护，那两者有何区别？

笔者认为：对于TN系统而言，在电源侧接地电阻4Ω、有独立的PE线、重复接地10Ω(规范无强制要求)、加装漏电保护装置的情况下，其优点是容易实现过电流兼单相接地，加装漏电保护装置构成双重保护，而且重复接地容易实现(多个并联即可)，但各设备没有硬性的接地阻值要求。而对于TT系统，电源侧接地电阻4Ω，无PE线要求(规范没规定不同保护对象须单相接地，也可以PE线串接)。其优点是节省投资(可节省PE线，也可不节省)，但单灯接地电阻有阻值要求，且阻值带有不确定性，存在设计责任及工程验收风险。

现在业内有一种观点认为，TN系统有可能存在故障电压反串增加危险，TT系统(不带PE线)不会有故障电压反串。但笔者认为，一个危险源的存在并不比十个危险源存在的危险性小，严格按规范行事，坚决杜绝安全隐患才是上策。从笔者多年的设计经验来看，TN系统辅以剩余电流保护装置较TT系统安全可靠的多。

4 道路照明工程分析

道路照明有其独特的特点：线路长、负荷分散，无法做到等电位或局部等电位处理，CJJ 45-2015《城市道路照明设计标准》第6.15条规定：每个灯具应设有单独的保护装置。设计院对单灯保护处理一般都选择为带漏电脱扣的断路器作为单灯保护装置，但由于安装空间受限(特别是双臂路灯或多回路供电灯具)，往往无法安装。笔者建议，对于安装空间受限场所，可采用分组控制，每三个灯具为一组(三相交错供电或单相供电均可)，安装一个户外非金属材质的控制箱，控制箱的安装高度应考虑极端天气下道路渍水的影响，保护电器可置于灯杆内部其安装高度亦应考虑道路积水的影响，同时电源进线处应作加强绝缘处理(防止电源进线部分出现绝缘故障)，电源埋管建议采用非金属管材，进线建议采用电缆(绝缘强于电线)，且穿塑料软管保护并固定。其他户外用电设施(如户外广告牌、带广告及亮化的公交站台)均建议作此处理。

断路器脱扣电流可依据单灯额定电流的选择。

国家标准GB 50054-2011、GB 50065-2011及行业标准CJJ 45-2015、CJJ 89-2012均没有规定道路照明漏电保护脱扣电流值，笔者建议，参照《剩余电流》第5.7及5.8条的规定：末端及灯具或其他户外用电设施按潮湿场所(考虑雨雪等恶劣天气)的电气设施应选用剩余动作电流为16～30mA，可选用30mA一般型剩余电流保护装置。另对于线路部分，笔者建议选用300mA动作电流可调节、延时动作型的剩余电流保护装置。

根据《剩余电流》第7.5条规定，建议设计文件对电子式剩余电流装置做相应说明：根据电子元件有效工作寿命，工作年限一般为6年，超过规定年限应进行全面检测，并根据检测结果决定可否继续运行。

5 结束语

综上所述，道路照明工程设计接地系统建议采用TN-S系统(可推广至户外用电设备)，并加末端防护，即单灯加装漏电保护脱扣装置。