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10kV小电阻接地系统道路照明接地型式的思考

发表时间：2020/9/15 来源：《基层建设》2020年第14期作者：王康

[导读] 摘要：从我国供电系统现状出发，考虑在高压侧发生单相接地故障时、低压侧在不同系统接地型式和防护措施下，针对低压电气装置处接触电压的高低、故障电流对人身的伤害以及工频应力电压对低压设备的影响，结合武汉市新天南路道路照明设计实例，对常用的TN-S及TT系统的特点进行简单理论分析，提出解决措施及建议。

        中建三局工程设计有限公司湖北武汉 430074
        摘要：从我国供电系统现状出发，考虑在高压侧发生单相接地故障时、低压侧在不同系统接地型式和防护措施下，针对低压电气装置处接触电压的高低、故障电流对人身的伤害以及工频应力电压对低压设备的影响，结合武汉市新天南路道路照明设计实例，对常用的TN-S及TT系统的特点进行简单理论分析，提出解决措施及建议。
        关键词：中性点低电阻接地方式；故障电压蔓延；应力电压；TT系统；接地装置分隔
        引言：
        《城市道路照明设计标准》CJJ 45-2015中6.1.8条：道路照明配电系统的接地型式应采用TT系统或TN-S系统[1]。部分设计人员在缺乏必要的调研与思考时，认为规范已经明确无论选择TN-S接地系统还是TT接地系统都不会存在任何差错。这些观点其实是对接地系统型式、等电位、故障电压等等概念未充分理解，浮于规范文字表面，未对系统进行深入分析而造成对规范的误解。
        另外在从事工程设计的过程中，亦存在部分工程设计人员在不考虑具体项目类型的情况下，接地系统型式一律采用TN-S系统，坚信只要在设备端做好重复接地，接地电阻不大于4Ω，就一定能满足工程设计要求，甚至认为TN-S系统是最“完美”的接地系统。
        本文将结合武汉市新天南路道路照明设计实例，梳理相关规范条文，对TN-S及TT系统的部分特点进行分析对比，阐述自己对道路照明接地型式的理解、提出解决措施与建议。
        1 10kV中性点接地方式的影响
        由于历史原因，我国10kV供电线路曾以架空线路为主，使得10kV系统单相接地电容电流很小（一般不超过10A），因此我国10kV系统历史上普遍以中性点不接地方式为主。对于该接地方式，高压侧发生单相接地故障时，由于不形成单路回路，通过接地点的电流仅为接地电容电流（一般不超过10A）。而我国10/0.4kV变电站的接地电阻RB要求不大于4Ω[4]，所以接地电阻RB上的故障电压Uf≤4x10V=40V，小于安全电压50V，因此一般不会导致电击事故。说明对于中性点不接地方式的10kV系统，在高压侧发生单相接地故障时，对低压侧选择何种接地系统型式影响不大。
        但随着城市土地资源的日益紧缺，城市管理对市容整洁的要求也不断提高，10kV架空线路逐渐被敷设于排管、电缆沟或地下综合管廊中10kV电缆所代替。这种改变直接导致10kV系统单相接地电容电流增大30倍以上，致使很多大城市10kV系统中性点接地方式改成低电阻接地[3]。那么10kV系统采用低电阻接地方式是否会造成低压系统侧发生人身电击事故？是否会造成低压设备绝缘被击穿的事故呢？本文将针对实际工程设计中经常应用的TN-S和TT系统进行对比分析。
        2 低压接地系统
        2.1 TN-S系统
        2.1.1 对人体的危害
        众所周知TN-S系统的优点很多，当系统正常运行时，保护导体上没有电流，电气设备金属外壳对地电压为0V，而发生接地故障时其故障电流较TT系统大，在一定条件下熔断器或断路器的瞬时过电流脱扣器可能动作。缺点则是系统内任一处发生接地故障时，故障电压可沿PE线传导至他处而可能引起危害，俗称故障电压蔓延，扩大了受影响区域。
        如果在建筑物内，系统接地型式采用TN-S系统，做好等电位连接时，由于人体可触及的外露导电部分都处于同一电位（Uf），不论该接触电压多高，理论上都不会影响人身安全。但如果在建筑物外，例如路灯等户外（不具备做等电位的条件）用电设施，若人体接触到金属灯杆等外露导电部分时，那么人体实际接触电压Uf就不为0V，如图1所示。

        图1 10kV低电阻接地系统内TN-S系统的电击分析
        某城市道路照明设计项目中，10kV箱变的电源引自新天110/10.5kV变电站。10kV系统为小电阻接地系统，对应10kV回路故障切除时间为100ms，路灯接地系统型式采用TN-S系统。110/10.5kV变压器系统接地电阻为1Ω，10/0.4kV变压器系统接地电阻为4Ω，10kV电缆阻抗1.1Ω，低压电缆阻抗为0.7Ω，灯杆接地电阻为4Ω，忽略其他未知阻抗值，简略计算可得灯杆处故障电压
        如果此刻某人触摸到该灯杆金属外壳，人体阻抗值取1050Ω（干燥环境中95%被测对象的人体总阻抗），那么通过人体电流Iref≈2.79A，虽然低电阻接地系统可快速跳闸，故障持续时间很短，但是根据图2可知，该电流依旧有50%以上的概率造成心室纤维性颤动、呼吸停止、心搏停止[5]，极有可能将导致触电伤亡事故发生。

        图2 电流路径为左手到双脚的交流电流（15~100Hz）
        对人效应的约定时间/电流区域
        2.1.2 对低压电气设备的危害
        由于TN-S系统内包括相线、中性线、PE线及装置的外露可导电部分的电位同时升高，不会产生电位差，即不存在应力电压问题，因此回路中的设备和线路绝缘不会因这种过电压的冲击而造成绝缘被击穿。
        2.2 TT系统
        2.2.1 对人体的危害
        TT系统的优点是发生接地故障时可以减少故障电压的蔓延；缺点是接地故障电流小，熔断器或断路器的瞬时过电流脱扣器不能兼做间接接触防护，必须采用剩余电流保护器才能满足切断电源的时间要求。
        如果该设计项目中的接地系统型式改成TT系统，电源中性点对应的系统接地和低压电气装置金属外壳对应的保护接地均直接接至大地，二者不形成直接电气连接。即照明配电箱的PE铜排不与接至灯杆的电缆中PE线形成电气连接，而利用PE线将所有灯杆连接成网，用以达到路灯接地电阻不大于4欧姆的要求，如图3所示。即使高压侧发生单相接地故障，由于灯杆与配电系统间无PE导体连接，意味着不会导致故障电压蔓延至灯杆等室外用电负荷金属外壳，大大减小了人体可能接触高故障电压的区域，从设计上加强了对人身安全的保护。

        图3 10kV低电阻接地系统内TT系统的电击分析
        2.2.2 对低压电气设备的危害
        虽然TT系统在户外配电人身安全保护方面有极大的改善，但是这也并不意味着TT系统就比TN-S系统“完美”，这主要因为TT系统容易发生设备对地绝缘击穿事故。
        假设系统各参数不变，可求得RB的故障电压Uf=Id*RB≈=3.78kV，可求得工频压力电压U2=Uf+U0≈3.78+0.22kV=4kV，大于表13.10规定的低压电气绝缘允许承受的过电压1.42kV[5]，这可直接导致低压电气装置内的对地绝缘被击穿，从而造成电气设施损坏和电气短路火灾事故。
        2.2.3 防护措施
        为避免低压电气设施绝缘遭受击穿的危害，理论上有如下方法：
        ① 使得故障电压Uf=Id*RB≤1.2kV
        为满足电压限值要求，在正确选取Id后，可通过降低10/0.4kV变压器的系统接地电阻RB来实现降低故障电压的目的。例如如果变压器处接地电阻RB降低为0.5Ω，那么可求得接地电阻RB上的故障电压Uf=Id*RB≈=1.11kV，即室外灯杆的工频压力电压U2=Uf+U0≈1.11+0.22kV=1.33kV＜1.42kV，即可消除暂时过电压引起的电气装置绝缘击穿事故。
        ②变电所高压接地装置与低压接地装置分隔
        如图4所示，变电所分设两个接地极，实现变电所高压接地装置Re与低压接地装置RB分隔，Re上的故障高电位就不会传导至低压系统内，从而实现故障电压分隔，也可实现消除暂时过电压引起的电气装置绝缘击穿事故。
        3 结论
        虽然在室内环境中，TN-S系统拥有着很大的应用“空间”，但对于室外这种难以实施总等电位连接的区域，TT系统还是有其特定的“优势”。不仅仅解决了人身电击防护，并可通过一定的防护措施，亦实现电气设备的防护。不同的接地系统都有其各自的优缺点，没有哪种接地系统更“优越”，也不存在“最好”的接地系统[2]。面对一个工程项目时，我们不能仅仅浮于规范条文的文字表面，应要做到统筹协调高低压系统之间的关系，根据具体情况研究分析，选用最合适的接地系统，辅以必要的防护措施后，才能得到最合理的工程方案。

参考文献
[1] 中国建筑科学研究院. CJJ 45-2015 《城市道路照明设计规范》,北京：中国建筑工业出版社，2016.
[2] 王厚余.《建筑物电气装置600问》,北京：中国电力出版社，2013.
[3] 中国电力科学研究院. GB/T 50064-2014 《交流电气装置的过电压保护和绝缘配合设计规范》,北京：中国计划出版社，2014.
[4] 中国电力科学研究院. GB/T 50065-2011 《交流电气装置的接地设计规范》,北京：中国计划出版社，2011.
[5] 中国航空规划设计研究总院有限公司.《工业与民用配电设计手册（第四版）》,北京：中国电力出版社，2019.