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[摘要]通过对核电厂厂区道路照明配电系统设计的分析，探讨了道路照明采用TN-S接地方式时的接地故障电压、电击防护、接地故障保护和道路照明可靠性的问题，指出在道路照明采用TN-S系统需要注意的问题。
[关键字] 路灯 TT TN-S 接地故障 电击防护 灵敏度
中图分类号： X928.2
前言
目前城市道路、高速公路、各种厂区的道路照明设计主要参照《城市道路照明设计标准》（CJJ 45-2006）（以下称为《路灯规范》），但规范对道路照明配电系统未作详细的规定，由于地区的地质条件、配电条件和各行业设计习惯等不同，业界对于道路照明配电系统的设计有着较多的争议。本文以核电厂厂区道路照明配电系统设计为载体，从路灯配电的电击防护、保护方式和路灯供电可靠性要求等方面来分析道路照明配电系统采用TN-S系统时需要注意的问题。
1关于道路照明配电系统设计的主要问题
《路灯规范》6.1.9条其条文说明指出TN-S系统的缺点“PE线断开，起不到保护作用，可能导致电击。”。
同时一些业内人士对采用TN-S系统的担忧总结如下：a）由于公用一个“地”，高压侧单相接地故障会通过PE线传导至低压用电设备金属外壳上；b）PE线断线时并发生单相接地故障时，保护灵敏度低，PE线会传导故障电压，危及人员安全；c） 照明线路过长，采用过电流保护器作为短路保护有时候保护灵敏度不够。
2核电厂的地质和电气系统简述
防城港核电厂（本文以防城港核电厂数据为基础）的土壤电阻率普遍在500～1500Ω·m之间，厂区内的接地网设计较完善，厂区总接地电阻约0.4Ω。厂内的中压厂用电系统为中性点不接地的方式，路灯的电源引自TN-S低压配电系统。
3厂区路灯采用TN-S系统的分析
本章将对第一章提出的TN-S系统的保护线传导故障电压、线路保护电气接地故障保护灵敏度和PE线断线危险的预防措施进行分析，看TN-S系统在核电厂区道路照明配电系统中是否适用。
图2—道路照明采用TN-S系统供电的原理图
3.1PE线传导的故障电压问题
3.1.1对于中压系统的接地故障电压
核电厂为中压厂用电系统为不接地系统，当发生单相接地的时候，接地故障电流非常小，且主要为电容电流，接地箱电位为地电位，不存在中压系统接地故障电压传导至路灯上事件；当中压系统采用高电阻和消弧线圈接地时，接地故障电流都很小，一般为几安培，经PE线传导的故障电压（）也仅为几伏特，不影响人员安全；
3.1.2对于低压系统的接地故障电压
当低压系统在f1点发生相接地故障时（小概率事件），其短路接地故障电流的回路为：L—大地（相线与大地电阻，一般较大）—RB 。
《低压供配电设计规范》（GB 50054-2011）的5.2.11 “当TN系统相导体与无等电位联结作用的地之间发生接地故障时，为是保护导体和与之连接的外露可导电部分的对地电压不超过50V，其接地电阻的比值应符合下式的要求：
（3）
式中：RB——所有与系统接地极并联的接地电阻（Ω）；
RE——相导体与大地之间的接地电阻（Ω）。
对于核电厂就是要求：
一般厂区内的照明线路的RE都远远大于1.36Ω，所以即使在线路的低压侧发生单相接地故障，也不会有接触电击危险。由公式可见通过提高RE值也可以避免低压侧的电击事件，像很多地方的电缆穿PVC管敷设，RE会很高，避免了此事故。
3.2保护灵敏度问题
采用TN-S接地系统时，当线路过长，线路末端发生接地故障，故障电流较小时，可能导致保护电气保护灵敏度不能满足于在规定时间内切断故障电路的要求，造成触电危险。
表2—照明回路单相接地故障电流
末端断流电流值（A）
电缆型号
电缆长度（m）
灯具数量
电流
电流（A）
5X10
5X16
5X25
4X35+16
300
9
4.8
16（80）/104
139
221
345
303
400
12
6.4
16（80）/104
104
166
259
228
500
15
8.0
16（80）/104
83
133
208
182
600
18
9.7
16（80）/104
69
111
173
152
700
24
12.9
20（100）/130
59
95
149
130
800
27
14.5
20（100）/130
52
83
130
114
900
30
16.1
20（100）/130 46
74
116
101
1000
33
17.7
25（125）/162.5
41
67
104
91
说明
电流栏下的16（80）/104，分别为微断的Iset1、Iset3及满足灵敏度要求的最小短路电流值（A）（Id≥1.3 Iset3）
末端短路保护灵敏度满足要求
末端短路保护灵敏度不满足要求
表二为参照《工业与民用电气设计手册》计算得本项目的接地故障电流Id。其中变压器为6.6/0.4kV、800kVA，干式变，Dy11接线，高压侧短路容量为200MVA。由下表可知，可通过降低线路长度和增大电缆截面来降低末端短路电流，按照该表选择过电流保护电器和电缆型号。
3.3PE线断线故障
图3-PE线断线的原理图
PE线断线（见图3）后单相接地故障时，容易导致电击事件是一些业内人士反对TN-S的重要理由，下面来分析下厂区道路照明系统发生PE线断线后的单相接地故障情况。
3.3.1单相接地故障发生在断点之前，短路电流的通路与未断线前基本一致，不予分析。
3.3.2单相接地故障发生在PE断点之后，后面的几个灯相当于通过PE线相连接，短路电流通路为：L— 断点后的所有灯具的连接接地电阻— 大地— 中性点。此时大地的电阻值较高，短路电流较小，线路的保护电气不动作，且易通过PE线传导故障电压，造成极大的电击事故隐患。
对此问题，其实可以利用厂区完善的接地网，在适当的时候为每个照明回路的PE线做重复接地，这时候在断点之后发生单相接地故障电流的时候，故障电流的通路就为：L— 接地网（电阻极小）—中性点，此时短路电流也非常大，保护电器也可以可靠动作。
3.4供电可靠性
《路灯规范》6.1.6“道路照明配电回路应设保护装置，每个灯具设有单独保护装置。由于路灯的单灯电流比较小，仅为1.6A，可用4A的熔断器来作为单灯的接地故障保护，由表2中黄色部分可以看出，熔断器的灵敏系数都非常高（都在20以上），单相接地故障基本在0.01S内可切除，干线回路采用短路短延时时间整定为0.2S即可满足级间配合的选择性要求。
4 结语
由上述分析可知，采用TN-S系统，利用核电厂的配电系统和接地网条件，将PE线做重复接地，选择合适的供电的线路长度和电缆型号既可以解决易产生PE线故障电压的问题、保护灵敏度不够的问题；并且易通过断路器和熔断器配合实现路灯的供电线路和单灯的保护动作的级间配合，提高供电的可靠性，可以构造安全、可靠的核电厂道路照明系统。
参考文献：
[1] 《城市道路照明设计标准》（CJJ 45-2006），中国建筑科学研究院，主编。中国建筑工业出版社出版，2006。
[2] 《低压供配电设计规范》（GB 50054- 2011），中机中电设计研究院有限公司，主编。
[3] 《工业与民用配电设计手册》（第三版），中国航空工业规划设计研究院，主编，中国电力出版社出版，2005。
[3] 道路照明配电系统的接地方式保护，任元会，电气工程应用，2007。
[4] 路灯配电系统若干问题的探讨，李良胜，章友俊，建筑电气，2007。
[关键字] 路灯 TT TN-S 接地故障 电击防护 灵敏度
中图分类号： X928.2
前言
目前城市道路、高速公路、各种厂区的道路照明设计主要参照《城市道路照明设计标准》（CJJ 45-2006）（以下称为《路灯规范》），但规范对道路照明配电系统未作详细的规定，由于地区的地质条件、配电条件和各行业设计习惯等不同，业界对于道路照明配电系统的设计有着较多的争议。本文以核电厂厂区道路照明配电系统设计为载体，从路灯配电的电击防护、保护方式和路灯供电可靠性要求等方面来分析道路照明配电系统采用TN-S系统时需要注意的问题。
1关于道路照明配电系统设计的主要问题
《路灯规范》6.1.9条其条文说明指出TN-S系统的缺点“PE线断开，起不到保护作用，可能导致电击。”。
同时一些业内人士对采用TN-S系统的担忧总结如下：a）由于公用一个“地”，高压侧单相接地故障会通过PE线传导至低压用电设备金属外壳上；b）PE线断线时并发生单相接地故障时，保护灵敏度低，PE线会传导故障电压，危及人员安全；c） 照明线路过长，采用过电流保护器作为短路保护有时候保护灵敏度不够。
2核电厂的地质和电气系统简述
防城港核电厂（本文以防城港核电厂数据为基础）的土壤电阻率普遍在500～1500Ω·m之间，厂区内的接地网设计较完善，厂区总接地电阻约0.4Ω。厂内的中压厂用电系统为中性点不接地的方式，路灯的电源引自TN-S低压配电系统。
3厂区路灯采用TN-S系统的分析
本章将对第一章提出的TN-S系统的保护线传导故障电压、线路保护电气接地故障保护灵敏度和PE线断线危险的预防措施进行分析，看TN-S系统在核电厂区道路照明配电系统中是否适用。
图2—道路照明采用TN-S系统供电的原理图
3.1PE线传导的故障电压问题
3.1.1对于中压系统的接地故障电压
核电厂为中压厂用电系统为不接地系统，当发生单相接地的时候，接地故障电流非常小，且主要为电容电流，接地箱电位为地电位，不存在中压系统接地故障电压传导至路灯上事件；当中压系统采用高电阻和消弧线圈接地时，接地故障电流都很小，一般为几安培，经PE线传导的故障电压（）也仅为几伏特，不影响人员安全；
3.1.2对于低压系统的接地故障电压
当低压系统在f1点发生相接地故障时（小概率事件），其短路接地故障电流的回路为：L—大地（相线与大地电阻，一般较大）—RB 。
《低压供配电设计规范》（GB 50054-2011）的5.2.11 “当TN系统相导体与无等电位联结作用的地之间发生接地故障时，为是保护导体和与之连接的外露可导电部分的对地电压不超过50V，其接地电阻的比值应符合下式的要求：
（3）
式中：RB——所有与系统接地极并联的接地电阻（Ω）；
RE——相导体与大地之间的接地电阻（Ω）。
对于核电厂就是要求：
一般厂区内的照明线路的RE都远远大于1.36Ω，所以即使在线路的低压侧发生单相接地故障，也不会有接触电击危险。由公式可见通过提高RE值也可以避免低压侧的电击事件，像很多地方的电缆穿PVC管敷设，RE会很高，避免了此事故。
3.2保护灵敏度问题
采用TN-S接地系统时，当线路过长，线路末端发生接地故障，故障电流较小时，可能导致保护电气保护灵敏度不能满足于在规定时间内切断故障电路的要求，造成触电危险。
表2—照明回路单相接地故障电流
末端断流电流值（A）
电缆型号
电缆长度（m）
灯具数量
电流
电流（A）
5X10
5X16
5X25
4X35+16
300
9
4.8
16（80）/104
139
221
345
303
400
12
6.4
16（80）/104
104
166
259
228
500
15
8.0
16（80）/104
83
133
208
182
600
18
9.7
16（80）/104
69
111
173
152
700
24
12.9
20（100）/130
59
95
149
130
800
27
14.5
20（100）/130
52
83
130
114
900
30
16.1
20（100）/130 46
74
116
101
1000
33
17.7
25（125）/162.5
41
67
104
91
说明
电流栏下的16（80）/104，分别为微断的Iset1、Iset3及满足灵敏度要求的最小短路电流值（A）（Id≥1.3 Iset3）
末端短路保护灵敏度满足要求
末端短路保护灵敏度不满足要求
表二为参照《工业与民用电气设计手册》计算得本项目的接地故障电流Id。其中变压器为6.6/0.4kV、800kVA，干式变，Dy11接线，高压侧短路容量为200MVA。由下表可知，可通过降低线路长度和增大电缆截面来降低末端短路电流，按照该表选择过电流保护电器和电缆型号。
3.3PE线断线故障
图3-PE线断线的原理图
PE线断线（见图3）后单相接地故障时，容易导致电击事件是一些业内人士反对TN-S的重要理由，下面来分析下厂区道路照明系统发生PE线断线后的单相接地故障情况。
3.3.1单相接地故障发生在断点之前，短路电流的通路与未断线前基本一致，不予分析。
3.3.2单相接地故障发生在PE断点之后，后面的几个灯相当于通过PE线相连接，短路电流通路为：L— 断点后的所有灯具的连接接地电阻— 大地— 中性点。此时大地的电阻值较高，短路电流较小，线路的保护电气不动作，且易通过PE线传导故障电压，造成极大的电击事故隐患。
对此问题，其实可以利用厂区完善的接地网，在适当的时候为每个照明回路的PE线做重复接地，这时候在断点之后发生单相接地故障电流的时候，故障电流的通路就为：L— 接地网（电阻极小）—中性点，此时短路电流也非常大，保护电器也可以可靠动作。
3.4供电可靠性
《路灯规范》6.1.6“道路照明配电回路应设保护装置，每个灯具设有单独保护装置。由于路灯的单灯电流比较小，仅为1.6A，可用4A的熔断器来作为单灯的接地故障保护，由表2中黄色部分可以看出，熔断器的灵敏系数都非常高（都在20以上），单相接地故障基本在0.01S内可切除，干线回路采用短路短延时时间整定为0.2S即可满足级间配合的选择性要求。
4 结语
由上述分析可知，采用TN-S系统，利用核电厂的配电系统和接地网条件，将PE线做重复接地，选择合适的供电的线路长度和电缆型号既可以解决易产生PE线故障电压的问题、保护灵敏度不够的问题；并且易通过断路器和熔断器配合实现路灯的供电线路和单灯的保护动作的级间配合，提高供电的可靠性，可以构造安全、可靠的核电厂道路照明系统。
参考文献：
[1] 《城市道路照明设计标准》（CJJ 45-2006），中国建筑科学研究院，主编。中国建筑工业出版社出版，2006。
[2] 《低压供配电设计规范》（GB 50054- 2011），中机中电设计研究院有限公司，主编。
[3] 《工业与民用配电设计手册》（第三版），中国航空工业规划设计研究院，主编，中国电力出版社出版，2005。
[3] 道路照明配电系统的接地方式保护，任元会，电气工程应用，2007。
[4] 路灯配电系统若干问题的探讨，李良胜，章友俊，建筑电气，2007。