关于道路照明室外箱式变压器接地做法的探讨

1关于道路照明室外箱式变压器接地做法的探讨摘要：分别从高压侧为10kV系统不接地和经小电阻接地两种形式、低压侧为TN-S和TT接地系统的几种不同组合情况就道路照明室外箱式变压器系统接地和保护接地联合设置的常见做法进行分析，得出此种做法存在的用电安全隐患并提出了将箱变外壳保护接地和低压侧系统接地分开设置，尽量减小接地电阻和使用TT系统，并且为箱变增加隔离防护网的设计思路。最后，根据研究结论结合工程设计实践中常见的分开设置箱变接地系统的两种存在问题的做法提出了改进意见。关键词：道路照明；室外箱式变压器；接地；用电安全0引言近年来，随着我国城镇化建设进程的加速，为市政道路配套的照明建设工程越来越多。良好的城市道路照明能为各种车辆及行人创造良好的视觉环境，达到保障交通安全，提高运输效率，方便人民生活，美化城市环境的作用。而道路照明系统一般具有负荷分散、配电线路较长、行人易接触和环境条件恶劣（有时为潮湿环境）等特点，故其用电安全涉及多方面的技术内容和管理维护要求。关于10kV经小电阻接地系统对10kV电网和低压（220/380V）用户导致的种种电气危险文献[4]及其它相关研究成果已有较多论述，但大多为针对设有等电位联结的室内变配电站研究的，而道路照明系统箱式变压器及沿线灯具处于室外人流密集处，对用电安全防护应有更高的要求。此外，由于道路照明系统所处环境的特殊性，传统的10kV不接地系统也有可能由于箱式变压器接地做法及防护措施不当引起用电安全事故。另外，关于道路照明采用TN-S或TT的接地形式哪一种更合适，业内也有了较为明朗的研究成果，但鲜有提到低压接地系统对箱式变压器造成用电安全隐患及防护措施的内容。本文将针对上述10kV及低压系统接地形式的组合情况并结合道路照明工程实际，系统地分析传统的变配电站一点接地形式带来的安全隐患，进而提2出了改进措施。1中性点、低压配电系统接地方式简介1.1中性点接地方式及应用三相交流电力系统中性点与大地之间的电气连接方式，称为电网中性点接地方式。中性点接地方式涉及电网的安全可靠性、经济性；同时直接影响系统设备绝缘水平的选择、过电压水平及继电保护方式、通讯干扰等。中性点接地方式分大电流接地方式（即中性点有效接地方式）和小电流接地方式（即中性点非有效接地方式）。大电流接地方式包括中性点直接接地和经小电阻接地。大电流接地系统中性点电位固定为地电位，发生单相接地故障时，非故障相电压升高和暂态过电压水平均较低；故障电流很大，继电保护能迅速动作以切除故障，系统设备承受过电压时间较短。因此，大电流接地系统可使整个系统设备绝缘水平降低，从而大幅降低造价。小电流接地方式包括中性点不接地、高阻接地、经消弧线圈接地方式等。在小电流接地系统中发生单相接地故障时，由于中性点非有效接地，故障点不会产生大的短路电流，因此允许系统短时间带故障运行。这可以减少用户停电时间，提高供电可靠性。我国10kV中压网络一般为中性点不接地系统，但随着社会经济发展，许多地区中压网络电缆线路增多，10kV配电网络中单相接地电容电流急剧增加。当系统电容电流大于10A后，则有可能引起绝缘击穿及设备损坏、保护电器频繁动作引起大面积停电等事故。故许多地区10kV网络由不接地改为经小电阻接地系统。1.2低压配电系统接地方式及应用按我国标准，低压配电系统接地方式分为以下三类：（1）TN方式电源端（配电变压器低压侧中性点）直接接地，用电端（用电设备外露导电部分）通过一条导线连接到电源端中性点。由于连接导线的方式不同，又3可分为下列三种：1）TN-C：利用配电线路的中性线作接地连接线，称为PEN线；2）TN-S：增加一条专用的保护接地连接导线，即PE线；3）TN-C-S：以上两种的综合，前半部采用TN-C，后半部采用TN-S。（2）TT方式电源变压器中性点接地，电气设备外壳采用保护接地。（3）IT方式电源端不接地（或高阻抗接地），用电端直接接地。《城市道路照明设计标准》（CJJ45-2006）中6.1.9条规定“道路照明配电系统的接地形式宜采用TN-S系统或TT系统，金属灯杆及构件、灯具外壳、配电及控制箱屏等的外露可导电部分，应进行保护接地”。2基于路灯箱式变压器“一点接地”的用电安全研究2.1变配电所接地设计现状我国10kV电网的系统接地广泛采用不接地形式，其接地故障电流和它引起的故障电压小，在变电所内高压系统的保护接地和低压系统的系统接地通常共用一个接地极[1]，不仅可简化接地装置还能避免多个接地系统带来的不良影响。受传统室内变配电室设计思路的影响，目前在道路照明箱式变压器设计中采用上述“一点接地”方式比较普遍。2.2安全电压的确定图2.1所示为IEC（国际电工委员会）标准提出的干燥和潮湿环境下预期接触电压和通电时间的关系曲线图（L1为干燥环境下，L2为潮湿环境下）。由图可知，干燥环境下预期接触电压不大于50V时，人体接触不致发生致死事故，而在潮湿环境下，此值为25V。4图2.1干燥和潮湿环境下Ut和t的关系曲线图由于路灯系统经常处于室外阴雨等潮湿环境，故人体接触交流安全电压值应为25V。2.3箱式变压器“一点接地”的用电安全分析2.3.110kV不接地系统高压进线接地故障分析图2.2所示的为10kV不接地系统在路灯箱式变压器处保护接地和低压系统接地联合接地、路灯系统采用TN-S接地系统的示意图（本图按箱式变压器将10kV高压柜、变压器、低压控制柜整体加工的常见做法）。当发生如图所示的10kV高压侧单项接地故障时，由于10kV系统为不接地系统，故障电流只能通过另两相对地电容返回电源。若10kV线路较短，此故障电流一般较小，一般只有几安培，很难造成人身触电伤亡事故。例如，假设1.5km的标称电压10kV，电缆型号为YJV22-3X120的电缆线路，其在10/0.4kV箱式变电站发生10kV接触箱变金属外壳接地故障短路时计算得短路电容电流越为1.8A，在接地电阻RB上产生的故障电压约为7V，对行人是比较安全的。5图2.210kV不接地、TN-S道路照明示意图但我国电力部门规定，10kV不接地系统单相接地故障电容电流Id值不超过20A，10/0.4kV变电站的接地电阻RB不大于4Ω，当发生此类故障时，10kV故障回路电源侧的断路器不必切断电源，只需发出故障信号[2]。当Id和RB都为最大值时，RB上对地电位Uf最大为80V，此电压超过了干燥环境下接触电压限值50V，也远超过路灯箱式变压器处于室外潮湿环境接触电压限值25V的要求。经计算，当10kV电缆线路（电缆型号按YJV22-3X120）超过5.2km时Uf即可达到25V。可见，10kV不接地系统高压电缆线路发生接触箱变金属外壳接地故障时对行人造成触电安全隐患是较大的。显而易见，如图2.2中的TN-S系统若发生上述故障，故障电压将沿PE保护线传导至沿线照明灯杆，引起触电安全隐患范围的进一步扩大。2.3.210kV经小电阻接地系统高压进线接地故障分析图2.3为10kV侧经小电阻接地（一般需安装接地变压器）的路灯TN-S系统示意图。由图可知，该系统当发生10kV接触箱变金属外壳接地故障时，由于故障电流Id具备返回电源的通路，一般可达数百安培以至近千安培[2]。不难计算求得RB上对地电位Uf为数百伏特至几千伏特。此类故障电压在10kV系统保护电器发生动作切断电源前可传导至箱变外壳和整个路灯系统，其对行人造成的电击危险可想而知。6图2.310kV经小电阻接地、TN-S道路照明示意图值得一提的是，当道路照明系统低压侧为TT接地方式时，10kV经小电阻接地系统发生上述接地故障时，虽然故障电压无法传导至照明灯杆，但低压线路和用电设备却存在绝缘被击穿的危险。这是因为发生上述接地故障时，相电压和线电压虽然不发生改变，但中性线和相线的对地电压却分别升高至接地电阻上的故障电压值Uf和Uf+220V。由于道路照明系统一般处于恶劣工作环境，则更有可能发生绝缘击穿造成设备损坏等用电安全事故。2.3.3TN-S接地系统低压接地故障分析图2.4为道路照明低压接地为TN-S方式的示意图。当发生图示低压侧单相接地故障时，由于道路照明系统配电线路较长，故障电流一般很小，难以使箱变内低压侧保护电器动作，此时故障电流将通过PE线回流至箱变接地电阻（假设路灯基础电阻非常大），引起接地电阻上电位升高，造成箱变外壳带危险电压。图2.4TN-S系统接地故障示意图试举一例说明，假设一道路照明系统线路长500m，共安装400W高压钠灯14盏（间距40m左右），电容就地补偿后功率因数为0.85，电缆型号为7YJV-4X25+1X16，箱式变压器处路灯保护电器为50A断路器（长延时脱扣器电流50A，瞬时脱扣器250A）。当线路最远端发生相线接触金属灯杆短路故障时（忽略灯杆电阻并假设路灯基础电阻非常大），计算可得故障电流约200A。而断路器瞬时脱扣器整定电流为1.3X250A=325A，故此时断路器不动作。不难得出Rb上的故障电压为200AX4Ω=800V，可见，若发生人接触箱变外壳是非常危险的。2.3.4TT接地系统低压接地故障分析图2.5为道路照明低压接地为TT方式的示意图。由于TT系统道路照明箱变低压侧保护电器一般装设漏电保护器，故障电流Id足以使之切断电源，故障不会延续[3]。图2.5TT系统接地故障示意图但若设计中没有装设漏电保护器或失灵，由上图可知RB上对地电位为：Uf=Id*RB=RB*UO/RB+RA+RE式中Uf—箱变接地电阻上故障电压V；Id—照明线路远端接地故障电流A；RB—箱变接地电阻，规定最大为4Ω；UO—单相接地故障电压，220V；RA—路灯接地电阻，规定最大为10Ω；RE—大地电阻Ω。当Uf≤25V时，可计算得出RE≥21.2Ω。此值一般较容易达到，可见TT系统发生相线接触金属灯杆短路故障时，其在箱变处引起的间接接触电击的8危险是有限的。2.3.5箱式变压器“一点接地”的人身电击防范措施由以上分析可知，路灯箱式变压器处10kV保护接地和低压侧系统接地联合设置的做法可能造成箱变外壳和金属灯杆带电引起的人身间接接触电击事故，若为10kV经小电阻接地的TT系统还可能造成设备绝缘损坏。为此，提出以下几点防范措施：（1）将路灯箱式变压器处10kV保护接地和低压侧系统接地分开设置(两组接地至少距离20m)[2]，以保证10kV侧接地故障无法通过低压系统传导至路灯金属灯杆，并且可避免造成10kV经小电阻接地的TT系统的设备绝缘损坏；（2）安装于室外的路灯箱式变压器应用围网将行人隔离，10kV保护接地电阻值应尽量小；（3）路灯低压系统尽量采用TT接地方式。分开设置箱变处接地系统、低压侧TT方式接地的示意图如下：图2.6箱变处接地系统分设、低压侧TT方式接地示意图3常见的两种分设接地的错误做法分析3.1TN-S系统PE线接地装置选用错误的分析工程中常见如图3.1所示将TN-S道路照明系统的PE线（有时为水平接地体）与箱变外壳保护接地RB连接在一起的错误做法。此做法虽然分开设置了接地装置，但当发生如图所示的10kV接地故障时，故障电压同样可沿PE线传导至沿线路灯金属灯杆，引起间接触电事故。正确做法是将PE线连接到9低压系统接地RB’上。图3.1PE线接地装置选用错误示意图3.2两组接地距离太近的错误做法的分析如图3.2为某道路照明工程箱式变压器接地系统施工图。该做法虽然将10kV保护接地和低压系统接地分开设置，但从图中可看出两组接地间距仅为1m,难以保证两组接地系统不互相影响。根据2.3.5节中结论，正确做法应保证两组接地间距达到20m以上，可从低压配电盘与框架绝缘的PEN母线排引出一单芯绝缘电缆做接地线在距箱变设备外壳的保护接地至少20m处另打箱变低压系统接地的接地极[2]。图3.2一种箱变分设接地系统的做法图4结论及尚待解决问题通过上述研究可得出以下结论：（1）无论10kV接地或不接地系统，当路灯箱变“一点接地”方式发生10kV接触箱变外壳短路时，均有可能使道路照明系统的室外箱式变压器外壳10带危险电压，此危险电压还可沿TN-S系统的PE线传导。若为