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路燈配電係統的若幹問題

2019-10-15 10:58:21      點擊:

1 引 言

相對於室內照明而言,室外路燈照明的安裝及敷設環境較差,線路距離較長,可達1000m以上,負荷分散但容量不大。我國雖於1992年就頒布了行業標準《城市道路照明設計標準》(CJJ 45-91)(以下簡稱《路燈規範》),但因當時條件限製,規範未能就路燈照明配電係統作出更為詳盡而完善的規定。隨著我國城市及道路建設的進一步蓬勃開展,對於路燈照明的深入研究已迫在眉睫。

路燈配電係統的以下幾個問題尤其值得關注:

①單相短路;

②靈敏度校驗;

③保護設置;

④接地型式等。

2 工程實例

某城市道路照明由一台SG-10/0.4kV, 100kVA ,D,Yn-11(Uk=4.5%)箱變供電。箱變內帶3m長LMY-4(40×4)低壓母線。箱變遠離10kV係統內發電機組,係統短路容量Sd =200MV·A。以箱變為起點,其中的一個路燈回路的線路長為990m,沿道路呈線狀布燈(即中間無分支)。路燈為金屬燈杆(以下未指明的均同此),縱向布置間距為30m(該回路共有990/30=33套燈具),燈杆高為10m。燈具為220V、 250W高壓鈉燈(自帶電容補償,cosφ=0.85),鎮流器損耗為10%。路燈以L1、L2、L3依次配電,燈杆內燈具引接線為BVV-3×2.5mm2。路燈幹線為三相配電,線路為VV-4×25+1×16 mm2,穿PVC70管(用於分散接地的TT係統時,線路則為VV-4×25 mm2 ,穿PVC70管)。

3 單相短路電流的計算

路燈可歸類於固定式配電設備(I類設備),其線路須有過載、短路或接地故障保護。單相短路包括單相接地短路故障(以下簡稱“接地故障”,例如圖1中的f1、f2)和相-中短路(以下簡稱“L-N短路”,例如圖1中的f3)。本節中的3.1及3.2小節,將以路燈的TN-S係統為例,先來具體計算接地故障電流。

3.1工程實例的單相接地故障電流

單相接地故障電流要按照相-保回路進行計算。當線路最末端發生單相接地故障(即圖1中f1)時,該相-保回路中,共有高壓係統、變壓器、低壓母線、低壓電纜、燈頭引接線等五種阻抗元件,單相接地故障電流:

Id=220/√(Rφp2+ Xφp2) ⑴

式中,Rφp——回路各元件相保電阻之和,即Rφp= Rφp.s+ Rφp.t+Rφp.m+ Rφp.l+ Rφp.x;Xφp——回路各元件相保電抗之和,即Xφp= Xφp.s+ Xφp.t +Xφp.m+Xφp.l +Xφp.x。其中的Rφp.s、 Rφp.t、Rφp.m、 Rφp.l、Rφp.x,分別為前述的高壓係統、變壓器、低壓母線、低壓電纜、燈具引接線之相保電阻(Xφp含義類此,不重述)。

依照參考文獻的表4-28~表4-34,就本工程實例而言:①高壓係統Rφp.s=0.05mΩ,Xφp.s=0.53mΩ。②變壓器Rφp.t=(33.68×3)/3=33.68mΩ,Xφp.t=(63.64×3)/3=63.64mΩ。③低壓母線Rφp.m=0.372mΩ, Xφp.m=0.451mΩ。④低壓電纜Rφp.l=2.699×990=2672.01mΩ, Xφp.l=0.192×990=190.08mΩ。⑤燈具引接線Rφp.x=20.64×10=206.4mΩ, 相保電抗Xφp.x=0.29×10=2.9mΩ。

因此,回路總相保電阻Rφp= 0.05+33.68+0.372+2672.01+206.4=2912.5(mΩ),總相保電抗Xφp=0.53+63.64+0.451+190.08+2.9=257.6 (mΩ)。於是,Id=220V/√(2912.52+257.62)mΩ=220V/2923.9mΩ=0.075kA=75A,此即本工程實例中,線路盡頭燈具處的單相接地故障電流值。

3.2不同電纜截麵時的單相接地故障電流

為便於比較,把上述工程實例中的電纜,分別換用VV-5×25、VV-4×35+1×16、VV-5×35等不同截麵的電纜,可求得不同情況下的單相接地故障電流(增減百分比均以原VV-4×25+1×16為比較基準),從計算過程看出:①當路燈線路很長時,因回路阻抗較大,故其末端單相短路電流的數值較小(甚至不足100A),這樣就不利於線路前端的短路保護電器之動作。這也是路燈配電設計中值得關注的首要問題。②加大導線的截麵(尤其是PE線的截麵),可以顯著增大單相接地故障短路電流。可謂“花錢不多,效果顯著”,因此,它理應成為提高路燈短路靈敏度(稍後講述)的首選措施。

3.3 L-N短路電流

對於發生概率很小的L-N短路,由於與單相接地故障同屬單相短路,計算方法和公式也就基本相同,但其區別也是明顯的:接地故障跟PE線重複接地電阻值大小有關,可由RCD來擔當保護;而L-N短路則與接地電阻大小無關,也無法利用RCD的漏電保護功能來實施保護。

4路燈線路幹線開關的選擇

4.1路燈幹線開關保護的基本要求

一個路燈回路的完整保護,應至少包括兩級:配電線路幹線開關保護和燈具短路保護。幹線開關的選擇,除要按箱變內母線出口處三相短路電流來校驗其分斷能力外,尚應保證開關在該回路燈具啟動和工作時均不誤動作,而在過載、短路或接地故障時則應可靠動作。此外,幹線開關還要盡量與其下一級保護(即圖1中的“燈具開關”)做好級間配合,不越級跳閘。

因路燈箱變內的變壓器容量往往較小而阻抗較大,故箱變內低壓母線出口處的三相短路電流值較小,常規塑殼斷路器的短路分斷能力均可滿足要求。

而為了使路燈低壓斷路器可靠切斷故障電路,必須校驗斷路器脫扣器動作的靈敏度Klm,即:

Klm= If/Ir2 ⑵

式中:Klm≥1.3;

If——路燈線路末端最小短路電流,對於TN係統為相—保短路(即單相接地故障)或L-N短路電流,對於TT係統為L-N短路電流;

Ir2——斷路器短路過電流脫扣器的整定電流值。

前麵已述及,路燈回路線路長、阻抗大,從而單相短路很小;若斷路器短路過電流脫扣器的整定值設計較大,則該短路電流可能不足以推動斷路器可靠動作。

4.2 TN-S係統配電線路幹線開關的選取

4.2.1過載長延時保護

照明用低壓斷路器的長延時過電流脫扣器的整定電流為:

Ir1≥Kr1?Ic ⑶

式中:Kr1——長延時過電流脫扣器的可靠係數,取1.1;

I c——照明回路的計算電流。

就工程實例而言(33套燈具),回路計算電流Ic =33×0.25×(1+10%)/(√3×0.38×0.85)=15.92A,故Ir1≥1.1×15.92A=17.51A,初取Ir1=20A。

4.2.2短路保護

照明用低壓斷路器的短路過電流脫扣器的整定電流為:Ir2≥Kr2?Ic。式中,Ic——照明回路的計算電流;Kr2——短路過電流脫扣器的可靠係數。經過充分足夠次數的實踐檢驗,在路燈回路中,為了可靠避讓燈具啟動之影響, Kr2可由路燈(基本為HID燈)的啟動倍數(指啟動電流與工作電流之比),再乘以一個裕量係數1.3來得到。而根據相關資料,HID燈具的啟動倍數一般介於1.3~1.9之間,因此取Kr2=1.9×1.3=2.47。另一方麵,Ir2也經常以長延時整定電流Ir1與整定倍數(特指斷路器短路過電流脫扣器的整定電流與長延時整定電流之比)K的乘積形式來表達,即Ir2=K?Ir1,於是有Ir2=K?Ir1≥2.47Ic,由此可得整定倍數K≥2.47(Ic/Ir1)。

另一方麵,為了保證短路靈敏性,由式⑵可得到:If≥1.3Ir2 =1.3(K?Ir1),故K≤If/ (1.3Ir1)=0.77(If/Ir1)。至此,即得到K取值範圍的完整計算公式:

2.47(Ic/ Ir1)≤K≤0.77(If/Ir1) ⑷

式⑷表明,降低回路運行電流或增大回路短路電流,對於拓寬K的取值範圍都十分有利。此外,斷路器短路過電流脫扣器的整定倍數K一定要合理取值,其大小應有所限製:K若整定太小,則無法避開燈具啟動電流,可能導致開關誤動;K若整定太大,又無法滿足短路靈敏度要求,可能導致開關拒動。

就本工程實例而言,當路燈配電幹線最末端發生接地故障(即圖1中的f2)時,燈具引接線(BVV線)的相保阻抗不再計入回路中。可以計算得知此時的接地故障電流If=81A,代入到式⑷中就得到,1.966≤K≤3.119。如此小的K值,已無法選用常見的A類斷路器;而B類斷路器(如CM1E)的K值的調節範圍很大,故推薦選用。對於本例而言,幹線開關可選取K=2.0或2.5或3.0(短延時倍數)的CM1E。若取中間值2.5,則Ir2=K?Ir1=2.5×20A=50A(短延時脫扣器整定電流值)。

為了從動作時間方麵來滿足上、下級間配合,此處利用了B類斷路器的短延時脫扣器的短延時功能而非瞬時脫扣器的瞬動功能。

另外,隻要具體設計中保證路燈配電線路的N線截麵不小於PE線截麵, L-N短路電流就必然不小於接地故障電流。因此,就可利用上述的B類斷路器CM1E,來兼顧接地故障和L-N短路兩種保護。

當然,當L-N短路忽略不計時,也可采用RCD來作為路燈幹線開關(RCD的選擇可參照下述關於TT係統的闡述)。

4.3 TT係統配電線路幹線開關的選取

TT係統路燈配電線路的幹線開關,推薦采用RCD或其組合電器。

4.3.1過載長延時保護與TN-S係統整定相同。

4.3.2短路保護

路燈配電采用TT係統時,幹線開關一般要采用RCD來作為接地故障保護。

根據《漏電保護器安裝和運行》(GB13955-1992), RCD額定漏電不動作電流的優選值為0.5倍的額定漏電動作電流I△n。同時前者也不應小於回路的正常運行最大泄漏電流Ix的2倍。因此:

I△n≥2?2Ix

即:

I△n≥4Ix ⑸

路燈回路正常運行泄漏電流Ix主要由三部分組成:各燈具正常泄漏電流Ix1、各燈具引接線正常泄漏電流Ix2和幹線正常泄漏電流Ix3。

a. 對於Ix1,根據《電光源的安全要求》(GB 7248-87)規定,“B15d、B22d、E27、E40和G13型燈頭的絕緣電阻,在正常氣候下不應低於50MΩ,在潮濕氣候下不應低於2MΩ”。由此推算HID燈(220V)的正常泄漏電流,分別應是220V/(50~2)MΩ=0.0044~0.11mA。對於單相回路的路燈而言,燈具總泄漏電流即為各燈具泄漏電流之代數和。而對於本文工程實例的三相回路而言,因路燈幹線為三相配電且均衡分布,則其泄漏電流之矢量和Ix1基本為0。

b. 單套燈具的引接線(BVV線,長度為10m)正常泄漏電流可查參考文獻的表11-27,近似為50mA/km。若為三相配電回路,可認為其矢量和Ix2為0。

c. 根據相關資料,電纜幹線線路正常泄漏電流可按21.66mA/km計算,故Ix3=(990m/1000m)×21.66mA=21.44mA。於是,一個完整的三相路燈回路的正常最大泄漏電流理論值為Ix= Ix1+ Ix2+ Ix3≈21.44(mA)。實測數據也基本與此相當。

因此,幹線開關RCD的額定漏電動作電流I△n≥4Ix=4×21.44mA=85.76mA。根據RCD的製作規格(優選值), I△n取值為100mA、300mA、500mA等,建議取值300mA及以上。當要和末端燈具開關RCD(0.1s)作時間上的配合時,幹線開關RCD的分斷時間可取0.2s。

上述RCD的漏電保護功能,僅針對接地故障而言。當接地故障和L-N短路需同時考慮時,則推薦采用“RCD + B類斷路器”的組合型電器。而B類斷路器的選擇,仍與TN-S係統的類同,不贅述。

5燈具的短路保護

單個燈具屬於不可能過載的設備,故燈具處無須設置過載保護;而鑒於燈具分支線處的導線截麵顯著減小(跟幹線相比),因此每個燈具處宜設置短路保護。該短路保護電器的選擇,應保證在燈具正常工作電流和啟動尖峰電流下均不誤動作,而短路時則應可靠動作,並按故障短路電流來校驗其切斷時間。

5.1 TN-S係統的燈具短路保護

本工程實例中,每燈的工作電流為Ic=250W×(1+10%)/0.85×220V=1.45A。根據前述的4.2.2小節,為可靠躲開燈具啟動電流,當選擇熔斷器作為燈具開關時,其熔體電流要大於燈具工作電流的2.47倍,則熔體額定電流取為4A。

路燈屬於固定設備,根據《低壓配電設計規範》(GB50054-95)(以下簡稱為《低規》),其接地故障保護裝置的切除故障時間不宜大於5s,此時就要求短路電流與熔體額定電流之比不應小於4.5(當熔體電流介於4~10A之間時)。而本文的第3節裏,已求得接地故障電流為75A,故有靈敏係數75A/4A=18.75,>4.5,就是說,可選取4A熔斷器(RL1)作為250W燈具(cosφ=0.85)的短路保護。

燈具開關采用小電流的熔斷器時,其短路靈敏係數基本都在十幾以上。因此,短路時熔體通常會迅速(甚至0.01s以內)熔斷。這樣,隻要幹線開關(B類斷路器)的短路短延時時間整定為0.2s,就完全可以通過動作時間來滿足級間配合。

鑒於成本相對低廉的RL1熔斷器已足以勝任單個燈具的短路保護,而MCB和RCD成本都相對較高,且不易解決防盜問題,故在TN-S係統中對後二者不予以討論。

5.2 TT係統的燈具短路保護

TT係統一般通過預期接觸電壓來規定接地故障保護裝置的動作特性。而路燈雖處室外環境,但其安裝場所一般都較為開闊,一旦人畜觸電,都較容易擺脫;此外,現有國內規範、標準等,均未明確將路燈安裝場所歸類到“特殊環境”。有鑒於此,路燈TT係統的保護裝置仍按符合下式條件即可:

RA?Ia≤50V ⑹

式中:RA——外露可導電部分的接地電阻和PE線電阻之和(Ω);

Ia——保證保護裝置切斷故障回路的動作電流(A)。

根據現有《路燈規範》,當忽略接觸電阻和PE線電阻時,RA要小於10Ω。於是,保護電器的動作電流Ia≤50V/10Ω,即 Ia≤5A。而就工程實例而言,若250W燈具的保護電器欲選用熔斷器,則其熔體電流至少應為4A(見前述第5.1節)。這就意味著,250W燈具保護的熔斷器之熔體電流值,此時隻能介於4~5A之間(理論值),極為局促。顯然此時不宜選用熔斷器。

但若《路燈規範》裏規定的接地電阻值可適當下降,比如為4Ω,則動作電流Ia取值範圍有所擴寬,最大可達50V/4Ω=12.5A。這對於常規的150~400W的路燈燈具保護,已大致足夠。此時的熔斷器因動作電流甚小,也可兼作燈具處的L-N短路保護。

若要維持規範裏的10Ω接地電阻不變,則應采用高靈敏度、快速動作型、帶短路保護功能的RCD。對於本工程實例,可選擇額定電流In=6A、I△n=30mA、分斷時間為0.1s的單相RCD(須帶短路保護功能)。當然,燈具處選用RCD作保護,始終存在成本較高、防盜不易解決等問題。故僅在經濟條件許可及管理完好的小區裏,才考慮以RCD作為末端保護。

盡管規範未明確路燈線路是否要做到嚴格的級間配合,而在設計中則應盡量予以滿足。當TT係統的路燈采用上、下兩級RCD保護時,若發生接地故障(常見),通過RCD的動作時間差,無疑能滿足動作選擇性要求;但若發生L-N短路(少見),則動作選擇性不一定能得以確保。值得一提的是,當燈具開關采用熔斷器,而幹線開關采用RCD時,則無論在分斷時間或動作電流上,二者都較難配合,即當熔斷器的負荷側發生接地故障時,作為配電線路幹線開關的RCD很可能出現越級跳閘。

6保護接地

關於路燈的保護接地,《路燈規範》第 5.1.9條規定:“可觸及的金屬燈杆和配電箱等金屬照明設備均需保護接地,接地電阻應小於10Ω。”該規範條文較為籠統,既未闡明具體如何做保護接地,也未區分TN係統和TT係統接地之差異。

6.1 TN-S係統的保護接地

從理論上講,TN-S係統中發生短路時,短路電流並不流經大地。因此,《路燈規範》是否硬性要求保護接地電阻為某一具體數值(如10Ω),實際上對於人身、設備安全以及保護電器之選取等,都不會產生實質性的影響。

在具體實踐中,燈杆處是否要設置保護接地體(即PE線是否重複接地),各地的設計方法不盡相同,但大都采取了每根燈杆或數根燈杆設置一組接地裝置。而單純從TN係統的自身定義來看,無論PE線有多長,它僅在電源處與N線互相接通並接地即可,PE線自身無須重複接地。對此,《路燈規範》無明確要求。

總而言之,在TN-S係統裏,盡管在燈杆處設置PE線接地裝置的做法較為普遍,但其設置的理論依據並不充分。

6.2 TT係統的保護接地

TT係統內,電源有一點與地直接連接,該接地極與負荷側電氣裝置外露可導電部分的接地極無電氣聯係。但是,處於同一個路燈配電線路幹線開關保護之下時,作為負荷側電氣裝置的路燈燈杆處的各個保護接地極,到底是彼此連通,還是彼此獨立呢?又該如何保證工作接地極與保護接地極“無電氣聯係”呢?

6.2.1各路燈的保護接地極共用

《低規》第4.4.12條規定:“TT係統配電線路內,由同一接地故障保護電器保護的外露可導電部分,應用PE線連接至共用的接地極上”。就TT係統路燈的一條配電線路而言,該回路上的所有路燈及其線路(燈具開關之前),均由本線路始端的幹線開關(一般為RCD)提供接地故障保護。因此,若按《低規》,該回路中的所有路燈燈杆的外露可導電部分,就必須通過PE線接至共用的接地極,而不得采用彼此孤立的接地極。也惟有如此,本線路上任一點發生接地故障,都可以通由貫通的PE幹線獲得較大的短路電流,從而使得幹線開關(RCD)能可靠動作,及時切除故障,這就是執行規範條文之優點所在。

共用接地極時,若接地故障發生在燈具開關RCD(I△n=30mA)之後(參見圖1中的f1),則要求RA≤50V/0.03A=1666Ω即可;若接地故障發生在燈具開關RCD(I△n=30mA)之前、幹線開關RCD(I△n=300mA)之後的外露可導電部分(參見圖1中的f2點),則RA≤50V/0.3A=166Ω。綜合二者結果,接地電阻限值應取後者(即小於166Ω)。

由此可見,共用接地體的TT係統中,若同一回路的上下級均采用了RCD作為接地故障保護,則對保護接地電阻值的要求比較寬鬆,很容易滿足,從而無須每燈杆處設置接地體。但若采用熔斷器作為燈具短路保護,則燈杆處保護的接地電阻越小越好(比如在4Ω以下)。

但各路燈共用了接地極的TT係統,需要單設PE線,且一處路燈發生接地故障,則故障電壓就會經過貫通的PE線蔓延至臨近路燈上,這就喪失了TT係統的獨特優點。

6.2.2各路燈的保護接地極分設

TT係統的自身定義及其具體實踐都表明:TT係統中,同一接地保護裝置下的不同被保護對象,其外露可導電部分也可分設接地體,無須強求共用接地體(但人可同時觸及的外露可導電部分除外)。分設接地體可避免接地故障電壓沿PE線蔓延;此外,供電電纜可采用四芯,較五芯為節省。

但是,分設接地極的做法直接與上述的《低規》第4.4.12的條文規定相“衝突”,致使設計時難以抉擇。而且,每處燈杆都要單設接地體,較為浪費接地鋼材。

6.2.3工作接地極與保護接地極的間距問題

TT係統的工作接地極與保護接地極之間,應該是不存在電氣聯係的。而相關資料(例如《民用建築電氣設計規範》(JGJ/T 16-92)第14.7.4.3條及其條文解釋)表明,工作接地和保護接地兩個接地體間,若要徹底脫離電氣聯係,則二者的最小淨距不宜小於20m(對應於特定的土壤電阻率)。而路燈箱變的金屬外殼、金屬底座、基礎鋼筋等,都必須與PE線連通,因此,箱變處的接地體僅適合作為保護接地,而難以作為N線的工作接地。為此,變壓器中性點處引出的N線必須另穿絕緣套管,拉到距離箱變20m以遠的地方,單獨設置工作接地體;且該接地點的半徑20m以內,不得存在任何本配電係統的保護接地體。而這一點有時是較難實現的,它也成為路燈實施TT係統的一個瓶頸問題。

7 路燈采用TN-C係統合適嗎?

路燈基本采用HID燈,它屬於典型的非線性負荷,其配電線路中含有以三次諧波為主的奇次諧波電流。理論分析和實驗測定都表明,即便是三相完全平衡的氣體放電燈線路,N線上通過的高次諧波仍達相線電流的30%以上;若為三相非平衡線路,則PEN線通過的諧波電流更大。於是,當路燈采用TN-C係統(非指TN-C-S係統)時,如此大的工作電流平時即在PEN線上流通,使得路燈金屬燈杆和箱變的金屬外殼上麵,正常運行時即不可避免地帶有較高的電位,可能造成觸電威脅。更為嚴重的是,萬一PEN線發生斷線故障,則相電壓就通過燈具直接加在燈杆或箱變等設備外露可導電的金屬外殼上(而保護電器還難以覺察),這是比較危險的。因此,路燈配電不推薦采用TN-C係統。

8 路燈采用II類設備的可行性

II類設備具有雙重絕緣或加強絕緣,不需要PE線,不需要保護接地,且簡單易行,可確保人身安全。它若用於路燈係統,應具備較強的可操作性和經濟性。

路燈係統采用II類設備時的可能措施:采用非金屬外殼的箱變;塑料絕緣電纜全程(包括燈座內接頭處)穿於塑料管中(不宜采用金屬管);燈杆內的燈具連線為雙絕緣線BVV,且穿塑料管;燈具采用II類燈具。若無法保證後兩條措施,則燈杆要製作成非金屬燈杆(如水泥燈杆),或在金屬燈杆表麵塗以符合規範的絕緣材料。

當然,當路燈係統內全部采用II類設備時,雖無須考慮接地故障保護了,但若要顧及L-N短路,則仍應進行L-N短路靈敏度校驗並采用相應措施。

9幾點結論

a. 長距離的路燈線路,必須充分重視短路靈敏度的校驗。采用低壓斷路器時,路燈短路靈敏度與斷路器短路過電流脫扣器的整定倍數K密切相關,而K的取值範圍大致為:2.47(Ic/ Ir1)≤K≤0.77(If/ Ir1)。而校驗路燈短路靈敏度時,是否兼顧接地故障和L-N短路,將直接關係到配電係統方案的不同。采用低壓斷路器配電而短路靈敏度不足時之解決途徑:①采用D,Yn11變壓器。②合理降低斷路器的整定倍數K。③適當加大PE和N線截麵。④適當減小回路正常運行電流。

b. 路燈TN-S係統宜以B類斷路器作為幹線開關,TT係統則宜以RCD或其組合電器作為幹線開關。路燈係統幹線開關RCD之I△n要合理取值。

c. TT係統中,接地電阻值較大時,應采用RCD作燈具開關;反之,可用熔斷器保護。現階段,路燈若采用TT係統尚會受到一定的製約。

d. 路燈配電不推薦采用TN-C係統。

e. 路燈係統可考慮采用II類設備。

參考文獻

中國航空工業規劃設計研究院等·工業與民用配電設計手冊(第二版)·北京:水利電力出版社,1994:120~121,129~137,527