金属灯杆漏电保护方式的选择

   
    随着城市道路建设水平的不断提高，美观并极具现代感的金属材质灯杆得到了广泛地采用。但是，随之而来解决金属灯杆漏电保护的问题，关乎过往行人的人身安全，日益为业内人士所关注。经过长期的摸索与实践，最终选定金属灯杆和电缆供电方式，采用零线重复接地。我们从几种保护方式的原理、作用和适用范围作比较，分析采用零线重复接地保护的必要性。
    经典的“保护”有两种：接地保护和接零保护。水利电力部颁发的《电力设备接地技术规程》（SDJ8-79）第3条：“为保证人身和设备的安全，电力设备宜接地或接零。”从广义来讲，它们都是防止电器设备外壳意外带电造成人身触电的重要防护措施。但是，接地和接零保护这两种方式，不仅保护原理不同，在使用范围上也有区别。
   选择金属灯杆漏电保护方式的原则须按照水利电力部颁发的《电力设备接地技术规程》（SDJ8-79）第9条：在中性点直接接地的低压电力网中，电力设备的外壳宜采用低压接零保护，即接零。……采用接零保护确有困难，且土壤电阻率较低时，可采用低压接地保护，即接地。但如果用电设备漏电，设备外壳，变压器外壳极其接地线都有可能带电，应采取装设自动切除接地故障的继电保护装置，……等安全措施。
   根据国际电工委员会标准IEC479-1的规定：正常环境下当接触电压不超过50V时，人体可接触此电压而不受伤害。……不致引起人体心室颤动的最大电流50mA。因此，金属灯杆漏电保护的目标应该使接触电压不超过50V；电流不超过50mA。
    一、接地保护
    所谓接地保护，是指电气设备的金属外壳直接与接地体连接的方式。从原理上讲是一种降低故障电压的保护。降低接触电压的危险程度，减少触电死亡的可能性。
    在路灯低压系统中，当某一相带电部分接触到设备金属外壳造成短路时，流过接地体Rd的短路电流Id通过和电源变压器的接地电阻R0形成回路。
    短路电流：
            Id= U /（Rd+R0）
    短路电压：
            Ud=Id×Rd=[ U /（Rd+R0）] ×Rd
    式中：U-电网相电压；
               Rd-保护接地电阻
               R0-变压器中性点接地电阻
    按照《电力设备接地技术规程》（SDJ8-79）第21条“低压电力设备接地装置的接地电阻不宜超过4Ω”的要求。
    Id= U /（Rd+R0）=220 / （4+4）=27.5A
    Ud= Id×Rd =27.5×4=110V
    若金属灯杆采用保护接地，漏电设备对地电压虽然有大幅降低。但是，将接触电压限制在50V以下是比较难做到的。而此时的短路电流27.5A，又不足以使一台仅20kVA路灯单相变压器熔断器动作，这种危险的情况会较长时间存在。一旦人体与漏电设备接触，接地体电阻Rd 和人体电阻Rr处并联状态，人体将同样承受110V的接触电压。人体电阻Rr：根据ICE479-1（1984）公布人体阻抗概率值，接触电压为220V，人体电阻虽有所不同，（1000Ω占5%、1350Ω占50%、2125Ω占95%）即使Rr远大于Rd ，但在人体的分流也不能完全满足≤50mA的要求。
    二、接零保护
    所谓接零保护，是指电气设备的金属外壳直接与零线连接的方式。从原理上讲是一种故障过电流保护。当某相带电部分接触到设备金属外壳时，通过设备外壳形成该相对零线的单相短路，产生较为强大的短路电流使线路上的保护装置（如熔断器或空气开关等）迅速动作，从而把故障部分从电网中切除，以消除人体触电危险。
    保护接零适用于变压器低压侧中性点直接接地的电网。保护接零措施能否有效的防止触电事故，其关键还在于线路上的保护装置整定值的选择，以保证动作能够有效、迅速、准确。《电力设备接地技术规程》（SDJ8-79）第52条：中性点直接接地的低压电力设备，为保证自动切除线路故障段，其接地线和零线应保证在导电部分与被接地部分或零线之间发生短路时，电力网任意点的短路电流不应小于最近处熔断器熔体额定电流的4倍，或不应小于自动开关瞬时或短延时动作电流的1.5倍。在中性点直接接地的低压电力网中，相线与零线之间的短路电流计算：
    Id= U/（zd+zb）
    式中：U-额定电压
               zd-导线的回路电抗，可按0.6Ω/km计算
               zb-变压器阻抗的算术平均值
    利用上式计算在线路末端发生短路故障时的短路电流值，作为控制箱内选择开关的过电流脱扣值或熔断器熔体的额定电流值。
    假设：一台单相50kVA变压器，向一侧无支线供电，距离为500m，采用VLV2×35mm2电缆。在不改变电源变压器阻抗时，当在电缆末端发生直接短路故障时，其故障电流值：
    Id= U /zd = 220 / （0.6×0.5×2）= 366.7A
    变压器二次侧低压熔断器应按变压器二次额定电流200A装设。在路灯控制箱内的路灯单相刀闸保险片可按336.7/4=84.2A选80A；若采用自动空气开关可按336.7/1.5=224.5A选择自动空气开关过电流脱扣器的额定电流为200A。
    三、零线重复接地保护
    顾名思义，即在接零保护的基础上，零线再与接地极作可靠连接。
    在TN系统中，其接地故障保护电器的动作特性应符合：
    U ≤ Zs×Ia
    式中：U-相线对地标称电压
               Zs-接地故障回路阻抗
               Ia-保证保护电器在不大于5s时间自动切断故障线路的动作电流。
    当相线与大地间发生直接短路故障时，为了保证保护线和与它相连接的外露可导电部分对地电压不超过约定接触电压极限值50V，还应满足：
    RB / RE ≤ 50 /（U-50）
    式中：RB-所有接地极的并联等效电阻
               RE-单体接地电阻
               U-额定相电压
    若单体接地电阻RE=10Ω，则RB=2.9Ω。
    为使所有接地极的并联等效电阻达到≤2.9Ω，近年来，采用Φ10热浸镀锌圆钢沿电缆线路直埋地下，形成单相三线制系统，PEN线与Φ10圆钢在变压器处与变压器的接地极连接并在线路的首端、末端、分支点及相隔150米处设单体接地极，形成地线网。每个单体接地极的接地电阻不大于10Ω。这种做法的目的使整个接地网的等效接地电阻值不大于2.9Ω。
    四、保护方式的比较
  （一）保护原理不同
    1、 接地保护的原理：限制漏电设备的对地电压，使其不超过安全范围。
    2、 接零保护的原理：电器设备漏电时利用与零线的连接形成单相短路电流，促使线路上保护装置动作，从而使故障设备脱离电源。
    3、 零线重复接地保护的原理：既能起到电器设备漏电时利用与零线的连接形成单相短路电流，促使线路上保护装置动作；又能起到限制漏电设备对地电压作用。
  （二）适用范围不同
    1、接地保护适用于低压不接地电网。土壤电阻率低是适用的前提条件。
    2、接零保护适用于低压中性点直接接地的电网。路灯低压电网是中性点直接接地系统，适用于接零保护方式。
  （三）保护的安全可靠性不同
    1、接地保护由于各种客观条件的限制，很难将接地电压限制在50V以下，且在人体电阻远大于接地电阻的情况下，也比较难以满足通过人体的接地电流≤50mA的要求。
    2、接零保护从原理上及在正常状态（设备老化、腐蚀）下，能够可靠的起到保护作用。但是，路灯低压电网有其客观的特殊性。路灯灯杆立于道路两侧边缘，路灯电缆管线是所有市政综合管线中最上层、埋深最浅的。汽车撞杆、其它管线施工对路灯电缆管线造成的外力破坏经常发生。单纯依靠接零保护，一旦因外力破坏造成电缆零线断开，故障点以后的设备将失去保护。因此，仍有不完善之处。
    3、零线重复接地保护，兼具前述保护方式的优点，保证了零线断线后，故障点以后的设备仍不失去保护，对设备和人身更安全、更可靠。
    综上所述，采用零线重复接地的保护措施，使短路故障设备尽快脱离电源；保证了故障点以后的设备仍不失去保护。尽管对供电可靠性有一定影响，但遵循“以人为本”的原则，为确保人身安全，金属灯杆漏电保护采用零线重复接地的保护方式确为首选。
    五、需要注意的问题
   （一）路灯电缆系统的地线网有较大优越性
   1、地线网作为一种金属导体，起到调节整个地线网等效接地电阻值的作用。路灯电缆线路比较长，各个局部土壤的电阻率不同，通过地线网的敷设、连接，平衡了各个局部的接地电阻值，使整个地线网络形成一个等效接地电阻值。
   2、降低接地系统接地电阻值的有效做法，就是增大接地体与土壤的接触面积。随着地线网的延伸，客观上起着增大接地体面积的作用，有效地降低了接地电阻值。
   （二）在地线网敷设过程中，存在一定的误区
   1、有些保护的做法提倡对路灯低压系统，也要采用三相五线制电缆或单相三线制电缆。利用电缆的一芯作为接地线。这种提法只注意到地线网调节整个线路等效接地电阻值的作用，而忽略了地线网增大接地体面积，有效地降低接地电阻值的重要作用。接零保护接地网的主要目的之一是零线断开后，使故障点以后的零线仍有地线网使其保持零电势。把地线网用绝缘材料包裹起来，达不到增大接地体面积的作用；零线也达不到良好的接地效果。
   2、遇有地线网等效接地电阻值达不到标准时，常采用的方法是增加接地极数量，即补砸地线钎子。这一施工环节对于有多年施工经历的人来说，是一项危险系数比较高的作业。由于地下管网综合的资料并不准确，不够全面，尤其是国防、重要政治用户的管线资料几乎没有标注。所以，地线钎子砸下去将会遇到什么，完全没有把握。如果砸破电力、燃气管线，施工人员的生命安全将受到极大的威胁，同时造成的社会影响也是极其负面的。
    在这种情况下，我们不妨换位思考：接地极的做法是所谓“挖2米、砸2米”，目的是尽量使接地极垂直向下接近地下水位线，使接地极处在比较湿润的土壤环境中。如果地线网向着能够长期保持土壤湿润的区域（如绿地、边沟等）横向延伸，所取得的效果不逊于增加接地极数量。同时能够有效地保护施工人员的生命安全。
    2000年北京二环路改造工程，主要内容：水泥灯杆改为金属灯杆。由于没有条件全线开挖，原电缆线路不动。换为金属灯杆以后，采用每基杆单体接地的保护方式。由于当时北京连年少雨，地下水位下降，土壤电阻率较高，连续几组接地极砸下去，包括原有的几组接地极的摇测结果，平均每组接地极的接地电阻值一般在30Ω左右，个别的甚至在100Ω以上。局部将接地极连接成网以后，虽有所缓解仍不能达到标准要求。不得已，沿线路按要求全线敷设地线网，在条件允许的地段，将地线网延至路边的绿地内，做好接地极。地线网连接好以后，摇测整体接地电阻值低于4Ω，使线路接地电阻的整体效果达到技术要求。