室外照明系统接地形式及接地电阻浅析

中信集团武汉市建筑设计院 陈 车 / 李 蔚 / 刘 敏

1 引言

室外照明系统的接地形式是采用TN-S系统还是采用TT系统，一直是一个值得讨论的问题。根据新颁布的《民用建筑电气设计规范》JGJ16-2008（以下简称新《民规》）第10.9.3规定“安装于室外的景观照明中距建筑物外墙20m以内的设施，应与室内系统的接地形式一致，距建筑外墙大于20m宜采用TT接地形式”、“室外分支线路应装设剩余电流动作保护器”。由此推广到室外道路照明、庭院照明等也可参照此规定。

为什么规定20m的界线？为什么室外照明推荐采用TT接地形式？TT接地形式实施中有什么值得注意的地方？

2 规定20m界线的原因

笔者认为有两个原因，原因一：根据新《民规》条文说明第12.7.1条可知：两个接地系统在电气上要真正分开，在地下必须满足一定的距离，否则两个接地系统形式上是分开了，而电气上实际仍未分开，理论上两个接地系统互不影响的距离为无限远，实际工程可取20m。故要求室外照明距建筑物外墙20m以内的设施，应与室内系统的接地形式一致，多为TN-S系统。

原因二：室外照明距建筑物外墙20m以内时，配电线路较短，阻抗较小，当线路末端发生单相接地故障时，其故障电流往往也较大，容易使断路器或熔断器动作。故此时采用与建筑物接地形式一致的TN-S系统也较为安全。

3 室外照明系统采用两种接地形式的比较

3.1 TN-S系统

图1 两种接地形式图示

如图1，TN-S接地形式是把中性线N和专用保护线PE严格分开，当系统正常运行时，专用保护线上没有电流，只是中性线上有不平衡电流。PE线对地没有电压，所以电气设备金属外壳接地保护是接在专用的保护线PE上，安全可靠。但其缺点也很突出，主要有以下几点：一是室外照明线路容易遭到损坏，如果PE线断开，就起不到保护作用，可能导致电击事故；二是建筑物内部通常采用TN-S或TN-C-S接地形式，能保证安全的一个重要前提条件是建筑内部均作了等电位联结，室外照明环境却难以实现等电位联结，当别处或其中某台灯具发生接地故障时，引自电源的PE线还可能将故障电压传导至室外照明装置外壳而造成危险，王厚余先生编著的《低压电气装置的设计安装与检验》第六章已对此问题详尽论述；三是室外照明一般负荷比较分散，配电线路较长，当线路末端发生单相接地故障时，其故障电流往往也较小，难以使线路首端的断路器或熔断器动作，不能切断故障电路，而导致危险；四是供电回路增设了PE线，提高了工程造价。

3.2 TT系统

如图1，TT接地形式是将电气设备的金属外壳直接接地，当系统内发生接地故障时，其故障回路阻抗除部分线路电阻外，还串联有电源侧的系统接地电阻RE和电气装置外漏导电部分的保护接地电阻RA。故其故障回路阻抗较TN系统的故障回路阻抗大，故障电流相对较小，一般不能用熔断器或断路器的瞬时过电流脱扣器兼做接地故障保护，而应使用剩余电流保护器作接地故障保护，其保护灵敏度更高，更为安全可靠。但由于户外潮湿等因素，如果线路过长，其泄漏电流较大，如果整定电流不当（整定值过小），将会导致误动作，所以要求正确合理整定其动作电流。

3.3 小结

由上述比较，笔者认为当室外照明配电线路较短，距建筑物外墙20m以内时，其单相接地故障电流满足断路器或熔断器动作要求时，可采用TN-S接地形式。但考虑到“以人为本”、“安全第一”等因素，距建筑物外墙20m以外的室外照明接地形式宜优先采用TT系统。

3.4 实例分析

3.4.1 例一

图2 例一室外道路照明系统图

图3 例二室外道路照明系统图

图2 是笔者曾经见到的某设计院室外道路照明的配电系统图及说明。乍一看，图纸没什么问题， PE线、重复接地、剩余电流动作保护器都有，好像很安全。但仔细琢磨，还是有不少问题。首先是设计者概念不清晰，系统混乱，不知是TN-S系统，还是TT系统。说是TN-S系统，却要求每盏灯具单独接地；说是TT系统，配电回路却带了PE线。其次是其未指定剩余电流动作保护器的动作电流整定值I△n。另外本实例采用三相断路器控制三个单相回路灯具，不符合新《民规》10.7.7条“在照明分支回路中，不得采用三相低压断路器对三个单相分支回路进行控制和保护”的规定。

设计者不惜成本的将PE线、重复接地、剩余电流动作保护器都用上了，却起到了相反的作用，增加了投资，却失去了TT系统应有的安全性。

3.4.2 例二

图3是笔者推荐采用的室外照明配电系统图，采用带剩余电流保护的TT系统。

4 TT系统实施中的注意问题

4.1 TT系统接地电阻要求

当室外照明采用TT接地形式时，其单灯接地电阻如何确定呢？笔者发现相关规范资料均未明确。下面来详细分析一下其接地电阻要求。

4.1.1 理论依据

根据新《民规》第12.4.6条规定：

当采用剩余电流动作保护器时，接地电阻应符合下式要求：

式中 RA—— 外露可导电部分的接地电阻和PE线电阻（Ω）；

I△n——剩余电流动作保护器动作电流（mA）。

而对于TT接地形式，PE线一般很短，电阻很小，可忽略不计，故RA即可当作外露可导电部分的接地电阻，如图1所示。

由（1）式可知，要确定的RA大小，只需确定剩余电流动作保护器的I△n即可。

4.1.2 I△n的确定

由《工业与民用配电设计手册》第三版第十一章第三节“接地故障保护”章节内容可知，为避免误动作，剩余电流动作保护器的整定值I△n应大于正常运行时线路和设备的泄漏电流总和的2.5～4倍，即

式中 IL—— 正常情况下，线路和灯具可能产生的最大泄露电流。

根据《工业与民用配电设计手册》第三版“剩余电流动作保护器”章节，配电线路的泄露电流估算值可见表1。

表1 220/380V单相及三相线路埋地、穿管沿墙泄露电流 mA/km

根据《灯具一般安全要求与试验》(GB7000.1-2002)第10.3节要求，室外I类灯具最大泄漏电流约1mA/套。当室外照明为单相配线时，其灯具等总泄露电流为各灯具设备泄漏电流之和。

根据（2）式及表1等，笔者将不同截面、不同长度的聚乙烯绝缘和聚氯乙烯绝缘室外线路总泄露电流计算如下：

表2 单相室外照明线路（聚乙烯绝缘）总泄漏电流值（mA）

2、表中室外灯具间距按25m计算。

线路RCD动作电流宜取值为30mA

线路RCD动作电流宜取值为100mA

线路RCD动作电流宜取值为300mA

表3 单相室外照明线路（聚乙烯绝缘）总泄漏电流值（mA）

由表1～3

可看出，对于一般室外照明回路，为防止正常运行时误动作，其剩余电流动作保护器动作电流I△n不宜只取30mA，而应根据线路材料、长度、所带灯具数量等的不同，取值30mA、100mA或300mA等。

4.1.3 TT系统接地电阻计算

由上述分析及（1）式可知：

当I△n=30mA时，RA≤ 25V/0.03A=833Ω ；

当I△n=100mA时，RA≤ 25V/0.1A=250Ω ；

当I△n=300mA时，RA≤ 25V/0.3A=83Ω。

根据上述计算可知，为保证可靠性，当单灯接地电阻不大于83Ω时，可满足上述I△n的各种取值要求。实际工程中，为保证可靠性，单灯接地电阻可适当减小。

4.1.4 其它结论

由表1可知，室外照明线路宜采用聚乙烯绝缘的电线、电缆（如YJV型），而不宜采用聚氯乙烯绝缘的电线、电缆（如BV型、VV型），因聚氯乙烯绝缘的电线、电缆单位长度泄漏电流大得多。

4.2 TT系统剩余电流动作保护器动作灵敏度校验

现在来校验一下，当回路I△n为300mA，单灯接地电阻为75Ω，发生接地故障时，剩余电流动作保护器动作的灵敏度、可靠性。按《低压配电设计规范》（GB50054-95）规定，剩余电流保护的动作电流I△n应符合：

式中 Id—— 接地故障电流（A）

如图4所示，当发生接地故障时，忽略系统阻抗及变压器阻抗，则相保回路总电阻：

图4 TT系统发生接地故障时故障回路阻抗

式中 RE—— 电源重复接地电阻，一般不超过4Ω；

RL—— 相保回路线路总接地电阻，本情况下一般也只有几Ω；

RT—— 人体接地电阻，而在潮湿环境人体接地电阻主要由人体内阻抗决定，由《电流通过人体的效应 第一部分：常用部分》（GB/T1380.1-1992）可知，此种情况下人体内电阻约为1000Ω。

由式（4） 可知，RA取值为75Ω时，对Rphp值起决定作用的即为RA，故当发生接地故障时:

接地故障电流Id=U0/ Rphp,

可近似看作

Id=U0/ RA=220/75=2.9A ＞ 1.3×0.3=0.39 A

当I△n=30mA、100mA时，更满足灵敏度要求。

所以当回路发生接地故障时，剩余电流动作保护器能够迅速动作，切断故障回路，保证安全。

4.3 TT系统室外照明保护电器的选择性配合

根据《城市道路照明设计标准》（CJJ45-2006）第6.1.6条要求：为避免单灯故障造成大面积灭灯，尽可能减小故障影响范围，道路照明配电回路应设保护装置，每个灯具应设有单独保护装置。

对于配电线路保护装置为断路器的TN-S道路照明回路，因发生单相接地故障时，回路短路电流较大，单灯保护装置可选用熔断器。

采用TT接地形式的道路照明回路可否选用熔断器作为单灯保护装置呢？我们先看一个例子，还是用3.4.2例二（图3），假设选用熔体额定电流In为4A的熔断器作为单灯保护装置，校验配电回路保护电器是否满足选择性配合要求。

(4)先计算当回路末端发生单相接地故障时的短路电流大小。

由图3及式（4）可知，短路回路电阻为：

Rphp= RE+ RL+ RA

由已知条件可知：

RE= 4Ω ；RA = 30Ω ；

RL= 0.2km×0.87Ω/ km+0.4 km×2.18Ω/ km = 1Ω

故Rphp= RE+ RL+ RA= 35Ω

单相短路电流Id= U0/ Rphp= 220/35 = 6.3A

参照《低压配电设计规范》GB50054-95表4.4.8-1及表4.4.8-2可知：

切断接地故障回路时间小于或等于5s的Id/In最小比值4.5；

切断接地故障回路时间小于或等于0.4s的Id/In最小比值8。

本实例Id/In=6.3/4=1.6，远不能保证在5s内切断接地故障回路。

而本实例支线剩余电流保护器I△n=100mA，

由式（3），1.3×0.1= 0.13A ＜ 6.3A 可保证在不大于1s时间内迅速切断故障回路。

故本实例选用熔断器作为单灯保护装置无法满足选择性配合要求。

即使将灯具接地电阻降为10Ω，

Id= U0/ Rphp= 220/15 = 14.7A，Id/In= 14.7/4 = 3.7，

也不能满足选择性配合要求。灯具接地电阻再降低对满足选择性配合的帮助也不明显，且成本增加较快。

换一个思路，将室外照明回路首端的剩余电流动作保护器改为带延时功能且作用于信号，而用单灯熔断器来切断接地故障电流。由新《民规》第12.4.6条可知，当单灯接地电阻满足公式RA≤ 50/Ia时(Ia为熔断器在规定时间内的有效熔断电流)，即可保证用电回路安全。

由此可知上例中，RA≤ 50/4 = 12.5Ω，可取RA=10Ω。

故为保证选择性，采用TT接地形式的道路照明回路可采用延时作用于信号的RCD与熔断器结合的接地故障保护方式。也可采用两级RCD保护方式，即照明回路首端RCD选用100mA或300mA延时型（延时0.3～0.4s），末端灯具RCD选用30mA无延时型，不过这种方式成本较高。

当然对于供电连续性要求不高的室外景观照明、庭院照明则不配置单灯保护装置。

5 结论

1）采用TT接地形式室外照明线路宜采用聚乙烯绝缘的电线、电缆（如YJV型），而不宜采用聚氯乙烯绝缘的电线、电缆（如BV型、VV型），否则其剩余电流动作保护的I△n应整定得更高；

2）室外照明回路宜采用带剩余电流动作保护的TT接地形式，其动作电流宜根据回路线路长度、灯具数量进行估算，一般不宜取30mA，而应取100mA或更高；

3）为保证选择性，采用TT接地形式的道路照明回路可采用延时作用于信号的RCD与熔断器结合的接地故障保护方式。也可采用两级RCD保护方式，即照明回路首端RCD选用100mA或300mA延时型（延时0.3～0.4s），末端灯具RCD选用30mA无延时型。

限于笔者水平和资料来源，以上结论不一定正确，希望得到同行批评指正。

[1] 中国航空工业规划设计研究院.工业与民用配电设计手册第三版[M].北京：中国电力出版社，2005.

[2] 王厚余.低压电气装置的设计安装与检验第二版[M].北京：中国电力出版社，2007.