关键词 接地保护 回路阻抗 短路点电压
一、路灯线路接零保护系统的特点：故障回路的阻抗比较小。
1、接零保护系统能及时切断故障回路：
通过加大电缆截面，或缩短到线路末端的距离，都能减小故障回路电阻(电缆电抗因较小而忽略，下同)，增加故障回路短路电流，缩短切断故障时间，在规定时间内切断故障。
选用额定电流较小的断路器也能缩短切断故障时间，达到在规范规定时间内切断故障。
2、接零保护系统的短路点电压：
常规的PE线(或PEN线)截面，以及规程所要求的接地电阻值，不是任何情况都能保证短路点电压低于50V。
3、及时切断故障回路，是目前常规接零保护系统实现电气安全防护和常用方法。
4、在本文第三段用实际的例子，说明了接零保护系统的特点。
例1 说明增大电缆截面，能缩短切断故障回路的时间，达到规范规定的5秒内切断故障。
例2 说明减小断路器额定电流，也能缩短切断回路的时间，达到规范规定的5秒内切断故障。
例3 是个特殊的例子，说明接地装置较好时，能使短路点对地电压低于50伏。
例4 说明土壤电阻率比较低的地区，TN-S和TN-C系统都能使末端短路点对地电压低于50伏。
例5 说明土壤电阻率变化，即每根杆的接地电阻的变化，能使短路点电压升高或超过50伏。土壤电阻率不变，即每根杆的接地电阻不变，只是路灯出线回路增加，也能使短路点电压升高或超过50伏。
情况1：例4中，只是将每根杆的接地电阻，由2欧增加到3欧，其它条件完全相同，就造成短路点电压UPE=55.6伏，超过50伏。说明TN-S系统不是任何情况都能确保安全电压。
情况2：例4中，只是将出线由二路增至四路，而土壤电阻率等其它条件完全相同，就造成短路点电压UPE=53.5伏，超过50伏。同样说明TN-S系统不是任何情况都能确保安全电压。
本例结语：上述二种情况在现实中是会出现的，所以土壤电阻率低，接地装置好时，短路点电压有可能低于50伏。但通常所规定的10欧接地电阻，不能保证短路点电压低于50伏。
5、TN-S埋地系统的特点：
防护系统类型中，曾说明TN-S埋地系统是指TN-S系统中的PE线，采用4×40的热镀锌扁铁(或园钢)，全线埋入地下，在电源端与中性线N焊接，沿线与每根灯杆都焊接成网。这样的系统，其接地故障回路的阻抗也较小，又与TN-S相似，所以起名为TN-S埋地系统。
铁的电阻是铜的7.6倍，4×40的热镀锌扁铁的截面积是160mm2，其电阻接近于160÷7.6≈20mm2铜线的电阻(铁是导磁体，扁铁的电抗大于铜线的电抗还没考虑)，相线截面小于6mm2铜线的线路，能保证接地故障时的灯杆安全电压，相线截面大于6mm2的线路，要依靠埋地扁铁与大地间的接地电阻的分流和分压作用，才能把灯杆的对地电压降到50伏以下。
埋地扁铁从短路点P到电源中性点N之间有电压，因此扁铁上的电位不是处处相等。按等电位接地体导出的接地电阻计算式，与非等电位的接地扁铁的接地电阻之间的差别，目前还没有找到其计算方法。P点与N点之间的接地扁铁与大地等综合起来的等效电阻本人还不会计算，不能确定具体的数值，只能作定性说明。
①在相同的土壤电阻率时，全线的水平接地扁铁，比起长度短得多的一段水平接地扁铁的接地电阻要小得多。
②P点与N点之间的接地扁铁与大地等综合起来的等效电阻越小，短路时灯杆对地电压越低。
③电源出线回路越多，电源N点的对地等效电阻会越小，短路时灯杆对地电压会越高。
④短路点(灯杆)的接触电压，跨步电压、灯杆的等效接地电阻、P点与N点间接地扁铁和大地综合起来的等效电阻，这些都与土壤的电阻率有关。在某些土壤电阻率比较低的地区，可以保证灯杆的安全电压，而在土壤电阻率高的地区，就难保证灯杆的安全电压。
⑤用现场实验和多年的维护检测，确定灯杆对地电压是否低于50伏。
在不能确保灯杆安全电压的地区，和TN-S系统一样，TN-S埋地系统可以加大电缆的截面或减小保护电器额定电流或缩短配电半径，达到在规范规定的时间内切断末端接地故障。保证灯杆的电气安全。
二、接地保护系统的特点：故障回路的阻抗比较大。
1、短路点电压：
路灯线路采用接地保护系统，如TT系统，众多灯杆经PE线并联成网，而电源处中性点N只在孤独的接地体，前者的等效接地电阻必比后者小得多，分压的结果很容易能使短路点电压低于50伏，见例6。
2、难以自动切断故障回路：
由于PE线与电源中性点N没有用导线连通，故障回路的阻抗比较大，短路电流较小，当它等于或低于保护电器的额定电流时，就不能自动切断接地故障。
漏电断路器能自动切断故障回路，但这是需要维护的器件，出现个别的误动作，就容易被维护人员排斥不用。目前，路灯线路还没有长时间使用漏电断路器的成熟经验介绍。从道理上讲，在接地保护系统中，与很多灯杆及接地极连接的PE线，其等效接地电阻很容易小于4欧，如漏电电流达到10安培，短路点对地的电压也只有40伏，小于规定的50伏；10安培的熔断器是路灯常用的规格，额定漏电电流为10安培的断路器应能稳定使用。但这方法要有额定漏电电流为安培级的产品，也要在实践中检验它是否适用。
接地保护系统需解决自动切断故障回路问题。本文第三段用实际例子说明接地保护系统的特点。
例6 众多灯杆接地电阻连成网的等效接地阻值低，易将短路点对地电压降到50伏以下。
例7 TT系统众多灯杆接地电阻连成网的接地电阻值低，易将短路点对地电压降到50伏以下。如还是TN-S系统，那UPE=72.6＞50伏。说明接地系统比接零系统容易将短路点电压降到50伏以下。
三、例题
例1 说明增大电缆截面，能缩短切断故障回路的时间，达到规范规定的5秒内切断故障。连徐高速的宁海互通有9基高杆灯，其中有2基各装16套NG-1000，由一根电缆供电。最远一基距配电房750米，单灯补偿后每只NG-1000电流按5.6安计。
分析：
1、出线断路器的选择：2基共有2×16=32套NG-1000，三相配电，每相最多的是11套灯。最多一相的工作电流是11×5.6=62安，选用100安的出线断路器。按照断路器的动作特性曲线，只要工作电流小于断路器的额定电流，断路器都能长期稳定工作，但是，考虑到客观情况多种多样，取个安全系数1.5，可以避免因个别情况的误动作而增加维护的麻烦。所以这里不选用63安(大于62安)断路器，而选100安断路器是正确的。
2、电缆的选择: 该设计选用的电缆是VV-5×95，按断路器的动作特性曲线，要5秒内切断故障，短路电流必须为断路器额定电流的5倍，当末端短路时，100安断路器的短路电流应达到500安。最快瞬间切断，最慢10秒，平均5秒。95mm2铜电缆相零电阻是：0.555欧/千米（20℃电阻的1.5倍)×0.75千米=0.416欧，远方短路，不计变压器内阻，则短路电流I∞为：I∞=220÷0.416=529安。切断时间在5秒左右。这个例子说明增加电缆的截面可以缩短切断故障回路的时间，直到符合规范要求。
例2 说明减小断路器的额定电流，能缩短切断故障回路时间，达到规范规定的5秒内切断故障。
仙林大道。箱式变电站位置早已定好，不能改变。配电半径800米。单侧灯距35米，每杆1只NG-250，无单灯补偿，每只工作电流3安。按习惯，用VV-4×25电缆，分析：出线断路器的选择：
800米共有800÷35=23档，合24根杆，三相配电，每相最多的是8套灯。每相工作电流最多是8×3=24安，24×1.5=36，出线要选用40安的断路器。
因按习惯用25mm2的电缆。该电缆相零电阻是2.106欧/千米(按20℃电阻的1.5倍)。800米的相零电阻是R=2.106×0.8=1.685欧，远方短路，不计变压器内阻，则末端短路电流I∞为: I∞=220÷1.685=130安。130÷40=3.2倍，按断路器的分断特性，不能在5秒断开末端故障。
改用二根VV-4×25电缆，每根电缆12套灯，每根电缆每相最多4只灯，工作电流为4×3=12安，按至少50%的裕量，取20安的断路器。短路电流与额定电流的比值是130÷20=6.5倍，可在5秒左右断开末端故障。这个例子说明减小断路器的额定电流，也能缩短切断故障回路的时间，直到符合规范要求。当然，前提是断路器要满足正常工作电流的需要。本例是用增加电缆根数来减小工作电流。
例3 是个特殊例子，说明接地装置较好时，能使短路点对地电压低于50伏。
还是例1的高杆灯，这里要讨论的是：主电缆相线对高杆灯短路时，短路点的电压。这些高杆灯的地基原是海滩，为了基础牢固，业主用了十多米长的桩基础。这相当于打了十多米长的接地极。交接时实测这9基高杆灯基础的接地电阻都小于0.1欧，而配电房处中性线的实测接地电阻是0.4欧。
分析：
1、设主电缆由于意外原因，与灯杆短路。因相线与PE线都是95mm2，其电阻相等，略去变压器的内阻抗，则短路时PE线上的电压应是110伏。
2、因为高杆灯基础接地电阻小于配电房处中性线接地电阻的四分之一，PE线上110伏被二个接地电阻分压后，短路点，也就是高杆灯基础对地电压要小于PE线电压的五分之一，即小于22伏。本例说明TN系统在接地装置效果好时，短路点对地电压能低于50伏。本例用VV-5×95电缆，是TN-S系统，如用VV-4×95电缆，即采用TN-C系统，按上面分析也会有相同的结果。
例4 说明在土壤电阻率比较低的地区，TN-S和TN-C系统都能使末端短路点对地电压低于50伏。找一个TN-S系统的短路点电压低于50伏的例子，进行短路点电压计算：
1、计算模型：因电缆的电抗较小，全部忽略，只计算电阻。
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图一
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如图一所示，路灯箱式变电站的位置在N，有二路出线，末端分别为L1、L2，第一路的A相在P点(即L1点)与灯杆短路，用VV-5×25电缆。二路线到末端都是665m，灯杆间距35m，用TN-S系统；每根灯杆都有接地极，其接地电阻是R=2欧，且与PE线接通，每档PE线的电阻是△=0.037欧。(20℃电阻的1.5倍)。
2、等效电路：
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图二
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如图二所示，N是电源中性点，E是大地，A相在末端P点短路，RL2是第二路电缆PE线与大地E之间的等效电阻(在后面计算)，R源是电源中性线的接地电阻，设R源=2欧，R相是相线电阻，
R相=0.665千米×1.053=0.7欧。
RPN、RNE和REP是从N点到P点间的PE线、其间19根杆的接地极组成的π形电阻网络的等效电阻。见图三。
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图三
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3、π形电阻网络的等效电阻RPN、RNE和REP的计算：
第一步：P点在最后一根杆，记为1号杆，它和2号杆的接地电阻都是r=2欧，这二杆间的PE线电阻△=0.037欧。这三个电阻组成的剐蔚缱杓次猂ab(1)、Rbc(1)和Rca(1)，如图所示，要变换为Y形电阻，见图四，Y形电阻的计算公式是：
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图四
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在第一个π形电阻里，Rbc(i并)没有要并联的电阻，Rbc(1并)=Rbc(1)
第二步：Rb(1)与2号、3号杆间的△串联后记为Rb(1加)，等效电路图重画如图五
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图五
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Rb(1加)=Rb(1)+△ ……………………(4)
第三步：Rb(1加)、Ra(1)和Rc(1)这三个Y形电阻要转换成π（有叫△）形电阻，如图六所示的Rab(2)、Rbc(2)和Rca(2)、π形电阻计算式为：
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第四步：图六中的Rbc(2)与3号杆的接地电阻r并联后记为Rbc(2并)。见图七。
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图六
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图七
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图八
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图七的形式与图三相似，下标由1增加到了2。少了2号杆，下面重复第一步到第四步的计算过程。重复一次，则下标增1。最后可得到图八所示的结果。与图二比较，可得RPN=Rab(19)，RNE=Rbc(19)，REP=Rca(19)。
剐蔚缱柰?绲牡刃У缱杓扑惚冉戏痹樱??肊xcel，在单元格中编入公式计算，下面要用Excel操作。
4、用Excel计算剐蔚缱柰?绲牡刃У缱瑁?⒓扑愣搪返愕缪埂? 第一步：Excel各列所代表的参数如下：
第一步：Excel各列所代表的参数如下：
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A
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杆号
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F
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Rbc(i并)
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Rep(i)
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K
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Rc(i)
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B
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r
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G
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Rca(i)
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L
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R串
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C
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△
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H
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Ra(i)
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M
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R并
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D
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Rab(i)
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Rpn(i)
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I
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Rb(i)
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N
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R相
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E
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Rbc(i)
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Rne(i)
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J
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Ra(i加)
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为便于记清公式，可以把公式(1)到公式(8)调入放在第5行的下面，以便操作。
第二步：输入数据或公式
在第一行：
A1输入“1”；B1输入“2”(因r=2欧); C1输入“0.037”(因△=0.035千米×1.053=0.037欧); D1输入“0.037”(因Rab(1)=0.037欧); E1输入“2”(因Rbc(1)=2欧); F1输入“2”(因Rbc(1并)=2欧，第一个Rbc(1)没有要并联的电阻); G1输入“2”(因Rca(1)=2欧);
在H1输入Ra(1)的计算式，使得H1等于：D1*G1/(D1+F1+G1)， 即式(1)
在I1输入Rb(1)的计算式，使得I1等于：D1*F1/(D1+F1+G1)， 即式(2)
在J1输入Rb(1加)的计算式，使得J1等于：I1+C1， 即式(4)
在K1输入Rc(1)的计算式，使得K1等于：G1*F1/(D1+F1+G1)， 即式(3)
在N1输入R相的计算式，使得N1等于：C1*(20-A1)，即1#杆的R相是19个△之和。
在第二行：
在A2输入公式，使得A2等于：A1+1；
在B2输入公式，使得B2等于：B1；
在D2输入Rab(2)的计算式，使D2等于：H1+J1+H1*J1/K1 即式(5)
在E2输入Rbc(2)的计算式，使E2等于：J1+K1+J1*K1/H1 即式(6)
在F2输入Rbc(2并)的计算式，使F2等于：E2*B2/(E2+B2) 即式(8)
在G2输入Rca(2)的计算式，使G2等于：K1+H1+K1*H1/J1 即式(7)
第三步：扩展计算式，扩展前，把各参数的标注移到第20行以下。
用鼠标按住A2右下角的“+”，拉到A19。
用鼠标按住B2右下角的“+”，拉到B19。
用鼠标按住C1右下角的“+”，拉到C19。
鼠标按住D2右下角的“+”，拉到D19为止。此时因数据不全，无正常结果。
鼠标按住E2右下角的“+”，拉到E19为止。此时因数据不全，无正常结果。
鼠标按住F2右下角的“+”，拉到F19为止。此时因数据不全，无正常结果。
鼠标按住G2右下角的“+”，拉到G19为止。此时因数据不全，无正常结果。
鼠标按住H1右下角的“+”，拉到H19为止。此时因数据不全，无正常结果。
鼠标按住I1右下角的“+”，拉到I19为止。此时因数据不全，无正常结果。
鼠标按住J1右下角的“+”，拉到J19为止。此时因数据不全，无正常结果。
鼠标按住K1右下角的“+”，拉到K19为止。
鼠标按住N1右下角的“+”，拉到N19为止。
第四步：计算数据全部显现后， 要调整各单元格小数的位数，有三位小数已够。见表1。
表1
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19
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2
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0.037
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1.77
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0.34
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0.29
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0.29
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0.22
|
0.22
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0.24
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0.04
|
0.29
|
0.24
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0.037
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A
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B
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C
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D
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E
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F
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G
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H
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I
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J
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K
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L
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M
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N
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杆号
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r
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△
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Rab(i)
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Rbc(i)
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Rbc(i并)
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Rca(i)
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Ra(i)
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Rb(i)
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Rb(i加)
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Rc(i)
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R串
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R并
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R相
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Rpn(i)
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Rne(i)
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Rep(i)
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Pl2
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R源=
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2
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欧
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Rn=
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0.137
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欧
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Rpn=
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0.345
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欧
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Rpe=
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49.2
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欧
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5：RL2的计算：
在M1输入最后一根杆的接地电阻值r，其值是2欧；
在L1输入最后一档PE线的电阻△与最后一根杆的接地电阻r串联值，即在L1输入公式，使L1等于：M1+C1
在M2输入公式，表示M2是L1与第二根杆接地电阻并联的等效电阻。即在M2的输入，使M2等于：L1*B2/(L1+B2)
鼠标按住L1右下角的“+”，拉到L19为止。此时数据不完整，显示不能用。鼠标按住M2右下角的“+”，拉到M19为止。第二路PE线与灯杆接地电阻组成的剐谓拥赝?牡刃У缱鑂L2等于M19，它是0.2573欧。
6：计算短路点电压UPE：
图二可简化，见图九。
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图二
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图九
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在C23中输入R源=，在D23中输入“2”，因R源=2欧；
在C24中输入RN=，在D24中输入公式(9)，使D24等于：=1/((1/E19)+(1/D23)+(1/M19))
在C25中输入RPN总=，在D25中输入公式(10)，使D25等于：=D19*(G19+D24)/(D19+G19+D24)
在C26中输入UPE=，在D26中输入公式(11)，使D26等于：=220*D25*G19/((D25+N1)*(G19+D24))
公式编好后，即自动算出UPE=49.2伏，
本例说明：TN-S系统在土壤的电阻率较低时，能使末端的短路电压低于50伏。
请注意：本例如改为TN-C系统，上述的分析过程和结果是完全相同的，就是说，TN-S和TN-C系统在切断故障时间和短路点电压上是相同的。
例5：土壤电阻率的变化，即每根杆的接地电阻的变化，能使短路点电压超过50伏。土壤电阻率不变，即每根杆接地电阻不变，只是路灯出线回路增加，短路点电压也能超过50伏。本例找出使例4的短路点电压高于50伏的情况。
解：用Excel计算。
情况1：每根杆的接地电阻都由2欧增到3欧。
第一步：将例4的Excel中的数据，全部复制，然后粘贴到第二张工作表上。
第二步：将每根灯杆的接地电阻都改为3欧。在第一行：B1改为“3”；E1改为“3”；F1改为“3”；G1改为“3”。
第三步：在C26、D26和E26就显示了UPE=55.6伏，大于50伏。
情况1小结：例4中，只是将每根杆的接地电阻，由2欧增加到3欧，其它条件完全相同，就造成短路点电压UPE=55.6伏，超过50伏。说明TN-S系统不是任何情况下都确保安全电压。
情况2：图一的出线回路由2路增到4路，每路的长度和杆数相同。
1、例4的图一改变为图一之4，如下图。
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图一
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图一之4
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图二
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图二之4
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3、前例算得RL2=0.2573欧，RL3和RL4长度和杆数都相同，也应为0.2573欧，它们三个并联后则为0.086欧。
4、将M19的0.2573改为0.086。则：在C26、D26和E26就显示了UPE=53.5伏，大于50伏。
情况2小结：例4中，只是将出线由二路增至四路，而土壤电阻率等其它条件完全相同，就造成短路点电压UPE=53.5伏，超过50伏。同样说明TN-S系统不是任何情况下都确保安全电压。
本例结语：上述二种情况在现实中是常会出现的，所以土壤电阻率低，接地装置好时，短路点电压有可能低于50伏。但是，通常所规定的10欧接地电阻，不能保证在任何情况下，都使短路点电压低于50伏。
例6：举个例子说明路灯线路接地保护系统的短路点电压容易低于50伏。
在例4中，当PE线与电源中性线(点)N断开后，即成为TT接地系统。等效电路图由图二改为图二之TT系统。图中R源不接RPN也不接RL2。见下图。
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图二
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图一
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图二之TT系统
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图十
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图中RPN、RNE和REP还原为1号杆到19号杆的接地电阻组成的剐瓮?纾琑L2是L2路灯杆接地电阻的等效电阻，它通过PE线在电源处的20号点(即原N点)与L1路电缆的PE线连通，请注意它不在P点连通。例4中已知和算得的数据有：
R相=0.7欧，R源=2欧，RL2=0.26欧。上图可简化为图十。图中的RPE是L1和L2共38根杆的接地电阻通过PE线并联后的等效电阻。它的值不是RL2的一半(因P点不在38根杆的中间，而是在一边)，但必小于RL2。即：0.5RL2＜RPE＜RL2
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例7：例6中，R相=0.7欧和R源=2欧不变，但原每杆根的接地电阻由2欧增至10欧后，短路点电压多少？
解：等效电路还是图十，R相=0.7欧；R源=2欧;RL2要通过Excel重算。
第一步：将例4的Excel中的数据，全部复制，然后粘贴到第三张工作表上。
第二步：将每根灯杆的接地电阻都改为10欧。
在第一行：B1改为“10”；E1改为“10”；F1改为“10”；G1改为“10”。
第三步：在M19可得RL2=0.668欧。UPE=72.6伏(注意是指TN-S系统)。
据此，0.334＜RPE＜0.668。
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