户外照明装置的电气安全设计<王厚余>

户外照明装置的电气安全设计




航空工业规划设计研究院 王厚余

［摘 要］ 户外照明装置因其易损坏及不具备等电位联结条件引起的不安全因素,在设计中必须予以重视。介绍了户外照明装置的电气防护等级,接地系统和接地故障保护电器的选用,以及隔离变压器在户外潮湿场所照明装置中的应用。
[关键词] 户外照明装置 电气安全

户外照明装置包括道路、花园、公共活动场所以及电话亭、停车站、纪念碑、广告牌、路标等的照明装置。户外照明装置较户内照明装置的电气事故多,这是因为户外照明装置需承受种种不利气候条件的影响以及某些地区腐蚀性气体的侵蚀,鸟类或其它动物的损害。还有另外一个不利因素,即户外照明装置处于无等电位联结场所,使电击死亡的危险增大。这可用1995年报载北京一起路灯下一下棋人电击死亡事故的例子来作说明。下棋人是一手接触路灯杆,一手接触草坪金属栏杆而死亡。路灯采用TN-C系统供电,PEN线截面是相线截面的一半。相线破损使金属路灯杆带对地电压,草坪边的铁栏杆因地面电位升高也带对地电压。经实测路灯杆电压为150V(理论上应为147V),栏杆电压为60V,两者的电位差为90V,此电位差即接触电压UC,使下棋人电击致死。假设路灯杆和栏杆间用导线相连通,实现辅助等电位联结,如图2所示,则这种电击事故将无由发生。但实际中,户外照明装置实施这种辅助等电位联接是很困难的。同样的接地故障如果发生在户内,危险要小得多,这是因为户内有各种金属管道、金属结构以及电气回路的PE线(PEN线)之间的人为连通和自然接触形成的等电位联结作用,接触电压将减少许多。另外,当户外照明装置采用TN接地系统时,所有设备金属外壳都是通过PE线或PEN线而互相连通的,这又带来另一危险,即某处一台设备发生接地故障时,其故障电压可沿PE线或PEN线传导至其它处的设备外壳上,户内照明装置由于等电位联结作用,户内各导电部分的电位同时升高而不出现电位差,而户外照明装置上此故障电压与地面零电位的电压差形成接触电压,可能导致电击危险。例如,图1中路灯杆的故障电压即可沿PEN线传导至其它路灯杆上而引起事故。这些因户外不具备等电位联结条件引起的不安全因素在户外照明装置设计中必须予以重视,并采用妥善的保护措施。下面介绍国际电工标准对户外照明装置的一些安全要求和措施。

一、对电气防护等级的要求
户外照明装置用的灯具和控制箱、配电箱等应能适应所在户外场所的气候条件，设计中环境温度可按-40℃～+40℃考虑，相对湿度可按5%至100%考虑，为防外来固体物和水的进入，户外照明装置内设备的防护等级应满足IP33级的防护要求，即能防大于2.5mm的固体物进入和防淋水。对于非污染场所的户外照明装置，安装高度大于2.5m的灯具，其防护等级可降为IP23级，即防大于12mm的固体物进入和防淋水。

二、接地系统及其故障保护电器的选用
如前所述，户外照明装置不具备等电位联结条件(建筑物屋顶、平台上的照明装置除外)，故宜采用TT系统，即不自电源的中性线引出PE线接设备外壳，而是为户外照明装置专门设置接地极引出PE线接设备外壳，以避免电源引来的PE线将它处的故障电压传导至设备外壳上，这时应装设漏电保护器作接地故障保护,其额定动作电流不宜大于30mA，且瞬时动作于切断电源，因为对于电话亭、停车站、纪念碑、广告牌之类的照明装置失去照明并不会引起危险，而高灵敏度的30mA瞬动漏电保护器还可起到人体不慎触及相线时防直接接触电击的作用。对于路灯之类的户外照明装置不应这样简单处理，因路灯回路的停电将引起交通事故。IEC标准建议每一路灯杆可装设小额定电流的断路器或熔断器，兼起短路的防护和接地故障防护的作用。为每一路灯杆安装漏电保护器既不经济,管理也麻烦,而一盏路灯的电流有限,用断路器或熔断器藉故障时的过电流切断电路是可行的。当然这应满足TT系统的保护特性公式Ia·RA≤50V的要求(Ia为保护电器有效动作电流，RA为路灯杆的接地电阻)。路灯回路首端或其前级宜装设作用于信号的漏电保护器，以检测回路的接地故障。

三、隔离变压器在户外潮湿场所照明装置中的应用
位于户外潮湿场所的电击危险场所的照明装置,例如游泳池边的照明装置，由于游泳后人体阻抗下降，接触照明装置支架上即使不大的对地电压即可引起电击事故。为了安全，除在游泳池边作局部等电位联结外，还为照明装置设置隔离变压器供电。所谓隔离变压器是变比为1∶1的高绝缘水平的变压器，其绕组间绝缘需通过3750V电压打压一分钟的试验,所以不考虑一、二次绕组间绝缘被击穿。设置隔离变压器作电源隔离时,变压器二次回路是不接地的,也不与一次回路有任何电的连系,所供电的设备不作人为的接地。当只给一台照明设备供电时,如图3所示,因一回路导线的对地电容电流值Idi极小,回路首端过流保护器不动作,但因照明支架上对地故障电压也即接触电压Uc=Idi·RA远小于接触电压限制,不可能发生电击故事。如果其后另一回路导线也因绝缘损坏发生第二次接地故障,这时两个故障形成回路的金属性短路,回路首端的熔断器或断路器将迅速切断电路,避免了事故的发生。
当给多台照明设备供电时情况比较复杂。如两台照明设备的回路不同导线先后发生碰外壳接地故障，其故障回路阻抗包括两个照明支架的自然接地电阻RA1及RA2，假设其阻值都为50Ω，则故障电流为Id2=Uo/(RA1+RA2)=220/(50+50)=2.2A此电流不足以使首端过流保护器动作，但照明支架的接触电压Uc=Id2·RA1(或RA2)=2.2·50=110V却完全可以使人电击致死。为此当隔离变压器给多台户外照明装置供电时，应将该等照明设备外壳或支架用与回路导线截面相同的导线连通。这时故障电流Id3的通路为金属通路，此电流可在故障瞬间使首端过流保护电器切断，从而保证了人身安全。