摘要: 单相接地故障是造成城市路灯设施漏电隐患的主要原因。通过研究剩余电流保护器 (RCD)的工作原理, 找到了利用钳表快速地测量回路中剩余电流的方法, 从现场作业的角度出发, 提高人工排查漏电隐患的效率。
关键词: 路灯; 剩余电流; 漏电隐患; 维护作业
0引言
路灯是指给道路提供照明功能的一种用电设备,其特点是分布广、 灯杆基本使用钢铁材料, 灯杆顶部的灯具、 灯杆内的电缆线都带电。 由于路灯杆较多分布于人行道或绿化带, 灯杆与人很容易接触到,因此, 当漏电发生时, 很容易引起人体触电的事故。
近年来, 随着城市规模的不断扩大, 城市人口与日俱增, 城市照明范围也随着日益扩大, 市民也对城市照明提出了更高的要求。 在这个背景下, 路灯设施的数量和密度在不断增加, 这也给城市照明设施的管理增加了难度。 而时有发生的路灯漏电伤人事件, 也给城市照明设施的管理者提出了一个难题: 如何做到既能保证照明的效果, 又能把安全隐患消除。
本文将主要探讨漏电现象的原理、 如何快速排查隐患并分享实际工作中的一些经验。
1 漏电原因分析
路灯设施漏电分为 “灯杆带电” 和 “ 电缆漏电”, 这两类现象产生的场景有以下几种:
1) 路灯杆内电缆绝缘损坏导致电线与灯杆接触, 使灯杆带电。
2) 灯头漏电。 照明灯头虽然设计有防水功能,但绝缘发生变化或者线路被雷击后, 灯头存在漏电的可能。
3) 路面积水侵入灯杆内部导致漏电。 城市内涝时, 路灯杆若淹没于水中, 水位超过灯门高度,接线头防水措施不足会导致漏电。
4) 电缆绝缘变化。 路灯供电线路比较长, 有的线路可能长达数公里, 并且都埋于地下, 时间久了会受侵蚀发生绝缘变化, 或受外力影响导致电缆皮破损, 电缆绝缘降低就可能导致漏电。
在电路分析中, 以上漏电现象多为单相接地故障。 《低压配电设计规范》 (GB / T 50054—2011) 第5.2.9 条规定 “TN 系统中配电线路的间接接触防护电器切断故障回路的时间, 应符合下列规定: 配电线路或仅供给固定式电气设备用电的末端线路, 不宜大于 5 s”。 假设某一段路灯线路长 1 km, 采用 VV - 1kV 4 × 25 mm2 + 1 × 16 mm2 电缆, 当线路末端发生单相金属性接地故障时, 故障电流Id = 122.3A, 对于常用的额定电流为 63 A 的断路器, 很难在5 s 内切断电路。 如果发生单相非金属性接地故障, 现有的断路器更可能是根本无法切断故障回路[1]。
单相接地故障中, 故障点电压会下降, 另外两相电压会升高, 但是由于 LED 路灯电源大多数是宽范围设计, 电压低至 90 V 也可以正常工作, 因此无法通过肉眼观察亮灯情况来发现故障。 路灯线路由于电缆与大地接触, 且距离很长, 电缆的对地分布电容所产生的漏电容易超过一般漏电保护器的整定范围, 导致无法合闸, 常规的漏电保护器也无法加装。
因此, 在实际的维护管理中, 我们需要增加人工排查故障的方式, 提高线路的安全性。 单相接地故障发生时, 保护导体 ( PE) 线内会流过漏电电流, 我们可以通过测量出漏电电流来排查出故障回路[2]。
2 不同类型电流产生的原理
2.1 不平衡电流产生的原理
三相五线制中时, 任何一相总的单相负荷都有两个回路。 一是和零线组成 220 V 回路, 二是和另一相串联构成 380 V 回路。 当三相平衡的时候, 电源相间的线电压与每一相回路的相电压之间会形成一个和谐的回路, 而此时零线上是没有电流的。 当负荷不平衡的时候, 串联在线电压之间的两相负荷就不一样大了, 而由于串联电路中电流相等, 于是负荷大的一相多余的电流就从零线流走了。 这个电流就是不平衡电流[3] 。
如图 1 所示, 假设 L1 相接了一个灯, L2 相接了两个灯, L3 相接了三个灯, L1 相的一个灯通过零线和L2相两个灯串联接于 L1L2 线电压, L1 相的一个灯也通过零线和 L3 相三个灯串联接于L1L3线电压, 此时系统处于不对称状态, 三相不平衡。在线电压与L1相L2相共三个灯的回路中, 电流处处相等, 而 L1 相和 L2 相各自回路的负载电流却不等, 而系统之所以还可以运行, 是因为L1L2相多余负荷的电流从零线走了。因 此, 此时的N线是带电的。
图 1 三相五线制原理图
2.2 零序电流产生的原理
三相系统的电压、 电流都可以分解为正序、 负序和零序分量, 在三相平衡且*发生时, 系统处于对称运行状态, 没有负序零序分量, 只有正序分量。 若出现了负序或零序分量, 则说明系统存在问题[4]。单相接地故障会产生零序电流, 假设三相 平衡, 当电路中发生触电或漏电故障时, 回路中有漏电电流流过, 这时三相电流相量和不等于零, 其相量和为 Ia + Ib+ Ic = I (I 即零序电流)[5] 。
虽说单相接地故障会产生零序电压和零序电流, 但是, 在实际工作中我们发现, 由于路灯低压设施数量庞大、 线路长、 接线不规范等诸多问题, 导致在实际运行中, 三相不平衡的情况较为常见, 线路中经常有不平衡电流。 因此我们难以通过直接测量零序电流的方式去排查单相接地故障。
2.3漏电电流产生的原理
我们在观察剩余电流保护器的工作原理时发现, 可以模仿剩余电流保护器的原理, 用人工的方法快 速检测线路中的剩余电流。 既然如此, 我们就可以通过测量剩余电流的方式快速方便地排查出单相接地故障。
剩余电流保护的原理, 是让三相线路及中性线 共同穿过一个 CT (电流互感器), 如下图, 三相线路与中性线的电流矢量和为 IA + IB + IC + IN, 当线路 正常没有发生单相接地故障时,此电流矢量和为 0 (忽略正常泄露电流); 当发生单相接地故障时, PE 线会流过接地故障电流 ID, 则电流矢量和为 IA+ IB + IC + IN = ID [6]。
图 2 剩余电流保护器原理图
3 漏电电流的检测
在实际操作时, 我们在路灯箱变的低压出线端, 任选一个回路, 用钳形表把 A 相、 B 相、 C 相和零线用钳形表同时钳住, 此时测得的电流数值就是 IA + IB + IC + IN, 而这个数值也等于 ID, 也就是故障电流 (漏电电流), 在这个过程中, 不对称分量被抵消, 因此测得的剩余电流, 由单相接地故障所产生的漏电电流[7]。图3是现场操作的图片。
图 3 现场操作图
4 实际应用
我们用这个方法对 133 台箱变进行了剩余电流的检测, 表 1 和表 2 是部分测量数据, 其中 N1 ~ N10 代表回路编号。
表 1 中, 有一台箱变 NS3-100 的 N5 回路的数值达到了 20． 2 A, 明显超出正常范围。 经过排查后, 我们在一处灯杆内找到了故障原因。 如图 4 所示, 该灯杆灯门内的接线端, 被外力拉入至底下的灯盘位置。 我们猜测, 可能是台风 “ 山竹” 袭来时, 倒伏树木牵扯了路灯电缆, 导致接线端被拉到低位。 而该灯杆内低位非常潮湿, 导致接线头绝缘老化加速, 潮湿的环境使线头产生放电现象, 使灯杆带上漏电压, 其电压达到了 103 V。 由于只是其中一相的绝缘老化, 击穿空气通过灯杆与大地连接, 产生的漏电流只有十几安培, 空气开关无法跳闸, 导致此灯杆可以 “带病工作”, 且能正常亮灯, 常 规巡查难以发现故障。
表 2 中, 也有一台箱变 NS3-125 的 N2 回路数值 明显较大, 达到了23A。我们对该回路进行排查后, 找到了故障点。 故障点也在一处灯杆内, 该灯杆的灯门内电缆接线头绝缘胶布烧断, 导致电缆头散开, 电缆头与灯杆金属表面直接接触, 造成了单相接地故障。
表 1 和表 2 中, 除两个故障回路外, 其余大部分回路测得的数值相对较低。 由于路灯线路长, 且每个回路的总长度差异较大, 电缆对地的分布电容也会产生些许的漏电流, 因此并不是说测出了剩余电流数值, 就说明回路存在故障, 正常的线路也可能被检测出轻微的剩余电流。 在这个基础上, 我们暂时无法给出一个准确的安全数值, 只能在维护作业时, 从数值较大的回路开始逐个排查。
表 1 部分测量数据
表 2 部分测量数据
5安科瑞安全用电云平台及选型
5.1安科瑞安全用电云平台介绍
Acrelcloud-6000安全用电云管理系统能够对剩余电流、设备温度、故障电弧等电气故障进行实时监控、报警、记录，并且通过云端的远程控制。设备与云端的通讯方向不受限制，能上传数据、透传指令，并时间显示实时状态。通过对上传至云端的数据进行分析，为用户提供火灾隐患的相关数据，能够及早的发现问题并实施排查，避免火灾的发生。另一方面，云平台提供超大容量的信息储存及稳定的服务，提升了服务质量，对用户的长远发展具有战略意义。此外，该系统通过集中监控，使得数据通过每个节点的4G网络传输至云端集中式管理和监控，主控端布置于城市消防大队，从而能够对采集的信息进行统一的监控和管理。
具体功能如下：
（1）安全用电监管服务系统包含安全用电管理云平台、电脑终端显示系统、手机APP、漏电探测器、漏电互感器、电流互感器等。
（2）安全用电监管服务系统平台能展示剩余电流、温度、电流等电气安全参数的实时监测数据及变化曲线、历史数据与变化曲线、实时报警数据等，能实时显示现场服务次数、排除隐患数、未排除隐患数、报警未处理数、常规巡检及产品维护等数据，监管数据能保存十年以上。
（3）手机APP软件同时具有IOS版本和安卓版本，能通过手机APP对每条报警记录进行呼叫，便于紧急情况下能尽快通知用电单位。
（4）能对各个单位及设备的电气安全运行情况进行自动统计和分析评估，并随时展示电气安全运行分析报告。
（5）监控探测终端产品满足国家法律法规和有关技术标准（GB14287.2《剩余电流式电气火灾监控探测器》和GB14287.3《测温式电气火灾监控探测器》）的要求，并通过国家消防产品质量监测检验中心提供的消防3C认证。
（6）漏电探测器能同时探测剩余电流、四路温度、三相电流等参数值，并能通过无线以移动通讯网络接入安全用电监管系统平台。
5.2产品选型
5.2.1漏电火灾监控探测器
5.2.2故障电弧探测器
安科瑞故障电弧产品型号代码为AAFD，共有两种电流等级，可监测回路故障电弧的发生，并及时预警，提醒用户处理，防止电弧导致的火灾的发生。
AAFD可配合AF-GSM400使用并接入安全用电平台，该产品不可在同一台AF-GSM400下与ARCM混接。如图：
5.2.3限流式保护器
安科瑞限流式保护器型号代码为ASCP200-1，有三种电流等级，可监测回路短路过载等故障信息，发生故障时预警和产生灭弧效果，防止电弧导致的火灾的发生。
ASCP200-1可配合AF-GSM400使用并接入安全用电平台，也能够通过插入SIM卡直接上传到平台。
以下是ASCP200-1的主要功能：
短路保护功能。保护器实时监测用电线路电流，当线路发生短路故障时，能在150微秒内实现快速限流保护，并发出声光报警信号。
过载保护功能。当被保护线路的电流过载且过载持续时间超过动作时间（3…60秒可设）时，保护器启动限流保护，并发出声光报警信号。
表内超温保护功能。当保护器内部器件工作温度过高时，保护器启动超温限流保护，并发出声光报警信号。
过、欠压保护功能。当保护器检测到线路电压过压或欠压时，保护器发出声光报警信号，可预先设置是否启动限流保护。
配电线缆温度监测功能。当被监测线缆温度超过报警设定值时，保护器发出声光报警信号，可预先设置是否启动限流保护。
漏电流监测功能。当被监测的线路漏电超过报警设定值时，保护器发出声光报警信号，可预先设置是否启动限流保护。
保护器具有1路RS485接口，1路2G无线通讯，可以将数据发送到后台监控系统，实现远程监控。
5.2.4剩余电流互感器
5.2.5 AF-GSM400-2G/4G无线上传模块
AF-GSM400-2G/4G/CE模块是一款2G/4G有线无线模块，该无线模块为安全用电云平台专用模块。
AF-GSM400接入每块仪表所需流量为20M/月，单个模块可以接入30块仪表。默认上传间隔2分钟，如发生报警，会实时上传数据。
5.2.6温度传感器
温度传感器为一热敏电阻NTC，它提供0-120°的温度监控基准，可以用来监测线缆或配电箱体的温度，提供温度保护。
6结束语
我们使用的这种快速检测剩余电流的方法, 可以在路灯维护作业过程中, 提高人工排查故障回路的效率, 快速发现漏电安全隐患。 通过一段时间的现场检验, 确定了该方法的可操作性。 但是我们还无法整定出安全数值, 使得检测的过程还存在瑕疵。未来, 我们还将对回路长度与电缆对地分布电容造成的泄漏电流之间的关系进行研究, 完善通过检测剩余电流排查路灯漏电隐患的方法。
参考文献
[1]万承廷, 王令老, 王志军, 等. 实用电工手册 [M]. 南昌: 江西省科学技术出版社, 1982.
[2]欧阳永忠.剩余电流测量在排查路灯漏电隐患中的应用.
[3]安科瑞安全用电管理云平台手册.2020.02版.
