安科瑞 時麗花??

摘要:單相接地故障是造成城市路燈設施漏電隱患的主要原因。通過研究剩余電流保護器 (RCD)的工作原理, 找到了利用鉗表快速地測量回路中剩余電流的方法, 從現場作業(yè)的角度出發(fā), 提高人工排查漏電隱患的效率。

關鍵詞: 路燈; 剩余電流; 漏電隱患; 維護作業(yè)

0引言

路燈是指給道路提供照明功能的一種用電設備,其特點是分布廣、 燈桿基本使用鋼鐵材料, 燈桿頂部的燈具、 燈桿內的電纜線都帶電。 由于路燈桿較多分布于人行道或綠化帶, 燈桿與人很容易接觸到,因此, 當漏電發(fā)生時, 很容易引起人體觸電的事故。

近年來, 隨著城市規(guī)模的不斷擴大, 城市人口與日俱增, 城市照明范圍也隨著日益擴大, 市民也對城市照明提出了更高的要求。 在這個背景下, 路燈設施的數量和密度在不斷增加, 這也給城市照明設施的管理增加了難度。 而時有發(fā)生的路燈漏電傷人事件, 也給城市照明設施的管理者提出了一個難題: 如何做到既能保證照明的效果, 又能把安全隱患消除。

本文將主要探討漏電現象的原理、 如何快速排查隱患并分享實際工作中的一些經驗。

1 漏電原因分析

路燈設施漏電分為 “燈桿帶電” 和 “ 電纜漏電”, 這兩類現象產生的場景有以下幾種:

1) 路燈桿內電纜絕緣損壞導致電線與燈桿接觸, 使燈桿帶電。

2) 燈頭漏電。 照明燈頭雖然設計有防水功能,但絕緣發(fā)生變化或者線路被雷擊后, 燈頭存在漏電的可能。

3) 路面積水侵入燈桿內部導致漏電。 城市內澇時, 路燈桿若淹沒于水中, 水位超過燈門高度,接線頭防水措施不足會導致漏電。

4) 電纜絕緣變化。 路燈供電線路比較長, 有的線路可能長達數公里, 并且都埋于地下, 時間久了會受侵蝕發(fā)生絕緣變化, 或受外力影響導致電纜皮破損, 電纜絕緣降低就可能導致漏電。

在電路分析中, 以上漏電現象多為單相接地故障。 《低壓配電設計規(guī)范》 (GB / T 50054—2011) 第5.2.9 條規(guī)定 “TN 系統(tǒng)中配電線路的間接接觸防護電器切斷故障回路的時間, 應符合下列規(guī)定: 配電線路或僅供給固定式電氣設備用電的末端線路, 不宜大于 5 s”。 假設某一段路燈線路長 1 km, 采用 VV - 1kV 4 × 25 mm2 + 1 × 16 mm2 電纜, 當線路末端發(fā)生單相金屬性接地故障時, 故障電流Id = 122.3A, 對于常用的額定電流為 63 A 的斷路器, 很難在5 s 內切斷電路。 如果發(fā)生單相非金屬性接地故障, 現有的斷路器更可能是根本無法切斷故障回路[1]。

單相接地故障中, 故障點電壓會下降, 另外兩相電壓會升高, 但是由于 LED 路燈電源大多數是寬范圍設計, 電壓低至 90 V 也可以正常工作, 因此無法通過肉眼觀察亮燈情況來發(fā)現故障。 路燈線路由于電纜與大地接觸, 且距離很長, 電纜的對地分布電容所產生的漏電容易超過一般漏電保護器的整定范圍, 導致無法合閘, 常規(guī)的漏電保護器也無法加裝。

因此, 在實際的維護管理中, 我們需要增加人工排查故障的方式, 提高線路的安全性。 單相接地故障發(fā)生時, 保護導體 ( PE) 線內會流過漏電電流, 我們可以通過測量出漏電電流來排查出故障回路[2]。

2 不同類型電流產生的原理

2.1 不平衡電流產生的原理

三相五線制中時, 任何一相中的單相負荷都有兩個回路。 一是和零線組成 220 V 回路, 二是和另一相串聯構成 380 V 回路。當三相平衡的時候, 電源相間的線電壓與每一相回路的相電壓之間會形成一個和諧的回路, 而此時零線上是沒有電流的。 當負荷不平衡的時候, 串聯在線電壓之間的兩相負荷就不一樣大了, 而由于串聯電路中電流相等, 于是負荷大的一相多余的電流就從零線流走了。 這個電流就是不平衡電流[3] 。

如圖 1 所示, 假設 L1 相接了一個燈, L2 相接了兩個燈, L3 相接了三個燈, L1 相的一個燈通過零線和L2相兩個燈串聯接于 L1L2 線電壓, L1 相的一個燈也通過零線和 L3 相三個燈串聯接于L1L3線電壓, 此時系統(tǒng)處于不對稱狀態(tài), 三相不平衡。在線電壓與L1相L2相共三個燈的回路中, 電流處處相等, 而 L1 相和 L2 相各自回路的負載電流卻不等, 而系統(tǒng)之所以還可以運行, 是因為L1L2相多余負荷的電流從零線走了。因 此, 此時的N線是帶電的。

圖 1 三相五線制原理圖

2.2 零序電流產生的原理

三相系統(tǒng)的電壓、 電流都可以分解為正序、 負序和零序分量, 在三相平衡且無故障發(fā)生時, 系統(tǒng)處于對稱運行狀態(tài), 沒有負序零序分量, 只有正序分量。 若出現了負序或零序分量, 則說明系統(tǒng)存在問題[4]。單相接地故障會產生零序電流, 假設三相 平衡, 當電路中發(fā)生觸電或漏電故障時, 回路中有漏電電流流過, 這時三相電流相量和不等于零, 其相量和為 Ia + Ib+ Ic = I (I 即零序電流)[5] 。

雖說單相接地故障會產生零序電壓和零序電流, 但是, 在實際工作中我們發(fā)現, 由于路燈低壓設施數量龐大、 線路長、 接線不規(guī)范等諸多問題, 導致在實際運行中, 三相不平衡的情況較為常見, 線路中經常有不平衡電流。 因此我們難以通過直接測量零序電流的方式去排查單相接地故障。

2.3漏電電流產生的原理

我們在觀察剩余電流保護器的工作原理時發(fā)現, 可以模仿剩余電流保護器的原理, 用人工的方法快 速檢測線路中的剩余電流。 既然如此, 我們就可以通過測量剩余電流的方式快速方便地排查出單相接地故障。

剩余電流保護的原理, 是讓三相線路及中性線 共同穿過一個 CT (電流互感器), 如下圖, 三相線路與中性線的電流矢量和為 IA + IB + IC + IN, 當線路 正常沒有發(fā)生單相接地故障時,此電流矢量和為 0 (忽略正常泄漏電流); 當發(fā)生單相接地故障時, PE 線會流過接地故障電流 ID, 則電流矢量和為 IA+ IB + IC + IN = ID [6]。

圖 2 剩余電流保護器原理圖

3 漏電電流的檢測

在實際操作時, 我們在路燈箱變的低壓出線端, 任選一個回路, 用鉗形表把 A 相、 B 相、 C 相和零線用鉗形表同時鉗住, 此時測得的電流數值就是 IA + IB + IC + IN, 而這個數值也等于 ID, 也就是故障電流 (漏電電流), 在這個過程中, 不對稱分量被抵消, 因此測得的剩余電流, 由單相接地故障所產生的漏電電流[7]。圖3是現場操作的圖片。

圖 3 現場操作圖

4 實際應用

我們用這個方法對 133 臺箱變進行了剩余電流的檢測, 表 1 和表 2 是部分測量數據, 其中 N1 ~ N10 代表回路編號。

表 1 中, 有一臺箱變 NS3-100 的 N5 回路的數值達到了 20． 2 A, 明顯超出正常范圍。 經過排查后, 我們在一處燈桿內找到了故障原因。 如圖 4 所示, 該燈桿燈門內的接線端, 被外力拉入至底下的燈盤位置。 我們猜測, 可能是臺風 “ 山竹” 襲來時, 倒伏樹木牽扯了路燈電纜, 導致接線端被拉到低位。 而該燈桿內低位非常潮濕, 導致接線頭絕緣老化加速, 潮濕的環(huán)境使線頭產生放電現象, 使燈桿帶上漏電壓, 其電壓達到了 103 V。 由于只是其中一相的絕緣老化, 擊穿空氣通過燈桿與大地連接, 產生的漏電流只有十幾安培, 空氣開關無法跳閘, 導致此燈桿可以 “帶病工作”, 且能正常亮燈, 常 規(guī)巡查難以發(fā)現故障。

表 2 中, 也有一臺箱變 NS3-125 的 N2 回路數值 明顯較大, 達到了23A。我們對該回路進行排查后, 找到了故障點。 故障點也在一處燈桿內, 該燈桿的燈門內電纜接線頭絕緣膠布燒斷, 導致電纜頭散開, 電纜頭與燈桿金屬表面直接接觸, 造成了單相接地故障。

表 1 和表 2 中, 除兩個故障回路外, 其余大部分回路測得的數值相對較低。 由于路燈線路長, 且每個回路的總長度差異較大, 電纜對地的分布電容也會產生些許的漏電流, 因此并不是說測出了剩余電流數值, 就說明回路存在故障, 正常的線路也可能被檢測出輕微的剩余電流。 在這個基礎上, 我們暫時無法給出一個準確的安全數值, 只能在維護作業(yè)時, 從數值較大的回路開始逐個排查。

表 1 部分測量數據

表 2 部分測量數據

5安科瑞安全用電云平臺及選型

5.1安科瑞安全用電云平臺介紹

Acrelcloud-6000安全用電云管理系統(tǒng)能夠對剩余電流、設備溫度、故障電弧等電氣故障進行實時監(jiān)控、報警、記錄，并且通過云端的遠程控制。設備與云端的通訊方向不受限制，能上傳數據、透傳指令，并時間顯示實時狀態(tài)。通過對上傳至云端的數據進行分析，為用戶提供火災隱患的相關數據，能夠及早的發(fā)現問題并實時排查，避免火災的發(fā)生。另一方面，云平臺提供超大容量的信息儲存及穩(wěn)定的服務，提升了服務質量，對用戶的長遠發(fā)展具有戰(zhàn)略意義。此外，該系統(tǒng)通過集中監(jiān)控，使得數據通過每個節(jié)點的4G網絡傳輸至云端集中式管理和監(jiān)控，主控端布置于城市消防大隊，從而能夠對采集的信息進行統(tǒng)一的監(jiān)控和管理。

具體功能如下：

（1）安全用電監(jiān)管服務系統(tǒng)包含安全用電管理云平臺、電腦終端顯示系統(tǒng)、手機APP、漏電探測器、漏電互感器、電流互感器等。

（2）安全用電監(jiān)管服務系統(tǒng)平臺能展示剩余電流、溫度、電流等電氣安全參數的實時監(jiān)測數據及變化曲線、歷史數據與變化曲線、實時報警數據等，能實時顯示現場服務次數、排除隱患數、未排除隱患數、報警未處理數、常規(guī)巡檢及產品維護等數據，監(jiān)管數據能保存十年以上。

（3）手機APP軟件同時具有IOS版本和安卓版本，能通過手機APP對每條報警記錄進行呼叫，便于緊急情況下能盡快通知用電單位。

（4）能對各個單位及設備的電氣安全運行情況進行自動統(tǒng)計和分析評估，并隨時展示電氣安全運行分析報告。

（5）監(jiān)控探測終端產品滿足國家法律法規(guī)和有關技術標準（GB14287.2《剩余電流式電氣火災監(jiān)控探測器》和GB14287.3《測溫式電氣火災監(jiān)控探測器》）的要求，并通過國家消防產品質量監(jiān)測檢驗中心提供的消防3C認證。

（6）漏電探測器能同時探測剩余電流、四路溫度、三相電流等參數值，并能通過無線以移動通訊網絡接入安全用電監(jiān)管系統(tǒng)平臺。

5.2產品選型

5.2.1漏電火災監(jiān)控探測器

5.2.2故障電弧探測器

安科瑞故障電弧產品型號代碼為AAFD，共有兩種電流等級，可監(jiān)測回路故障電弧的發(fā)生，并及時預警，提醒用戶處理，防止電弧導致的火災的發(fā)生。

AAFD可配合AF-GSM400使用并接入安全用電平臺，該產品不可在同一臺AF-GSM400下與ARCM混接。如圖：

5.2.3限流式保護器

安科瑞限流式保護器型號代碼為ASCP200-1，有三種電流等級，可監(jiān)測回路短路過載等故障信息，發(fā)生故障時預警和產生滅弧效果，防止電弧導致的火災的發(fā)生。

ASCP200-1可配合AF-GSM400使用并接入安全用電平臺，也能夠通過插入SIM卡直接上傳到平臺。

以下是ASCP200-1的主要功能：

短路保護功能。保護器實時監(jiān)測用電線路電流，當線路發(fā)生短路故障時，能在150微秒內實現快速限流保護，并發(fā)出聲光報警信號。

過載保護功能。當被保護線路的電流過載且過載持續(xù)時間超過動作時間（3…60秒可設）時，保護器啟動限流保護，并發(fā)出聲光報警信號。

表內超溫保護功能。當保護器內部器件工作溫度過高時，保護器啟動超溫限流保護，并發(fā)出聲光報警信號。

過、欠壓保護功能。當保護器檢測到線路電壓過壓或欠壓時，保護器發(fā)出聲光報警信號，可預先設置是否啟動限流保護。

配電線纜溫度監(jiān)測功能。當被監(jiān)測線纜溫度超過報警設定值時，保護器發(fā)出聲光報警信號，可預先設置是否啟動限流保護。

漏電流監(jiān)測功能。當被監(jiān)測的線路漏電超過報警設定值時，保護器發(fā)出聲光報警信號，可預先設置是否啟動限流保護。

保護器具有1路RS485接口，1路2G無線通訊，可以將數據發(fā)送到后臺監(jiān)控系統(tǒng)，實現遠程監(jiān)控。

5.2.4剩余電流互感器

5.2.5 AF-GSM400-2G/4G無線上傳模塊

AF-GSM400-2G/4G/CE模塊是一款2G/4G有線無線模塊，該無線模塊為安全用電云平臺專用模塊。

AF-GSM400接入每塊儀表所需流量為20M/月，單個模塊可以接入30塊儀表。默認上傳間隔2分鐘，如發(fā)生報警，會實時上傳數據。

5.2.6溫度傳感器

溫度傳感器為一熱敏電阻NTC，它提供0-120°的溫度監(jiān)控基準，可以用來監(jiān)測線纜或配電箱體的溫度，提供溫度保護。

6結束語

我們使用的這種快速檢測剩余電流的方法, 可以在路燈維護作業(yè)過程中, 提高人工排查故障回路的效率, 快速發(fā)現漏電安全隱患。 通過一段時間的現場檢驗, 確定了該方法的可操作性。 但是我們還無法整定出安全數值, 使得檢測的過程還存在瑕疵。未來, 我們還將對回路長度與電纜對地分布電容造成的泄漏電流之間的關系進行研究, 完善通過檢測剩余電流排查路燈漏電隱患的方法。