厂区路灯单相非金属接地的故障模拟分析

厂区路灯单相非金属接地的故障模拟分析

潘后荣 尚文斌 庞立宁

（中国核电工程有限公司河北分公司）

摘  要：本文将电击防护措施聚焦在故障接触电压方向，以户外路灯为切入点，分析不同环境状况下户外路灯发生单相非金属性接地时，人体间接接触灯杆产生的电击伤害。通过数学建模来模拟路灯发生单相非金属性接地故障，运用MATLAB程序计算，模拟出间接接触时通过人体的故障电流以及接触电压，生成相应的函数曲线。通过测试路灯在仅利用基础做接地极、补打垂直接地体、环形接地体三种情况下的电击防护效果。结合实际测量数据和MATLAB仿真曲线，得出在人体安全电压限值下的路灯接地电阻值的范围，从而确保某涉核项目厂区路灯安全可靠运行，防止路灯电击事故的发生，对切实解决厂区路灯设计的难点痛点具有重要现实意义。

关键词： 接触电压；环境状况；非金属性接地；间接接触；数学建模；MATLAB程序计算；故障电流；接地电阻

0引  言

随着某涉核项目的推进，厂区道路的大规模建设，大量安装金属灯杆。通常灯杆所处环境复杂多变（例如道路喷散、绿化浇灌、暴雨积水、路面积雪等诸多情景），使得电击防护措施很难全面，阴雨天气多发电击伤害事故。路灯绝缘降低主要由建设期绝缘缺陷及使用期绝缘老化形成，单相接地故障发生时导线与灯杆之间连接不可靠，多为单相非金属性接地故障。本文以道路照明常用的TT系统下的户外路灯为切入点，研究单相非金属性接地故障时间接接触的电击危险。

目前，户外用电设备电击防护主要通过降低接地电阻值来实现，而对接触电压和通过人体的电流研究较少。本文重点研究故障接触电压与接地电阻之间的关系，通过数学建模、MATLAB程序设计及模拟实验、实际测量等多种方式下的数据进行分析，得到安全情况下接地电阻值范围。

1人体接触电压与灯杆接地电阻的数学分析

1.1建立路灯单相非金属性接地模型

道路照明发生触电事故，绝大部分为单相非金属性接地故障造成的间接接触，故障电阻抗几十~几千欧姆。道路照明配电系统常用TT系统，出线回路通常选用动作值为100mA的剩余电流保护动作装置。当发生短路时：金属性短路时线路阻抗很小，线路的保护装置能够可靠动作；非金属性接触阻抗较小时,线路的保护装置也能够可靠动作。但当非金属性接触阻抗大于500Ω时，线路的保护装置容易拒动，此种情况需要对人体接触电压进一步分析，本文取500Ω作为模拟非金属性接触阻抗。

根据《电流对人和家畜的效应 第1部分：通用部分》GB/T 13870.1-2008中相关规定，人体电阻在潮湿、湿润、浸水三种环境情况下分别按1000Ω、600Ω、330Ω进行估算。

建模前采用两块300*100（mm）镀锌钢板模拟人体双脚，在厂区道路旁绿化带内多次测量，得出不同环境下人体接地电阻。

利用上述数据，建立如图1所示模型，模拟单相非金属性接地故障，分析通过人体的故障电流、电压与灯杆接地电阻之间的关系。

图1路灯非金属性单相接地模型示意图

其中Re为TT系统单相接地时系统阻抗，R1为非金属性接触阻抗，Rx为灯杆接地电阻，Rr模拟人体电阻，Rd为人体接地电阻。各参数取值如下表所示。

表1 模型相关参数值

1.2 MATLAB程序设计

根据上述模型，以灯杆接地电阻Rx为自变量，忽略接地极与人体接地电阻之间的相互影响，得到如下计算公式。

                 （1）

根据上述公式，运用MATLAB程序模拟三种环境状况下通过人体Rr的故障电流I1和接触电压Ur，程序运行结果如图2、3所示。

图2通过人体的电流曲线图

图3人体接触电压曲线图

分析图2、3的曲线，按照《特低电压（ELV）限制》GB/T3805-2008中规定，得到不同环境状况下安全电压、电流对应的接地电阻值，如表2所示。

表2安全电压、电流下的接地电阻值参照表

根据表中电压、电流限值下的接地电阻，可以得出潮湿环境下符合安全要求的接地电阻为100Ω，湿润环境下为55Ω，浸水环境下为45Ω（流经人体表皮电流为10mA）。

2单相非金属性接地模拟实验及数据分析

2.1制作实验模型

根据图1所示原理图，制作测量用的多功能实验平台，该平台不仅具有模拟单相非金属性接地的功能，还可以测量不同环境状况下通过人体的故障电流、故障接触电压、跨步电压等功能，其原理图如图4所示。

图4多功能试验平台原理示意图

选取某涉核项目内两根路灯为实验对象。路灯A为8.0m的路灯，金卤灯光源，现场补打垂直接地极；路灯B为LED庭院灯，高3.5m，现场补做环形接地极，具体做法如图5所示。

图5路灯接地示意图

由于测量前当地出现降雨，环境状况为潮湿环境，通过洒水模拟湿润环境，灌溉半小时模拟浸水环境。

2.2 数据分析

通过实验测量得到三种环境状况下相关实验数据，并与模型计算数据对照，如表3所示。

表3测量数据与计算数据对照表

分析表3中数据可以看出，在利用基础接地极和补打垂直接地极时，实际测量数据和图2、图3中MATLAB程序曲线读取数据基本相等，本文建立的函数模型具有一定的参考价值。还可以看出，路灯采用TT系统时，只依靠基础接地极无法防护单相非金属性接地故障，当绝缘降低而发生短路故障时会危害人身安全。

本文计算模型未考虑发生单相非金属性接地故障时，故障点电位对接触电压的影响，可以看出补做环形接地极和垂直接地极后，由于故障点电位升高，影响到地面电位分布，使接触电压降低，因此实际测量的人体接触电压和通过人体的电流比模型计算结果要小。由实测数据可以看出，环形接地极的防护效果更明显，同时可以起到等电位的作用，从而降低跨步电压。

对比不同环境状况的数据，在没有补打人工接地极的情况下，虽然随着环境潮湿度的增加，接地电阻相应在下降，但是通过人体的故障电流和接触电压反而升高，这也与目前电击伤害多发生在雨天是一致的。

分析MATLAB仿真曲线和实际测量数据，参照接地电阻计算的季节系数（八月份最大，为2.55），当道路照明灯杆接地电阻低于100Ω时，发生单相非金属性接地故障情况下，能够防止间接接触的触电事故。

3结语

根据相关标准和多次测量得到阻抗数据，分析数据之间的关系建立了模拟单相非金属性接地故障的数学模型。进一步通过MATLAB程序仿真，模拟出发生单相非金属性接地故障时通过人体的故障电流和接触电压随灯杆接地电阻的变化曲线。自制测量装置，实际测量出不同环境状况下发生单相非金属性接地故障时接地电阻、故障电流、接触电压等相关数据。

根据数据分析，非金属性接触阻抗大于等于500Ω时，道路照明灯杆接地电阻低于100Ω，能够防止单相非金属性接地故障下间接接触而发生的触电事故；非金属性接触阻抗小于500Ω时，剩余电流保护动作装置作为后备保护能够可靠动作于跳闸，防止触电事故的发生。实验数据表明，人工接地极中，环形接地极的防护效果要优于垂直接地极。

通过模拟计算和实验数据分析，为研究电击防护提供理论依据，从而推进户外用电设备安全可靠运行，保障某涉核项目生产生活道路照明安全可靠运行具有重要意义。

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