供配电系统中性点运行方式与接地

2013-07-25杨健王贵全

电气开关 2013年2期

杨健，王贵全

（1.沈阳电气传动研究所（有限公司），辽宁沈阳；2.国电康平发电有限公司，沈阳康平 110500）

1 概述

随着社会的不断进步，电能已成为人们生产生活中最基本的不可代替的能源。然而，当电能失去控制时，就会引发各类电气事故，其中对人体的伤害即触电事故是最常见的，而人们最忽视的就是间接触电。保护接地和保护接零是防止间接触电最基本的措施。为此，建设部曾下达了有关接地及接地系统的强制性条文标准及严格的质量验收标准，故此在设计和施工中必须引起充分的重视。

1.1 接地的概念

接地就是将电气设备的某些部位、电力系统的某点与大地相连，提供故障电流及雷电流的泄流通道，稳定电位，提供零电位，提供零电位参考点，以确保电力系统、电气设备的安全运行，同时确保电力系统运行人员及其他人员的人身安全。接地功能是通过接地装置或接地系统来实现的。电力系统的接地装置可分为两类，一类为输电线路杆塔或微波塔的比较简单的接地装置，如水平接地体、垂直接地体、环形接地体等；另一类为发电站的接地网。

1.2 接地的种类

（1）功能性接地:为保证电网正常运行，或为了实现电气装置的固有功能，提高其可靠性而进行的接地。例如:在电力系统正常运行时需要的接地（如电源中性点接地）又称为工作接地。

（2）保护性接地:为了保证电网故障时人身和设备安全而进行的接地，它又分为:

①保护接地:电气装置外露部分、电气装置容易触及的导电部分。它在正常时不带电压，而在故障情况下可能带电压。为了降低此电压，减小对人身的损害，应将其接地。例如:电气装置的金属外壳接地，母线金属支架接地等。

②电压保护接地:为了防止过电压对电气装置和人身安全的危害而进行的接地。例如:电气设备或线路的防雷接地。依此类推，建筑物防雷接地也属此类接地。

③防静电接地:为了消除静电时对人身安全和电气装置的危害而进行的接地。例如:输送某些液体和气体的金属管道的接地，监控等电子控制装置和输入输出电子微弱信号管线接地等。

（3）功能性和保护性合一的接地。例如:屏蔽接地。这种接地应首先满足保护性接地要求。

（4）保护接地和保护接零。保护接地和保护接零是有区别的。保护接地是把电气设备的金属外壳、框架等用接地装置与大地可靠地连接，它适用于电源中性点不接地的低压系统和1000V以上任何形式的电网中。保护接地的原理是给人体并联一个小电阻，以保证发生事故时，减小通过人体的电流和承受的电压，主要保护人员和设备不受损害。

保护接零就是在电源中性点接地的系统中，把电气设备的金属外壳、框架与零线相连接，它的作用在于，如果电气设备的绝缘损坏而碰壳，由于零线的电阻小，故短路电流很大，这将使电路中保护开关动作或使电路中保护熔丝断开，切断电源，这时外壳就不带电，从而避免触电事故。

（5）重复接地。在低压三相四线制采用保护接零的系统中，为了加强接零的安全性，在零线的一处或多处通过接地装置与大地再次连接，称作重复接地，如图1所示。

图1 工作接地、保护接地、保护接零、重复接地

低压配电系统的接地，在三相四线制中接地和接零是一个概念，在三相五线制系统接地和接零是分离的。变压器中性点N线直接接变压器的接地网上，是功能性接地。在电气装置外露金属部分如外壳接地，是通过PE线直接接到接地网和接地极上。如建筑物基础作为接地网，建筑物周围的接地网，此为保护接地。

保护线与中性线从某点分开就不允许有任何联系，其目的有以下两点:其一是为了使漏电电流动作保护能正确动作；其二是为了使保护线上没有电流流过，以保证保护线乃至设备外露可导电部分的电位限制在较低水平，以利安全。

至于中性线也应采取与相线绝缘水平相同导线，是为了避免系统的杂散电流对中性线产生影响，以保证漏电电流动作保护装置正确动作，同时也保障人身安全（同时即使在三相平衡条件下，由于三次倍数以上的谐波影响中性线上仍有相当大的电流流过，因此也是伴随着电压存在）。

2 保护接地、跨步电压和接触电压

2.1 保护接地

供配电系统发生单相接地时，通常是内部的某相导体与外壳间的绝缘破坏，往往会使平常不带电的金属构件带上危险的高压，其数值远远高于安全电压。采用保护接地可以减小人体触电时流过人体的电流，将其限制在安全范围。

如图2所示，在中性点非有效接地系统中，在正常工作时电动机外壳不带电。当绝缘损坏、某一相碰壳时，外壳带上了电压。此时人若接触外壳就会有接地电流通过人体流入大地。最严重的情况是，当碰壳发生在绕组的首端时，外壳会带上相电压，流过人体的电流大大高于安全值，如图2（a）所示。

如果采用保护接地，即将电动机的外壳通过接地体与大地相连，如图2（b）所示。则接地体电阻与人体电阻是并联关系，可以起分流的作用。流过人体的电流为

式中:Im为流过人体的电流，A；Id为单相接地电流，A；Rm为人体电阻，Ω；RE为接地电阻，Ω；Rt为人体与带电体之间的电阻，Ω。

图2 保护接地原理图

通常RE＜＜Rm，所以适当选择接地体的电阻RE就可以将通过人体的电流Im限制在安全的范围内。提高人体电阻Rm和人体与带电体之间的接触电阻Rt也有一定的限流效果。要提高Rm值，应保证人体在健康、洁净、皮肤干燥的状态下参加工作；要提高Rt值，安全规程规定了人触及可能漏电的电气装置时，地面应铺设绝缘垫、穿绝缘鞋、带绝缘手套等。考虑到实际工作情况，防止人体触电的根本技术措施是降低接地电阻值，只要RE足够小，流过人体的电流就可以限制在安全的范围，但要RE足够小，就必须使接地体或接地网的投资增大。

2.2 跨步电压和接触电压

当有接地电流流过接地体时，人体若在分布电位区域活动，则身体的不同部位之间会存在电位差，如果电位差超出了允许范围，就会使人体流过超过安全范围的电流，造成人体触电。典型的电压差有跨步电压和接触电压，如图2所示。

（1）跨步电压。所谓跨步电压是指在人在分布电位区域行走，当跨出一步时，两脚之间的电位差称为跨步电压。人的步距可以取为0.8m，故跨步电压为该区域水平距离0.8m的两点之间的电位差值。如图3所示，US=U1－U2。可见，处于分布电位区域（如高压带电体落地处附近或接地体附近）时，千万不能大步逃离，因为步距越大，跨步电压越大。

（2）接触电压。人站在电气设备的附近，用手触及漏电设备的外壳时，加于人手和脚之间的电位差称为接触电压Ut。通常人距设备有一定距离0.8m，人触及设备有一定高度（1.8m），故接触电压Ut，按距漏电设备0.8m，高度1.8m计算。如图3所示，Ut=Ud－Us。

图3 接地体的分布电位区域及接触电压和跨步电压示意图

为了保证人身安全，电气工程在接地装置的设计和施工时，应保证接触电压和跨步电压在允许范围内。

3 低压配电系统接地形式

低压配电系统按保护接地形式的不同，分为TN系统、TT系统和IT系统。TN、TT和IT的第一个字母表示电源端的接地状态，T表示直接接地；I表示不直接接地，即对地绝缘或经1kΩ以上的高阻抗接地。第二个字母表示负荷端接地状态，T表示电气设备金属外壳的接地与电源端接地相互独立；N表示负荷侧接地是电源端工作接地的直接电气延续。

3.1 TN系统

TN系统电源侧中性点接地，各负荷经过公用的接地线接地。其特点是一旦设备绝缘破坏使其外壳带电，则通过保护线（PEN线）构成短路回路，有很大的短路电流流过短路回路，使回路中熔断器熔断，低压断路器的脱扣器立即动作而跳闸，切除故障设备。TN系统的单相接地短路电流和相同条件下的TT系统相比，要增大五倍以上，单相接地短路电流大，有利于保护装置的快速动作。

TN系统又可分为三种，即TN—C，TN—S和TN—C—S系统。

（1）TN—C系统

如图4（a）所示，TN—C系统中由于中性线与保护线合为PEN线，因而具有简单、经济的优点，但PEN线上除了具有正常的负荷电流通过外，有时还会有高次谐波电流通过，正常运行情况下，由于负荷不完全对称，PEN线上也将呈现出一定的电压。其大小取决于PEN线上不平衡电流和线路阻抗。因此，TN—C系统主要适用于三相负荷基本平衡的工业企业建筑，在一般住宅和其他民用建筑内不应采用TN—C系统。

（2）TN—S系统

如图4（b）所示，TN—S是一个三相四线加PE线的接地系统，即三相五线制系统。TN—S系统的特点是，中性线N与保护接地线PE除在变压器中性点共同接地外，两线不再有任何的电气连接。

中性线N是带电的，流过负荷电流。而PE线不流过负荷电流，避免了TN—C系统中由于三相负荷不平衡或系统单相接地后使设备外壳处于高电位的缺点。TN—S系统广泛适用于小企业及民用负荷。但由于增加PE线，投资增加。

（3）TN—C—S系统

如图4（c）所示，TN—C—S系统由两个接地系统组成，第一部分是TN—C系统，第二部分是TN—S系统，分界面在N线与PE线的连接点。通常该点为配电用户的进户接入点，进户之前采用TN—C系统，进户处做重复接地，进户后变成TN—S系统。该系统中，PEN线分为PE线和N线后，N线应对地绝缘，不得与PE线合并或互换。运行中，中性线N常会带电，保护接地线PE没有电的来源。PE线连接的设备外壳及金属构件在系统正常运行时，始终不会带电，因此TN—C—S接地系统明显提高了安全性，适用于居民住宅楼低压配电系统。

图4 TN系统

3.2 TT系统

如图4所示，在TT系统中，配电变压器中性点直接接地，电气设备金属外壳也通过保护线PE接地，但两者的接地体是分开的，没有导线连接，电气设备的接地可几台共用也可单独使用。TT系统中较好地防止接地故障所引起的触电。在TT系统中，由于各设备的PE线分别接地，无电磁联系，无相互干扰，适用于对信号干扰要求较高的场所，如对通讯信号、精密仪器、检测装置供电等。

3.3 IT系统

如图5所示，IT系统变压器中性点不接地或经足够高的阻抗接地，无中性线（即N线），为三相三线制的小接地电流系统供电方式。负荷只能取用线电压（380V），无法接相电压（220V），保护接地线PE各自独立接地。该系统的优点是当一相接地时，不会使外壳带有较大的故障电流，系统可以照常运行，可靠性高。但带接地点运行时，设备外壳可能带上危险的电压，危及人身安全。所以除了将设备外壳经PE线分别接地外，IT系统还需要装设灵敏的触电保护装置和绝缘监察装置。IT系统安全性高，且各PE线间无电磁联系。通常用于对供电可靠性要求较高的场所，如发电厂的厂用系统、矿井、抽水泵站等。其缺点是不能配出中性线N，不适用于220V单相负荷。