等电位联结在低压接地故障保护中的应用研究①
2018-08-03
(福建省建筑科学研究院，福建 福州 350025)
0 引 言
低压供配电系统发生接地故障时，如果防护措施不当，将产生很大的故障电流，导致电气设备和导体的温度超过其正常工作的最高温度，以至损坏绝缘，甚至引发电气火灾[1]。接地故障还可使电气装置的外露可导电部分带电，超过安全电压限值，使操作人员接触危险电压而触电，引起电击事故，造成人员伤亡和财产损失。因此安全、可靠的用电是低压供配电系统需要解决的基本问题。
为了防止接地故障的发生，我国有关标准已将建筑物内作等电位联结作为电气装置最基本的保护措施[2]。等电位联结的作用就是消除或减小过大的电位差，以保障人身和财产安全，并使电气装置正常实现其功能。
1 接地故障保护的基本要求
1.1 低压配电系统的接地型式及其应用场所
低压配电系统按接地型式可以分为TN系统、TT系统、IT系统。
①TN系统：电源变压器中性点直接接地，电气装置的外露可导电部分通过保护导体与中性点连接，如图1所示。按N导体和PE导体的不同组合，又分为TN-C、TN-S、TN-C-S。TN系统发生故障时，回路的故障电流较大，保护电器会立即动作而切断电源，同时依靠等电位联结降低预期接触电压，比较安全。因此，TN系统广泛应用于工业及民用建筑内。
②TT系统：电源变压器中性点直接接地，电气装置的外露可导电部分直接接地。当电气设备的金属外壳带电时，由于系统的回路阻抗大，故障电流小，通常采用RCD作接地故障保护。TT系统通常用在难作等电位联结的户外场所，如道路照明、施工场地等。
③IT系统：电源变压器中性点不接地或经过高阻抗接地。电气装置的外露可导电部分直接接地。IT系统的故障电流更小，其预期接触电压也小，不需要切断电源，可以带故障继续运行，供电可靠性高，但是应有绝缘监测，发出报警信号，以便及时排除故障。IT系统通常用于不允许停电的场所，或者是要求连续供电的地方，例如医院手术室、应急系统、地下矿井等。
图1 TN系统及其接地故障等效电路图
1.2 电气设备的防触电保护措施
电气设备按照防触电保护方式可以分为0类设备、Ⅰ类设备、Ⅱ类设备、Ⅲ类设备，各类设备的保护措施和主要特征如表1所示。按电击防护的基本要求可以分为基本保护和故障保护，基本保护的主要措施有以下四种：
①基本绝缘：将电气设备带电部分用绝缘覆盖，防止人体与带电部分的任何接触；
②遮栏或外护物：用遮栏或外护物防止人体与带电部分接触，遮栏或外护物应牢固可靠，只有在使用钥匙、工具或切断带电部分电源时才允许打开或移动；
③阻挡物：阻挡物应能防止躯体不慎接近带电部分或在正常工作中操作带电部分，人体无意地接触带电部分；
④置于伸臂范围之外：可同时触及的不同电位的部分之间的距离不应在伸手可及的范围之内。
表1 电气设备的保护措施及主要特征[3]
故障保护的防护措施归纳起来主要有两大类：在规定的时间内自动切断电源和降低接地故障时外露可导电部分的预期接触电压。发生接地故障时，自动切断电源的时间不应大于表2的规定。
表2交流回路最长的切断电源的时间[4]单位：秒
系统不超过63A的插座和不超过32A的终端回路50V
注：U0—交流回路相对地的标称电压。
现今使用的电气设备绝大多数都是Ⅰ类电气设备，其外露可导电部分通过PE线联结而实现接地保护，当发生接地故障时，若不能在表2规定的时间内切断电源，则故障电流Id流过PE线，在PE线上产生预期接触电压。在忽略人体阻抗和人与地之间的接触电阻时，预期接触电压Ud通过式(1)计算可得：
(1)
对于U0=220V的配电系统，
当SPE=SL，即RPE=RL时，
注：SL是相线的截面，SPE是PE线的截面，RL是相线的电阻，RPE是PE线的电阻。
由此可见，Ud远远大于安全电压限值。此时，有效的措施就是作保护等电位联结，保护等电位联结可以有效的降低预期接触电压和消除故障电压。
2 等电位联结的关键技术
2.1 等电位联结的类别和作用
等电位联结可以消除不同金属物之间的电位差和建筑物内故障电压；减少由于保护电器的不可靠动作带来的危害和避免外界电磁场引起的干扰，改善装置的电磁兼容性。因此，等电位联结在爆炸危险场所、防雷电危害、抗电磁干扰、防电击保护中有着广泛应用[5]。
按等电位联接的作用可分为保护等电位联结和功能等电位联结，按等电位联结的作用范围可分为总等电位联结、辅助等电位联结和局部等电位联结。
2.2 总等电位联结的保护效果
以TN-C-S系统为例分析在重复接地和等电位联结情况下，预期接触电压的变化情况。如图2 a)所示，在建筑物入户处(点M)做重复接地，其接地电阻为RE，在忽略变压器阻抗，人体阻抗，人与地之间的接触电阻情况下，当设备A发生接地故障时，人体预期接触电压可以由式(2)计算。
(2)
图2 TN系统在不同情况下的接触电压
如果按图2 b)所示在建筑物入户处(点M)做总等电位联结，PEN线上的电压降已在等电位联结范围之外，对人体接触电压已不产生影响，只有PE线的电压降对人体产生接触电压[6]，故预期接触电压可以由式(3)计算。
Ud=IdZPE
(3)
Id为故障电流；ZPE为故障点到MEB(总接地端子)之间的PE导体上的阻抗。由此可见，合适的等电位联结可以大大降低预期接触电压。
3 等电位联结的工程实例分析
以TN-C-S系统为例，分4种情况分析在采用重复接地、等电位联结等情况下的预期故障电压变化情况。
某建筑物采用TN-C-S型接地系统，其地下室与大地之间设有绝缘的防水层，PEN线在进户处分为PE线和N线，如图3所示。设PEN线的阻抗ZPEN=0.04Ω、PE线的阻抗ZPE=0.06Ω、相线的阻抗ZL=0.1Ω；RB为变压器中性点的接地电阻，RB=4Ω。忽略变压器阻抗及线路电抗。当建筑物内的电气设备A发生接地故障时，计算外露可导电部分的预期接触电压Ud。
图3 TN系统发生接地故障示意图
①无总等电位联结，无重复接地，如图3所示。在忽略人体电阻和人与地之间的接触电阻时，此时故障电流通过L线、PE线、和PEN线流入大地。此时有：
Ud1=Id1(ZPEN+ZPE)=1100×(0.06+0.04)=110V
②无总等电位联结，有重复接地，如图2a)所示。在电源进户(点M)处，作重复接地，接地电阻RE=10Ω。
此时Ud是流过RE及RB之电流在RE上产生的电压降。由公式(2)计算可得：
③有总等电位联结，无重复接地。在电源进户(点M)处，若不作重复接地而改作总等电位联结，如图2 b)所示，在设备A发生接地故障时：
由于作了总等电位联结(MEB)，Ud应为设备A之外壳对MEB处的电位差。
Ud3=Id3×ZPE=1100×0.06=66V
④设置局部等电位联结。假设在PE线的中点处(ZPE′=0.5ZPE)设置局部等电位联结，在设备A发生接地故障时：
由于作了局部等电位联结，Ud应为设备A之外壳对局部等电位联结处的电位差。
Ud4=Id4×ZPE′=1100×0.03=33V
对比分析以上4种情况，不难发现，在没有采取保护措施的情况下，预期接触电压Ud1=110V远远大于安全电压限值50V。在设置了重复接地的情况下，预期接触电压Ud2=97.4V，降低了约13V，降低的幅度有限并且仍然大于安全电压限值。在进户处设置总等电位后，预期接触电压Ud3=66V，说明总等电位对于降低预期接触电压效果明显，但是仍然未降低到安全电压限值以下。通过设置局部等电位联结后，预期接触电压降低至33V，可以有效的将预期接触电压降低至安全电压限值以下，若将局部等电位联结点设置得更靠近故障点，预期接触电压将会降得更低。
4 结 语
在规定的时间内自动切断电源和降低接地故障时外露可导电部分的预期接触电压是低压配电系统故障防护的主要措施。重复接地和等电位联结均可降低预期接触电压，但预期接触电压不一定在电压安全限值以内，此时，尚需在合适的位置做局部等电位联结。等电位联结点距离故障设备越近，预期接触电压越低，发生电击事故的概率就越小。因此，将等电位联结措施合理的应用到工程实践中，可以减少电击事故的发生，以保障人身及财产安全。
