施工现场临时用电接地系统的选择与安全性分析

2021-10-14索晨楠

建筑施工 2021年6期

索晨楠

中铁电气化局集团北京建筑工程有限公司北京 100039

施工现场采用TN-S系统是JGJ 46—2005《施工现场临时用电安全技术规范》要求的三项基本安全技术原则和主要技术措施之一，且规范中强调了禁止在施工现场采用TN-C系统，当施工现场与外电线路共用同一供电系统时，施工现场采用的接地形式要与原系统保持一致，以防止TN与TT系统混用。对于在施工时如何选择和设置接地保护系统，接地系统混用会带来哪些危害等问题，需要深入了解系统接地和保护接地设置的作用及TN系统和TT系统的保护原理及特点。

1 系统接地与保护接地的作用

对于配电系统接地的设置，一般要面临2个问题：电源（变压器）中性点的接地，即系统接地；设备外露可导电部分的接地，即保护接地（图1）。二者作用不同，不能混淆。

图1 系统接地和保护接地

1.1 系统接地的作用

系统接地的作用是使系统取大地为参考电位，使配电系统的每相对地电压保持不变，维持其值约为220 V，保证系统安全可靠地运行。

但是，如果没有系统接地，当系统发生一相接地故障时，另外两相的对地电压就由220 V的相电压升高为380 V的线电压（图2）。

图2 一相接地故障，另外两相对地电压升高为线电压

而且，由于不能构成返回电源的导体通路，故障电流仅为L2和L3两相对地电容电流的相量和，它的值极小，无法使系统内的保护装置及时发挥作用，危险电压持续存在，如果人接触到无故障的相线，将受到高达380 V电压的电击，危险大大增加。

1.2 保护接地的作用

保护接地的作用是降低设备外露可导电部分在故障时的对地电压或接触电压。当设备发生碰壳短路接地故障时，如果没有保护接地，设备金属外壳的对地电压Ud即为220 V，此时人体接触设备外壳极易发生电击伤害事故（图3）。

图3 无保护接地时，单相对地故障电压达220 V

做了保护接地后，形成了故障电流Id返回电源的通路，此时故障电压Ud=Id×(ZPE＋RA)，比未做保护接地时的故障电压220 V小很多。同时，故障电流还能使系统内的保护装置及时发挥作用切断电源，既能有效保护人身安全，又能防止电气火灾的发生。

2 低压系统的接地形式与分类

在电源中性点直接接地的低压电力系统中，接地系统按设备外露可导电部分与大地的关系，可分为TN系统和TT系统，其中TN系统又细分为TN-S、TN-C、TN-C-S系统。还有一类电源中性点不接地的IT系统，这里不作讨论。

2.1 TN系统的接地形式

TN系统是电源中性点直接接地，所有设备的外露可导电部分均接PE线或PEN线的系统。

1）TN-S系统：整个系统中N线和PE线是分开的。

2）TN-C系统：整个系统中N线与PE线是合一的（PEN）。

3）TN-C-S系统：N线和PE线通常仅在电源进线点前是合一的（PEN），电源进线点后即分为2根线。

由于TN-C系统存在诸多缺点，比如PEN断线后，系统断点后的设备外壳会产生220 V的对地故障电压；系统不能装设漏电保护器RCD，较TN-S或TT系统少了一道保护；三相不平衡时，PEN线会通过不平衡电流，可使其所接设备的金属外壳产生对地电位，从而引发电击事故。因此，TN-C系统在施工现场已禁止使用。另外，一般施工现场临时用电专用变压器低压侧出线柜内，已将N线与PE线严格分开，TN-C-S系统在施工现场临时用电中也极少采用。

2.2 TT系统的接地形式

TT系统是电源中性点直接接地，而系统内设备外露可导电部分均接到独立于电源系统接地的接地极上，这些接地极是分开的，互无电气关联。TT系统配电线路内由同一保护电器保护的设备外露可导电部分，应采用PE线连接至共用接地极上。

3 TN-S系统与TT系统的对比分析

在发生接地故障时，TN-S系统在同等条件下较TT系统的保护性更加灵敏可靠，而TT系统单相对地短路故障电流较小，系统必须装设灵敏度较高的漏电保护装置。但是，TN-S系统的PE线都是连通的，系统内任何一处发生碰壳接地故障时，可致所有PE线所连接的设备金属外壳带电。而TT系统设备外壳保护接地与电源中性点的系统接地无任何电气关联，可在施工现场分设几个互不关联的接地极，各用电设备组的PE线与就近的接地极相连，可防止某个设备的故障电压在整个场区内传导，这是TT系统的一个优势。

另外，从成本角度考虑，TN-S系统需要从电源端通长引出1根PE线，电缆能周转重复利用，而TT系统可以就地打接地极引出PE线，但会增加型钢等材料和人工的投入。因此，二者各有利弊，要根据实际情况去考虑。

通过分析这2个系统的保护原理，将二者在施工现场临时用电系统中应用的安全性进行对比论证，研究施工现场采用TN-S系统的必要性。

3.1 故障点对地电压Ud的比较

假设TN-S系统和TT系统中的电气设备分别发生单相碰壳接地故障，如图4、图5所示。

图4 TN-S系统保护回路

图5 TT系统保护回路

采用TN-S系统接地保护时，故障电流经PE线形成闭合回路。采用TN-S系统等效电路分压公式进行计算，则故障点对地电压Ud为：

式中：ZPE——故障点电源侧PE线的阻抗，Ω；

ZL——故障点电源侧单相相线的阻抗，Ω；

U0——电源相电压，V。

如果取U0=220 V，PE线与相线截面、材质相同，则ZL=ZPE，Ud1=110 V；如果PE线为相线截面的50%且材质相同，则ZPE=2ZL，Ud2=147 V。

采用TT系统接地保护时，通过设备端保护接地作用，降低人体接触电压。采用TT系统等效电路分压公式进行计算（通常ZL较RA、RB小得多，ZL可忽略不计），则故障点对地电压Ud为：

式中：RA——电气设备金属外壳保护接地的接地电阻，Ω；

RB——系统中性点工作接地电阻，Ω；

ZL——故障点电源侧单相相线的阻抗，Ω；

U0——电源相电压，V。

如果取RA=4 Ω，RB=4 Ω，U0=220 V，则Ud=[4/(4＋4)]×220=110 V；如果取RA=10 Ω，RB=4 Ω，U0=220 V，则Ud=[10/(10＋4)]×220≈157 V。

通过论证对比不难看出，TN-S系统和TT系统发生单相碰壳接地故障时，故障点的对地电压值差别不大，但都要比IEC（国际电工委员会）规定的最高安全电压50 V高。在系统实际应用的过程中，TT系统设备端保护接地的电阻值要受到季节变化、土壤土质情况等各种因素的影响，TT系统的保护接地电阻值不稳定、不可靠，设备故障点的对地电压也将随之发生变化，对于TT系统设备端接地电阻的不确定性，需要投入更多的时间、人力和物力来检测和维护。而采用TN-S系统时，PE线导体阻抗则基本不受这些因素的影响，其接地故障点的对地电压相对稳定。

3.2 故障点电流Id的比较

当电气设备发生单相碰壳短路接地故障时，在故障点处既存在对地电压，同时又流过故障电流，其大小与故障电压和短路电流的阻抗有关（由于人体电阻和人与地面的接触电阻比线路阻抗或RA和RB大很多，人体分流很小，因此流过人体的电流可忽略不计）。

当采用TT系统接地保护时，故障电流Id为：Id=Ud/RA。

如果取RB=4 Ω，RA=4 Ω，根据TT系统等效电路分压公式，Ud1=110 V，则Id1=27.5 A；如果取RB=4 Ω，RA=10 Ω，Ud2=157 V，则Id2=15.7 A。

当采用TN系统接地保护时，故障电流Id为：Id=Ud/ZPE。

假设铜质PE线截面面积为16 mm2，导线的阻抗ZPE约为1.4 Ω/km，如果按设备接地故障点与系统电源点的距离为500 m进行计算，根据TN系统分压公式，当PE线与相线截面相同时，Ud1=110 V，Id1=157 A，当PE线为相线截面的50%时，Ud2=147 V，Id2=210 A。可以看出，TN-S系统故障电流大小为TT系统的5.7～13.3倍。

从配电系统保护来看，故障电流越大，系统短路保护的灵敏度和可靠性越高。所以在相同的条件下，从系统切断故障电流保护能力的方面来看，TN-S系统要远比TT系统优越。在选择保护电器时，由于TN-S系统单相短路电流较大，因此大容量设备所配置的断路器也能更有效地切断故障电流。

通过对TN-S系统和TT系统故障点的对地故障电压和故障电流进行对比分析，可知TN-S系统较TT系统更灵敏可靠，因此，TN-S系统更加适用于对用电环境要求较为严苛的施工场所。

4 TN-S系统与TT系统混用的潜在危害

JGJ 46—2005《施工现场临时用电安全技术规范》中提到，当施工现场与外电线路共用同一供电系统时，系统接地与设备保护接地要与原系统保持一致，并要防止TN-S系统与TT系统混用。

例如，施工现场由地区公用低压电网（外电线路与施工现场共用1台变压器）供电时，当外电线路供电系统采用TT系统时，施工现场要与外电系统保持一致，也须采用TT系统。但是，当施工现场采用专用变压器供电，且采用TN-S系统时，要防止现场部分设备再度混用TT系统与TN-S系统。当系统混用时，如果TT系统保护设备发生碰壳接地故障，会使系统中所有做TN-S接地保护的设备金属外壳带电（图6）。假设RB=4 Ω，RA=4 Ω，则TN-S系统内的设备金属外壳对地电压约为110 V，情况十分危险。

图6 TN-S系统与TT系统混用时易造成电击事故

5 临时用电TN-S系统应用时需注意的问题

建筑工地环境恶劣，用电条件差，室外各种不利的气候条件使电气设备和线缆绝缘水平下降，各种施工车辆、机械、工器具的使用，及移动配电箱和线缆的频繁挪动，非常容易使电气设备和线路受到机械损伤。因此，施工场地较其他场所具有更大的电气危险性，需要在应用TN-S系统时更加注意安全。

1）保护导体严禁断开，禁止在PE线上装设开关或熔断器，防止系统PE线断点或开关后设备失去保护接地。

2）施工现场高压设备及其接地通常由专业供电施工单位施工，往往是现场低压临电系统施工时容易忽略的部分，要注意高压侧设备外露导电部分的保护接地要与变压器中性点系统接地分开设置，避免高压系统故障时将高电位传至低压系统内部引起电击事故，且2组接地极间距不应小于10 m。

3）相关规范中要求总配电箱内漏电保护器的额定动作电流大于30 mA，动作时间大于0.1 s，且两者乘积不应大于30 mA·s。由于施工现场属户外，不具备等电位联结的场所，在相同故障条件下，施工现场的接触电压更高，危险性更大。因此，施工现场的电气保护装置要能在更短的时间内切断故障电流，在一级配电箱中可选择设置额定动作时间为0.2 s的漏电保护器。

4）TN-S系统PE线必须在总配电箱处和系统的中间、末端处做重复接地。重复接地的目的是降低PE线断线时系统的对地故障电压。当系统做了重复接地时，断线点后面的所有设备金属外壳对地故障电压仅为故障电流在重复接地电阻上的压降，假设取系统接地RB=4 Ω，重复接地电阻RA=10 Ω，故障电压即降为157 V，而RA是系统内所有重复接地点位电阻值的并联计算数值，因此，单处重复接地电阻值越低，系统范围内重复接地点位数量越多，降压效果越明显（图7）。但是，当系统不做重复接地时，系统断点后的任一设备发生碰壳短路接地故障时，都将呈现接近于220 V的对地电压（图8）。

图7 已做重复接地的TN-S系统

图8 未做重复接地的TN-S系统

另外，工地管理人员由于对重复接地的保护作用没有深入了解，对钢筋加工区等容易发生电击事故的场所会额外增加一些接地保护措施，但是并没有达到期望的效果。

1）加工区机械设备外壳与系统重复接地联结。钢筋加工区从其二级箱或三级箱重复接地引出通长扁钢，将所有机械设备外壳与之连接，以期降低故障电压。实际上，由于PE线阻抗远比重复接地电阻小，设备发生碰壳接地故障时，分担的故障电压基本可忽略不计，而且设备外壳重复接地只是引出重复接地支线，仅能防止局部PE线断线，对系统的保护作用不大。

2）加工区机械设备旁设置独立接地极与设备金属外壳联结。加工区机械设备在TN-S系统保护的前提下，又在旁边设置独立接地极与设备金属外壳联结。这种做法相当于设备金属外壳做独立的重复接地，与上面的做法类似，但是这种做法增加的成本更大，却收效甚微。