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摘要:對常見接地型式的安全性基本要求進行計算分析.結果表明,在通常情況下各接地型式均存在不安全因素.在低壓配電系統的防電擊保護接地設計中,須根據用電負荷的特點以及工程具體情況合理確定配電系統的接地型式,并對保護開關的動作可靠性和靈敏性等技術參數進行校驗計算后,采取接零、接地、漏電保護器以及等電位聯結等對應措施,以提高低壓配電系統的安全可靠性.

關鍵詞:低壓配電系統;接地設計;安全性

0引言

在工業與民用裝置低壓配電系統設計中,首先必須保障人身安全,防止發生觸電以及電氣火災、線路損壞等事故發生.最常見的方法就是采取保護接地、保護接零等技術措施.低壓配電系統的接地型式主要分為:TN系統(TN系統又分為TN-S系統、TN-C-S系統、TN-C系統)、TT系統、IT系統。以上三種系統五種接地型式在我國均有應用,其中以TN-C系統最為普遍即常稱的“三相四線”制系統.由于具體工程實際情況的不同,幾種接地型式如果應用不當,不能完全滿足標準規范所規定的技術要求,均可能存在不安全因素,從而使低壓配電系統存在安全隱患.本文通過對幾種常見低壓配電系統接地型式的分析計算,指出了每種系統應用中可能存在的不安全因素,并提出了工程應用中相應的措施和辦法.

1對各接地型式的基本要求及不安全因素分析

防觸電保護的理論依據是電流對人體的傷害程度.工頻交流電流對人體傷害的嚴重程度主要與通過人體電流的大小和持續時間有關.根據IEC標準給出的人體通過電流及相應的允許時間曲線,可得出一般情況下可能危及生命的“電擊電流”為50mA以上,最大預期接觸安全電壓的限值(通稱極限電壓)UL為50V.

低壓配電系統接地設計主要是解決對間接接觸電擊的保護,其保護方法主要為:

(1)限制可能流經身體的故障電流,使之小于電擊電流;

(2)在故障情況下觸及外露可導電部分,可能引起流經身體的電流等于或大于電擊電流時自動切斷電源.

1.1TN系統分析

1.1.1基本要求

該系統的保護主要是利用保護零線構成單相短接回路,從而產生較大的短路電流致使保護電器動作.故基本要求是當發生接地故障時,故障電流Id應使保護電器在規定時間內可靠動作,自動切斷故障回路,即故障電流應滿足:

（1）

式中:ZS———接地故障回路的阻抗;

Ia———保證保護電器在規定的時間內自動切斷故障回路的動作電流(A),其規定時間對固定設備為5s,對手握式設備為0.4s.

U0———相線對地標稱電壓(V);

1.1.2存在的不安全因素

(1)在TN-C及TN-C-S系統中,當三相負荷不平衡和線路上接有非線性元件時,零線上有電流和諧波電流通過,使設備外殼帶有電壓,電壓的大小與負荷不平衡程度和非線性元件有關,有時可能大于50V,使人體可能遭受電擊[3].另外,對電子設備還存在電磁干擾.

(2)在TN-C及TN-C-S系統中,當線路或設備維修后,若誤將相線和零線接反,則會導致全部接零設備外殼帶上危險相電壓.

(3)在TN-C及TN-C-S系統中,一旦零線斷線,斷線后邊的電器設施即處于無接地保護狀態,此時若出現相線碰殼,Id趨于零,不能滿足(1)式條件,保護裝置不能動作,即可能使人體遭受電擊.即

使采取重復接地措施,系統變成TT系統,同樣存在不安全因素(見TT系統分析).

(4)對于離供電點較遠的用電設備發生相線碰殼時,由于線路較長,其ZS值很大,故障電流Id很難滿足(1)式的要求.其次,當設備容量較大,由于受設備啟動電流和啟動時間的限制,致使保護電器的動作時間也難滿足要求.這些原因均導致保護電器不能在規定時間內可靠動作,因而易發生電擊事故.

(5)架空相線落地時觸電危險較大(見圖1).

架空相線落地時,接地點D與電源中性點接地線形成短路,短路電流Id為:

在干燥地區,相線接地電阻RE一般很大,Id很小,不足以使保護電器動作.此時零線電位UB=RB•Id較低,當低于50V時不會危及離D點較遠設備處的人身安全.但D點電位接近相電壓,離D點較近設備周圍的人員易發生電擊事故.

當接地點為金屬體或潮濕地面時,RE很小,設為2歐,則有

＝220/4+2=36.6A

零線上呈現的電壓為:

UB=RB•Id=36.6×4=146.4V

此時D點電位

UE=RE•Id=2×36.6=73.2V

較低,但變壓器中性點以及所有接零設備外殼均帶有危險電壓146.4V.

1.2TT系統分析

1.2.1基本要求

該系統主要用于三相三線制電力系統以及負荷離供電點較遠較分散的供電系統,以節約線路投資.基本要求是當發生接地故障時,如果電氣設施的外露可導電部分故障電壓超過UL時,保護電氣應自動切斷故障回路,此時的故障電流Id應大于保護電器的可靠動作電流,即應滿足:

(2)

式中:RA———電氣設施的外露可導電部分的接地電阻;

Ia———按照預期接觸電壓,保護電器在規定時間內自動切斷故障回路的動作電流(在使用漏電保護器時,是額定動作殘余電流);

U———通稱極限電壓(在正常情況時為50V,潮濕場所為25V).

1.2.2存在的不安全因素

通過對圖2中的情況分析可以看到系統的不安全因素:

當發生相線碰殼時,設備外殼上帶有危險電壓.當發生相線碰殼時(忽略線路、變壓器等阻抗),人體可能接觸到外殼上的電壓為:

式中,RB按設計規范規定一般≤4Ω,而RA遠小于Rr,故上式可簡化為

(3)

將RB=4Ω,RA1=10Ω,RA2=4Ω分別帶入式(3)得Ua1=157V,Ua2=110V.

可見,人體可能接觸到的電壓均大于IEC所規

定的UL=50V,存在電擊危險.

在上述情況下,要想使Ua滿足低于50V的安全電壓要求,則

而要滿足這樣低的接地電阻要求,在工程上的投資增加較大,有時甚至難以做到(在高土壤電阻率地區),保護電器在某些情況下難以切除故障回路.通常情況下要滿足式(2)的要求,考慮保護電器的動作靈敏性,對于低壓斷路器而言,其動作電流應滿足:

A

式中:K———保護電器動作可靠系數,對于斷路器取1.3.

絕大多數情況下,用電設備正常工作電流都大于12.1A.而一般保護電器的動作電流不僅應大于或等于用電設備額定電流,還應躲過正常啟動電流,通常均遠遠大于12.1A,很難滿足上式的要求,無法保證安全.

1.3IT系統分析

1.3.1基本要求

如圖3所示,在IT系統中,當發生第一次接地故障時,故障電流僅為另外兩相線對地電容電流,其值甚小.為提高供電可靠性,要求系統繼續運行,不需要切斷電路,由絕緣監察系統發出音響或燈光信號,以便及時排除故障,避免繼兩相接地故障使線路保護器動作,致使供電中斷.因此對IT系統的基本要求是對第一次接地故障信號動作電流應滿足:

(4)

式中:Id———相線與外露可導電部分間第一次短路故障的故障電流(A),它計及泄漏電流和電氣裝置全部接地阻抗值的影響.

1.3.2存在的不安全因素

該系統一般情況下是比較安全的,如RA=4Ω發生單點接地故障時,故障電容電流一般小于5A,設備外殼對地電壓一般不超過20V.由于此時另兩相的對地電壓將提高3倍,因此該整個線路、設備的絕緣要求要提高3倍.由于該系統故障后影響面大;在電纜回路較多、分布較廣情況下,故障電容電流加大,將致使接觸電壓增加;三相負荷不平衡時將出現三相電壓不對稱,影響設備壽命;不宜配出中性線;在大量使用的單相負荷的情況下沒有條件迅速處理單點接地故障等原因,故該系統較少應用于一般工業與民用裝置低壓配電系統中.

2對策

針對以上各系統存在的不安全因素,工程中主要應采取以下措施:

(1)在大量使用單相電器設備、精密電子儀器等的工業與民用建筑電氣系統中,應盡可能避免采用TN-C系統.

(2)在TN系統中,電源零線必須重復接地措施.在零線斷線情況下,斷線后的系統通過重復接地變為TT系統,發生相線碰殼時,設備外殼所帶電壓由相電壓降低為157V,從而減小了發生電擊事故的危險性.

(3)采取漏電保護器.漏電保護器是利用零序電流原理工作的.無論在哪種接地系統中,只要發生相線碰殼,就會有部分漏電流沒有穿越保護器,而是通過保護線回到電源,保護器中即產生零序電流使其動作,從而可靠切斷故障回路,大大提高系統防電擊保護的安全性.但需注意,設備外露可導電部分要越過漏電電流保護器與保護線相接.

(4)采取等電位聯結的措施.所謂等電位聯結,就是將建筑物內所有可能觸及的外露可導電金屬部份互相聯結,并與系統的保護干線可靠連接,使建筑物內的所有可導電部分的電位實質上相等.目的是降低建筑物內單相故障時人員所在地點的實際接觸電壓,從而大大減輕電擊的危險性.通過分析計算可知,等電位聯結使接觸電壓的降低幅度為重復接地降低值的2.5倍,這時的電壓降僅為電源入戶后的PE線的電壓降.在系統中如果用于防間接電擊的保護電器動作條件不能滿足要求時,等電位聯結是防止間接電擊的主要有效措施.

3結論

在低壓配電系統的防電擊保護接地設計中,只簡單地要求采取一般保護接零或保護接地措施是遠遠不夠的.必須根據用電負荷的特點以及工程具體情況合理確定配電系統的接地型式,并對保護開關的動作可靠性和靈敏性等技術參數進行校驗計算后,在經技術經濟比較的前提下綜合采取接零、接地、漏電保護器以及等電位聯結等對應措施,以提高低壓配電系統的安全可靠性,保障人員及裝置設備的安全.

參考文獻:

[1]中華人民共和國建設部.GB50054-95.低壓配電設計規范[S].北京:中國計劃出版社,1996.

[2]劉介才.工廠供電[M].3版.北京:機械工業出版社,1998.

[3]中國航空工業規劃設計研究院.工業與民用配電設計手冊[M].2版.北京:中國電力出版,1994.