低壓配電系統(tǒng)中接地與接零保護(hù)的分析與應(yīng)用

吳舒萍

(福建水利電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電力工程系, 福建 永安 366000)

低壓配電系統(tǒng)中接地與接零保護(hù)的分析與應(yīng)用

吳舒萍

(福建水利電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電力工程系, 福建 永安 366000)

敘述了低壓配電系統(tǒng)中各種接地保護(hù)與接零保護(hù)的方案, 分析了TT、IT、TN-S、TN-C、TN-C-S五種系統(tǒng)的應(yīng)用和局限性、及接零保護(hù)與接地保護(hù)混用的危害, 對(duì)各種系統(tǒng)的正確應(yīng)用給出了建議.

∶ 接地保護(hù); 接零保護(hù); 安全隱患

引言

接地保護(hù)與接零保護(hù)是低壓供配電中重要的安全保護(hù)措施[1], 但它們有著各自的應(yīng)用范圍, 而且保護(hù)原理也不相同. 只有正確清楚的認(rèn)識(shí)它們, 才能保證各類(lèi)人員用電的安全. 對(duì)于這一工作尚存在著許多錯(cuò)誤的理解和做法, 尤其是農(nóng)村和小城市的低壓供電, 沒(méi)有嚴(yán)格按照規(guī)程(供配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50052/95)進(jìn)行設(shè)計(jì)施工, 導(dǎo)致低壓故障和安全隱患多, 給供電質(zhì)量和人身安全帶來(lái)了不良影響. 對(duì)此,本文將對(duì)低壓配電系統(tǒng)常采用的接地保護(hù)與接零保護(hù)問(wèn)題加以分析探討, 給出各自的應(yīng)用場(chǎng)合, 并以具體實(shí)例分析其可能產(chǎn)生的安全隱患.

1 低壓配電系統(tǒng)簡(jiǎn)介

我國(guó) 220/380 低壓供配電系統(tǒng)的安全保護(hù)措施, 分為T(mén)T 系統(tǒng)、IT 系統(tǒng)、TN 系統(tǒng)三種形式, 其中TN系統(tǒng)又可分為T(mén)N-S、TN-C、TN-C-S系統(tǒng)[2].

1.1 TT系統(tǒng)

TT方式供電系統(tǒng)是指變壓器低壓側(cè)中性點(diǎn)直接接地, 電器設(shè)備外露可導(dǎo)電部分通過(guò)保護(hù)線接地的供電方式, 如圖1所示.

圖1 TT配電系統(tǒng)

圖2 IT配電系統(tǒng)

1.2 IT系統(tǒng)

IT方式供電系統(tǒng)是指變壓器低壓側(cè)中性點(diǎn)與地絕緣, 電器設(shè)備外露可導(dǎo)電部分通過(guò)保護(hù)線接地的供電方式(三相三線制), 如圖2所示.

1.3 TN系統(tǒng)

TN方式供電系統(tǒng)是指變壓器低壓側(cè)中性點(diǎn)直接接地, 用電設(shè)備金屬外殼與中性線連接, 即接零保護(hù).根據(jù)中性線與保護(hù)線是否合并的情況, 系統(tǒng)又分為 TN-C、TN-S、TN-C-S系統(tǒng). 如圖3所示.

圖3 TN-C系統(tǒng)、TN-S系統(tǒng)、TN-C-S系統(tǒng)

2 接地與接零保護(hù)的應(yīng)用分析

2.1 接地保護(hù)的應(yīng)用與局限性

接地保護(hù)就是將電氣設(shè)備的金屬外殼與接地裝置可靠地連接起來(lái), 以達(dá)到設(shè)備漏電時(shí)保證人身安全的目的[3]. 它的保護(hù)原理是: 電氣設(shè)備外殼與大地有較良好的連接, 接地電阻又很小, 當(dāng)設(shè)備外殼帶電時(shí),會(huì)形成兩個(gè)回路, 接地電流將同時(shí)沿著人和接地體兩條通路流過(guò), 它們是一個(gè)并聯(lián)回路. 通過(guò)各個(gè)回路的電流與其電阻成反比. 由于人體電阻很大, 而接地體電阻很小, 因此, 通過(guò)人體的電流很小, 大部分電流通過(guò)接地體流入大地, 從而就會(huì)避免人身觸電事故的發(fā)生, 保證了人身安全. 接地保護(hù)是低壓配電系統(tǒng)中的一個(gè)重要的保護(hù)措施. 但是它在實(shí)際的應(yīng)用中也存在著一些局限性.

2.1.1 TT系統(tǒng)中的接地保護(hù)

接地保護(hù)在中性點(diǎn)接地的低壓系統(tǒng)(TT系統(tǒng))中的運(yùn)用, 如圖4所示. 當(dāng)一相碰殼時(shí), 因線路電阻很小,電壓幾乎全部加在兩個(gè)接地電阻R1、R2上, 兩個(gè)接地電阻按規(guī)程規(guī)定均不能大于4Ω, 則接地短路電流Id=220/(4+4)=27.5A , 為了保證裝置能可靠地動(dòng)作, 接地電流不應(yīng)小于繼電保護(hù)裝置動(dòng)作電流的1.5倍或熔絲額定電流的2.5倍[4]. 所以27.5A的接地電流只能保證斷開(kāi)動(dòng)作電流不超過(guò)18.3A的繼電保護(hù)裝置或額定電流不超過(guò)10A左右的熔絲. 如果電氣設(shè)備容量較大, 相線碰殼時(shí)繼電保護(hù)裝置(或熔絲)將不動(dòng)作, 若R1=R2, 則用電器的金屬外殼將帶上110V的電壓, 人體觸及電器的金屬外殼會(huì)發(fā)生觸電. 所以TT系統(tǒng)接地保護(hù)的使用有很大的局限性, 為了保證人身安全, TT系統(tǒng)中規(guī)定一定要安裝漏電保護(hù)器, 方能成為較完善的保護(hù)系統(tǒng).

圖4 TT系統(tǒng)的接地保護(hù)

圖5 IT系統(tǒng)的接地保護(hù)

2.1.2 IT系統(tǒng)中的接地保護(hù)

接地保護(hù)在中性點(diǎn)不接地或經(jīng)阻抗接地的低壓系統(tǒng)(IT系統(tǒng))中的運(yùn)用, 如圖5所示. 當(dāng)發(fā)生單相碰殼時(shí), 由于接地電阻Rb很小(規(guī)定Rb不大于10 Ω), 而人體電阻較大, 電流主要流經(jīng)接地裝置, 而流過(guò)人體的電流Ir很小, 計(jì)算表明一般情況下只有幾個(gè)毫安[5], 從而達(dá)到保護(hù)作用. IT系統(tǒng)接地一定要可靠, 如果接地裝置松動(dòng)或斷裂, 那么在陰雨天氣, 電網(wǎng)對(duì)地的絕緣阻抗Rj減小, 此時(shí)若人觸及發(fā)生單相碰殼的用電設(shè)備的金屬外殼時(shí), 流過(guò)人體的電流將增大, 這是不安全的.

2.2 接零保護(hù)的應(yīng)用與局限性

接零保護(hù)就是將電氣設(shè)備的金屬外殼與電力系統(tǒng)的中性線相連, 以達(dá)到設(shè)備漏電時(shí)保證人身安全的目的[3]. 它的保護(hù)原理是: 若發(fā)生電氣設(shè)備絕緣損壞而碰殼短路時(shí), 就會(huì)形成單相短路, 短路電流立即將這一相的熔絲熔斷或使其它保護(hù)元件(如漏電保護(hù)器)動(dòng)作, 從而使外殼不帶電. 即使在熔絲熔斷前人體觸及外殼時(shí), 也會(huì)因?yàn)槿梭w電阻遠(yuǎn)大于線路電阻, 導(dǎo)致通過(guò)人體的電流是極為微小的. 接零保護(hù)在目前的低壓配電中應(yīng)用較為廣泛, 但它仍有一定的局限性.

2.2.1 TN-C系統(tǒng)中的接零保護(hù)

如圖6所示, 在TN-C系統(tǒng)中工作零線與保護(hù)零線是合在一起的, 即PEN線. 當(dāng)用電設(shè)備發(fā)生單相碰殼時(shí),就會(huì)形成單相短路. 由于導(dǎo)線上的電阻比接地電阻小得多, 若忽略導(dǎo)線的電阻, 則短路電流較大, 一般能將用電設(shè)備的熔絲熔斷或迅速使線路上的保護(hù)裝置動(dòng)作, 從而切斷電源.

但是接零保護(hù)在TN-C中的應(yīng)用也有許多不完善的地方. 如果三相負(fù)載不對(duì)稱(chēng)時(shí), 中性線將有電流通過(guò),此時(shí)PEN線對(duì)地電壓升高, 這會(huì)使正常工作的用電設(shè)備的金屬外殼帶電, 嚴(yán)重時(shí)還會(huì)危及人身安全[5]. 另外, 若PEN線發(fā)生斷線時(shí), 通過(guò)電路中單相負(fù)載, 將使負(fù)載中線電壓達(dá)到220V, 從而使用電設(shè)備的金屬外殼帶上相電壓, 這是非常危險(xiǎn)的.

令零線阻抗RN與相線阻抗RL相等, 則在沒(méi)有重復(fù)接地情況下, 用電設(shè)備發(fā)生單相碰殼時(shí), 其金屬外殼將帶上110V電壓.

在有重復(fù)接地的情況下, 用電設(shè)備發(fā)生單相碰殼, 等效電路如圖7所示, 其中RN、RL、Rd1、Rd2分別表示零線電阻、相線電阻、變壓器中性點(diǎn)接地電阻(取為4Ω)、重復(fù)接地電阻(取為10Ω). 并且Rd1+Rd2>>RN,金屬外殼對(duì)地電壓(即e點(diǎn)對(duì)地電壓)為

因此, TN-C系統(tǒng)存在著許多不完善的地方, TN-C系統(tǒng)不能只是單獨(dú)采用接零保護(hù), 還應(yīng)采取重復(fù)接地, 并配合其他保護(hù)裝置.

2.2.2 TN-S系統(tǒng)中的接零保護(hù)

TN-S系統(tǒng)如圖8所示, PE線在正常情況下沒(méi)有電流通過(guò), 因此不會(huì)對(duì)接在 PE線上的其它設(shè)備產(chǎn)生電磁干擾. 此外, 由于 N 線與 PE線分開(kāi), N 線斷開(kāi)也不會(huì)影響 PE線的保護(hù)作用. 所以此系統(tǒng)優(yōu)于TN-C系統(tǒng), 但是它的缺點(diǎn)是, 如果工作零線N與保護(hù)零線PE在入戶(hù)后接錯(cuò), PE 線將流過(guò)工作電流, 當(dāng)電流較大時(shí)在PE 線中產(chǎn)生的壓降也大, 用電設(shè)備的金屬外殼會(huì)帶上危險(xiǎn)電壓, 而且該系統(tǒng)投資較大, 不夠經(jīng)濟(jì).

圖6 TN-C系統(tǒng)的接零保護(hù)

圖7 重復(fù)接地漏電等效電路

圖8 TN-S系統(tǒng)的接零保護(hù)

圖9 TN-C-S系統(tǒng)的接零保護(hù)

2.2.3 TN-C-S系統(tǒng)中的接零保護(hù)

如圖9所示, 該系統(tǒng)兼有TN-C系統(tǒng)和 TN-S系統(tǒng)的特點(diǎn), 該系統(tǒng)的關(guān)鍵是: 電源到建筑物的PEN干線在入戶(hù)前一定要采取重復(fù)接地或等電位聯(lián)結(jié), 再?gòu)脑摲纸琰c(diǎn)引出PE線和N線, 且PEN線和N線要相互絕緣.

在該系統(tǒng)中一旦N線斷開(kāi), 只影響用電設(shè)備無(wú)法正常工作, 而不會(huì)使設(shè)備外殼帶上危險(xiǎn)電壓. 另外,即使N線產(chǎn)生較大的電位差, 設(shè)備外殼仍保持零電位. 但是TN-C-S系統(tǒng)中的PE線與N線在入戶(hù)后若再次合并, 將可能導(dǎo)致所有用電設(shè)備金屬外殼帶電.

3 接地保護(hù)與接零保護(hù)在同一配電系統(tǒng)中混用安全隱患分析

如果接地保護(hù)與接零保護(hù)在同一配電系統(tǒng)中混用, 如圖10所示, 用電設(shè)備M1采用接零保護(hù), 而其他用戶(hù)家庭中的用電設(shè)備M2采用接地保護(hù).

圖10 接地保護(hù)與接零保護(hù)在同一配電系統(tǒng)中混用

當(dāng)采用接地保護(hù)的用電設(shè)備發(fā)生單相碰殼故障時(shí), 該供電系統(tǒng)的等效電路如圖11,Rd1、Rd2、Rb分別為變壓器中性點(diǎn)接地電阻(4Ω)、用電設(shè)備保護(hù)接地電阻(4Ω)、人體電阻(1700Ω).

圖11 M2單相碰殼等效電路

此時(shí)接地電流Id就會(huì)流經(jīng)接地裝置Rd2、Rd1形成回路, 回路中出現(xiàn)事故電流, 但如果線路中所選的熔斷器額定電流較大, 熔斷器將不動(dòng)作, 電源無(wú)法被切斷. 這時(shí)碰殼的用電器M2的外殼和和整條N線都產(chǎn)生對(duì)地電壓, 若計(jì)算忽略相線和零線的電阻, 并考慮到Rb遠(yuǎn)大于Rd2和Rd1, 則M2外殼對(duì)地電壓(即e點(diǎn)對(duì)地電壓):

M1外殼及N線上的電壓(即e′對(duì)地電壓):

由上述計(jì)算可得, 不僅采用保護(hù)接地的用電設(shè)備M2外殼帶有危險(xiǎn)的電壓, 而且電器設(shè)備M1外殼和整條N線都帶有危險(xiǎn)的電壓. 在線路保護(hù)裝置未動(dòng)作的情況下, 設(shè)備外殼將長(zhǎng)時(shí)間帶電. 當(dāng)人體觸及M2外殼或M1外殼時(shí), 人體的接觸電壓達(dá)到110V, 這是非常危險(xiǎn)的.

若在某區(qū)域內(nèi)的低壓配電系統(tǒng)是采用接零保護(hù)的, 而在該區(qū)域內(nèi)有一用戶(hù)卻采用接地保護(hù). 一旦接地保護(hù)設(shè)備的相線發(fā)生碰殼, 而保護(hù)裝置未動(dòng)作, 將會(huì)使所有正常工作的接零保護(hù)設(shè)備的外殼帶上危險(xiǎn)電壓. 因此, 在同一系統(tǒng)中, 不宜將接地保護(hù)和接零保護(hù)混用, 即不可把一部分電氣設(shè)備接零, 而將另一部分電氣設(shè)備接地.

4 總結(jié)

接地保護(hù)與接零保護(hù)是低壓配電系統(tǒng)安全運(yùn)行的重要保護(hù)措施, 分為T(mén)T 系統(tǒng)、IT 系統(tǒng)、TN-S、TN-C、TN-C-S系統(tǒng), 了解各種方案及其應(yīng)用的局限性是保證安全用電的重要前提. 目前我國(guó)的低壓配電系統(tǒng)仍然是以三相四線制(TT系統(tǒng)和TN-C系統(tǒng))為主, 特別是在農(nóng)村和一些小城市主要以TT系統(tǒng)為主. TT方式在電氣設(shè)備容量較大時(shí)有很大的局限性, 必須加裝漏電保護(hù)器; TN-C方式在三相負(fù)載不對(duì)稱(chēng)或N線發(fā)生斷線時(shí)不安全, 需加裝重復(fù)接地, 并配合繼電保護(hù)裝置. 為了避免TT系統(tǒng)和TN-C系統(tǒng)的這些問(wèn)題,三相供電系統(tǒng)又產(chǎn)生了較為先進(jìn)合理的三相五線制系統(tǒng), 即TN-S、TN-C-S系統(tǒng), 由于TN-S系統(tǒng)耗材較多 ,投資較大, 而TN-C-S系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)實(shí)用, 結(jié)合了TN-C與TN-S兩個(gè)系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn), 避免了它們的不足, 在目前新住宅區(qū)得到普遍的推廣應(yīng)用.

[1] 秦曾煌. 電工學(xué)[M]. 北京: 高等教育出版社, 2004

[2] 郎永強(qiáng). 電器接地、接零安全安裝方法與技巧[M]. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 2007

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[4] 楚德全, 趙建飛. 電力系統(tǒng)接地與接零技術(shù)的安全分析[J]. 山東煤炭科技, 2013(2): 200～201

[5] 喬新國(guó). 電氣安全技術(shù)[M]. 北京: 中國(guó)電力出版社, 2009

Analyses and Applications of Ground and Neutral Protection In Low-Voltage Distribution System

WU Shu-ping
(College of Electric Power, Fujian College of Water Conservancy and Electric Power, Yong'an 366000, China)

Various ground and neutral protection programs in low-voltage distribution system are described in detail, applications and limitation of TT, IT, TN-S,TN-C, TN-C-S systems and the hazards of combining neutral protection with ground protection are analyzed , recommendations for correct applications of various systems are given.

ground Protection; neutral protection; potential safety hazard

TM77

A

1672-5298(2014)03-0049-05

2014-06-09

吳舒萍(1966? ), 女, 浙江溫州人, 工程碩士, 福建水利電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院副教授. 主要研究方向: 電力工程教學(xué)與研究