TN系統(tǒng)的接地故障的保護

馬文浩

(山西省建筑設(shè)計研究院，山西太原 030013)

1 概述

依據(jù)GB 50054-2011低壓配電設(shè)計規(guī)范，接地故障是一種短路，是指帶電導(dǎo)體和大地之間意外出現(xiàn)導(dǎo)電通路，在供配電系統(tǒng)中即為帶電的相線、中性線因絕緣損壞、接觸不良而與不帶電的保護導(dǎo)體、金屬外殼、大地等可導(dǎo)電的金屬體意外接觸發(fā)生的故障。與其他短路相比接地故障發(fā)生的概率較高，且有復(fù)雜、隱蔽和不容易被發(fā)現(xiàn)的特點，因此造成的危害也相對較大。

接地故障的危害主要有兩個方面:一方面容易引起電氣火災(zāi);另一方面容易引起人體觸電，危害人身安全。通過以下示例來分析接地故障造成危害的原因及預(yù)防措施。

2 剩余電流保護器的使用

在如圖1所示的TN-S低壓配電系統(tǒng)中，假如C點出現(xiàn)接地故障，此時C點處便會出現(xiàn)接地故障電流，如不考慮變壓器及線路阻抗，其故障電流大小為:

圖1 剩余電流保護器設(shè)置示意圖

在《民用建筑電氣設(shè)計規(guī)范》12.4中常要求的低壓配電系統(tǒng)中保護接地網(wǎng)的接地電阻RO=4 Ω，又以RC=10 Ω計:Id=15.7 A。這時Id電流的大小通常是無法引起保護電器的動作，便有可能會引起人體觸電或是由于打火現(xiàn)象引起局部的高溫，進而引起火災(zāi)的發(fā)生。

針對這種情況在O點處安裝剩余電流保護器，便可以在故障電流產(chǎn)生危害前將該回路切除，從而避免危害的發(fā)生。剩余電流的保護原理見圖2。

圖2 剩余電流的保護原理示意圖

即通過監(jiān)測電流回路的矢量和來判斷回路中是否存在剩余電流。在正常情況下相線與中性線的矢量和為零，由于某種原因如導(dǎo)線絕緣破損或是設(shè)備產(chǎn)生漏電時，其矢量和不為零，剩余電流傳感器中便會產(chǎn)生感應(yīng)電流，而其大小與配電線路中產(chǎn)生的漏電流大小成正比，在其達到一個閥值(如GB 50054-2011中要求的點熱積聚效應(yīng)產(chǎn)生漏電火災(zāi)時候的最大電流300 mA，或防止人身觸電的最大電流30 mA)時剩余電流保護器動作，切斷回路電源。同樣，在線路末端如在單相回路A，B點單相剩余電流保護器也可以起到保護末端配電系統(tǒng)的要求的同時，而不影響其余供電設(shè)備的正常使用。

3 等電位聯(lián)結(jié)的設(shè)置

在圖1的基礎(chǔ)上該TN-S系統(tǒng)，設(shè)置的MEB端子板與設(shè)備A金屬外殼做可靠連接，使其對地電壓接近為0，而設(shè)備B在未與MEB端子板連接前其對地電壓為:U=Id×RO=15.7×4=62.8 V，這個電壓足以產(chǎn)生危害。

這種情況在TN系統(tǒng)中是很普遍存在的，即便在設(shè)備本身沒有損壞但是設(shè)備使用者會中電，甚至死亡，明明電源已經(jīng)切斷但在用電設(shè)備金屬外殼附近會發(fā)生火災(zāi)。這類事故是由于在系統(tǒng)某處(例如C點)發(fā)生了不與保護性導(dǎo)體連通的接地故障，故障電壓沿著與PE線連接的金屬導(dǎo)體傳導(dǎo)至系統(tǒng)各處所致。

要解決這個危險的電位差，最好的方法是采用等電位聯(lián)結(jié)。在圖3中將MEB端子板與設(shè)備B的金屬外殼做可靠連接(虛線處)。在無等電位聯(lián)結(jié)時，故障電壓一直存在、電位差無法消除，導(dǎo)致人身中電或經(jīng)過時間的累計通過對地電火花或電弧引起火災(zāi)。在做等電位聯(lián)結(jié)后，設(shè)備B與設(shè)備A相似，其故障電壓接近為零，大地、MEB端子板、設(shè)備B的金屬外殼形成一個等勢體，這些部位的電位相同就不會出現(xiàn)故障電壓隨PE線傳導(dǎo)至各處的危害，也不會引起火災(zāi)、爆炸、電擊等危險事故了。

圖3 等電位聯(lián)結(jié)示意圖

假如設(shè)備B等電位端子板MEB較遠(在大型公共建筑、高層和超高層建筑常會遇到這類問題)時，由于接地線回路阻抗無法忽略，同樣會使設(shè)備B的金屬外殼對建筑物產(chǎn)生電位差，進而影響安全，此時可以采用設(shè)置局部等電位(LEB)的方法來實現(xiàn)降低電位差來保護建筑、人員的安全，見圖4。

圖4 局部等電位聯(lián)結(jié)示意圖

為使設(shè)備B處的電壓Ub降到一般場所的安全電壓50 V以下，依據(jù)《工業(yè)與民用配電手冊》中的要求:

只要使設(shè)備B端至LEB端子間的阻抗小于2.94 Ω，即可滿足要求，從而避免事故的發(fā)生。

從示例二和示例三中可以看出等電位聯(lián)結(jié)能夠很好的降低接觸電壓，在建筑物內(nèi)設(shè)置等電位聯(lián)結(jié)，并依據(jù)實際情況靈活應(yīng)用局部等電位聯(lián)結(jié)可以很好的保證人身安全，降低電氣火災(zāi)發(fā)生的危險。

4 結(jié)語

當(dāng)然對接地故障的保護還有其他措施，如增大電纜導(dǎo)線的截面積、選用帶有接地故障保護功能的斷路器和使用電動機綜合保護器等等，在本文中所述的兩種保護措施并不是最優(yōu)方案，只是這兩種方法相對來說簡單、經(jīng)濟便于使用——設(shè)置等電位聯(lián)結(jié)能夠降低接觸電壓，而安裝剩余電流保護器能夠在閥值到來前切斷電源阻止剩余電流帶來的危害。而在設(shè)計的過程中應(yīng)將各種方法靈活應(yīng)用、配合使用，才能更好的防止接地故障帶來的危害。

［1］GB 50054-2011，低壓配電設(shè)計規(guī)范［S］.

［2］JGJ-16，民用建筑電氣設(shè)計規(guī)范［S］.

［3］中國航空工業(yè)規(guī)劃設(shè)計研究院.工業(yè)與民用配電手冊［M］.第3版.北京:中國電力出版社，2005.