電氣系統(tǒng)的接地分析

摘要：如果在不同場(chǎng)合接地系統(tǒng)選用不當(dāng)，將導(dǎo)致某些電氣事故的發(fā)生，也可能影響電氣裝置的正常功能，造成人身傷害或經(jīng)濟(jì)損失。我國(guó)目前接地系統(tǒng)還有許多值得研究的問(wèn)題，文章就這些問(wèn)題進(jìn)行了分析。

關(guān)鍵詞：接地；TN系統(tǒng)；TT系統(tǒng)；IT系統(tǒng)；電氣系統(tǒng) 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

中圖分類號(hào)：TM752 文章編號(hào)：1009-2374（2016）05-0135-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.05.068

TN-C系統(tǒng)存在著各種各樣的不足，TN-S、TN-C-S以及TT、IT系統(tǒng)得到了廣泛采用。TN-S系統(tǒng)適用于設(shè)有變電所的某些建筑、場(chǎng)所。TN-C-S系統(tǒng)宜用于不附設(shè)變電所的建筑。TT系統(tǒng)適用于戶外場(chǎng)所，例如胸腔手術(shù)這類對(duì)供電不允許意外停電的場(chǎng)所采用IT系統(tǒng)最佳。

1 TN-C系統(tǒng)、TN-C-S系統(tǒng)、TN-S系統(tǒng)分析

TN-C系統(tǒng)本身存在著很多缺陷，比如說(shuō)PEN線的斷裂會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的不良后果，失去PE功能，對(duì)人身安全起不到保護(hù)作用或使單相用電設(shè)備被高電壓燒壞等。雖然PE與N線同用一根線能節(jié)約成本，但是這不是關(guān)鍵的，所以加大PEN線截面不讓其斷裂是必須的，這也會(huì)導(dǎo)致加大成本。

如圖1所示，圖中三相四線回路中，L1不接負(fù)荷，L2帶120W負(fù)荷，L3帶20W負(fù)荷，單相負(fù)載十分不平衡，在中性線存在的情況下，由電工理論公式可知，存在中點(diǎn)位移電壓，如果各單相負(fù)載平衡則不存在中點(diǎn)位移電壓，由于變壓器每相繞組電壓220V，基本變化很小，三根相線的電壓降不會(huì)超過(guò)5%，所以各單相負(fù)荷不平衡是不會(huì)燒壞單相用電設(shè)備的；三相負(fù)荷，根據(jù)制造要求，三相負(fù)荷本身要保證平衡的，中性線無(wú)電流，有電流也只是諧波電流及三相對(duì)地電容電流，因此幾乎就不存在中性點(diǎn)電壓出現(xiàn)大的漂移，所以對(duì)于三相負(fù)荷有無(wú)中性線均可以，在工程設(shè)計(jì)中，一般情況下，Y型用電設(shè)備也不接中性線。單相不平衡負(fù)載如果N（PEN）線因故障斷掉，則R1與R2串聯(lián)在L2與L3之間，由于功率與電阻成反比，R1∶R2=1∶6，串聯(lián)之后，R1分得電壓為54V，R2分得電壓為326V，則L3所帶設(shè)備很快就會(huì)燒壞。OL1、OL2、OL3做空間相量圖，O'為L(zhǎng)2與L3直線連線上的一點(diǎn)，O'L2為54V，O'L3為326V，計(jì)算可知O'L1的相電壓高達(dá)356V。OO'之間電壓高達(dá)175V，零點(diǎn)嚴(yán)重漂移。如果負(fù)載是燈具或則電視機(jī)之類的家電，使用壽命將大大縮小，由公式表明，假如可以使用1000h的燈，在電壓升高至額定電壓的1.5（326/220）倍時(shí)，燈具使用壽命將降低到1000的1/248，即4h，對(duì)于電動(dòng)機(jī)負(fù)載，如果電壓過(guò)高鐵損增加而發(fā)熱，電壓過(guò)低銅損增加而發(fā)熱，這都會(huì)導(dǎo)致絕緣老化。

TN-S系統(tǒng)的接地導(dǎo)線與N線不是合二為一的，正常情況下，PE線是不帶電流的，也不會(huì)存在電壓降。而TN-C系統(tǒng)由于兩根線在某處合成了一根線，中性線電流也會(huì)通過(guò)接地線，這就會(huì)使PE線存在壓降，如果沒(méi)有等電位聯(lián)結(jié)，TN-C-S系統(tǒng)就會(huì)存在安全隱患，但是現(xiàn)在建筑都是進(jìn)行了等電位聯(lián)結(jié)，等電位聯(lián)結(jié)點(diǎn)就在進(jìn)入建筑物前的總配電箱處。無(wú)論是TN-C-S系統(tǒng)還是TN-S系統(tǒng)，在建筑物電源進(jìn)線處都配有總配電箱，總配電箱的PE母排都進(jìn)行了總等電位聯(lián)結(jié)，在進(jìn)入建筑物之前TN-C-S系統(tǒng)的PE與N線是一根線，進(jìn)入建筑物后通過(guò)總配電箱再分開，人站的地方的電位與等電位聯(lián)結(jié)系統(tǒng)的電位是一樣的，對(duì)于TN-C-S系統(tǒng)和TN-S系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，此時(shí)如果發(fā)生碰殼故障，人的接觸電壓都是殼到等電位聯(lián)結(jié)處這一段壓降，人的接觸電壓相等，因此在具有等電位聯(lián)結(jié)的情況下，這兩種系統(tǒng)對(duì)于防接觸電壓都有同樣功能。

TN-C-S系統(tǒng)在具有變電所的建筑內(nèi)會(huì)對(duì)電氣設(shè)備造成干擾，因?yàn)樵撓到y(tǒng)有一段線路是PE線與N線合為一根線，這就會(huì)因?yàn)镹線電流流向PE所連設(shè)備，對(duì)設(shè)備正常工作帶來(lái)不良影響，這種情況TN-S系統(tǒng)是最好的選擇。而對(duì)于一些信息技術(shù)設(shè)備來(lái)說(shuō)，要使其工作在最優(yōu)的狀態(tài)，對(duì)其端子共模電壓有嚴(yán)格要求，TN-C-S系統(tǒng)存在一段PE線與N線共用一根線，這就可以避免PE線電壓與N線電壓不一樣，所以這兩種系統(tǒng)各有千秋。

關(guān)于TN系統(tǒng)的PEN線接地還需要進(jìn)一步說(shuō)明一下，PEN如果接地不恰當(dāng)?shù)脑?，很可能就?huì)產(chǎn)生雜散電流，比如說(shuō)PEN多點(diǎn)接地，那么就會(huì)形成與中性線成并聯(lián)的電路，自然的就會(huì)有一部分電流不經(jīng)過(guò)中性線而直接通過(guò)并聯(lián)通路回到電源點(diǎn)，這一部分電流就是我們常說(shuō)的雜散電流，雖然這部分電流極其小，但它也可引起電氣火災(zāi)、腐蝕地下金屬部分、磁場(chǎng)干擾等。正因?yàn)榇耍驪EN線要采用絕緣線且只可以一點(diǎn)接地。

TN-S系統(tǒng)在變壓器中性點(diǎn)出線處存在很短一段大截面PEN線，阻抗值非常小，進(jìn)而這段PEN線也可以忽略不計(jì)，整個(gè)配電系統(tǒng)我們可以看作是一個(gè)電源點(diǎn)，那么TN、TT系統(tǒng)都可以從這個(gè)電源點(diǎn)引出，為了簡(jiǎn)化畫圖，在某些資料里，我們能看到電源中性點(diǎn)是直接一根線接地，那只是示意而已。為了防止雜散電流，實(shí)際上是不會(huì)直接接地的。

2 TN系統(tǒng)與TT系統(tǒng)比較

TN系統(tǒng)存在一個(gè)無(wú)法避免的缺點(diǎn)，整個(gè)系統(tǒng)都是同一根PE線，如果某一處發(fā)生故障，則該電壓會(huì)傳導(dǎo)到別處引起多點(diǎn)故障，如圖2所示。TN系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，在沒(méi)有做等電位聯(lián)結(jié)的情況下，故障電流為Id=U/（RB+RE），為電源單相電壓，雖然較大，但是不會(huì)大到讓過(guò)電流保護(hù)器動(dòng)作。又因?yàn)樵谡麄€(gè)線路都能感觸到，對(duì)別的非故障處也會(huì)造成事故，接觸電壓，如果小于等于50V，這倒無(wú)妨，如果大于50V，那就存在危險(xiǎn)了，但是建筑內(nèi)進(jìn)行了總等電位聯(lián)結(jié)，=0V，就不會(huì)發(fā)生電擊傷害，所以TN系統(tǒng)做總等電位聯(lián)結(jié)是十分必要的。如果TN系統(tǒng)不僅給戶內(nèi)供電，還給戶外用電設(shè)備進(jìn)行供電，由于條件限制，戶外不做等電位聯(lián)結(jié)，那就會(huì)有的危險(xiǎn)。在戶外既然不具備等電位聯(lián)結(jié)的條件，那么TT系統(tǒng)將是最佳選擇，將設(shè)備外殼直接接地，這就避免了戶外無(wú)等電位聯(lián)結(jié)場(chǎng)所PE線會(huì)傳導(dǎo)故障電壓的隱患，這是TT系統(tǒng)與TN系統(tǒng)相比的優(yōu)點(diǎn)，但是必須為TT系統(tǒng)設(shè)置RCD保護(hù)來(lái)切斷幅值小的接地故障電流，這也使得保護(hù)變得復(fù)雜化。當(dāng)出現(xiàn)圖2所示單相接地故障時(shí)，TT系統(tǒng)。

當(dāng)然，不是說(shuō)TN系統(tǒng)就一定不能用于戶外無(wú)等電位聯(lián)結(jié)處所，通過(guò)驗(yàn)算，只要符合要求也是可以的。如圖2所示，時(shí)，那么沒(méi)有電擊危險(xiǎn)，則戶外采用TN系統(tǒng)也是可以的。忽略回路導(dǎo)線和變壓器阻抗，經(jīng)過(guò)推導(dǎo)，可得下式：

式中：為計(jì)及與并聯(lián)的其他接地電阻，例如重復(fù)接地的電阻。如果，則滿足上式，得，而是隨機(jī)的，所以不是一個(gè)定值，比如4Ω或10Ω這都有些欠妥，但是保證越小，電擊危險(xiǎn)就越小。由于無(wú)法保證的值，那么采用TT系統(tǒng)為戶外無(wú)等電位聯(lián)結(jié)系統(tǒng)供電是最佳選擇。

3 IT系統(tǒng)分析

如圖3所示，電源端除設(shè)備外殼接地外，中性點(diǎn)不作接地，當(dāng)發(fā)生如圖所示的故障時(shí)，即發(fā)生碰外殼漏電故障時(shí)，在電路里電流不能通過(guò)導(dǎo)線回到電源，只能通過(guò)電容電流回到電源，而這個(gè)電容電流是其他兩相導(dǎo)體對(duì)地的電容電流，其值為：。式中：為頻率，即50Hz；為線間電壓，380V；C為每一非故障相導(dǎo)體對(duì)地電容，F(xiàn)。和C很小，故障電壓，符合標(biāo)準(zhǔn)，該電壓的能量有限，即使出現(xiàn)電弧、電火花，也不足以使回路保護(hù)電器動(dòng)作而切斷電源，但是出現(xiàn)第一次接地故障時(shí)，絕緣監(jiān)測(cè)器IMD要報(bào)警，以提示維護(hù)人員排除故障，當(dāng)發(fā)生第二次接地故障時(shí)，系統(tǒng)就會(huì)跳閘。正因?yàn)榈谝淮喂收喜惶l且接地故障電壓小，IT系統(tǒng)適用范圍越來(lái)越廣，特別適用某些特殊場(chǎng)所。

在IT系統(tǒng)里我們是看不到中性線的，這是因?yàn)镮T系統(tǒng)強(qiáng)烈不推薦引出中性線。IT系統(tǒng)最大的優(yōu)點(diǎn)之一就是不會(huì)因?yàn)榈谝淮喂收隙ｋ?，使重要用電設(shè)備繼續(xù)運(yùn)行，如果有了中性線，那么發(fā)生中性線接地故障時(shí)，IT系統(tǒng)就變成了TT系統(tǒng)。當(dāng)發(fā)生接地故障時(shí)，IT系統(tǒng)就會(huì)按照TT系統(tǒng)的保護(hù)來(lái)進(jìn)行切斷電源，就會(huì)失去IT系統(tǒng)的作用，使得重要設(shè)備失電導(dǎo)致極其嚴(yán)重的后果。沒(méi)有中性線，就沒(méi)法取得220V電源，這就需要二次變壓措施或別的辦法，導(dǎo)致成本加大，經(jīng)過(guò)研究，IT系統(tǒng)某一相接地故障，另外兩相對(duì)地電壓會(huì)升高到相電壓的1.732倍，這對(duì)設(shè)備的絕緣要求高，也間接地增加了總成本。

4 結(jié)語(yǔ)

無(wú)論采用哪種接地型式，都需要了解其優(yōu)缺點(diǎn)及其特性，了解各種接地型式的應(yīng)用場(chǎng)所，針對(duì)不同場(chǎng)所要采用相應(yīng)的接地型式。各種接地型式在通過(guò)特殊處理之后，也能運(yùn)用到其他接地型式所用場(chǎng)所。接地系統(tǒng)是電氣系統(tǒng)里的一大難點(diǎn)，要善于運(yùn)用，合理運(yùn)用，才能減少電氣事故的發(fā)生，避免人員電擊、財(cái)產(chǎn)損失。

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作者簡(jiǎn)介：楊雪林（1981-），男，四川人，一重集團(tuán)大連工程建設(shè)有限公司工程師，碩士，研究方向：電氣供配電系統(tǒng)、電氣自動(dòng)化控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究等。

（責(zé)任編輯：蔣建華）