接地電阻的確定及連通性的檢測

雷明長　周有國　張為民

摘要：電氣設(shè)備漏電時，其外殼、支架以及與其相連的金屬部分都會呈現(xiàn)電壓。人若觸及這些意外帶電部分，即可能發(fā)生觸電事故。保護接地就是把在故障情況下可能呈現(xiàn)危險的對地電壓的金屬部分同大地緊密地連接起來，至于緊密到何種程度，需要有一個具體的量值。無論是動電或靜電、交流或直流、低壓或高壓、也無論是一般環(huán)境或特殊環(huán)境，都經(jīng)常采取接地措施，以保障安全。為提高計算機系統(tǒng)的抗干擾能力而設(shè)置的接地屬工作接地，不能作為保護接地使用。

關(guān)鍵詞：保護接地；接地電阻值；接地連通性；測量

對接地問題的討論由來已久，“80后”已成為了電氣設(shè)備施工隊伍中的主力軍。在一個供電系統(tǒng)中不允許采用兩種保護方式，這在我國的各種技術(shù)文件和教科書中是一致的，并為廣大的電氣類設(shè)計、施工人員所熟知。然而在非電氣類從業(yè)人員中，他們對接地的認(rèn)識非常模糊，分不清什么是工作、保護接地，加上計算機技術(shù)正被廣泛地使用在電梯中，個別產(chǎn)品也提出了單獨做接地裝置的要求，這樣以來，個別施工人員錯誤地把計算機“邏輯地”需要的接地裝置當(dāng)作電氣設(shè)備的接地保護。筆者在對這些由“80后”施工人員安裝的電梯接地保護系統(tǒng)檢驗中，完全符合要求的案例非常少見。其主要表現(xiàn)為電梯轎廂與機房接地端僅有一根電纜芯線，隨著電梯行程的增大，其連通電阻無疑會增大許多。就TSG T7001-2009的相關(guān)條款來說，這一項目已成為有質(zhì)疑時檢驗人員才需要進行驗證的項目。但從筆者的實際工作情況來看，結(jié)果讓人滿意的確實少見。下面就結(jié)合電氣安全工程方面的理論及實施標(biāo)準(zhǔn)中的相關(guān)內(nèi)容，將接地功能的劃分及檢測粗淺地簡介如下：

1.接地功能的劃分

對于“接地”，實際上存在安全、電磁干擾兩個問題。安全問題比較容易解決，有安全規(guī)范可循，遵照規(guī)范基本可以避免人身傷害。而電磁干擾則是令許多電子產(chǎn)品設(shè)計人員頭痛的問題。

1.1漏電安全問題的接地

電氣設(shè)備漏電時，其外殼、支架以及與其相連的金屬部分都會呈現(xiàn)電壓。人若觸及這些意外帶電部分，即可能發(fā)生觸電事故。為了保護人身安全，應(yīng)采取必要的安全措施。接地就是防止這種事故的措施之一。保護接地就是把在故障情況下可能呈現(xiàn)危險的對地電壓的金屬部分同大地緊密地連接起來。保護接地應(yīng)用很廣，無論是動電或靜電、無論是交流或直流、無論是低壓或高壓、也無論是一般環(huán)境或特殊環(huán)境，都經(jīng)常采取接地措施，以保障安全。

1.1.1工作接地

變壓器低壓中性點的接地即工作接地。它有以下兩項主要作用：

（一）減輕一相接地的危險。圖1所示沒有工作接地時發(fā)生一相接地將導(dǎo)致下列危險：

（1）接地電流不大，故障可能長時間存在；

（2）接零設(shè)備對地電壓（即零線對地電壓）可能接近相電壓，觸電危險性很大；

（3）其他兩相對地電壓升高可能接近線電壓，單相觸電危險性增加。

如果有工作接地，發(fā)生一相接地時，接零設(shè)備對地電壓為表達式（1）：減小R₀，可以把U₀限制在某一安全范圍內(nèi)。如下圖2：

這時，由于中性點發(fā)生位移，未接地兩相對地電壓升高（見圖3）為表達式（2）：

通常規(guī)定U_s不超過250伏（一些單相低壓電纜、電器的標(biāo)稱耐壓）。當(dāng)U_s=50伏時，U₀=52伏。在這種情況下，如果接地處接地電阻R_d=10～15歐，則要求工作接地電阻R₀在3.1～4.65歐姆之間，因此，規(guī)定R₀不得超過4歐。在高土壤電阻率地區(qū)，降低中性點工作接地電阻比較困難、接地處接地電阻又往往較大，允許把R₀提高到不超過10歐姆。

（二）減輕高壓竄入低壓的危險。工作接地能穩(wěn)定系統(tǒng)的電位，限制系統(tǒng)對地電壓不超過某一范圍，減輕高壓竄入低壓的危險。如圖4所示。當(dāng)高壓竄入低壓時，低壓零線對地電壓為表達式（3）：

U₀=I_gdR₀ （3）式中I_gd——高壓系統(tǒng)單相接地電流在這種情況下，按照規(guī)定的U₀≤120伏，要求工作接地電阻為：R₀≤120/I_gd對于不接地的高壓電網(wǎng)，單相接地電流通常不超過30安，R₀≤4歐姆是能滿足要求的。

1.1.2重復(fù)接地

將零線上的一處或多處通過接地體與大地再次連接，稱為重復(fù)接地。重復(fù)接地是保護接零系統(tǒng)中不可缺少的安全措施，有以下安全作用：

（一）降低漏電設(shè)備對地電壓。圖5是沒有裝設(shè)重復(fù)接地的保護接零系統(tǒng)，當(dāng)發(fā)生碰殼短路時，線路保護裝置將迅速動作，切斷電源。但從發(fā)生碰殼短路起，到保護裝置動作完畢止的一段時間內(nèi)設(shè)備外殼是帶電的，其對地電壓即短路電流在零線部分產(chǎn)生的電壓降，即表達式（4）：

在上述情況下，如果像圖6那樣加上重復(fù)接地R_c，則觸電危險可以減輕。這時，短路電流大部分通過零線成回路，小部分通過重復(fù)接地和工作接地成回路。后一部分電流在重復(fù)接地的接地電阻上的電壓即設(shè)備對地電壓，即表達式（6）：

一般情況下，R_c≤10歐姆，R₀≤4歐姆，假定零線電壓U₁仍然為147伏（實際上，由于有R_c和R₀與零線并聯(lián)，零線上的電壓還會低一些），則可求得設(shè)備對地電壓：

這個電壓雖然對人還有危險，但比沒有重復(fù)接地時減輕了一些。這就是說，重復(fù)接地有降低漏電設(shè)備在保護裝置動作前的對地電壓的作用。而且，重復(fù)接地電阻愈低或一條支路上重復(fù)接地處數(shù)愈多，降低對地電壓的作用愈顯著。

（二）減輕零線斷線時的觸電危險

圖7表示沒有重復(fù)接地的接零系統(tǒng)斷線。如圖，當(dāng)零線斷裂，又有一相碰殼時，事故電流通過觸及設(shè)備的人體和工作接地構(gòu)成回路。

因為人體電阻比工作接地電阻R₀大得多，所以在斷線處以后，人體幾乎承受全部相電壓。

如果像圖8那樣，在零線上加重復(fù)接地R_c，這時較大的事故電流通過R_c和R₀形成回路。在斷線處以后，設(shè)備對地電壓為U_c=I_dR_c，在斷線處前，設(shè)備對地電壓為U₀=I_dR₀。因為U_c和U₀都小于相電壓，所以事故嚴(yán)重程度一般減輕了一些。

從減輕零線斷線事故的嚴(yán)重程度來看，在同一條零線上，適當(dāng)多加重復(fù)接地是有好處的。盡管如此，零線斷裂還是很危險的。應(yīng)當(dāng)避免這樣的事故。因此在經(jīng)濟條件許可的情況下，可從變壓器的中性點（工作接地點）處專門引出一根保護線，即三相五線制。尤其是高層建筑物中的電梯，實施重復(fù)接地確實非常困難。

還必須指出，在零線斷裂的情況下，如果三相不平衡，即使沒有設(shè)備發(fā)生碰殼，零線上也會呈現(xiàn)一定的電壓，給人以威脅。在這方面，重復(fù)接地有減輕或消除危險的作用。根據(jù)規(guī)定，在中性點直接接地的系統(tǒng)中，單相220伏的用電設(shè)備應(yīng)均勻地分配在三相線路中，由單相負(fù)荷不平衡所引起的中性線電流一般不得超過變壓器額定電流的25%。如果零線完好，由于零線阻抗很小，這25%的不平衡電流只在零線上產(chǎn)生很小的電壓降，對人體沒有危害；但是，如果零線斷裂，斷線處以后的零線可能會呈現(xiàn)數(shù)十伏的電壓。如果不平衡超過規(guī)定，將更會增加觸電的危險。

在兩相停止用電，僅一相保持用電的特殊情況下，如果零線斷裂，電流將通過該相負(fù)荷、人體、工作接地成回路。因為人體電阻較大所以大部分電壓降在人體上，造成觸電危險。

上述情況，如果零線上或設(shè)備上裝有重復(fù)接地，則設(shè)備對地電壓即重復(fù)接地電阻上的電壓降不會是太大的數(shù)值，這個電壓對人來說是沒有什么危險的。

（三）縮短碰殼或接地短路持續(xù)時間

因為重復(fù)接地和工作接地構(gòu)成零線的并聯(lián)分支，所以當(dāng)發(fā)生短路時，能增加短路電流，而且線路越長、效果越顯著，這就加速了線路保護裝置的動作，縮短了事故持續(xù)時間。

1.2產(chǎn)生電磁干擾問題的主因

為了說明電磁干擾，可用簡單的空心線圈互感來討論，如下圖9：

I_f代表原邊的交變電流，U_f代表副邊的感應(yīng)電壓，可以看出Uf由下列公式（7）得出：

U_f=U₁+U₂+…+U_n （7）

U₁…U_n代表每匝線圈的感應(yīng)電壓。產(chǎn)生電磁干擾的主要因素是交變的電磁場，直流、不變的磁場影響較?。▋H僅在啟動、停止時）。一切產(chǎn)生交變電流的裝置均可視為干擾源。例如：計算機其CPU均以相當(dāng)高的速度在運行著，其時鐘頻率高達數(shù)百兆赫。在這如此高的頻率之后，計算機設(shè)備之間的連接電纜，就像天線一樣，即可以接收外部的射頻干擾信號，也能向外輻射射頻干擾信號。變頻器、變壓器、交流載流電纜、互感器等等也是常見的干擾源。這里的副邊，可以視為各種傳感器、信號電纜，甚至線繞電位器線圈等等。

如果看圖9的局部A，可以說明近似平行的兩根導(dǎo)線的互感。應(yīng)該注意的是：幾十安交變電流的電線和幾十毫安1000匝線圈產(chǎn)生的交變磁場效果是相當(dāng)?shù)?。但是可知：隨著間距L的增大，磁場強度應(yīng)該成平方衰減。從理論上說，如果副邊Uf和原邊If呈垂直角度擺放，則感應(yīng)電壓Uf為零（公式8）：

U_f=U₁/2-U₁/2+U₂/2-U₂/2+…+

U_n/2-U_n/2=0 （8）

而事實上，交變磁場來源很多，根本不能確定方向，它的適用范圍非常有限。

1.3磁場屏蔽的原理

磁場屏蔽的基本原理是電磁感應(yīng)原理。如圖10所示，當(dāng)線圈A通電時，將在其周圍產(chǎn)生磁場。

如果線圈電流I_A是交變的，周圍磁場也是交變的。在線圈外面套上筒形屏蔽K時，由于線圈電流lA的作用，其內(nèi)將產(chǎn)生感應(yīng)電勢E_K=ωMI_A（M：線圈A與屏蔽K之間的互感），由于E_K的作用，屏蔽內(nèi)產(chǎn)生感應(yīng)電流，大小為公式（9）：式中：r_K——屏蔽的電阻；

L_K——屏蔽的電感。

ω——角頻率。

由電磁感應(yīng)定律可以知道，I_K的方向與I_A的方向是相反的，所產(chǎn)生磁通的方向也應(yīng)該是相反的。因此，在屏蔽以外，磁力線互相抵消，起到了屏蔽磁場的作用。

2.接地功能的實施

2.1保護接地的實施

在具體的施工中，應(yīng)采用哪種型式，是由設(shè)計單位根據(jù)國家的經(jīng)濟技術(shù)政策和工程的具體特點確定的，而不能由施工人員任意更改。在以后相當(dāng)長的時間內(nèi)下述四種系統(tǒng)（除NT-S系統(tǒng)外）可能還會在不同的場合繼續(xù)存在。

（1）TN-S系統(tǒng)。在整個系統(tǒng)中，電源部分的中性點（零線N）與大地直接連接，N與保護線PE是兩根不同的導(dǎo)線，只有在電源變壓器處是連接在一起，爾后是分開的。該系統(tǒng)在正常工作時，保護線上不呈現(xiàn)電源，因此設(shè)備的外露可導(dǎo)電部分也不呈現(xiàn)對地電壓，比較安全，并有較強的電磁適應(yīng)性，適用于數(shù)據(jù)處理、精密檢測裝置等供電系統(tǒng)，近十年來在我國的高級民用建筑和新建醫(yī)院已普遍采用。

（2）TN-C系統(tǒng)。在整個系統(tǒng)中，電源部分的中性點（零線N）與大地直接連接，N與保護線PE是合用的，即PEN。當(dāng)三相負(fù)荷不平衡或只有單相負(fù)荷時，PEN線上有電流，如選用適當(dāng)?shù)拈_關(guān)保護裝置和足夠的導(dǎo)電截面，也能達到安全要求，且省材料，十幾年前在我國應(yīng)用最廣。

（3）TN-C-S系統(tǒng)。在整個系統(tǒng)中，電源部分的中性點（零線N）與大地直接連接，有部分N與保護線PE是分開的。這種系統(tǒng)兼有TN—c系統(tǒng)的價格較便宜和TN-S系統(tǒng)的比較安全且電磁適應(yīng)性比較強的特點，常用于線路末端環(huán)境較差的場所或有數(shù)據(jù)處理等設(shè)備的供電系統(tǒng)。

（4）TT系統(tǒng)。電源部分的中性點（零線N）與大地直接連接，電氣裝置的外露可導(dǎo)電部分單獨接至電氣上與電力系統(tǒng)的接地點無關(guān)的接地極。該系統(tǒng)中，由于各自的PE線互不相關(guān)，因此電磁適應(yīng)性比較好。但故障電流值往往很小，不足以使數(shù)千瓦的用電設(shè)備的保護裝置斷開電源，為保護人身安全必須采用剩余電流開關(guān)ResiduN Current Device（即RCD，俗稱漏電保護器）作為線路及用電設(shè)備的保護裝置，但安裝漏電保護器也存在安裝和使用麻煩的缺點。因此，該系統(tǒng)僅在臨時用電的場合偶爾采用，如建筑工地上的塔式起重機、施工升降低機等非固定使用的電氣設(shè)備。

（5）IT系統(tǒng)。電源部分與大地不直接連接，電氣裝置的外露可導(dǎo)電部分直接接地。該系統(tǒng)多用于煤礦及廠礦用電等希望盡量少停電的系統(tǒng)。

2.2減輕電磁干擾的措施

關(guān)于計算機控制的電梯，由于計算機電源均采用隔離變壓器供電（即使是當(dāng)今廣泛采用的電子式開關(guān)電源變換器亦是如此），接口部分也都有隔離措施，其工作部分與外部設(shè)備沒有直接的電氣連接，所以其“邏輯地”在一般情況下可通過專用的接地母排接到系統(tǒng)的保護線（PE）上，也可以懸空。當(dāng)產(chǎn)品的抗噪聲性能較差，而環(huán)境的噪聲干擾又較強，“懸空”和接保護線均不能保證正常工作時，可考慮把計算機的“邏輯地”與單獨的接地裝置連接。需特別注意的是，為計算機單獨提供的“邏輯地”接地裝置絕不能作為設(shè)備的接地保護使用。因其接地的實質(zhì)屬工作接地。

弱電回路的信號線必須使用接地的、沒有破損的屏蔽電纜，當(dāng)要穿過干擾源（例如大電流載波電纜）時，要盡量做到正交穿過或不得與大電流載波電纜同管、同線槽布線。

3.接地的檢測

無論如何，接地保護的核心問題就是等電位連接，例如在中性點直接接地的系統(tǒng)中，任何時候都必須保證同一供電系統(tǒng)內(nèi)的電氣設(shè)備正常情況下不帶電的金屬外殼都必須與該系統(tǒng)電源的中性點保持緊密連接（這也是接零保護的概念），至于緊密到何種程度，有些規(guī)范中要求測量（或計算）相零阻抗，有些規(guī)范就直接規(guī)定其連通電阻不得大于0.5Ω。其前提條件是中性點必須與大地保持緊密連接（接地電阻不得大于4Ω），這和工作接地電阻不得超過4.65Ω的要求基本吻合。對于持零線不宜重復(fù)接地觀點的人，或許他們沒有考慮到這根阻抗本身就很小的零線在變壓器處就是和大地緊密地連接在一起的。很多情況下，這些電氣設(shè)備的金屬外殼（或支架）和大地之間并不是絕對的絕緣。

對于接地連通性的測量，筆者使用一根穿過鉗形接地電阻測試儀（環(huán)路電阻測試儀）鉗口中央、長度足夠連接主控制屏接地端至各被測目標(biāo)接地端的導(dǎo)線的方法進行（接地線連通電阻=儀表讀數(shù)一測試導(dǎo)線本身電阻），因其無須使用表筆，能夠很好地克服因表筆接觸不良導(dǎo)致的測量誤差。需要注意的是，應(yīng)盡可能切斷該設(shè)備的所有電源，以防感應(yīng)電流（筆者就遇到過有十余毫安的感應(yīng)電流）造成測量結(jié)果的誤差。如下圖11：

4.結(jié)語

TN-S系統(tǒng)實際上是接零保護的延伸，工作零線的斷裂會導(dǎo)致系統(tǒng)內(nèi)的單相設(shè)備不能工作，但是PE線斷裂了能被及時發(fā)現(xiàn)的可能性又有多大呢？可見，為了防止等電位連接點（變壓器中性點）位移至危險電壓，工作接地電阻不能大于4Ω，是一個沒有商量余地的最低底線。為了保證PE線的連通性，GB50182-93《電氣裝置安裝工程電梯電氣裝置施工及驗收規(guī)范》第2.0.11要求當(dāng)采用電纜芯線作保護線時不得少于2根。不妨用你手中的歐姆表來測試一下電梯中這根安全線（包括各線管、槽跨接線）的合格率到底有多高！