等電位聯(lián)結(jié)在低壓接地故障保護(hù)中的應(yīng)用研究①

(福建省建筑科學(xué)研究院，福建 福州 350025)

0 引 言

低壓供配電系統(tǒng)發(fā)生接地故障時(shí)，如果防護(hù)措施不當(dāng)，將產(chǎn)生很大的故障電流，導(dǎo)致電氣設(shè)備和導(dǎo)體的溫度超過其正常工作的最高溫度，以至損壞絕緣，甚至引發(fā)電氣火災(zāi)[1]。接地故障還可使電氣裝置的外露可導(dǎo)電部分帶電，超過安全電壓限值，使操作人員接觸危險(xiǎn)電壓而觸電，引起電擊事故，造成人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。因此安全、可靠的用電是低壓供配電系統(tǒng)需要解決的基本問題。

為了防止接地故障的發(fā)生，我國(guó)有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)已將建筑物內(nèi)作等電位聯(lián)結(jié)作為電氣裝置最基本的保護(hù)措施[2]。等電位聯(lián)結(jié)的作用就是消除或減小過大的電位差，以保障人身和財(cái)產(chǎn)安全，并使電氣裝置正常實(shí)現(xiàn)其功能。

1 接地故障保護(hù)的基本要求

1.1 低壓配電系統(tǒng)的接地型式及其應(yīng)用場(chǎng)所

低壓配電系統(tǒng)按接地型式可以分為TN系統(tǒng)、TT系統(tǒng)、IT系統(tǒng)。

①TN系統(tǒng)：電源變壓器中性點(diǎn)直接接地，電氣裝置的外露可導(dǎo)電部分通過保護(hù)導(dǎo)體與中性點(diǎn)連接，如圖1所示。按N導(dǎo)體和PE導(dǎo)體的不同組合，又分為TN-C、TN-S、TN-C-S。TN系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，回路的故障電流較大，保護(hù)電器會(huì)立即動(dòng)作而切斷電源，同時(shí)依靠等電位聯(lián)結(jié)降低預(yù)期接觸電壓，比較安全。因此，TN系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于工業(yè)及民用建筑內(nèi)。

②TT系統(tǒng)：電源變壓器中性點(diǎn)直接接地，電氣裝置的外露可導(dǎo)電部分直接接地。當(dāng)電氣設(shè)備的金屬外殼帶電時(shí)，由于系統(tǒng)的回路阻抗大，故障電流小，通常采用RCD作接地故障保護(hù)。TT系統(tǒng)通常用在難作等電位聯(lián)結(jié)的戶外場(chǎng)所，如道路照明、施工場(chǎng)地等。

③IT系統(tǒng)：電源變壓器中性點(diǎn)不接地或經(jīng)過高阻抗接地。電氣裝置的外露可導(dǎo)電部分直接接地。IT系統(tǒng)的故障電流更小，其預(yù)期接觸電壓也小，不需要切斷電源，可以帶故障繼續(xù)運(yùn)行，供電可靠性高，但是應(yīng)有絕緣監(jiān)測(cè)，發(fā)出報(bào)警信號(hào)，以便及時(shí)排除故障。IT系統(tǒng)通常用于不允許停電的場(chǎng)所，或者是要求連續(xù)供電的地方，例如醫(yī)院手術(shù)室、應(yīng)急系統(tǒng)、地下礦井等。

圖1 TN系統(tǒng)及其接地故障等效電路圖

1.2 電氣設(shè)備的防觸電保護(hù)措施

電氣設(shè)備按照防觸電保護(hù)方式可以分為0類設(shè)備、Ⅰ類設(shè)備、Ⅱ類設(shè)備、Ⅲ類設(shè)備，各類設(shè)備的保護(hù)措施和主要特征如表1所示。按電擊防護(hù)的基本要求可以分為基本保護(hù)和故障保護(hù)，基本保護(hù)的主要措施有以下四種：

①基本絕緣：將電氣設(shè)備帶電部分用絕緣覆蓋，防止人體與帶電部分的任何接觸；

②遮欄或外護(hù)物：用遮欄或外護(hù)物防止人體與帶電部分接觸，遮欄或外護(hù)物應(yīng)牢固可靠，只有在使用鑰匙、工具或切斷帶電部分電源時(shí)才允許打開或移動(dòng)；

③阻擋物：阻擋物應(yīng)能防止軀體不慎接近帶電部分或在正常工作中操作帶電部分，人體無意地接觸帶電部分；

④置于伸臂范圍之外：可同時(shí)觸及的不同電位的部分之間的距離不應(yīng)在伸手可及的范圍之內(nèi)。

表1 電氣設(shè)備的保護(hù)措施及主要特征[3]

故障保護(hù)的防護(hù)措施歸納起來主要有兩大類：在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)自動(dòng)切斷電源和降低接地故障時(shí)外露可導(dǎo)電部分的預(yù)期接觸電壓。發(fā)生接地故障時(shí)，自動(dòng)切斷電源的時(shí)間不應(yīng)大于表2的規(guī)定。

表2交流回路最長(zhǎng)的切斷電源的時(shí)間[4]單位：秒

系統(tǒng)不超過63A的插座和不超過32A的終端回路50V400V其它配電回路TN0.80.40.20.15TT0.30.20.070.041

注：U0—交流回路相對(duì)地的標(biāo)稱電壓。

現(xiàn)今使用的電氣設(shè)備絕大多數(shù)都是Ⅰ類電氣設(shè)備，其外露可導(dǎo)電部分通過PE線聯(lián)結(jié)而實(shí)現(xiàn)接地保護(hù)，當(dāng)發(fā)生接地故障時(shí)，若不能在表2規(guī)定的時(shí)間內(nèi)切斷電源，則故障電流Id流過PE線，在PE線上產(chǎn)生預(yù)期接觸電壓。在忽略人體阻抗和人與地之間的接觸電阻時(shí)，預(yù)期接觸電壓Ud通過式(1)計(jì)算可得：

(1)

對(duì)于U0=220V的配電系統(tǒng)，

當(dāng)SPE=SL，即RPE=RL時(shí)，

注：SL是相線的截面，SPE是PE線的截面，RL是相線的電阻，RPE是PE線的電阻。

由此可見，Ud遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于安全電壓限值。此時(shí)，有效的措施就是作保護(hù)等電位聯(lián)結(jié)，保護(hù)等電位聯(lián)結(jié)可以有效的降低預(yù)期接觸電壓和消除故障電壓。

2 等電位聯(lián)結(jié)的關(guān)鍵技術(shù)

2.1 等電位聯(lián)結(jié)的類別和作用

等電位聯(lián)結(jié)可以消除不同金屬物之間的電位差和建筑物內(nèi)故障電壓；減少由于保護(hù)電器的不可靠動(dòng)作帶來的危害和避免外界電磁場(chǎng)引起的干擾，改善裝置的電磁兼容性。因此，等電位聯(lián)結(jié)在爆炸危險(xiǎn)場(chǎng)所、防雷電危害、抗電磁干擾、防電擊保護(hù)中有著廣泛應(yīng)用[5]。

按等電位聯(lián)接的作用可分為保護(hù)等電位聯(lián)結(jié)和功能等電位聯(lián)結(jié)，按等電位聯(lián)結(jié)的作用范圍可分為總等電位聯(lián)結(jié)、輔助等電位聯(lián)結(jié)和局部等電位聯(lián)結(jié)。

2.2 總等電位聯(lián)結(jié)的保護(hù)效果

以TN-C-S系統(tǒng)為例分析在重復(fù)接地和等電位聯(lián)結(jié)情況下，預(yù)期接觸電壓的變化情況。如圖2 a)所示，在建筑物入戶處(點(diǎn)M)做重復(fù)接地，其接地電阻為RE，在忽略變壓器阻抗，人體阻抗，人與地之間的接觸電阻情況下，當(dāng)設(shè)備A發(fā)生接地故障時(shí)，人體預(yù)期接觸電壓可以由式(2)計(jì)算。

(2)

圖2 TN系統(tǒng)在不同情況下的接觸電壓

如果按圖2 b)所示在建筑物入戶處(點(diǎn)M)做總等電位聯(lián)結(jié)，PEN線上的電壓降已在等電位聯(lián)結(jié)范圍之外，對(duì)人體接觸電壓已不產(chǎn)生影響，只有PE線的電壓降對(duì)人體產(chǎn)生接觸電壓[6]，故預(yù)期接觸電壓可以由式(3)計(jì)算。

Ud=IdZPE

(3)

Id為故障電流；ZPE為故障點(diǎn)到MEB(總接地端子)之間的PE導(dǎo)體上的阻抗。由此可見，合適的等電位聯(lián)結(jié)可以大大降低預(yù)期接觸電壓。

3 等電位聯(lián)結(jié)的工程實(shí)例分析

以TN-C-S系統(tǒng)為例，分4種情況分析在采用重復(fù)接地、等電位聯(lián)結(jié)等情況下的預(yù)期故障電壓變化情況。

某建筑物采用TN-C-S型接地系統(tǒng)，其地下室與大地之間設(shè)有絕緣的防水層，PEN線在進(jìn)戶處分為PE線和N線，如圖3所示。設(shè)PEN線的阻抗ZPEN=0.04Ω、PE線的阻抗ZPE=0.06Ω、相線的阻抗ZL=0.1Ω；RB為變壓器中性點(diǎn)的接地電阻，RB=4Ω。忽略變壓器阻抗及線路電抗。當(dāng)建筑物內(nèi)的電氣設(shè)備A發(fā)生接地故障時(shí)，計(jì)算外露可導(dǎo)電部分的預(yù)期接觸電壓Ud。

圖3 TN系統(tǒng)發(fā)生接地故障示意圖

①無總等電位聯(lián)結(jié)，無重復(fù)接地，如圖3所示。在忽略人體電阻和人與地之間的接觸電阻時(shí)，此時(shí)故障電流通過L線、PE線、和PEN線流入大地。此時(shí)有：

Ud1=Id1(ZPEN+ZPE)=1100×(0.06+0.04)=110V

②無總等電位聯(lián)結(jié)，有重復(fù)接地，如圖2a)所示。在電源進(jìn)戶(點(diǎn)M)處，作重復(fù)接地，接地電阻RE=10Ω。

此時(shí)Ud是流過RE及RB之電流在RE上產(chǎn)生的電壓降。由公式(2)計(jì)算可得：

③有總等電位聯(lián)結(jié)，無重復(fù)接地。在電源進(jìn)戶(點(diǎn)M)處，若不作重復(fù)接地而改作總等電位聯(lián)結(jié)，如圖2 b)所示，在設(shè)備A發(fā)生接地故障時(shí)：

由于作了總等電位聯(lián)結(jié)(MEB)，Ud應(yīng)為設(shè)備A之外殼對(duì)MEB處的電位差。

Ud3=Id3×ZPE=1100×0.06=66V

④設(shè)置局部等電位聯(lián)結(jié)。假設(shè)在PE線的中點(diǎn)處(ZPE′=0.5ZPE)設(shè)置局部等電位聯(lián)結(jié)，在設(shè)備A發(fā)生接地故障時(shí)：

由于作了局部等電位聯(lián)結(jié)，Ud應(yīng)為設(shè)備A之外殼對(duì)局部等電位聯(lián)結(jié)處的電位差。

Ud4=Id4×ZPE′=1100×0.03=33V

對(duì)比分析以上4種情況，不難發(fā)現(xiàn)，在沒有采取保護(hù)措施的情況下，預(yù)期接觸電壓Ud1=110V遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于安全電壓限值50V。在設(shè)置了重復(fù)接地的情況下，預(yù)期接觸電壓Ud2=97.4V，降低了約13V，降低的幅度有限并且仍然大于安全電壓限值。在進(jìn)戶處設(shè)置總等電位后，預(yù)期接觸電壓Ud3=66V，說明總等電位對(duì)于降低預(yù)期接觸電壓效果明顯，但是仍然未降低到安全電壓限值以下。通過設(shè)置局部等電位聯(lián)結(jié)后，預(yù)期接觸電壓降低至33V，可以有效的將預(yù)期接觸電壓降低至安全電壓限值以下，若將局部等電位聯(lián)結(jié)點(diǎn)設(shè)置得更靠近故障點(diǎn)，預(yù)期接觸電壓將會(huì)降得更低。

4 結(jié) 語(yǔ)

在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)自動(dòng)切斷電源和降低接地故障時(shí)外露可導(dǎo)電部分的預(yù)期接觸電壓是低壓配電系統(tǒng)故障防護(hù)的主要措施。重復(fù)接地和等電位聯(lián)結(jié)均可降低預(yù)期接觸電壓，但預(yù)期接觸電壓不一定在電壓安全限值以內(nèi)，此時(shí)，尚需在合適的位置做局部等電位聯(lián)結(jié)。等電位聯(lián)結(jié)點(diǎn)距離故障設(shè)備越近，預(yù)期接觸電壓越低，發(fā)生電擊事故的概率就越小。因此，將等電位聯(lián)結(jié)措施合理的應(yīng)用到工程實(shí)踐中，可以減少電擊事故的發(fā)生，以保障人身及財(cái)產(chǎn)安全。