低壓電氣接地故障及其防護(hù)措施

王丹丹

（上海市市政規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海 200031）

1 引言

市政工程中的低壓配電系統(tǒng)，在運(yùn)行期間如果遭受線路絕緣破損、異物入侵，或者因外力破壞引發(fā)的短路問題，被統(tǒng)稱為接地故障。低壓電氣接地故障發(fā)生之后，原本系統(tǒng)中不帶電的外露可導(dǎo)電部分會(huì)形成電壓，若與人體接觸，便會(huì)引發(fā)觸電事故。所以，根據(jù)配電系統(tǒng)接地的基本形式、采用的電氣設(shè)備型號，做好低壓接地故障防護(hù)非常重要。

2 低壓電氣接地故障的形成與消除思路

市政工程施工期間，接地與黏接是輸送安全電能的重要前提，也是保證工程項(xiàng)目電能質(zhì)量的關(guān)鍵內(nèi)容。接地系統(tǒng)是故障電流低阻抗的主要獲取路徑，也對配電系統(tǒng)非載流金屬元件電壓有限制作用。如果發(fā)生低壓電氣接地故障，低阻抗會(huì)使得高故障電流發(fā)生流動(dòng)，同時(shí)開啟過流保護(hù)裝置，將故障消除[1]。此外，接地系統(tǒng)支持瞬變轉(zhuǎn)移，使其安全抵達(dá)地面。黏合則是原來不帶載電流金屬部件相連，構(gòu)成導(dǎo)電路徑，保證連接的金屬部件在相同電位中，以免危險(xiǎn)電壓之間出現(xiàn)差異。

可以安裝接地系統(tǒng)，保證市政工程電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行。通過采用導(dǎo)線大小一致的設(shè)備接地導(dǎo)線可以有效降低電路阻抗，將過流保護(hù)裝置清除故障的時(shí)間縮短。所有帶有金屬外殼的裝置全部在電連續(xù)系統(tǒng)內(nèi)黏合，期間需要對設(shè)備接地導(dǎo)線的類型進(jìn)行考慮，用以完善敏感的設(shè)備接地導(dǎo)線。

3 低壓電氣接地的基本形式

3.1 TN系統(tǒng)

TN系統(tǒng)內(nèi)部的電源端往往會(huì)有直接接地的一點(diǎn)，一般以中性點(diǎn)為主，電氣裝置外露的可導(dǎo)電部分對中性導(dǎo)體進(jìn)行保護(hù)，或者實(shí)現(xiàn)導(dǎo)體和該點(diǎn)的連接，IEC標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)N線、PE線連接的要求重新組合，主要有3種組合形式，即TN-S系統(tǒng)、TNC系統(tǒng)、TN-C-S系統(tǒng)。TN-S系統(tǒng)內(nèi)的N線、PE線分別獨(dú)立運(yùn)行，在正常運(yùn)行期間，專用PE線中不會(huì)有電流流過，N線會(huì)有不平衡電流流過[2]。PE線和地面之間不存在電勢差，所以，主要是利用專用PE線實(shí)現(xiàn)電氣設(shè)備外殼的保護(hù)接地操作，如此一來也為系統(tǒng)賦予安全性，在獨(dú)立運(yùn)行的變配電所內(nèi)應(yīng)用。

TN-C系統(tǒng)內(nèi)的N線、PE線結(jié)合，如果三相負(fù)荷平衡性差，那么N線上將會(huì)有不平衡電流流過，并且形成電位差，電氣設(shè)備金屬外殼對地帶電位，從而限制了該系統(tǒng)的運(yùn)用范圍，只能夠在三相負(fù)荷平衡、管理全封戶能力強(qiáng)的工業(yè)廠房建筑中使用。

TN-C-S系統(tǒng)內(nèi)只有部分N線與PE線整合，雙方分開之后便不會(huì)再合并，主要是在建筑物電源為區(qū)域變電所的前提下采用。

3.2 TT系統(tǒng)

TT系統(tǒng)內(nèi)的電源端中性點(diǎn)具有直接接地的優(yōu)勢，電氣裝置外露可導(dǎo)電的部位連接接地極和電源中性點(diǎn)接地的電氣，彼此之間相互獨(dú)立。TT系統(tǒng)內(nèi)的N線、PE線之間沒有與電相關(guān)的聯(lián)系，處于正常運(yùn)行的狀態(tài)下，如果中性線帶電，那么PE線與之相反，即不帶電。所以，TT系統(tǒng)更適合在無等電位聯(lián)結(jié)的環(huán)境下應(yīng)用[3]。

3.3 IT系統(tǒng)

IT系統(tǒng)的電源端帶電不接地，或者僅有一點(diǎn)阻抗接地，相關(guān)電氣裝置外露部位則直接接地。IT系統(tǒng)在運(yùn)行中有極高的安全性，適合在供電持續(xù)性強(qiáng)、防電擊要求嚴(yán)格的環(huán)境中使用。

4 低壓電氣接地故障與影響

市政工作中的供配電系統(tǒng)在運(yùn)行期間，主要是負(fù)載端電氣裝置的外露導(dǎo)電接地，這種接地形式被稱為保護(hù)接地。接地故障的形成，是相線與中性線這種帶電導(dǎo)體和地面連接導(dǎo)致短路，或者是和大地電氣裝置內(nèi)的導(dǎo)電部分連接導(dǎo)致的短路。如果電氣裝置絕緣破損，會(huì)直接出現(xiàn)接地故障，這時(shí)不帶電金屬外殼會(huì)有電壓存在，人體在間接接觸之后會(huì)受到電擊。

市政建筑電力系統(tǒng)施工期間，如果防護(hù)不到位會(huì)導(dǎo)致電氣火災(zāi)，這在所有火災(zāi)中是最為常見的一種。接地故障引起電氣火災(zāi)，結(jié)合實(shí)際分析可以確定電氣短路的火源，即對地電弧、電火花，這2點(diǎn)引起電氣火災(zāi)的概率非常高。組織電氣線路施工的過程中，帶電導(dǎo)線絕緣外皮長期受到摩擦，必然會(huì)出現(xiàn)破損，或者在雷雨天氣下遭受雷擊，電纜梯架內(nèi)部線路絕緣在瞬態(tài)過電壓的沖擊下也會(huì)出現(xiàn)絕緣損壞的問題。因此，站在機(jī)械與電路的角度分析，接地故障發(fā)生的概率大于帶電導(dǎo)體短路故障。同時(shí)，線路對地絕緣能力也超過帶電導(dǎo)體，如果發(fā)生接地故障，那么由此導(dǎo)致的電弧相比帶電體形成的電弧更大，是引起火災(zāi)的重要因素，對市政工程質(zhì)量與人們的人身安全都有極大的威脅。

5 低壓電氣接地故障的防護(hù)舉措

5.1 未接地系統(tǒng)故障的防護(hù)

市政工程電力施工中的未接地系統(tǒng)，可以在產(chǎn)生接地故障時(shí)維持系統(tǒng)的正常運(yùn)行。低壓電氣接地故障的形成，會(huì)導(dǎo)致接地系統(tǒng)跳閘的現(xiàn)象，但若缺少電氣系統(tǒng)接地，那么故障電流值過低，只能支持電容通過，所以也不會(huì)影響設(shè)備正常運(yùn)行以及工作人員安全。未接地系統(tǒng)在運(yùn)行過程中出現(xiàn)第二次故障，會(huì)停止供電運(yùn)行，隨后引發(fā)相間故障，開啟過流保護(hù)運(yùn)行。該系統(tǒng)在運(yùn)行過程中存在的不足是，未接地操作初始故障可能會(huì)帶來線路電壓，并且作用于相電壓設(shè)計(jì)，如若故障系統(tǒng)長期維持在運(yùn)行狀態(tài)下，便會(huì)引發(fā)相應(yīng)的故障。

固體接地是工作中比較常見的系統(tǒng)之一，主電源變電站中性線與地下低電阻樁、埋入式分布式網(wǎng)、MEN系統(tǒng)內(nèi)部供電公用設(shè)施中性導(dǎo)體相連接，順延電力線路，間隔若干個(gè)極點(diǎn)與地樁連接。在一般地球質(zhì)量條件下，通過對比接地樁、接地電流，可以發(fā)現(xiàn)額外接地路徑獲得的總接地電阻耕地，且可靠性較高。該類型的低接地電阻MEN連接為系統(tǒng)提供運(yùn)行需要的高故障電流，提高保護(hù)作業(yè)效率。除此之外，低電阻接地對地電位上升有一定的限制作用，有利于規(guī)避觸摸電位、階躍電位故障，因此固體接地在低壓、超過1 000V的中壓系統(tǒng)中是比較常用的防護(hù)手段。電阻接地過低，符合漏電保護(hù)規(guī)定，若故障電流也較低，會(huì)阻礙早期漏電檢測工作的順利進(jìn)行，按照新時(shí)期市政工程電氣施工要求，核心平衡剩余電流裝置在漏電檢測中應(yīng)用，不僅是滿足現(xiàn)代檢測要求的重要手段，也是憑借其靈敏度高的特點(diǎn)符合極低接地阻抗施工要求。

另外，工作人員也可以在變電站主電源中性點(diǎn)、電網(wǎng)接地樁2個(gè)裝置中間連接電阻，達(dá)到電阻接地的效果。電阻接地有高電阻、低電阻2種選擇，其中低壓系統(tǒng)主要是以高電阻接地為準(zhǔn)，高壓系統(tǒng)則優(yōu)先采用低電阻。通過電阻接地可以控制故障電流，為電氣設(shè)備提供保護(hù)，以免設(shè)備損壞擴(kuò)大低壓電氣接地故障的影響范圍。其中需要注意，采用低電阻接地限制電流，可以將其控制在幾百安培，而工作人員則務(wù)必要保證漏電保護(hù)操作的靈敏性。

5.2 接地變壓器故障的防護(hù)

接地變壓器是三角形連接繞組系統(tǒng)內(nèi)部不可缺少的接地裝置，該設(shè)備內(nèi)部的中性點(diǎn)不能以接地的形式完成接地連接。接地變壓器可以作為三角形變壓器，其中帶有一接地中性線、短路三角形，使未接地三角形繞組故障電流有對應(yīng)的接地路徑。此外，保護(hù)接地主要用于市政工程現(xiàn)場工作人員人身安全保護(hù)，通過觸摸、步進(jìn)電位大小的限制達(dá)到這一要求，如果施工現(xiàn)場出現(xiàn)電氣故障，且工作人員在該電位范圍內(nèi)接觸接地導(dǎo)體，或是接地導(dǎo)體周圍接觸暴露金屬，那么該工作人員的身體受到接觸電壓與階躍電壓的沖擊，會(huì)轉(zhuǎn)移到其他接地點(diǎn)。為此，工作人員需要做好接地電路阻抗的設(shè)計(jì)優(yōu)化工作，確保電位低于發(fā)生故障時(shí)暴露帶電部件接觸人員受到的電擊數(shù)值。

為了能夠有效降低電位，建議采用阻抗低的電位連接接地電路，使接地電路系統(tǒng)內(nèi)部電壓差能夠控制在安全范圍內(nèi)，不會(huì)對現(xiàn)場工作人員帶來電擊攻擊。另外，要展開接地電極系統(tǒng)的測量工作，通過可行性高的對地電阻故障防護(hù)方案，降低典型負(fù)載對地電阻。在市政工程施工中，如果現(xiàn)場存在電子負(fù)載，典型負(fù)載對地電阻值會(huì)因此降低。針對這一問題，可以制定敏感電子負(fù)載防護(hù)方案，定期測量接地電阻，并且積極使用接地電阻表，測量初期建議每隔半年測量1次，后期測量時(shí)間可調(diào)整至一年測量1次，詳細(xì)記錄測量結(jié)果。根據(jù)記錄數(shù)據(jù)的對比與分析，判斷接地電阻與接地系統(tǒng)是否存在問題，如果確定有故障可以先通知電氣設(shè)計(jì)人員分析原因，再結(jié)合實(shí)際情況決定是否需要降低接地電阻。

5.3 接地棒故障的防護(hù)

NEC對于接地棒間隔有明確要求，其中還需要對棒邊緣可能造成的影響予以考慮。那么在防護(hù)接地棒相關(guān)故障時(shí)，需要將接地桿分開大約桿長的2倍。如果是山區(qū)與巖石等地形，可以考慮采用具有深度驅(qū)動(dòng)、化學(xué)增強(qiáng)功能的接地棒，優(yōu)化現(xiàn)場的土壤條件。結(jié)合市政工程施工規(guī)范，現(xiàn)場的金屬水管道、鋼筋材料、混凝土包裹電極等的外部連接銅接地環(huán)，同時(shí)以驅(qū)動(dòng)接地棒作為輔助，這是市政建筑比較常用的解決方法。地面環(huán)的位置一般設(shè)置在建筑物、建筑結(jié)構(gòu)附近以及現(xiàn)場溝槽內(nèi)部霜線以下，可以發(fā)揮出最佳效果。

如果施工現(xiàn)場必須要配備低接地阻抗，可以在建筑、建筑結(jié)構(gòu)所有角落的中點(diǎn)配置補(bǔ)充接地環(huán)、驅(qū)動(dòng)接地棒。其中，接地環(huán)尺寸要滿足規(guī)范。導(dǎo)體尺寸與導(dǎo)體的長度為正比例關(guān)系，地面接觸表面積與對地抵抗力則為反比例關(guān)系。此外，施工人員要將現(xiàn)場所有接地電極黏結(jié)起來，例如，金屬地下水管與結(jié)構(gòu)建筑鋼、板電極等。市政工程內(nèi)的所有接地電極也要全部連接，組成完善的接地電極系統(tǒng)。施工現(xiàn)場的銅防雷系統(tǒng)也是低壓電氣接地故障防護(hù)的有效手段，在腐蝕、維護(hù)相關(guān)因素的影響下，防雷系統(tǒng)的性能更優(yōu)，但問題在于該系統(tǒng)對接地電極系統(tǒng)要求比較高，只能連接質(zhì)量高、阻抗低、耐用性強(qiáng)的接地電極系統(tǒng)。

5.4 配電裝置故障的防護(hù)

1）配電板作為市政工程配電系統(tǒng)中的一個(gè)裝置，負(fù)責(zé)劃分電力饋送，以此獲得分支電路，也可以有效地保護(hù)熔斷器與斷路器，維持公共外殼內(nèi)電路正常運(yùn)行。其實(shí)配電板在市政工程與相關(guān)設(shè)施當(dāng)中應(yīng)用，在分配電力環(huán)節(jié)，也可以規(guī)避電氣過載、短路等故障。

2）配電盤內(nèi)部包括外殼、電路保護(hù)裝置與填充板等部件，其中外殼是所有配電板組件必不可少的殼體，主要材料為鍍鋅、涂漆鋼，在電氣工程施工中可以保護(hù)工作人員與內(nèi)部設(shè)備的安全。

3）可拆卸端板也是配電系統(tǒng)中的重要元件，負(fù)責(zé)導(dǎo)管安裝。安裝工作人員按照實(shí)際需求進(jìn)行定位、切割孔等操作。

4）安裝斷路器電路保護(hù)裝置，與總線連接器連接，可以起到防護(hù)低壓電氣接地故障的作用?？偩€連接器中的母線是電路連接點(diǎn)導(dǎo)體，一般設(shè)置在內(nèi)部導(dǎo)軌絕緣體中。

5）工作人員在現(xiàn)場安裝中性桿，通常安裝位置在系統(tǒng)內(nèi)與天溝這2處，與系統(tǒng)內(nèi)部的距離越近，獲得的低壓電氣接地故障防護(hù)效果越明顯，同時(shí)也可以作為來電服務(wù)、負(fù)載電路中性線的終端點(diǎn)。

6）面板上方設(shè)置標(biāo)簽，并標(biāo)明額定電壓、部件更新、載流量、中斷額定值等信息，工作人員通過了解標(biāo)簽上的信息判斷電氣設(shè)備是否安全。

6 結(jié)語

綜上所述，低壓電氣接地故障的解決，首先需要工作人員明確故障影響范圍，提出針對性的防范舉措。一方面需要做好故障預(yù)防，最大程度地降低低壓電氣接地故障的危害；另一方面則要明確相關(guān)責(zé)任人，提高故障解決效率，保證市政工程電氣施工質(zhì)量。