施工現(xiàn)場臨時用電接地系統(tǒng)的選擇與安全性分析

索晨楠

中鐵電氣化局集團北京建筑工程有限公司 北京 100039

施工現(xiàn)場采用TN-S系統(tǒng)是JGJ 46—2005《施工現(xiàn)場臨時用電安全技術(shù)規(guī)范》要求的三項基本安全技術(shù)原則和主要技術(shù)措施之一，且規(guī)范中強調(diào)了禁止在施工現(xiàn)場采用TN-C系統(tǒng)，當施工現(xiàn)場與外電線路共用同一供電系統(tǒng)時，施工現(xiàn)場采用的接地形式要與原系統(tǒng)保持一致，以防止TN與TT系統(tǒng)混用。對于在施工時如何選擇和設置接地保護系統(tǒng)，接地系統(tǒng)混用會帶來哪些危害等問題，需要深入了解系統(tǒng)接地和保護接地設置的作用及TN系統(tǒng)和TT系統(tǒng)的保護原理及特點。

1 系統(tǒng)接地與保護接地的作用

對于配電系統(tǒng)接地的設置，一般要面臨2個問題：電源（變壓器）中性點的接地，即系統(tǒng)接地；設備外露可導電部分的接地，即保護接地（圖1）。二者作用不同，不能混淆。

圖1 系統(tǒng)接地和保護接地

1.1 系統(tǒng)接地的作用

系統(tǒng)接地的作用是使系統(tǒng)取大地為參考電位，使配電系統(tǒng)的每相對地電壓保持不變，維持其值約為220 V，保證系統(tǒng)安全可靠地運行。

但是，如果沒有系統(tǒng)接地，當系統(tǒng)發(fā)生一相接地故障時，另外兩相的對地電壓就由220 V的相電壓升高為380 V的線電壓（圖2）。

圖2 一相接地故障，另外兩相對地電壓升高為線電壓

而且，由于不能構(gòu)成返回電源的導體通路，故障電流僅為L2和L3兩相對地電容電流的相量和，它的值極小，無法使系統(tǒng)內(nèi)的保護裝置及時發(fā)揮作用，危險電壓持續(xù)存在，如果人接觸到無故障的相線，將受到高達380 V電壓的電擊，危險大大增加。

1.2 保護接地的作用

保護接地的作用是降低設備外露可導電部分在故障時的對地電壓或接觸電壓。當設備發(fā)生碰殼短路接地故障時，如果沒有保護接地，設備金屬外殼的對地電壓Ud即為220 V，此時人體接觸設備外殼極易發(fā)生電擊傷害事故（圖3）。

圖3 無保護接地時，單相對地故障電壓達220 V

做了保護接地后，形成了故障電流Id返回電源的通路，此時故障電壓Ud=Id×(ZPE＋RA)，比未做保護接地時的故障電壓220 V小很多。同時，故障電流還能使系統(tǒng)內(nèi)的保護裝置及時發(fā)揮作用切斷電源，既能有效保護人身安全，又能防止電氣火災的發(fā)生。

2 低壓系統(tǒng)的接地形式與分類

在電源中性點直接接地的低壓電力系統(tǒng)中，接地系統(tǒng)按設備外露可導電部分與大地的關系，可分為TN系統(tǒng)和TT系統(tǒng)，其中TN系統(tǒng)又細分為TN-S、TN-C、TN-C-S系統(tǒng)。還有一類電源中性點不接地的IT系統(tǒng)，這里不作討論。

2.1 TN系統(tǒng)的接地形式

TN系統(tǒng)是電源中性點直接接地，所有設備的外露可導電部分均接PE線或PEN線的系統(tǒng)。

1）TN-S系統(tǒng)：整個系統(tǒng)中N線和PE線是分開的。

2）TN-C系統(tǒng)：整個系統(tǒng)中N線與PE線是合一的（PEN）。

3）TN-C-S系統(tǒng)：N線和PE線通常僅在電源進線點前是合一的（PEN），電源進線點后即分為2根線。

由于TN-C系統(tǒng)存在諸多缺點，比如PEN斷線后，系統(tǒng)斷點后的設備外殼會產(chǎn)生220 V的對地故障電壓；系統(tǒng)不能裝設漏電保護器RCD，較TN-S或TT系統(tǒng)少了一道保護；三相不平衡時，PEN線會通過不平衡電流，可使其所接設備的金屬外殼產(chǎn)生對地電位，從而引發(fā)電擊事故。因此，TN-C系統(tǒng)在施工現(xiàn)場已禁止使用。另外，一般施工現(xiàn)場臨時用電專用變壓器低壓側(cè)出線柜內(nèi)，已將N線與PE線嚴格分開，TN-C-S系統(tǒng)在施工現(xiàn)場臨時用電中也極少采用。

2.2 TT系統(tǒng)的接地形式

TT系統(tǒng)是電源中性點直接接地，而系統(tǒng)內(nèi)設備外露可導電部分均接到獨立于電源系統(tǒng)接地的接地極上，這些接地極是分開的，互無電氣關聯(lián)。TT系統(tǒng)配電線路內(nèi)由同一保護電器保護的設備外露可導電部分，應采用PE線連接至共用接地極上。

3 TN-S系統(tǒng)與TT系統(tǒng)的對比分析

在發(fā)生接地故障時，TN-S系統(tǒng)在同等條件下較TT系統(tǒng)的保護性更加靈敏可靠，而TT系統(tǒng)單相對地短路故障電流較小，系統(tǒng)必須裝設靈敏度較高的漏電保護裝置。但是，TN-S系統(tǒng)的PE線都是連通的，系統(tǒng)內(nèi)任何一處發(fā)生碰殼接地故障時，可致所有PE線所連接的設備金屬外殼帶電。而TT系統(tǒng)設備外殼保護接地與電源中性點的系統(tǒng)接地無任何電氣關聯(lián)，可在施工現(xiàn)場分設幾個互不關聯(lián)的接地極，各用電設備組的PE線與就近的接地極相連，可防止某個設備的故障電壓在整個場區(qū)內(nèi)傳導，這是TT系統(tǒng)的一個優(yōu)勢。

另外，從成本角度考慮，TN-S系統(tǒng)需要從電源端通長引出1根PE線，電纜能周轉(zhuǎn)重復利用，而TT系統(tǒng)可以就地打接地極引出PE線，但會增加型鋼等材料和人工的投入。因此，二者各有利弊，要根據(jù)實際情況去考慮。

通過分析這2個系統(tǒng)的保護原理，將二者在施工現(xiàn)場臨時用電系統(tǒng)中應用的安全性進行對比論證，研究施工現(xiàn)場采用TN-S系統(tǒng)的必要性。

3.1 故障點對地電壓Ud的比較

假設TN-S系統(tǒng)和TT系統(tǒng)中的電氣設備分別發(fā)生單相碰殼接地故障，如圖4、圖5所示。

圖4 TN-S系統(tǒng)保護回路

圖5 TT系統(tǒng)保護回路

采用TN-S系統(tǒng)接地保護時，故障電流經(jīng)PE線形成閉合回路。采用TN-S系統(tǒng)等效電路分壓公式進行計算，則故障點對地電壓Ud為：

式中：ZPE——故障點電源側(cè)PE線的阻抗，Ω；

ZL——故障點電源側(cè)單相相線的阻抗，Ω；

U0——電源相電壓，V。

如果取U0=220 V，PE線與相線截面、材質(zhì)相同，則ZL=ZPE，Ud1=110 V；如果PE線為相線截面的50%且材質(zhì)相同，則ZPE=2ZL，Ud2=147 V。

采用TT系統(tǒng)接地保護時，通過設備端保護接地作用，降低人體接觸電壓。采用TT系統(tǒng)等效電路分壓公式進行計算（通常ZL較RA、RB小得多，ZL可忽略不計），則故障點對地電壓Ud為：

式中：RA——電氣設備金屬外殼保護接地的接地電阻，Ω；

RB——系統(tǒng)中性點工作接地電阻，Ω；

ZL——故障點電源側(cè)單相相線的阻抗，Ω；

U0——電源相電壓，V。

如果取RA=4 Ω，RB=4 Ω，U0=220 V，則Ud=[4/(4＋4)]×220=110 V；如果取RA=10 Ω，RB=4 Ω，U0=220 V，則Ud=[10/(10＋4)]×220≈157 V。

通過論證對比不難看出，TN-S系統(tǒng)和TT系統(tǒng)發(fā)生單相碰殼接地故障時，故障點的對地電壓值差別不大，但都要比IEC（國際電工委員會）規(guī)定的最高安全電壓50 V高。在系統(tǒng)實際應用的過程中，TT系統(tǒng)設備端保護接地的電阻值要受到季節(jié)變化、土壤土質(zhì)情況等各種因素的影響，TT系統(tǒng)的保護接地電阻值不穩(wěn)定、不可靠，設備故障點的對地電壓也將隨之發(fā)生變化，對于TT系統(tǒng)設備端接地電阻的不確定性，需要投入更多的時間、人力和物力來檢測和維護。而采用TN-S系統(tǒng)時，PE線導體阻抗則基本不受這些因素的影響，其接地故障點的對地電壓相對穩(wěn)定。

3.2 故障點電流Id的比較

當電氣設備發(fā)生單相碰殼短路接地故障時，在故障點處既存在對地電壓，同時又流過故障電流，其大小與故障電壓和短路電流的阻抗有關（由于人體電阻和人與地面的接觸電阻比線路阻抗或RA和RB大很多，人體分流很小，因此流過人體的電流可忽略不計）。

當采用TT系統(tǒng)接地保護時，故障電流Id為：Id=Ud/RA。

如果取RB=4 Ω，RA=4 Ω，根據(jù)TT系統(tǒng)等效電路分壓公式，Ud1=110 V，則Id1=27.5 A；如果取RB=4 Ω，RA=10 Ω，Ud2=157 V，則Id2=15.7 A。

當采用TN系統(tǒng)接地保護時，故障電流Id為：Id=Ud/ZPE。

假設銅質(zhì)PE線截面面積為16 mm2，導線的阻抗ZPE約為1.4 Ω/km，如果按設備接地故障點與系統(tǒng)電源點的距離為500 m進行計算，根據(jù)TN系統(tǒng)分壓公式，當PE線與相線截面相同時，Ud1=110 V，Id1=157 A，當PE線為相線截面的50%時，Ud2=147 V，Id2=210 A?？梢钥闯觯琓N-S系統(tǒng)故障電流大小為TT系統(tǒng)的5.7～13.3倍。

從配電系統(tǒng)保護來看，故障電流越大，系統(tǒng)短路保護的靈敏度和可靠性越高。所以在相同的條件下，從系統(tǒng)切斷故障電流保護能力的方面來看，TN-S系統(tǒng)要遠比TT系統(tǒng)優(yōu)越。在選擇保護電器時，由于TN-S系統(tǒng)單相短路電流較大，因此大容量設備所配置的斷路器也能更有效地切斷故障電流。

通過對TN-S系統(tǒng)和TT系統(tǒng)故障點的對地故障電壓和故障電流進行對比分析，可知TN-S系統(tǒng)較TT系統(tǒng)更靈敏可靠，因此，TN-S系統(tǒng)更加適用于對用電環(huán)境要求較為嚴苛的施工場所。

4 TN-S系統(tǒng)與TT系統(tǒng)混用的潛在危害

JGJ 46—2005《施工現(xiàn)場臨時用電安全技術(shù)規(guī)范》中提到，當施工現(xiàn)場與外電線路共用同一供電系統(tǒng)時，系統(tǒng)接地與設備保護接地要與原系統(tǒng)保持一致，并要防止TN-S系統(tǒng)與TT系統(tǒng)混用。

例如，施工現(xiàn)場由地區(qū)公用低壓電網(wǎng)（外電線路與施工現(xiàn)場共用1臺變壓器）供電時，當外電線路供電系統(tǒng)采用TT系統(tǒng)時，施工現(xiàn)場要與外電系統(tǒng)保持一致，也須采用TT系統(tǒng)。但是，當施工現(xiàn)場采用專用變壓器供電，且采用TN-S系統(tǒng)時，要防止現(xiàn)場部分設備再度混用TT系統(tǒng)與TN-S系統(tǒng)。當系統(tǒng)混用時，如果TT系統(tǒng)保護設備發(fā)生碰殼接地故障，會使系統(tǒng)中所有做TN-S接地保護的設備金屬外殼帶電（圖6）。假設RB=4 Ω，RA=4 Ω，則TN-S系統(tǒng)內(nèi)的設備金屬外殼對地電壓約為110 V，情況十分危險。

圖6 TN-S系統(tǒng)與TT系統(tǒng)混用時易造成電擊事故

5 臨時用電TN-S系統(tǒng)應用時需注意的問題

建筑工地環(huán)境惡劣，用電條件差，室外各種不利的氣候條件使電氣設備和線纜絕緣水平下降，各種施工車輛、機械、工器具的使用，及移動配電箱和線纜的頻繁挪動，非常容易使電氣設備和線路受到機械損傷。因此，施工場地較其他場所具有更大的電氣危險性，需要在應用TN-S系統(tǒng)時更加注意安全。

1）保護導體嚴禁斷開，禁止在PE線上裝設開關或熔斷器，防止系統(tǒng)PE線斷點或開關后設備失去保護接地。

2）施工現(xiàn)場高壓設備及其接地通常由專業(yè)供電施工單位施工，往往是現(xiàn)場低壓臨電系統(tǒng)施工時容易忽略的部分，要注意高壓側(cè)設備外露導電部分的保護接地要與變壓器中性點系統(tǒng)接地分開設置，避免高壓系統(tǒng)故障時將高電位傳至低壓系統(tǒng)內(nèi)部引起電擊事故，且2組接地極間距不應小于10 m。

3）相關規(guī)范中要求總配電箱內(nèi)漏電保護器的額定動作電流大于30 mA，動作時間大于0.1 s，且兩者乘積不應大于30 mA·s。由于施工現(xiàn)場屬戶外，不具備等電位聯(lián)結(jié)的場所，在相同故障條件下，施工現(xiàn)場的接觸電壓更高，危險性更大。因此，施工現(xiàn)場的電氣保護裝置要能在更短的時間內(nèi)切斷故障電流，在一級配電箱中可選擇設置額定動作時間為0.2 s的漏電保護器。

4）TN-S系統(tǒng)PE線必須在總配電箱處和系統(tǒng)的中間、末端處做重復接地。重復接地的目的是降低PE線斷線時系統(tǒng)的對地故障電壓。當系統(tǒng)做了重復接地時，斷線點后面的所有設備金屬外殼對地故障電壓僅為故障電流在重復接地電阻上的壓降，假設取系統(tǒng)接地RB=4 Ω，重復接地電阻RA=10 Ω，故障電壓即降為157 V，而RA是系統(tǒng)內(nèi)所有重復接地點位電阻值的并聯(lián)計算數(shù)值，因此，單處重復接地電阻值越低，系統(tǒng)范圍內(nèi)重復接地點位數(shù)量越多，降壓效果越明顯（圖7）。但是，當系統(tǒng)不做重復接地時，系統(tǒng)斷點后的任一設備發(fā)生碰殼短路接地故障時，都將呈現(xiàn)接近于220 V的對地電壓（圖8）。

圖7 已做重復接地的TN-S系統(tǒng)

圖8 未做重復接地的TN-S系統(tǒng)

另外，工地管理人員由于對重復接地的保護作用沒有深入了解，對鋼筋加工區(qū)等容易發(fā)生電擊事故的場所會額外增加一些接地保護措施，但是并沒有達到期望的效果。

1）加工區(qū)機械設備外殼與系統(tǒng)重復接地聯(lián)結(jié)。鋼筋加工區(qū)從其二級箱或三級箱重復接地引出通長扁鋼，將所有機械設備外殼與之連接，以期降低故障電壓。實際上，由于PE線阻抗遠比重復接地電阻小，設備發(fā)生碰殼接地故障時，分擔的故障電壓基本可忽略不計，而且設備外殼重復接地只是引出重復接地支線，僅能防止局部PE線斷線，對系統(tǒng)的保護作用不大。

2）加工區(qū)機械設備旁設置獨立接地極與設備金屬外殼聯(lián)結(jié)。加工區(qū)機械設備在TN-S系統(tǒng)保護的前提下，又在旁邊設置獨立接地極與設備金屬外殼聯(lián)結(jié)。這種做法相當于設備金屬外殼做獨立的重復接地，與上面的做法類似，但是這種做法增加的成本更大，卻收效甚微。

6 結(jié)語

施工現(xiàn)場臨時用電的電氣設備、電氣線路大多處于“臨時”狀態(tài)，而且各工地情況千差萬別，現(xiàn)場維護電工、用電人員素質(zhì)參差不齊，習慣性違章操作較多，管理難度很大。因此，要從接地保護系統(tǒng)安全運行的源頭著手，選擇適合工地自身情況的接地系統(tǒng)，在系統(tǒng)安全應用的前提下，強化施工現(xiàn)場安全用電管理，避免用電事故的發(fā)生。