吳舒萍

(福建水利電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電力工程系, 福建 永安 366000)

低壓配電系統(tǒng)中接地與接零保護的分析與應(yīng)用

吳舒萍

(福建水利電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電力工程系, 福建 永安 366000)

敘述了低壓配電系統(tǒng)中各種接地保護與接零保護的方案, 分析了TT、IT、TN-S、TN-C、TN-C-S五種系統(tǒng)的應(yīng)用和局限性、及接零保護與接地保護混用的危害, 對各種系統(tǒng)的正確應(yīng)用給出了建議.

∶ 接地保護; 接零保護; 安全隱患

引言

接地保護與接零保護是低壓供配電中重要的安全保護措施[1], 但它們有著各自的應(yīng)用范圍, 而且保護原理也不相同. 只有正確清楚的認識它們, 才能保證各類人員用電的安全. 對于這一工作尚存在著許多錯誤的理解和做法, 尤其是農(nóng)村和小城市的低壓供電, 沒有嚴格按照規(guī)程(供配電系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范》GB50052/95)進行設(shè)計施工, 導(dǎo)致低壓故障和安全隱患多, 給供電質(zhì)量和人身安全帶來了不良影響. 對此,本文將對低壓配電系統(tǒng)常采用的接地保護與接零保護問題加以分析探討, 給出各自的應(yīng)用場合, 并以具體實例分析其可能產(chǎn)生的安全隱患.

1 低壓配電系統(tǒng)簡介

我國 220/380 低壓供配電系統(tǒng)的安全保護措施, 分為TT 系統(tǒng)、IT 系統(tǒng)、TN 系統(tǒng)三種形式, 其中TN系統(tǒng)又可分為TN-S、TN-C、TN-C-S系統(tǒng)[2].

1.1 TT系統(tǒng)

TT方式供電系統(tǒng)是指變壓器低壓側(cè)中性點直接接地, 電器設(shè)備外露可導(dǎo)電部分通過保護線接地的供電方式, 如圖1所示.

圖1 TT配電系統(tǒng)

圖2 IT配電系統(tǒng)

1.2 IT系統(tǒng)

IT方式供電系統(tǒng)是指變壓器低壓側(cè)中性點與地絕緣, 電器設(shè)備外露可導(dǎo)電部分通過保護線接地的供電方式(三相三線制), 如圖2所示.

1.3 TN系統(tǒng)

TN方式供電系統(tǒng)是指變壓器低壓側(cè)中性點直接接地, 用電設(shè)備金屬外殼與中性線連接, 即接零保護.根據(jù)中性線與保護線是否合并的情況, 系統(tǒng)又分為 TN-C、TN-S、TN-C-S系統(tǒng). 如圖3所示.

圖3 TN-C系統(tǒng)、TN-S系統(tǒng)、TN-C-S系統(tǒng)

2 接地與接零保護的應(yīng)用分析

2.1 接地保護的應(yīng)用與局限性

接地保護就是將電氣設(shè)備的金屬外殼與接地裝置可靠地連接起來, 以達到設(shè)備漏電時保證人身安全的目的[3]. 它的保護原理是: 電氣設(shè)備外殼與大地有較良好的連接, 接地電阻又很小, 當(dāng)設(shè)備外殼帶電時,會形成兩個回路, 接地電流將同時沿著人和接地體兩條通路流過, 它們是一個并聯(lián)回路. 通過各個回路的電流與其電阻成反比. 由于人體電阻很大, 而接地體電阻很小, 因此, 通過人體的電流很小, 大部分電流通過接地體流入大地, 從而就會避免人身觸電事故的發(fā)生, 保證了人身安全. 接地保護是低壓配電系統(tǒng)中的一個重要的保護措施. 但是它在實際的應(yīng)用中也存在著一些局限性.

2.1.1 TT系統(tǒng)中的接地保護

接地保護在中性點接地的低壓系統(tǒng)(TT系統(tǒng))中的運用, 如圖4所示. 當(dāng)一相碰殼時, 因線路電阻很小,電壓幾乎全部加在兩個接地電阻R1、R2上, 兩個接地電阻按規(guī)程規(guī)定均不能大于4Ω, 則接地短路電流Id=220/(4+4)=27.5A , 為了保證裝置能可靠地動作, 接地電流不應(yīng)小于繼電保護裝置動作電流的1.5倍或熔絲額定電流的2.5倍[4]. 所以27.5A的接地電流只能保證斷開動作電流不超過18.3A的繼電保護裝置或額定電流不超過10A左右的熔絲. 如果電氣設(shè)備容量較大, 相線碰殼時繼電保護裝置(或熔絲)將不動作, 若R1=R2, 則用電器的金屬外殼將帶上110V的電壓, 人體觸及電器的金屬外殼會發(fā)生觸電. 所以TT系統(tǒng)接地保護的使用有很大的局限性, 為了保證人身安全, TT系統(tǒng)中規(guī)定一定要安裝漏電保護器, 方能成為較完善的保護系統(tǒng).

圖4 TT系統(tǒng)的接地保護

圖5 IT系統(tǒng)的接地保護

2.1.2 IT系統(tǒng)中的接地保護

接地保護在中性點不接地或經(jīng)阻抗接地的低壓系統(tǒng)(IT系統(tǒng))中的運用, 如圖5所示. 當(dāng)發(fā)生單相碰殼時, 由于接地電阻Rb很小(規(guī)定Rb不大于10 Ω), 而人體電阻較大, 電流主要流經(jīng)接地裝置, 而流過人體的電流Ir很小, 計算表明一般情況下只有幾個毫安[5], 從而達到保護作用. IT系統(tǒng)接地一定要可靠, 如果接地裝置松動或斷裂, 那么在陰雨天氣, 電網(wǎng)對地的絕緣阻抗Rj減小, 此時若人觸及發(fā)生單相碰殼的用電設(shè)備的金屬外殼時, 流過人體的電流將增大, 這是不安全的.

2.2 接零保護的應(yīng)用與局限性

接零保護就是將電氣設(shè)備的金屬外殼與電力系統(tǒng)的中性線相連, 以達到設(shè)備漏電時保證人身安全的目的[3]. 它的保護原理是: 若發(fā)生電氣設(shè)備絕緣損壞而碰殼短路時, 就會形成單相短路, 短路電流立即將這一相的熔絲熔斷或使其它保護元件(如漏電保護器)動作, 從而使外殼不帶電. 即使在熔絲熔斷前人體觸及外殼時, 也會因為人體電阻遠大于線路電阻, 導(dǎo)致通過人體的電流是極為微小的. 接零保護在目前的低壓配電中應(yīng)用較為廣泛, 但它仍有一定的局限性.

2.2.1 TN-C系統(tǒng)中的接零保護

如圖6所示, 在TN-C系統(tǒng)中工作零線與保護零線是合在一起的, 即PEN線. 當(dāng)用電設(shè)備發(fā)生單相碰殼時,就會形成單相短路. 由于導(dǎo)線上的電阻比接地電阻小得多, 若忽略導(dǎo)線的電阻, 則短路電流較大, 一般能將用電設(shè)備的熔絲熔斷或迅速使線路上的保護裝置動作, 從而切斷電源.

但是接零保護在TN-C中的應(yīng)用也有許多不完善的地方. 如果三相負載不對稱時, 中性線將有電流通過,此時PEN線對地電壓升高, 這會使正常工作的用電設(shè)備的金屬外殼帶電, 嚴重時還會危及人身安全[5]. 另外, 若PEN線發(fā)生斷線時, 通過電路中單相負載, 將使負載中線電壓達到220V, 從而使用電設(shè)備的金屬外殼帶上相電壓, 這是非常危險的.

令零線阻抗RN與相線阻抗RL相等, 則在沒有重復(fù)接地情況下, 用電設(shè)備發(fā)生單相碰殼時, 其金屬外殼將帶上110V電壓.

在有重復(fù)接地的情況下, 用電設(shè)備發(fā)生單相碰殼, 等效電路如圖7所示, 其中RN、RL、Rd1、Rd2分別表示零線電阻、相線電阻、變壓器中性點接地電阻(取為4Ω)、重復(fù)接地電阻(取為10Ω). 并且Rd1+Rd2>>RN,金屬外殼對地電壓(即e點對地電壓)為

因此, TN-C系統(tǒng)存在著許多不完善的地方, TN-C系統(tǒng)不能只是單獨采用接零保護, 還應(yīng)采取重復(fù)接地, 并配合其他保護裝置.

2.2.2 TN-S系統(tǒng)中的接零保護

TN-S系統(tǒng)如圖8所示, PE線在正常情況下沒有電流通過, 因此不會對接在 PE線上的其它設(shè)備產(chǎn)生電磁干擾. 此外, 由于 N 線與 PE線分開, N 線斷開也不會影響 PE線的保護作用. 所以此系統(tǒng)優(yōu)于TN-C系統(tǒng), 但是它的缺點是, 如果工作零線N與保護零線PE在入戶后接錯, PE 線將流過工作電流, 當(dāng)電流較大時在PE 線中產(chǎn)生的壓降也大, 用電設(shè)備的金屬外殼會帶上危險電壓, 而且該系統(tǒng)投資較大, 不夠經(jīng)濟.

圖6 TN-C系統(tǒng)的接零保護

圖7 重復(fù)接地漏電等效電路

圖8 TN-S系統(tǒng)的接零保護

圖9 TN-C-S系統(tǒng)的接零保護

2.2.3 TN-C-S系統(tǒng)中的接零保護

如圖9所示, 該系統(tǒng)兼有TN-C系統(tǒng)和 TN-S系統(tǒng)的特點, 該系統(tǒng)的關(guān)鍵是: 電源到建筑物的PEN干線在入戶前一定要采取重復(fù)接地或等電位聯(lián)結(jié), 再從該分界點引出PE線和N線, 且PEN線和N線要相互絕緣.

在該系統(tǒng)中一旦N線斷開, 只影響用電設(shè)備無法正常工作, 而不會使設(shè)備外殼帶上危險電壓. 另外,即使N線產(chǎn)生較大的電位差, 設(shè)備外殼仍保持零電位. 但是TN-C-S系統(tǒng)中的PE線與N線在入戶后若再次合并, 將可能導(dǎo)致所有用電設(shè)備金屬外殼帶電.

3 接地保護與接零保護在同一配電系統(tǒng)中混用安全隱患分析

如果接地保護與接零保護在同一配電系統(tǒng)中混用, 如圖10所示, 用電設(shè)備M1采用接零保護, 而其他用戶家庭中的用電設(shè)備M2采用接地保護.

圖10 接地保護與接零保護在同一配電系統(tǒng)中混用

當(dāng)采用接地保護的用電設(shè)備發(fā)生單相碰殼故障時, 該供電系統(tǒng)的等效電路如圖11,Rd1、Rd2、Rb分別為變壓器中性點接地電阻(4Ω)、用電設(shè)備保護接地電阻(4Ω)、人體電阻(1700Ω).

圖11 M2單相碰殼等效電路

此時接地電流Id就會流經(jīng)接地裝置Rd2、Rd1形成回路, 回路中出現(xiàn)事故電流, 但如果線路中所選的熔斷器額定電流較大, 熔斷器將不動作, 電源無法被切斷. 這時碰殼的用電器M2的外殼和和整條N線都產(chǎn)生對地電壓, 若計算忽略相線和零線的電阻, 并考慮到Rb遠大于Rd2和Rd1, 則M2外殼對地電壓(即e點對地電壓):

M1外殼及N線上的電壓(即e′對地電壓):

由上述計算可得, 不僅采用保護接地的用電設(shè)備M2外殼帶有危險的電壓, 而且電器設(shè)備M1外殼和整條N線都帶有危險的電壓. 在線路保護裝置未動作的情況下, 設(shè)備外殼將長時間帶電. 當(dāng)人體觸及M2外殼或M1外殼時, 人體的接觸電壓達到110V, 這是非常危險的.

若在某區(qū)域內(nèi)的低壓配電系統(tǒng)是采用接零保護的, 而在該區(qū)域內(nèi)有一用戶卻采用接地保護. 一旦接地保護設(shè)備的相線發(fā)生碰殼, 而保護裝置未動作, 將會使所有正常工作的接零保護設(shè)備的外殼帶上危險電壓. 因此, 在同一系統(tǒng)中, 不宜將接地保護和接零保護混用, 即不可把一部分電氣設(shè)備接零, 而將另一部分電氣設(shè)備接地.

4 總結(jié)

接地保護與接零保護是低壓配電系統(tǒng)安全運行的重要保護措施, 分為TT 系統(tǒng)、IT 系統(tǒng)、TN-S、TN-C、TN-C-S系統(tǒng), 了解各種方案及其應(yīng)用的局限性是保證安全用電的重要前提. 目前我國的低壓配電系統(tǒng)仍然是以三相四線制(TT系統(tǒng)和TN-C系統(tǒng))為主, 特別是在農(nóng)村和一些小城市主要以TT系統(tǒng)為主. TT方式在電氣設(shè)備容量較大時有很大的局限性, 必須加裝漏電保護器; TN-C方式在三相負載不對稱或N線發(fā)生斷線時不安全, 需加裝重復(fù)接地, 并配合繼電保護裝置. 為了避免TT系統(tǒng)和TN-C系統(tǒng)的這些問題,三相供電系統(tǒng)又產(chǎn)生了較為先進合理的三相五線制系統(tǒng), 即TN-S、TN-C-S系統(tǒng), 由于TN-S系統(tǒng)耗材較多 ,投資較大, 而TN-C-S系統(tǒng)經(jīng)濟實用, 結(jié)合了TN-C與TN-S兩個系統(tǒng)的優(yōu)點, 避免了它們的不足, 在目前新住宅區(qū)得到普遍的推廣應(yīng)用.

[1] 秦曾煌. 電工學(xué)[M]. 北京: 高等教育出版社, 2004

[2] 郎永強. 電器接地、接零安全安裝方法與技巧[M]. 北京: 機械工業(yè)出版社, 2007

[3] 車 壯. 保護接地與保護接零的選擇使用[J]. 農(nóng)業(yè)科技與裝備, 2011(12): 51～53

[4] 楚德全, 趙建飛. 電力系統(tǒng)接地與接零技術(shù)的安全分析[J]. 山東煤炭科技, 2013(2): 200～201

[5] 喬新國. 電氣安全技術(shù)[M]. 北京: 中國電力出版社, 2009

Analyses and Applications of Ground and Neutral Protection In Low-Voltage Distribution System

WU Shu-ping
(College of Electric Power, Fujian College of Water Conservancy and Electric Power, Yong'an 366000, China)

Various ground and neutral protection programs in low-voltage distribution system are described in detail, applications and limitation of TT, IT, TN-S,TN-C, TN-C-S systems and the hazards of combining neutral protection with ground protection are analyzed , recommendations for correct applications of various systems are given.

ground Protection; neutral protection; potential safety hazard

TM77

A

1672-5298(2014)03-0049-05

2014-06-09

吳舒萍(1966? ), 女, 浙江溫州人, 工程碩士, 福建水利電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院副教授. 主要研究方向: 電力工程教學(xué)與研究