TN系统的接地故障的保护

马文浩

(山西省建筑设计研究院，山西太原 030013)

1 概述

依据GB 50054-2011低压配电设计规范，接地故障是一种短路，是指带电导体和大地之间意外出现导电通路，在供配电系统中即为带电的相线、中性线因绝缘损坏、接触不良而与不带电的保护导体、金属外壳、大地等可导电的金属体意外接触发生的故障。与其他短路相比接地故障发生的概率较高，且有复杂、隐蔽和不容易被发现的特点，因此造成的危害也相对较大。

接地故障的危害主要有两个方面:一方面容易引起电气火灾;另一方面容易引起人体触电，危害人身安全。通过以下示例来分析接地故障造成危害的原因及预防措施。

2 剩余电流保护器的使用

在如图1所示的TN-S低压配电系统中，假如C点出现接地故障，此时C点处便会出现接地故障电流，如不考虑变压器及线路阻抗，其故障电流大小为:

图1 剩余电流保护器设置示意图

在《民用建筑电气设计规范》12.4中常要求的低压配电系统中保护接地网的接地电阻RO=4 Ω，又以RC=10 Ω计:Id=15.7 A。这时Id电流的大小通常是无法引起保护电器的动作，便有可能会引起人体触电或是由于打火现象引起局部的高温，进而引起火灾的发生。

针对这种情况在O点处安装剩余电流保护器，便可以在故障电流产生危害前将该回路切除，从而避免危害的发生。剩余电流的保护原理见图2。

图2 剩余电流的保护原理示意图

即通过监测电流回路的矢量和来判断回路中是否存在剩余电流。在正常情况下相线与中性线的矢量和为零，由于某种原因如导线绝缘破损或是设备产生漏电时，其矢量和不为零，剩余电流传感器中便会产生感应电流，而其大小与配电线路中产生的漏电流大小成正比，在其达到一个阀值(如GB 50054-2011中要求的点热积聚效应产生漏电火灾时候的最大电流300 mA，或防止人身触电的最大电流30 mA)时剩余电流保护器动作，切断回路电源。同样，在线路末端如在单相回路A，B点单相剩余电流保护器也可以起到保护末端配电系统的要求的同时，而不影响其余供电设备的正常使用。

3 等电位联结的设置

在图1的基础上该TN-S系统，设置的MEB端子板与设备A金属外壳做可靠连接，使其对地电压接近为0，而设备B在未与MEB端子板连接前其对地电压为:U=Id×RO=15.7×4=62.8 V，这个电压足以产生危害。

这种情况在TN系统中是很普遍存在的，即便在设备本身没有损坏但是设备使用者会中电，甚至死亡，明明电源已经切断但在用电设备金属外壳附近会发生火灾。这类事故是由于在系统某处(例如C点)发生了不与保护性导体连通的接地故障，故障电压沿着与PE线连接的金属导体传导至系统各处所致。

要解决这个危险的电位差，最好的方法是采用等电位联结。在图3中将MEB端子板与设备B的金属外壳做可靠连接(虚线处)。在无等电位联结时，故障电压一直存在、电位差无法消除，导致人身中电或经过时间的累计通过对地电火花或电弧引起火灾。在做等电位联结后，设备B与设备A相似，其故障电压接近为零，大地、MEB端子板、设备B的金属外壳形成一个等势体，这些部位的电位相同就不会出现故障电压随PE线传导至各处的危害，也不会引起火灾、爆炸、电击等危险事故了。

图3 等电位联结示意图

假如设备B等电位端子板MEB较远(在大型公共建筑、高层和超高层建筑常会遇到这类问题)时，由于接地线回路阻抗无法忽略，同样会使设备B的金属外壳对建筑物产生电位差，进而影响安全，此时可以采用设置局部等电位(LEB)的方法来实现降低电位差来保护建筑、人员的安全，见图4。

图4 局部等电位联结示意图

为使设备B处的电压Ub降到一般场所的安全电压50 V以下，依据《工业与民用配电手册》中的要求:

只要使设备B端至LEB端子间的阻抗小于2.94 Ω，即可满足要求，从而避免事故的发生。

从示例二和示例三中可以看出等电位联结能够很好的降低接触电压，在建筑物内设置等电位联结，并依据实际情况灵活应用局部等电位联结可以很好的保证人身安全，降低电气火灾发生的危险。

4 结语

当然对接地故障的保护还有其他措施，如增大电缆导线的截面积、选用带有接地故障保护功能的断路器和使用电动机综合保护器等等，在本文中所述的两种保护措施并不是最优方案，只是这两种方法相对来说简单、经济便于使用——设置等电位联结能够降低接触电压，而安装剩余电流保护器能够在阀值到来前切断电源阻止剩余电流带来的危害。而在设计的过程中应将各种方法灵活应用、配合使用，才能更好的防止接地故障带来的危害。

［1］GB 50054-2011，低压配电设计规范［S］.

［2］JGJ-16，民用建筑电气设计规范［S］.

［3］中国航空工业规划设计研究院.工业与民用配电手册［M］.第3版.北京:中国电力出版社，2005.