低压电气设备接地技术措施的探讨

张 强, 彭小平

(国网河南省电力公司 电力科学研究院, 河南 郑州 450052)

低压电气设备接地技术措施的探讨

张 强, 彭小平

(国网河南省电力公司 电力科学研究院, 河南 郑州 450052)

介绍了低压配电系统接地制式的分类,探讨了低压电气设备接地技术正确应用的主要措施。指出应正确选用低压电气设备接地制式,保证设备接地装置系统的可靠运行和操作人员的人身安全。

低压电气设备; 接地装置; TN系统; 接地电阻

0 引 言

接地不但是电力系统普遍采用的安全技术措施,在电子设备、通信传输等多种领域也多有采用。接地技术不仅关系到系统的正常可靠运行,而且关系到财产以及人身安全。随着科学技术的飞速发展,微电子技术的普及和应用,对供电可靠性的要求越来越高。电子和通信设备各级电路电流的传输、信息的转换以及防止外界干扰信号的侵入,对接地技术提出了更高的要求。

本文主要对低压电气设备接地技术的主要措施进行探讨,以帮助相关人员了解防范接地故障的有效方法。

1 低压配电系统接地制式

1.1 低压配电系统接地制式的分类和表示法

低压配电系统的接地制式按配电系统和电气设备的接地组合来分类。按照国际电工委员会IEC规定,低压配电系统接地制式的表示法一般由两个字母组成,必要时可加后续字母。

低压配电系统的接地制式分为TT、IT、TN三种。TN系统按中性线(N线)与保护线(PE线)的组合方式,又分为TN-C、TN-S、TN-C-S三种形式。第一个字母表示电源接地点对地的关系,其中T表示直接接地;I表示不接地或通过阻抗与大地接地。第二个字母表示电气设备的外露导电部分与地的关系,其中T表示外露导电部分直接接地,与电源的接地无关;N表示外露导电部分与电源系统接地点或与该点引出的导线相连接。后续字母表示中性线与保护线之间的关系,其中C表示中性线与保护线合并为PEN线;S表示中性线与保护线分开;C-S表示在电源侧为PEN线,从某点分开为N线和PE线。

1.2 低压配电系统接地制式的特点

(1) TT系统必须有一个直接接地点,一般是变压器或发电机的中性点。如果没有中性点,则必须有一根相线接地。电气设备的外露导电部分(一般是金属外壳或框架)也必须接地。TT系统接线如图1所示。

在TT系统内,电气设备的外露导电部分用单独的接地极接地,与电源在接地上无电气联系,所以适用于对电位敏感的数据处理设备和精密电子设备的供电。PE线也可各自独立,避免发生故障时对地故障电压的蔓延。TT系统发生接地短路时,由于受到电源侧接地电阻和电气设备接地电阻的限制,短路电流不大,可减小短路时的危险。

该系统特别适用于容量较小的电气负荷,如果电气负荷容量较大,必须采用剩余电流动作保护器(Residual Current Operated Protective Device,RCD)。利用接地故障时的剩余电流使RCD动作,切断电源。 (2) IT系统的电源不接地或通过阻抗接地,电气设备的外露导电部分可直接接地或通过保护线接到电源的接地极上。IT系统接地的三种情况如图2所示。

图2 IT系统接地的三种情况

IT系统当出现第一次故障时,故障电流受到限制,电气设备的金属外壳上不会产生危险性的接触电压,因此可以不切断电源电气设备还能继续运行。但如果在消除第一次故障前又发生第二次故障,例如不同相的双重短路,故障点将遭受线电压,故障电流很大,则非常危险。因此,必须具有可靠而且易于检测出故障点的报警设备。IT系统要求不要配出中性线,因为配出中性线后当发生第一次故障时,IT系统将根据电气设备外露导电部分的接地情况转变为TT或TN系统,而保护设备不能按TT或TN系统的要求动作,所以非常不安全。因为根据照明的需要,IT系统往往引出中性线,就需要中性线上装设过电流检测装置。该装置受到激励时,应将包括中性线在内的所有带电导线从电源断开。

(3) 在TN系统中,所有电气设备的外露导电部分接到保护线上,与配电系统的接地点连接,这个接地点通常是配电系统的中性点。如果没有中性点(如配电变压器的二次侧为三角型接线)或没有引出中性线,可将变压器二次侧的一相接地,但该接地线不能作为PEN线。TN系统接地的三种情况如图3所示。

图3 TN系统接地的三种情况

图3(a)中,保护线与中性线合并为PEN线,具有简单、经济的优点。但是,在PEN线上通过三相不平衡电流时有电压降,使电气装置外露导电部分对地带电压。三相不平衡负荷造成外壳电压甚低,并不会在一般场所造成人身伤亡,但可能对地引起火花。另外,PEN线不允许切断(切断后设备将失去接地线)。该系统不能装RCD,因为当发生接地故障时,相线和PEN线的故障电流互感器中的磁场互相抵消,RCD将检测不出故障电流而不动作。

图3(b)中,保护线和中性线是分开的,具有TN-C系统的优点。正常运行时PE线不通过负荷电流,与PE线相连的电气设备的金属外壳在正常运行时不带电位。该系统可装设RCD来保护单相接地。RCD对接地故障电流有很高的灵敏度,即使接触220 V时,也能在10 ms内切断以毫秒计的故障电流,使人免于电击事故。但该系统只能对其保护范围内的接地故障起作用,不能解决相线对地短路引起电压升高和对地故障电压蔓延的问题。

图3(c)中,A点前的中性线和保护线是合在一起的PEN线,自A点后分为中性线和保护线,分开后N线应对地绝缘。PEN线自分开以后,N线和PE线不能再合并,否则将丧失分开后形成的TN-S系统的特点。应给PE线涂以黄绿相间的色标,或采用黄绿相间的绝缘线;给N线涂以浅蓝色的色标,或采用浅蓝色的绝缘线。TN-C-S系统是一个广泛采用的配电系统。在工矿企业中,对电位敏感的电气设备往往设置在线路末端,而线路前端大多数为固定设备,因此末端改为TN-S系统十分有利。在民用建筑中,电源线路采用TN-C系统,进入建筑物内改为TN-S系统,线路结构既简单又安全。虽然在电源测的PEN线上有一定的电压降,但对工矿企业的固定设备及作为民用建筑的电源线都没有影响,PEN线分开后即有专用的保护线,可以确保TN-S所具有的特点。

选用TN系统时应做等电位联结,消除自建筑物外沿PEN线或PE线窜入的危险故障电压,有利于消除外界电磁场引起的干扰,改善用电设备的电磁兼容性能。

2 低压配电系统接地制式的选用

低压配电系统接地制式应根据电气装置的危险性质、用电设备的特点、场所的环境条件、人员状况等因素因地制宜地选用。

2.1 公共建筑电气设备的接地制式

公共建筑低压系统的接地制式根据由地区电网直接供电还是由建筑物本身的变电站供电而有所不同。

供电部门电网直接供电的情况如下:

(1) 供电部门电网为TT系统,则建筑物的供电系统仍采用TT系统,如果必须转换为TN或IT系统,则必须采取适当的措施以满足电气安全的要求。

(2) 供电部门电网为TN-C系统,在进入建筑物内后最好转换为TN-S系统,即在进线配电箱处将PEN线分为N线和PE线,然后接入各用电设备或带有接地插头的插座。插座必须有与PE线相连接的接地触头。如果不采用TN-S系统,将电源插头的接地插头通过插座接到PEN线上,一旦PEN线断开且设备发生接地故障后,人体接触设备的外露导电部分将受到相电压的电击。如建筑物内采用TT系统,应另设PE线,不允许将电源插头的接地触头通过插座接到N线上,因为当N线断开且设备发生接地故障时,其危险程度与上述TN-C系统相同。因此,TT系统也最好在进线配电箱处分出一根PE线,与相线及中性线共同送到每个用户。

在公共建筑物中的电器设备,一般需将其外露导电部分接地。但在某些特殊场合,电气设备则必须采用专用的PE线接地,如果保护钢管符合电气连续性的要求,可用作PE线,但不能作为PEN线和N线。

2.2 实验室电气设备的接地制式

科研研究机构及工厂实验室的电器设备有固定式的,也有便携式的,既有供电的电源设备,又有大量的用电设备。由于试验的项目、对象不同,对接地的要求也不同。科研机构和工厂实验室电气设备的接地有以下两种情况:

(1) 小型设备实验室,其电气设备主要是便携式用电设备及仪器仪表,有的还有电子设备。对于这类实验室,一般采用绝缘地板。当移动式电气设备的供电电源采用TN-S接地系统时,供电电缆或架空线路都应有PE线,并且移动式设备的外壳应与PE线相连;当供电电源为TT接地系统时,应采用RCD保护,这样不仅能改善单相接地的安全条件,而且可以预防两相短路的危险。

(2) 大型设备实验室,应考虑敷设环行接地网,以均衡跨步电压。

2.3 电子计算机的接地制式

为了防止产生噪声的设备和功率较大的电气设备在起动和骤然停止时对电子计算机产生干扰,应采用不同的线路分开供电,电子计算机必须有单独的保护线。如果为TN接地制式,必须采用TN-S接地系统;如果为TT接地制式,必须有专门的保护线。

当TN-C系统供电时,PEN线接入开关箱内的端子板,分为PE线和N线,并送入计算机专用开关箱,对于计算机房的其他电气设备,则仍由TN-C系统供电;当由TT系统供电时,电源N线在端子板处与专用接地线PE线相连,也分为PE线和N线,并送入计算机专用开关箱。这两种系统中计算机都有专用接地线,可以消除外来的电磁干扰。

2.4 电子设备的接地制式

电子设备有交流电源回路、直流电源回路、信号输入回路和信号输出回路。这些回路常处于强电电流、用电设备运行时产生的电弧和火花、无线电、电晕等杂散电磁场内,受到这些杂散电磁场的干扰。为了减少干扰和抑制噪声,以保证电子设备稳定、可靠地工作,接地是最简单易行的方法。

电子设备的接地主要有信号接地、功率接地、屏蔽接地、保护接地等。电子设备对接地电阻的要求,除有特殊要求的电子设备外,一般将信号接地、功率接地、屏蔽接地及保护接地组合在一起,采用一点接地,其接地电阻不大于4 Ω。屏蔽接地根据电子设备的不同要求决定是否设置,如设置单独屏蔽接地装置,其接地电阻一般为30 Ω。

2.5 数据处理设备的接地制式

数据处理设备是指具有数据接收、积累、处理、储存等功能的设备。数据处理设备可由TN、TT、IT三种不同接地制式的配电系统供电;对于数据处理设备,可将不同接地集中到一点后进行接地,接地电阻一般为4 Ω。当与交流工频接地共用一个接地装置时,接地电阻按交流工频接地的要求,不大于4 Ω。当与交流工频、防雷共同接地时,接地电阻为1 Ω。对于有特殊要求的数据处理设备,则按制造商规定,但不能大于以上各接地电阻值。

2.6 照明线路及插座的接地制式

当照明线路采用TN-C系统时,在二线及三相四线制线路中,因为PEN线切断时会发生故障,所以断路器及熔断器仅装在相线上。对于线路末端的二线照明线路,考虑到大部分是不熟悉电气的人与之接触,而且有时因为修理或延长线路等原因可能将相线和PEN线接错,因此相线和中性线都要装断路器。当发生电气故障时,断路器的两极要同时动作,以免发生事故。在有爆炸及火灾危险的建筑物内,为了防止过负荷,相线和中性线上都要装设断路器。

当照明线路采用IT系统时,在二线制线路中中性线并不作为PE线,为了防止线路过载造成火灾危险,相线和中性线都用断路器保护。IT系统配出中性线时,如线路绝缘破坏而长期没有被发现,将造成电压的中性点移动,使中性线上有了电压。为了在检修线路时不发生事故,必须采用能将相线与中性线同时断开的隔离开关。插座接线布线时最好采用不同颜色的绝缘线,如L1(A相)为黄色,L2(B相)为绿色,L3(C相)为红色,中性线、PEN线及直流接地中性线为浅蓝色,PE线为黄绿相间;直流正极为棕色,负极为黑色。插座终端接地触头只能接PE线,严禁通过工作电流。接地线的截面积不应小于2.5 mm2,而且应压接牢固。

2.7 电磁场危害环境的接地制式

IEC/TC 77中对电磁兼容的定义:电磁环境中的元件如能允许其他元件的存在,且彼此不妨碍工作时,则为具有电磁适应性。对于各种干扰源,比较简单易行的方法是屏蔽接地。

2.8 防静电接地制式

消除静电的方法很多,但最简单和最有效的方法是采取接地措施。由于静电能产生高电位及火花放电,因此在有爆炸及火灾的场所必须特别重视。防止静电的接地措施和要求主要有以下几个方面:

(1) 导体接地。就是将聚集静电的设备金属外壳或金属管道等可靠接地。

(2) 铺设导电性地板,在绝缘地板上喷刷导电性涂料,穿导电鞋袜。

(3) 导电覆盖层。绝缘体表面带电,也会造成与其他导体之间的火花放电。可以在绝缘体表面上加导电性覆盖层,以泄静电电荷,避免危险的电荷密度。

(4) 屏蔽。屏蔽是用接地导体,即屏蔽导体靠近带静电体位置,增大带静电体对地电容,减小带电体静电电位,从而减轻静电放电的危险。

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(5) 绝缘体接地。为了使绝缘体上的静电较快地泄露,绝缘体宜通过106Ω或稍大些的电阻接地。

3 结 语

通过上述对低压电气设备接地装置技术措施的分析,对正确运用低压设备接地装置的技术措施有了进一步的了解,从而达到保证接地装置系统的可靠运行及操作人员人身安全的目的。

[1] 刘丙江.实用接地技术[M].北京:中国电力出版社,2012.

[2] 王厚余.低压电气装置的设计安装和检验[M].2版.北京:中国电力出版社,2007.

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

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Discussion about Grounding Technology Measures of Low Voltage Electrical Equipment

ZHANG Qiang, PENG Xiaoping

(Electric Power Research Institute of Hanan Electric Power Company, State Grid, Zhengzhou 450052, China)

This paper introduced the classification feature of grounding system of low voltage power distribution system,and discussed the main correct measures of grounding technique.It is pointed out that the grounding system of low voltage electrical equipment should be selected correctly,to ensure the reliable operation of low voltage electrical equipment and the safety of operators.

low volge electrical equipment; grounding device; TN system; grounding resistance

张 强(1961—),男,高级工程师,从事计量方面的研究。

TM 52

B

1674-8417(2015)02-0026-05

2014-10-27

彭小平(1976—),女,从事计量方面的研究。