接地电阻的确定及连通性的检测

雷明长　周有国　张为民

摘要：电气设备漏电时，其外壳、支架以及与其相连的金属部分都会呈现电压。人若触及这些意外带电部分，即可能发生触电事故。保护接地就是把在故障情况下可能呈现危险的对地电压的金属部分同大地紧密地连接起来，至于紧密到何种程度，需要有一个具体的量值。无论是动电或静电、交流或直流、低压或高压、也无论是一般环境或特殊环境，都经常采取接地措施，以保障安全。为提高计算机系统的抗干扰能力而设置的接地属工作接地，不能作为保护接地使用。

关键词：保护接地；接地电阻值；接地连通性；测量

对接地问题的讨论由来已久，“80后”已成为了电气设备施工队伍中的主力军。在一个供电系统中不允许采用两种保护方式，这在我国的各种技术文件和教科书中是一致的，并为广大的电气类设计、施工人员所熟知。然而在非电气类从业人员中，他们对接地的认识非常模糊，分不清什么是工作、保护接地，加上计算机技术正被广泛地使用在电梯中，个别产品也提出了单独做接地装置的要求，这样以来，个别施工人员错误地把计算机“逻辑地”需要的接地装置当作电气设备的接地保护。笔者在对这些由“80后”施工人员安装的电梯接地保护系统检验中，完全符合要求的案例非常少见。其主要表现为电梯轿厢与机房接地端仅有一根电缆芯线，随着电梯行程的增大，其连通电阻无疑会增大许多。就TSG T7001-2009的相关条款来说，这一项目已成为有质疑时检验人员才需要进行验证的项目。但从笔者的实际工作情况来看，结果让人满意的确实少见。下面就结合电气安全工程方面的理论及实施标准中的相关内容，将接地功能的划分及检测粗浅地简介如下：

1.接地功能的划分

对于“接地”，实际上存在安全、电磁干扰两个问题。安全问题比较容易解决，有安全规范可循，遵照规范基本可以避免人身伤害。而电磁干扰则是令许多电子产品设计人员头痛的问题。

1.1漏电安全问题的接地

电气设备漏电时，其外壳、支架以及与其相连的金属部分都会呈现电压。人若触及这些意外带电部分，即可能发生触电事故。为了保护人身安全，应采取必要的安全措施。接地就是防止这种事故的措施之一。保护接地就是把在故障情况下可能呈现危险的对地电压的金属部分同大地紧密地连接起来。保护接地应用很广，无论是动电或静电、无论是交流或直流、无论是低压或高压、也无论是一般环境或特殊环境，都经常采取接地措施，以保障安全。

1.1.1工作接地

变压器低压中性点的接地即工作接地。它有以下两项主要作用：

（一）减轻一相接地的危险。图1所示没有工作接地时发生一相接地将导致下列危险：

（1）接地电流不大，故障可能长时间存在；

（2）接零设备对地电压（即零线对地电压）可能接近相电压，触电危险性很大；

（3）其他两相对地电压升高可能接近线电压，单相触电危险性增加。

如果有工作接地，发生一相接地时，接零设备对地电压为表达式（1）：减小R₀，可以把U₀限制在某一安全范围内。如下图2：

这时，由于中性点发生位移，未接地两相对地电压升高（见图3）为表达式（2）：

通常规定U_s不超过250伏（一些单相低压电缆、电器的标称耐压）。当U_s=50伏时，U₀=52伏。在这种情况下，如果接地处接地电阻R_d=10～15欧，则要求工作接地电阻R₀在3.1～4.65欧姆之间，因此，规定R₀不得超过4欧。在高土壤电阻率地区，降低中性点工作接地电阻比较困难、接地处接地电阻又往往较大，允许把R₀提高到不超过10欧姆。

（二）减轻高压窜入低压的危险。工作接地能稳定系统的电位，限制系统对地电压不超过某一范围，减轻高压窜入低压的危险。如图4所示。当高压窜入低压时，低压零线对地电压为表达式（3）：

U₀=I_gdR₀ （3）式中I_gd——高压系统单相接地电流在这种情况下，按照规定的U₀≤120伏，要求工作接地电阻为：R₀≤120/I_gd对于不接地的高压电网，单相接地电流通常不超过30安，R₀≤4欧姆是能满足要求的。

1.1.2重复接地

将零线上的一处或多处通过接地体与大地再次连接，称为重复接地。重复接地是保护接零系统中不可缺少的安全措施，有以下安全作用：

（一）降低漏电设备对地电压。图5是没有装设重复接地的保护接零系统，当发生碰壳短路时，线路保护装置将迅速动作，切断电源。但从发生碰壳短路起，到保护装置动作完毕止的一段时间内设备外壳是带电的，其对地电压即短路电流在零线部分产生的电压降，即表达式（4）：

在上述情况下，如果像图6那样加上重复接地R_c，则触电危险可以减轻。这时，短路电流大部分通过零线成回路，小部分通过重复接地和工作接地成回路。后一部分电流在重复接地的接地电阻上的电压即设备对地电压，即表达式（6）：

一般情况下，R_c≤10欧姆，R₀≤4欧姆，假定零线电压U₁仍然为147伏（实际上，由于有R_c和R₀与零线并联，零线上的电压还会低一些），则可求得设备对地电压：

这个电压虽然对人还有危险，但比没有重复接地时减轻了一些。这就是说，重复接地有降低漏电设备在保护装置动作前的对地电压的作用。而且，重复接地电阻愈低或一条支路上重复接地处数愈多，降低对地电压的作用愈显著。

（二）减轻零线断线时的触电危险

图7表示没有重复接地的接零系统断线。如图，当零线断裂，又有一相碰壳时，事故电流通过触及设备的人体和工作接地构成回路。

因为人体电阻比工作接地电阻R₀大得多，所以在断线处以后，人体几乎承受全部相电压。

如果像图8那样，在零线上加重复接地R_c，这时较大的事故电流通过R_c和R₀形成回路。在断线处以后，设备对地电压为U_c=I_dR_c，在断线处前，设备对地电压为U₀=I_dR₀。因为U_c和U₀都小于相电压，所以事故严重程度一般减轻了一些。

从减轻零线断线事故的严重程度来看，在同一条零线上，适当多加重复接地是有好处的。尽管如此，零线断裂还是很危险的。应当避免这样的事故。因此在经济条件许可的情况下，可从变压器的中性点（工作接地点）处专门引出一根保护线，即三相五线制。尤其是高层建筑物中的电梯，实施重复接地确实非常困难。

还必须指出，在零线断裂的情况下，如果三相不平衡，即使没有设备发生碰壳，零线上也会呈现一定的电压，给人以威胁。在这方面，重复接地有减轻或消除危险的作用。根据规定，在中性点直接接地的系统中，单相220伏的用电设备应均匀地分配在三相线路中，由单相负荷不平衡所引起的中性线电流一般不得超过变压器额定电流的25%。如果零线完好，由于零线阻抗很小，这25%的不平衡电流只在零线上产生很小的电压降，对人体没有危害；但是，如果零线断裂，断线处以后的零线可能会呈现数十伏的电压。如果不平衡超过规定，将更会增加触电的危险。

在两相停止用电，仅一相保持用电的特殊情况下，如果零线断裂，电流将通过该相负荷、人体、工作接地成回路。因为人体电阻较大所以大部分电压降在人体上，造成触电危险。

上述情况，如果零线上或设备上装有重复接地，则设备对地电压即重复接地电阻上的电压降不会是太大的数值，这个电压对人来说是没有什么危险的。

（三）缩短碰壳或接地短路持续时间

因为重复接地和工作接地构成零线的并联分支，所以当发生短路时，能增加短路电流，而且线路越长、效果越显著，这就加速了线路保护装置的动作，缩短了事故持续时间。

1.2产生电磁干扰问题的主因

为了说明电磁干扰，可用简单的空心线圈互感来讨论，如下图9：

I_f代表原边的交变电流，U_f代表副边的感应电压，可以看出Uf由下列公式（7）得出：

U_f=U₁+U₂+…+U_n （7）

U₁…U_n代表每匝线圈的感应电压。产生电磁干扰的主要因素是交变的电磁场，直流、不变的磁场影响较小（仅仅在启动、停止时）。一切产生交变电流的装置均可视为干扰源。例如：计算机其CPU均以相当高的速度在运行着，其时钟频率高达数百兆赫。在这如此高的频率之后，计算机设备之间的连接电缆，就像天线一样，即可以接收外部的射频干扰信号，也能向外辐射射频干扰信号。变频器、变压器、交流载流电缆、互感器等等也是常见的干扰源。这里的副边，可以视为各种传感器、信号电缆，甚至线绕电位器线圈等等。

如果看图9的局部A，可以说明近似平行的两根导线的互感。应该注意的是：几十安交变电流的电线和几十毫安1000匝线圈产生的交变磁场效果是相当的。但是可知：随着间距L的增大，磁场强度应该成平方衰减。从理论上说，如果副边Uf和原边If呈垂直角度摆放，则感应电压Uf为零（公式8）：

U_f=U₁/2-U₁/2+U₂/2-U₂/2+…+

U_n/2-U_n/2=0 （8）

而事实上，交变磁场来源很多，根本不能确定方向，它的适用范围非常有限。

1.3磁场屏蔽的原理

磁场屏蔽的基本原理是电磁感应原理。如图10所示，当线圈A通电时，将在其周围产生磁场。

如果线圈电流I_A是交变的，周围磁场也是交变的。在线圈外面套上筒形屏蔽K时，由于线圈电流lA的作用，其内将产生感应电势E_K=ωMI_A（M：线圈A与屏蔽K之间的互感），由于E_K的作用，屏蔽内产生感应电流，大小为公式（9）：式中：r_K——屏蔽的电阻；

L_K——屏蔽的电感。

ω——角频率。

由电磁感应定律可以知道，I_K的方向与I_A的方向是相反的，所产生磁通的方向也应该是相反的。因此，在屏蔽以外，磁力线互相抵消，起到了屏蔽磁场的作用。

2.接地功能的实施

2.1保护接地的实施

在具体的施工中，应采用哪种型式，是由设计单位根据国家的经济技术政策和工程的具体特点确定的，而不能由施工人员任意更改。在以后相当长的时间内下述四种系统（除NT-S系统外）可能还会在不同的场合继续存在。

（1）TN-S系统。在整个系统中，电源部分的中性点（零线N）与大地直接连接，N与保护线PE是两根不同的导线，只有在电源变压器处是连接在一起，尔后是分开的。该系统在正常工作时，保护线上不呈现电源，因此设备的外露可导电部分也不呈现对地电压，比较安全，并有较强的电磁适应性，适用于数据处理、精密检测装置等供电系统，近十年来在我国的高级民用建筑和新建医院已普遍采用。

（2）TN-C系统。在整个系统中，电源部分的中性点（零线N）与大地直接连接，N与保护线PE是合用的，即PEN。当三相负荷不平衡或只有单相负荷时，PEN线上有电流，如选用适当的开关保护装置和足够的导电截面，也能达到安全要求，且省材料，十几年前在我国应用最广。

（3）TN-C-S系统。在整个系统中，电源部分的中性点（零线N）与大地直接连接，有部分N与保护线PE是分开的。这种系统兼有TN—c系统的价格较便宜和TN-S系统的比较安全且电磁适应性比较强的特点，常用于线路末端环境较差的场所或有数据处理等设备的供电系统。

（4）TT系统。电源部分的中性点（零线N）与大地直接连接，电气装置的外露可导电部分单独接至电气上与电力系统的接地点无关的接地极。该系统中，由于各自的PE线互不相关，因此电磁适应性比较好。但故障电流值往往很小，不足以使数千瓦的用电设备的保护装置断开电源，为保护人身安全必须采用剩余电流开关ResiduN Current Device（即RCD，俗称漏电保护器）作为线路及用电设备的保护装置，但安装漏电保护器也存在安装和使用麻烦的缺点。因此，该系统仅在临时用电的场合偶尔采用，如建筑工地上的塔式起重机、施工升降低机等非固定使用的电气设备。

（5）IT系统。电源部分与大地不直接连接，电气装置的外露可导电部分直接接地。该系统多用于煤矿及厂矿用电等希望尽量少停电的系统。

2.2减轻电磁干扰的措施

关于计算机控制的电梯，由于计算机电源均采用隔离变压器供电（即使是当今广泛采用的电子式开关电源变换器亦是如此），接口部分也都有隔离措施，其工作部分与外部设备没有直接的电气连接，所以其“逻辑地”在一般情况下可通过专用的接地母排接到系统的保护线（PE）上，也可以悬空。当产品的抗噪声性能较差，而环境的噪声干扰又较强，“悬空”和接保护线均不能保证正常工作时，可考虑把计算机的“逻辑地”与单独的接地装置连接。需特别注意的是，为计算机单独提供的“逻辑地”接地装置绝不能作为设备的接地保护使用。因其接地的实质属工作接地。

弱电回路的信号线必须使用接地的、没有破损的屏蔽电缆，当要穿过干扰源（例如大电流载波电缆）时，要尽量做到正交穿过或不得与大电流载波电缆同管、同线槽布线。

3.接地的检测

无论如何，接地保护的核心问题就是等电位连接，例如在中性点直接接地的系统中，任何时候都必须保证同一供电系统内的电气设备正常情况下不带电的金属外壳都必须与该系统电源的中性点保持紧密连接（这也是接零保护的概念），至于紧密到何种程度，有些规范中要求测量（或计算）相零阻抗，有些规范就直接规定其连通电阻不得大于0.5Ω。其前提条件是中性点必须与大地保持紧密连接（接地电阻不得大于4Ω），这和工作接地电阻不得超过4.65Ω的要求基本吻合。对于持零线不宜重复接地观点的人，或许他们没有考虑到这根阻抗本身就很小的零线在变压器处就是和大地紧密地连接在一起的。很多情况下，这些电气设备的金属外壳（或支架）和大地之间并不是绝对的绝缘。

对于接地连通性的测量，笔者使用一根穿过钳形接地电阻测试仪（环路电阻测试仪）钳口中央、长度足够连接主控制屏接地端至各被测目标接地端的导线的方法进行（接地线连通电阻=仪表读数一测试导线本身电阻），因其无须使用表笔，能够很好地克服因表笔接触不良导致的测量误差。需要注意的是，应尽可能切断该设备的所有电源，以防感应电流（笔者就遇到过有十余毫安的感应电流）造成测量结果的误差。如下图11：

4.结语

TN-S系统实际上是接零保护的延伸，工作零线的断裂会导致系统内的单相设备不能工作，但是PE线断裂了能被及时发现的可能性又有多大呢？可见，为了防止等电位连接点（变压器中性点）位移至危险电压，工作接地电阻不能大于4Ω，是一个没有商量余地的最低底线。为了保证PE线的连通性，GB50182-93《电气装置安装工程电梯电气装置施工及验收规范》第2.0.11要求当采用电缆芯线作保护线时不得少于2根。不妨用你手中的欧姆表来测试一下电梯中这根安全线（包括各线管、槽跨接线）的合格率到底有多高！