等电位联结在高低压配电系统的作用

孟陈，李雪 （安徽省建筑科学研究设计院，安徽 合肥 230031）

1 等电位联结与电击保护的基本理论

1.1 等电位联结

接地是指电力系统、电气装置或者设备的可导部分和局部大地之间做电气连接。接地分为功能接地、保护接地、防雷接地。等电位联结将建筑内带电场所中可能引起电击的金属外露可导电部分通过电气连接使带电导体处于同一电位。等电位联结通过电气通路均衡电位，进而降低电击危险。建筑电气设计中，大部分人将接地和等电位联结的概念混淆，实际上这两者是不同的。

1.2 电击保护

电击防护是低压电气系统安全防护的重要组成部分。人体触及具有电位差的导电装置时，人体内将有电流通过，这就是电击。电击对人体会产生不同的效应，通过电流小时，对人体没有危害；通过电流大时，会引起心脏纤颤、器官损伤等生理效应，严重危害到人身安全。电击防护分为基本保护和故障保护，前者一般是无故障条件下的防护，后者仅考虑单一故障下的防护。等电位联结是电气故障保护中常用的有效措施。本文主要研究等电位联结在故障保护中降低接触电压的作用。

2 等电位联结在高压系统中的作用

电力装置的外露可导电部分由于故障电流流过，人与设备的接触点和人的站立点之间存在一个电位差，该电压为接触电压。故障电流流入大地，人的双脚在行走的过程时，在周围一定的范围内两脚之间产生电位差，称为跨步电压。接触电压和跨步电压不能超过《交流电气装置的接地设计规范》（GB/T50065-2011）第4.2.2 条规定的允许值，否则危害人身安全。电气设计中，设计人员应该计算出实际接触电压和跨步电压，将其控制在允许值范围内。

2.1 发电厂、变电站接触电位差

实际工程中，接地网并不能做到等间距，故本文论述非等间距的接地网接触电位的计算。依据GB/T50065-2011附录D第D.0.4。

最大接触电位差U:U=KKKKKKV

式中：

KKKKKK——最大接触电位差的形状、埋深、接地导体直径、接地网面积、接地导体根数及接地网孔数目影响系数；

V=IR——接地网的电位提升（V）；

IDI——最大接地故障不对称电流有效值（A）；

I——接地网入地的对称电流（A）；

R——接地网电阻（Ω）；

最大接触电压差U允许值的计算如下。

110k V及以上有效接地系统和6kV～35kV低电阻接地系统发生单相接地或同点两相接地时：

6k V～66kV不接地、谐振接地和高电阻接地发生单相接地故障时：

U=50+0.05ρC

式中：

ρ——地表层的电阻率；

C——表层衰减系数；

t——接地故障电流持续时间。

实际计算出的U应小于最大接触电压差的允许值U。

2.2 发电厂、变电站跨步电位差

依据《交流电气装置的接地设计规》（GB/T50065-2011）附录D第D.0.4。

最大跨步电位差

U:U=KKKKKKV

式中：

KKKKKKV——最大跨步电位差的形状、埋深、接地导体直径、接地网面积、接地导体根数及接地网网孔数目影响系数。

V取值和上述接触电压一致。

最大接触电压差U允许值的计算如下。

110kV及以上有效接地系统和6k V～35k V低电阻接地系统发生单相接地或同点两相接地时：

6k V～66kV不接地、谐振接地和高电阻接地发生单相接地故障时：

U=50+0.2ρC

式中，符号的意义的和最大接触电位差一致。实际计算出的U应小于最大接触电位差的允许值U。

工程实际设计中，35kV及以上的户外变电所都是处于无等电位联结的大地平面上，若是电力系统发生接地故障，产生的接触电位差和跨步电位差会超过允许值，这种情况下，需要在户外变电所地设施金属网格并与设备外壳联结以实现等电位，从而降低危害。

3 等电位联结在低压配电系统中的作用

低压配电系统中等电位联结的防电击作用，主要表现在两方面：一是当建筑内电气设备外壳发生接地故障时，以TN系统为例，PE线的重复接地可以降低接触电压；二是其他建筑内发生故障时，防止故障电流通过PE线进入本建筑后，产生故障电压引起电击事件。

3.1 降低本建筑电气故障引起的接触电压

如图1，假设某建筑采用TN-C-S系统，PEN线进户后即分为PE线和N线，通过人工接地极将PE线重复接地。变电所的接地电阻R和建筑的重复接地电阻R分别为4Ω和10Ω。各线路阻抗值如图1所示（图中数据单位为Ω），忽略工频条件下的回路导体电抗及变压器电抗。若是建筑电气设备发生接地故障，计算设备外壳的预期接触电压U。

图1 无等电位联结电气设备故障示意图

本建筑采用TN-C-S系统，正常工作时的电源路径为L-N-PE，建筑内电气设备发生接地故障时，故障路径为LPE-PEN，变电所和建筑的接地电阻对故障回路也起作用，做出如图2所示的等效电路图。

图2 重复接地等效电路图

由上述等效电路图计算故障回路电流I：

预期接触电压为PE线路上电压降和接地电阻R的电压降之和：

无等电位联结时，建筑内电气设备发生故障时的接触电压远大于人体安全电压。

如图3所示，该建筑设置总等电位联结MEB，电气设备外壳的预期接触电压U。

图3 MEB联结电气设备故障示意图

根据上述理论分析，做出等效电路图，如图4所示。

图4 总等电位联结等效电路图

建筑做等电位联结后，设备处的预期接触电压为PE线电阻两端的电压，计算如下：U=I×0.06=66(VB)

若该建筑不做重复接地，也不做等电位联结，预期接触电压U为110V；建筑做重复接地后，接触电压为97.4V，接触电压有所下降；建筑做等电位联结，接触电压为66V。由此可知，等电位联结的效果最好。实际工程中，PE线电阻远远小于上述数值，接触电压在人体安全范围内。

3.2 外部电气设备故障引起的接触电压

如图5所示，设备A和设备B位于不同的建筑内，假设相线和PEN线电阻相同，单位长度为6.5Ω/km，变压器阻值R=0.02Ω，其他阻值忽略不计，当设备A发生单相短路故障时，设备B是不是受到影响。

图5 不同建筑的电气设备故障示意图

图6 故障回路一

由上述内容可知，故障后电流的路径是L-PE-PEN，分析故障回路：

图7 故障回路2

根据图6～图8分析得到的故障回路，可以做出等效电路图，如图9所示。

图8 故障回路3

图9.等效电路图

由等效电路图可知，故障电流I：

B设备处的接触电压U：

经过上述分析可知，建筑A和B均没有设置等电位联结，仅仅进行重复接地。当建筑A的电气设备发生故障时，电气设备B即使没有故障也会产生接触电压。故障电流经过PEN线和PE线传至其他用电设备，导致其他用电设备产生接触电压，若该电流没有超过电流防护电器的整定值，不能切断电源，该故障将长期存在，极有可能危害人体安全。

建筑内设置等电位联结，建筑内的电气设备外露可导电部分和其他建筑电器装置的可导电部分的电位处于同一状态，则不会产生电位差，避免非故障电气设备外壳带电，保证人体安全。

4 结语

各类电气系统的等电位联结可以使设备可导电部分的电位处于均衡状态，达到近似相等或者接近，从而保证人体的安全，它是一项非常重要的电气保护措施。如图5所示，设备没有达到电器防护的设定值时，防护电器不起作用，此时，可以借助等电位联结消除接触电压带来的危害。

等电位联结是一个独立的电气技术措施，在电气防雷、防电磁干扰、防爆等方面也有重要的应用。论文在放电击方面的理解不甚全面，希望从事电气设计的同行给予意见。