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        • 上架時間: 2015-10-29
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          低壓配電裝置的接地及其解決方案淺析

          所周知低壓配電系統接地是一項復雜、有關人身和設備安全的工程,接地型式與接地故障保護息息相關,隨著經濟的發展以及信息技術的不斷進步,電力系統不斷趨向自動化。為了保護低壓電氣設備安全一般只采用一個保護接地系統,保護接地系統對建筑物低壓電氣設備的安全及其重要。低壓配電系統保護接地有不同的方式,只有正確做到概念清楚、具體分析,針對不同用電設備采用不同的接地方式及接地故障保護措施,來達到供電的安全性能,才能有效地防止觸電和火災發生,提高安全用電水平。保護接地系統通過長期的實踐總結出來的重要保護措施,使低壓電氣裝置能夠安全運行,能夠保證建筑物低壓電氣設備的安全。

          1 接地是防止電氣設備漏電事故的重要安全措施

          “地”一般是指大地。但在電氣上,卻具有更深一層的含義。接地就是在一個系統的元件和另一個系統之間(或者與某一個參考點之間)建立一個電的傳導路徑。電氣及電子系統中的“地”通常有兩種含義:一種是“大地”,另一種是“系統基準地”。

          接地是指把電氣設備的某一部分通過接地裝置同大地淺敘低壓配電裝置的接地及其解決方案

          連接起來;接零是指把電氣設備正常時不帶電的導電部分(如金屬機殼) 同電網的零線連接起來。由于大地內含有自然界中的水份等導電物質,因此它也是能導電的。當一根帶電的導體與大地接觸時,便會形成以接地點為球心的半球形“地點場”。此時,接地電流便經導體由接地點流入大地內,并向四周呈半球形流散。接地與接零是防止電氣設備一旦漏電而可能發生觸電事故的重要安全措施。

          通常將地作為系統的零電位點。理想的地必須是一個零電位、零阻抗的理想導體,其上各點間不應存在電位差,它可在系統中作為所有電平的參考點。接地的目的有兩個:一是為了安全,稱為保護接地,二是為信號電壓或系統電壓提供一個穩定的零電位的參考點,稱為信號地或系統地。保護接地是指將電氣設備平時不帶電的金屬外殼用專門的接地裝置實行良好的金屬性連接。其作用是當設備金屬外殼意外帶電時,將對其地電壓限制在規定的安全范圍內,消除或減小觸電的危險。保護接地最常用于低壓不接地配電網中的電氣設備。

          保護接地的作用是當電氣設備的金屬外殼帶電時,如果人體觸及此外殼時,由于人體的電阻遠大于接地體電阻,則大部分電流經接地體流入大地,而流經人體的電流很小。這時只要適當控制接地電阻,就可減少觸電事故發生。但是在TT供電系統中,這種保護方式的設備外殼電壓對人體來說還是相當危險的。因此這種保護方式只適用于TT供電系統的施工現場,按規定保護接地的電阻不大于4Ω。保護接地是廣泛應用的安全技術措施,主要適用于三相三線制中性點不直接接地的電力系統中。在對地絕緣的電網中,除非另有規定,否則凡由于絕緣破壞或其他原因而可能呈現危險電壓的金屬部分均應接地。

          保護接零是將電氣設備正常運行時不帶電的導電部分與電網地零線(即中性線)連接起來,用以防止觸電事故的發生。保護接零通常用于中性點直接接地、380/220V的三相四線制電網中,還要與其他安全措施(如熔斷器、斷路器等)配合使用才能達到目的。當電氣設備的金屬外殼帶電時短路電流經零線而成閉合電路,使其變成單相短路故障,因零線的阻抗很小,所以短路電流很大,一般大于額定電流的幾倍甚至幾十倍,這樣大的單相短路將使保護裝置迅速而準確地動作,切斷事故電源保證人身安全。其供電系統為接零保護系統,即TN系統。保護零線是否與工作零線分開,可將TN供電系統劃分為TN-C、TN-S和TNC-S三種供電系統。不管采用保護接地還是保護接零,在同一系統中不允許對一部分設備采取接地,對另一部分采取接零。因在同一系統中如果有的設備采取接地,有的設備采取接零,則當采取接地的設備發生碰殼時,零線電位將升高,而使所有接零的設備外殼都帶上危險的電壓。

          當變壓器高壓側與低壓側之間的絕緣損壞或高壓線路斷線搭落在低壓配電線路上時,都可能發生高壓竄入低壓。為防止和減少這種危險,在中性點不接地的低壓配電系統中,除了采取可靠的保護接地之外,還應有防止高壓竄入低壓的保護措施。為此,在中性點不接地的低壓電網中,應使其中性點或某一相經過擊穿保險器與大地連接。

          在正常情況下,低壓系統保持不接地。當高壓竄入低壓時,去穿保險器被擊穿,故障電流經接地裝置流入大地,同時使高壓系統相應的保護裝置動作,切斷電源,起到保護作用。

          為保證保護接零系統的安全,將零線上的一處或多處通過接地裝置與大地重復連接,稱為重復接地,其作用是:降低漏電設備的對地電壓,漏電保護器既可用來保護人身安全,還可用來對低壓系統或設備的絕緣狀況起到監督作用;漏電保護器安裝點以后的線路應是對地絕緣良好;漏電保護器對兩相觸電不起保護作用,減少零線斷線時的危險。另外,也使三相負荷不平衡導致零線對地電壓有所下降,從而減少了危險,縮短了短路故障的持續時間。由于重復援地與工作接地形成并聯,使短路電流加大,從而加快了斷路器的動作時間;改善了架空線路的防雷性能。可以對雷電流進行分流,從而限制了雷電產生的過電壓;重復接地是指零線上的一處或多處通過接地裝置與大地再連接,可提高線路的安全性。

          漏電保護裝置是在電氣設備成線路漏電時用以保證人身及設備安全的保護裝置,又稱觸電保安器。設備漏電時會出現兩種異常現象:正常情況下不帶電的金屬部分出現對地電壓;三相電流平衡被破壞,出現零序電流(或電壓)。漏電保護裝置就是在故障時測得零序電流(或電壓)或對地電壓,經相應轉換,使接觸器跳閘切斷電源,實施保護作用。

          2 低壓系統的接地型式、要求及其適用范圍在過去的低壓配電的接地系統的設計規范和標準中、雖然已經為確保設備和人身的安全、提供有相當完善和行之有效的保護方案。然而,對于確保信息網絡的數據安全的保護措施卻顯得“相對欠缺”。基于上述情況,當在處理信息網絡的接地設計問題和不同方案時,不宜完全拘泥于現有的設計規范。對信息網絡時代的低壓配電系統的接地系統而言,它不僅需要保護供電線路、用電設備和人身能安全、可靠地運行。而且,更需要保護好被信息網絡設備所處理、存貯的和傳送的數據的安全性。為此,當我們在設計接地系統時,不僅需要考慮各種“接地線”的接地電阻。還需高度重視接地阻抗;“地線”的實際布線方式;用戶對網絡設備的日常管理和維護“是否合理”等因素。實踐證明:設計合理的接地系統及正確的布線施工是確保網絡設備獲得高效、寬帶運行特性的前提條件之一。

          國際電工委員會(IEC)規定低壓配電系統的保護接地型式分為TN、IT和T三種系統。

          我國配電系統的接地方式已使用IEC規定,其分類仍然是以配電系統和電氣設備的接地組合來分為TN、TT、IT系統三大類,系統特性以符號表示,字母含義為:第一個字母表示電源與地的關系。“T”表示在某一點上牢固接地;“I”表示所有帶電零件與地絕緣或某一點經阻抗接地。第二個字母表示電氣設備外殼與地的關系。“T”表示外殼牢固的接地,且與電源接地無關,“N”表示外殼牢固地接到系統接地點。其后的字母表示電網中中性線與保護線的組合方式。“C”表示中線與保護線是合一的;“S”表示中性線與保護線是分開的。

          TN系統:電源中性點直接接地并引出中性線(N線),屬三相四線制系統。在這個系統中的電氣設備外露可導電部分都應與公共的保護線(PE線)相連接,PE線與中性線在接地點相連接。我國稱這種系統為保護接零。TN系統的電源端有一個直接接地點,并引出N線,屬三相四線制系統。系統中用電設備外殼通過保護線與該點直接連接,俗稱保護接零。按照系統中中性線與保護線的不同組合方式,又分為如下三種形式。

          TN—C系統:整個系統的中性線與保護線是合一的,稱為TN—C系統。由于投資較少,又節約導電材料,因此在過去我國應用比較普遍。當三相負荷不平衡或只有單相用電設備時,PEN線上有正常負荷電流流過,有時還要通過三次諧波電流,其在PEN線上產生的壓降呈現在用電設備外殼上,使其帶電位,對地呈現電壓。正常工作時,這種電壓視情況為幾伏到幾十伏,低于安全電壓50V,但當發生PEN線斷或相對地短路故障時,使PEN線電位升高,其對地電壓大于安全電壓,使觸電危險加大。同時,同一系統內PEN線是相通的,故障電壓會沿PEN線傳至其他未發生故障處,可能會引起新的電氣故障,另外由于該系統全部用PEN線作設備接地,它無法實現電氣隔離,不能保證電氣檢修人身安全,在國際上基本不被采用。

          TN—S系統:整個系統的中性線與保護線是分開產的,稱為TN—S系統。這種系統的優點在于PE線在正常情況下不通過負荷電流,它只在發生接地故障時才帶電位,因此不會對接地PE線上其他設備產生電磁干擾,所以這種系統適用于數據處理,精密檢測裝置等使用。在N線斷線也并不影響PE線上設備的防止間接觸電安全,這種系統多作于環境條件較差,對安全可靠性要求較高及設備對電磁干擾要求較嚴的場所。但是這種系統不能解決對地故障電壓蔓延和相對地短路引起中性點電位升高等問題。

          TN—C—S系統:系統中的中性線與保護線先是合一的,然后又分開稱為TN—C—S系統。PEN分為PE線和N線后,不能再與PE線合并或互換,否則它們是TN—C系統。這種系統兼有TN—C系統和TN—S系統的特點,電源線路結構簡單,又保證一定安全水平,常用于配電系統末端環境條件較差或有數據處理等設備的場所,因PE線帶有前端PEN線上某種程度電壓,這樣設備外殼就帶上電壓,人體接觸后有電擊的可能。

          IT系統:電源中性點不接地或經阻抗接地,通常不引出中性線(N線),屬三相三線制系統。在這個系統中的設備外露可導電部分經各自的PE線分別直接接地。系統中用電設備外殼與地作直接的電氣連接,俗稱保護接地。這個接地點與電源端接地點是沒有關連的,該系統由于所有設備的外殼是經各自的PE線分別直接接地的,各自的PE線間無電磁聯系,因此也適用于對數據處理,精密檢測裝置等供電,這樣就杜絕了危險故障電壓沿PE線傳到其他未發生故障處。而TN系統由于PE(PEN)線相通的,查找接地故障的原因、地點比較難,因此TT系統被供電部門規定為給城市公用低電網向用戶供電的接地系統,但是這種接地保護系統在某些情況下也并不能保證安全,當系統中設備的絕緣損壞或發生相對地短路故障時將使設備的外殼帶電。如果人體觸及帶電外殼時,因人體接觸電阻遠大于保護接地電阻,因此這部分單相短路電流通過接地裝置引入大地,通過人體的電流比較小,從而減少了人體觸電的危險性。

          若中性點接地電阻R N=4Ω,設備外殼與大地之間的電阻R D=4Ω,則故障電流I D=27.5A而一般情況下R D很難做到4Ω,假若R D=7~11Ω,則I D=14.7~20A,由于這么小的單相接地短路電流不足以使線路中的斷路器動作,故障電壓持續存在,設備外殼電壓也持續存在,要想把E D控制在50以下,則R D必須小于1.2Ω。要想使用電設備實現這樣小的接地電阻是困難的。由此只能選用漏電保護裝置,并可降低接觸電阻RD的要求。IT系統的電源中性點不接地或經阻抗(約1000Ω)接地且通常不引出N線,為三相三線制系統,習慣稱為不接地系統。系統中的用電設備外殼與地作直接的電氣連接。用電設備外殼經各自的PE線直接接地,PE線間無電磁聯系,適用于數據處理精密檢測裝置供電。

          當發生單相接地故障時,所有三相用電設備仍可暫時繼續運行,另兩相對地電壓將由相電壓升高到線電壓。當接地電流大于發生電弧的最小燃弧電流時,會對用電設備造成火災等危險,人觸及會造成人身事故。因此對IT系統來說,應裝絕緣監察裝置,以此來達到保護設備和人身安全的目的。

          T 系統: 電源中性點直接接地, 引出中性線( N線),屬三相四線制系統。在這個系統中的設備外露可導電部分經各自的PE線分別直接接地。我國將T系統和IT系統統稱保護接地。

          接地系統的調控功能:當用電設備因故發生短路/漏電故障時,確保人身和設備的安全運行;增強電源設備、用電設備的電磁屏蔽效果,確保IT/電信/測試等關鍵設備獲得盡可能高的電磁兼容性(EMC);為IT/電信/測試等關鍵設備內的電子線路提供統一的、具有“低阻抗運行特性”的參考電平;為IT/電信/測試等關鍵設備提供靜電“泄放通道”;確保供電系統能為信息網絡設備提供盡可能低的“零線對地線”電壓;為用電設備提供安全、可靠的防雷擊、抗浪涌保護。

          3 建筑物電氣接地配置關鍵部件的調控功能及保護措施

          判斷接地系統的設計水平高低的重要指標之一是:能否為各種干擾源/地電流提供低阻抗型泄放通道,以確保在各IT設備之間實現等電位連接。不同接地系統的兼容性,同一電源供電的不同建筑物,可分別采用TN和TT系統。

          同一建筑物內宜采用TN系統或TT系統中的一種。如果能夠分設接地極,二者也可以兼容;由TN系統向局部TT系統供電沒有任何問題,如室外照明。同一電源供電范圍內,IT系統不能與TN系統或TT系統兼容。同一建筑物內IT系統可以與TN系統或TT系統兼容,只要IT系統與T字頭的系統不并聯運行。

          系統接地型式和保護導體,是自動切斷電源法的重要組成部分。外露可導電部分接PE線,PE線按不同系統的要求接地。可同時觸及者應接到同一個接地系統上。低壓電氣裝置各種系統的接地要求如下:TN系統外露可導電部分應通過保護導體與電源系統的接地點連接。一般情況下應滿足的條件:Z sIa≤U 0;為減小故障回路的總阻抗Z S,PE線應盡量靠近相線。相對地故障的異常情況下:R B/R E≤50(U0~50);TT系統受同一保護電器保護的所有外露可導電部分應接至共同的接地極上。中性線不應重復接地應滿足的條件:R AI a≤50V;IT系統裝置的任何帶電導體不應直接接地。外露可導電部分單獨地、成組地或集中地接地。

          單獨或成組接地時,第二次故障的保護應符合TT系統的要求;集中接地時,第二次故障的保護應符合TN系統的要求。應滿足的條件:R AI d≤50V。

          為了使用電氣設備和相關用電系統的具有安全保障,需要采取各種措施來防止使用人員發生觸電的危險,同時也減少各種電器設備用具的損耗率,延長設備電器的使用壽命。因此,就利用大地的導電性,在其中一處任何一點的通常電位為零。利用大地的這一特性,把低壓配電系統的工作接地相連,當發生故障時候,可以迅速快捷地切斷電源,縮短事故時間,保障安全。同時,對于各種電器設備,將其外表金屬接觸大地,在人與之接觸時候,通過人體的電流會變得很小,大大地減少了觸電的幾率,保證了居民的生命安全。

          低壓配電系統接地是十分重要的,它與采取什么樣的電擊防護措施,選用什么樣的保護裝置,這些防護措施怎樣實施,都與配電系統接地有關系。如果選擇不當,不但不能實現所要求的保護,反而會降低供電系統的可靠性。在我國的電網中TN、TT、IT并存使用,但同時也存在著許多不足和缺陷,給人身安全帶來一定的威脅。為了提高低壓配電系統安全用電水平,人們發現漏電保護裝置(RCD)的應用在很大程度上彌補了這些缺陷,從而防止觸電和火災事故的發生,大幅度提高安全用電水平。低壓電氣裝置的主要接地配置如下:

          TN系統不存在應力電壓升高問題。防電擊的措施如下:故障電壓能在規定的時間內被切斷;或建筑物內實施總等電位聯結,“接觸電壓實際為0V”;或低壓系統接地單設接地極。

          TT系統不存在接觸電壓升高問題。防絕緣擊穿的措施如下:應力電壓及其切斷時間適合低壓設備的絕緣水平;

          或低壓系統接地單設接地極;降低高壓接地故障電流和接地電阻,使其乘積不超過1200V。高、低壓系統分設接地極時,所內低壓設備的應力電壓將升高I mR ,應在與其絕緣水平相對應的時間內被切斷。IT系統中的漏電保護器主要用于切除兩處異相同時接地故障。應根據具體情況按需要裝設。IT系統兩處異相同時接地故障,IT系統內外露導電部分分別裝設接地極,這時故障電流流經兩個接地極電阻,故障回路的切斷應符合TT系統接地故障保護的要求。

          IT系統兩處異相同時接地故障,IT系統內外露導電部分公用一個接地極,這時故障電流將流經PE線形成的金屬短路,故障回路的切斷應符合TN系統接地故障保護的要求。為了用電安全,采用了接地故障保護后仍需要可靠的接地采用等電位聯結。等電位聯結的作用是降低故障情況下,電氣設備間、電氣設備與其他設備間的接觸電壓,使人體在接觸時身體所承受的電壓降至最低。當過電流保護電器不能滿足要求時,可以采用帶有單相接地保護的斷路器或者進行設零序電流保護措施。斷路器的單相接地保護功能的實現原理有剩余電流型和零序電流型兩種。剩余電流型是利用四個電流互感器分別檢測三相電流和中性線(N線)的電流。無論三相電流平衡與否,則此矢量和為零(嚴格講為線路與設備的正常泄露電流);當發生某一相接地故障時,故障電流會通過保護線PE及與地相關連的金屬構件,此時電流為接地故障電流加正常泄露電流。接地電流達到脫扣器整定電流時,即可報警或驅動短路器動作,實現單相接地保護。零序電流型是在三相上各安裝一個電流互感器,檢測三相的電流矢量和,即零序電流I O(I a+I b+I c+I n=I o)當發生某一相接地故障時,此時電流為接地故障電流加正常泄露電流,與脫扣器整定值比較,即可區分出接地電流,實現單相接地保護。

          在電氣設計中,低壓接地是整個電網中關鍵的部分,其設計運行的狀況密切關系到用戶的切身利益和生命財產安全。隨著我國經濟融入世界,經濟科技都得到了飛速的發展,國家應用于電網改造,維護,管理中的費用和保護力度也逐漸增大。改革開放以來,我國電網從設計,到實施,到管理完善,都取得了一系列輝煌的成就,從城市惠及偏遠農村,使全國各族人民開始共享社會主義建設的成果,促進了社會和諧,但在享受發展的同時,由于各種因素,居民的生命財產也受到了一定的損失和威脅,因此,正確認識電網系統中和人們密切相關的低壓接地故障,并采取科學有力的保護措施,是一項艱巨而關鍵的任務。

          系統保護的選擇性是連續供電的重要保證,保護的選擇性是配電系統質量的一個重要標準。以前低壓配電系統的保護電器以采用熔斷器為主,系統保護選擇性的設計是比較容易的。核算兩級間的熔體額定電流比是否合格就可以了。當今配電系統的保護電器廣泛采用了斷路器,由于客觀條件的限制,我國斷路器的制造水平有限,具有選擇性的斷路器品種很少。要滿足保護選擇性要求,只有靠有短路短延時保護的斷路器。在這種情況下,要全系統實現選擇性保護是困難的。因此只能重點保證重要負荷的連續供電,實現部分環節的保護選擇性了。從低壓配電設計規范及大眾廣為使用的低壓配電各級間應選擇性分護選擇性就可以了。由于電器制造技術不斷進步,斷路器保護選擇性技術的提高,各種選擇性型技術的推出,目前,采用斷路器的配電系統實現保護選擇性已具備條件了。

          采用短路短延時是斷路器保護達到選擇性配合最常用的方式,有以下問題值得注意:在滿足選擇性前提下,盡可能減少選擇性的延遲時間。斷路器延時分斷,需要斷路器在延遲時間內承受大的短路電流,會使制造費用增加。而且斷路器所保護的線路和電氣裝置,因要承受熱應力和電動應力而增加電纜截面和設備機械強度,也會增加費用。此外,縮短短路短延時時間,對于減少系統電壓的波動,保證系統平穩運行也是具有重要作用的。因此,慎重確定短路短延時保護的時間,特別要避免無根據地隨意增加延遲時間,這是要予以重視的。

          在采用選擇型斷路器的配電系統中,減少配電級數是減少上級配電延時時間的有效辦法。應當綜合各種因素合理確定配電級數。一般來說,全系統都采用短路短延時選擇性方式,或是全系統都采用“自然的”選擇性方式,都是少見的。而混合采用相互組合的方式是最多的,而且也是合理的。對于“自然的”選擇性方式,只要條件具備,就可盡量采用,它往往是在局部的部分系統采用,特別是在末端配電和中間級配電中采用最多。當采用過載、短路短延時及瞬動三段保護的斷路器時,常因上下兩級的短路電流差值甚小,下級發生短路故障,上下級斷路器會同時動作,得不到選擇性配合。因此只好將上級瞬動保護解除,只靠短路短延時保護。但若線路較長,短路時瞬動保護能得到配合,這時其保護范圍可能有所縮小,也應盡可能將瞬動保護投入使用。使其保護區內的短路故障能盡快切除,有利于避免線路和電氣裝置受到過量損壞。

          漏電保護裝置的合理應用,將會有效地控制家庭人身傷亡事故的發生,因此,正確認識漏電保護裝置的工作原理,規范使用漏電保護裝置,對配電低壓網的安全運行起著基礎的保障作用,在低壓配電網中必須嚴格按照國家發布的國標《漏電保護器安裝和運行》、《漏電保護器安全監察規定》和《漏電保護器安裝與運行》等一系列標準和規定,安裝、使用漏電保護裝置。隨著社會經濟的發展,人民生活水平快速的提高和居住條件的改善,家中的各種電器越來越多,在使用中如何保障人身和家用電器安全是亟待解決重要問題不容忽視。其中,正確選用和安裝漏電保護裝置是簡單經濟、安全可靠的保障手段之一,因此,在民用住宅及電氣設備保護中得到廣泛的應用。

          綜上所述,低壓接地故障保護是整個電網系統中重要的一環,密切關系到每個人的生活工作,由于其細致性,嚴密性,和高強的技術邏輯要求,須要我們根據常用電器的具體情況,以及各類電器的具體特點,采用正確合理防止觸電的措施,就能夠盡可能地防止各類觸電事故的發生。接地故障保護時候,無論是采取哪一種方法,都必須嚴格按照我國相關的國家標準,以精準的技術,嚴謹的施工態度來保證實施,確實將所有細節落實到實處,從而推經我國的電網完善進程,完善電力系統中低壓接地故障保護的管理,減少電力故障,減少損失,讓電力資源真正的服務于人民的生活工作。只有經過全方位的接地保護后,整個電力系統在使用時才能達到安全、節能的效果,使得社會和經濟得到最大的雙重效益。使電力更好地為我們的工作和日常生活服務。隨著社會的進步與發展,科技也在不斷的創新,從而推動著電力技術也在不斷進步,低壓電氣裝置保護接地系統也在不斷的朝著更好的方向發展。

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