吴舒萍

(福建水利电力职业技术学院 电力工程系, 福建 永安 366000)

低压配电系统中接地与接零保护的分析与应用

吴舒萍

(福建水利电力职业技术学院 电力工程系, 福建 永安 366000)

叙述了低压配电系统中各种接地保护与接零保护的方案, 分析了TT、IT、TN-S、TN-C、TN-C-S五种系统的应用和局限性、及接零保护与接地保护混用的危害, 对各种系统的正确应用给出了建议.

∶ 接地保护; 接零保护; 安全隐患

引言

接地保护与接零保护是低压供配电中重要的安全保护措施[1], 但它们有着各自的应用范围, 而且保护原理也不相同. 只有正确清楚的认识它们, 才能保证各类人员用电的安全. 对于这一工作尚存在着许多错误的理解和做法, 尤其是农村和小城市的低压供电, 没有严格按照规程(供配电系统设计规范》GB50052/95)进行设计施工, 导致低压故障和安全隐患多, 给供电质量和人身安全带来了不良影响. 对此,本文将对低压配电系统常采用的接地保护与接零保护问题加以分析探讨, 给出各自的应用场合, 并以具体实例分析其可能产生的安全隐患.

1 低压配电系统简介

我国 220/380 低压供配电系统的安全保护措施, 分为TT 系统、IT 系统、TN 系统三种形式, 其中TN系统又可分为TN-S、TN-C、TN-C-S系统[2].

1.1 TT系统

TT方式供电系统是指变压器低压侧中性点直接接地, 电器设备外露可导电部分通过保护线接地的供电方式, 如图1所示.

图1 TT配电系统

图2 IT配电系统

1.2 IT系统

IT方式供电系统是指变压器低压侧中性点与地绝缘, 电器设备外露可导电部分通过保护线接地的供电方式(三相三线制), 如图2所示.

1.3 TN系统

TN方式供电系统是指变压器低压侧中性点直接接地, 用电设备金属外壳与中性线连接, 即接零保护.根据中性线与保护线是否合并的情况, 系统又分为 TN-C、TN-S、TN-C-S系统. 如图3所示.

图3 TN-C系统、TN-S系统、TN-C-S系统

2 接地与接零保护的应用分析

2.1 接地保护的应用与局限性

接地保护就是将电气设备的金属外壳与接地装置可靠地连接起来, 以达到设备漏电时保证人身安全的目的[3]. 它的保护原理是: 电气设备外壳与大地有较良好的连接, 接地电阻又很小, 当设备外壳带电时,会形成两个回路, 接地电流将同时沿着人和接地体两条通路流过, 它们是一个并联回路. 通过各个回路的电流与其电阻成反比. 由于人体电阻很大, 而接地体电阻很小, 因此, 通过人体的电流很小, 大部分电流通过接地体流入大地, 从而就会避免人身触电事故的发生, 保证了人身安全. 接地保护是低压配电系统中的一个重要的保护措施. 但是它在实际的应用中也存在着一些局限性.

2.1.1 TT系统中的接地保护

接地保护在中性点接地的低压系统(TT系统)中的运用, 如图4所示. 当一相碰壳时, 因线路电阻很小,电压几乎全部加在两个接地电阻R1、R2上, 两个接地电阻按规程规定均不能大于4Ω, 则接地短路电流Id=220/(4+4)=27.5A , 为了保证装置能可靠地动作, 接地电流不应小于继电保护装置动作电流的1.5倍或熔丝额定电流的2.5倍[4]. 所以27.5A的接地电流只能保证断开动作电流不超过18.3A的继电保护装置或额定电流不超过10A左右的熔丝. 如果电气设备容量较大, 相线碰壳时继电保护装置(或熔丝)将不动作, 若R1=R2, 则用电器的金属外壳将带上110V的电压, 人体触及电器的金属外壳会发生触电. 所以TT系统接地保护的使用有很大的局限性, 为了保证人身安全, TT系统中规定一定要安装漏电保护器, 方能成为较完善的保护系统.

图4 TT系统的接地保护

图5 IT系统的接地保护

2.1.2 IT系统中的接地保护

接地保护在中性点不接地或经阻抗接地的低压系统(IT系统)中的运用, 如图5所示. 当发生单相碰壳时, 由于接地电阻Rb很小(规定Rb不大于10 Ω), 而人体电阻较大, 电流主要流经接地装置, 而流过人体的电流Ir很小, 计算表明一般情况下只有几个毫安[5], 从而达到保护作用. IT系统接地一定要可靠, 如果接地装置松动或断裂, 那么在阴雨天气, 电网对地的绝缘阻抗Rj减小, 此时若人触及发生单相碰壳的用电设备的金属外壳时, 流过人体的电流将增大, 这是不安全的.

2.2 接零保护的应用与局限性

接零保护就是将电气设备的金属外壳与电力系统的中性线相连, 以达到设备漏电时保证人身安全的目的[3]. 它的保护原理是: 若发生电气设备绝缘损坏而碰壳短路时, 就会形成单相短路, 短路电流立即将这一相的熔丝熔断或使其它保护元件(如漏电保护器)动作, 从而使外壳不带电. 即使在熔丝熔断前人体触及外壳时, 也会因为人体电阻远大于线路电阻, 导致通过人体的电流是极为微小的. 接零保护在目前的低压配电中应用较为广泛, 但它仍有一定的局限性.

2.2.1 TN-C系统中的接零保护

如图6所示, 在TN-C系统中工作零线与保护零线是合在一起的, 即PEN线. 当用电设备发生单相碰壳时,就会形成单相短路. 由于导线上的电阻比接地电阻小得多, 若忽略导线的电阻, 则短路电流较大, 一般能将用电设备的熔丝熔断或迅速使线路上的保护装置动作, 从而切断电源.

但是接零保护在TN-C中的应用也有许多不完善的地方. 如果三相负载不对称时, 中性线将有电流通过,此时PEN线对地电压升高, 这会使正常工作的用电设备的金属外壳带电, 严重时还会危及人身安全[5]. 另外, 若PEN线发生断线时, 通过电路中单相负载, 将使负载中线电压达到220V, 从而使用电设备的金属外壳带上相电压, 这是非常危险的.

令零线阻抗RN与相线阻抗RL相等, 则在没有重复接地情况下, 用电设备发生单相碰壳时, 其金属外壳将带上110V电压.

在有重复接地的情况下, 用电设备发生单相碰壳, 等效电路如图7所示, 其中RN、RL、Rd1、Rd2分别表示零线电阻、相线电阻、变压器中性点接地电阻(取为4Ω)、重复接地电阻(取为10Ω). 并且Rd1+Rd2>>RN,金属外壳对地电压(即e点对地电压)为

因此, TN-C系统存在着许多不完善的地方, TN-C系统不能只是单独采用接零保护, 还应采取重复接地, 并配合其他保护装置.

2.2.2 TN-S系统中的接零保护

TN-S系统如图8所示, PE线在正常情况下没有电流通过, 因此不会对接在 PE线上的其它设备产生电磁干扰. 此外, 由于 N 线与 PE线分开, N 线断开也不会影响 PE线的保护作用. 所以此系统优于TN-C系统, 但是它的缺点是, 如果工作零线N与保护零线PE在入户后接错, PE 线将流过工作电流, 当电流较大时在PE 线中产生的压降也大, 用电设备的金属外壳会带上危险电压, 而且该系统投资较大, 不够经济.

图6 TN-C系统的接零保护

图7 重复接地漏电等效电路

图8 TN-S系统的接零保护

图9 TN-C-S系统的接零保护

2.2.3 TN-C-S系统中的接零保护

如图9所示, 该系统兼有TN-C系统和 TN-S系统的特点, 该系统的关键是: 电源到建筑物的PEN干线在入户前一定要采取重复接地或等电位联结, 再从该分界点引出PE线和N线, 且PEN线和N线要相互绝缘.

在该系统中一旦N线断开, 只影响用电设备无法正常工作, 而不会使设备外壳带上危险电压. 另外,即使N线产生较大的电位差, 设备外壳仍保持零电位. 但是TN-C-S系统中的PE线与N线在入户后若再次合并, 将可能导致所有用电设备金属外壳带电.

3 接地保护与接零保护在同一配电系统中混用安全隐患分析

如果接地保护与接零保护在同一配电系统中混用, 如图10所示, 用电设备M1采用接零保护, 而其他用户家庭中的用电设备M2采用接地保护.

图10 接地保护与接零保护在同一配电系统中混用

当采用接地保护的用电设备发生单相碰壳故障时, 该供电系统的等效电路如图11,Rd1、Rd2、Rb分别为变压器中性点接地电阻(4Ω)、用电设备保护接地电阻(4Ω)、人体电阻(1700Ω).

图11 M2单相碰壳等效电路

此时接地电流Id就会流经接地装置Rd2、Rd1形成回路, 回路中出现事故电流, 但如果线路中所选的熔断器额定电流较大, 熔断器将不动作, 电源无法被切断. 这时碰壳的用电器M2的外壳和和整条N线都产生对地电压, 若计算忽略相线和零线的电阻, 并考虑到Rb远大于Rd2和Rd1, 则M2外壳对地电压(即e点对地电压):

M1外壳及N线上的电压(即e′对地电压):

由上述计算可得, 不仅采用保护接地的用电设备M2外壳带有危险的电压, 而且电器设备M1外壳和整条N线都带有危险的电压. 在线路保护装置未动作的情况下, 设备外壳将长时间带电. 当人体触及M2外壳或M1外壳时, 人体的接触电压达到110V, 这是非常危险的.

若在某区域内的低压配电系统是采用接零保护的, 而在该区域内有一用户却采用接地保护. 一旦接地保护设备的相线发生碰壳, 而保护装置未动作, 将会使所有正常工作的接零保护设备的外壳带上危险电压. 因此, 在同一系统中, 不宜将接地保护和接零保护混用, 即不可把一部分电气设备接零, 而将另一部分电气设备接地.

4 总结

接地保护与接零保护是低压配电系统安全运行的重要保护措施, 分为TT 系统、IT 系统、TN-S、TN-C、TN-C-S系统, 了解各种方案及其应用的局限性是保证安全用电的重要前提. 目前我国的低压配电系统仍然是以三相四线制(TT系统和TN-C系统)为主, 特别是在农村和一些小城市主要以TT系统为主. TT方式在电气设备容量较大时有很大的局限性, 必须加装漏电保护器; TN-C方式在三相负载不对称或N线发生断线时不安全, 需加装重复接地, 并配合继电保护装置. 为了避免TT系统和TN-C系统的这些问题,三相供电系统又产生了较为先进合理的三相五线制系统, 即TN-S、TN-C-S系统, 由于TN-S系统耗材较多 ,投资较大, 而TN-C-S系统经济实用, 结合了TN-C与TN-S两个系统的优点, 避免了它们的不足, 在目前新住宅区得到普遍的推广应用.

[1] 秦曾煌. 电工学[M]. 北京: 高等教育出版社, 2004

[2] 郎永强. 电器接地、接零安全安装方法与技巧[M]. 北京: 机械工业出版社, 2007

[3] 车 壮. 保护接地与保护接零的选择使用[J]. 农业科技与装备, 2011(12): 51～53

[4] 楚德全, 赵建飞. 电力系统接地与接零技术的安全分析[J]. 山东煤炭科技, 2013(2): 200～201

[5] 乔新国. 电气安全技术[M]. 北京: 中国电力出版社, 2009

Analyses and Applications of Ground and Neutral Protection In Low-Voltage Distribution System

WU Shu-ping
(College of Electric Power, Fujian College of Water Conservancy and Electric Power, Yong'an 366000, China)

Various ground and neutral protection programs in low-voltage distribution system are described in detail, applications and limitation of TT, IT, TN-S,TN-C, TN-C-S systems and the hazards of combining neutral protection with ground protection are analyzed , recommendations for correct applications of various systems are given.

ground Protection; neutral protection; potential safety hazard

TM77

A

1672-5298(2014)03-0049-05

2014-06-09

吴舒萍(1966− ), 女, 浙江温州人, 工程硕士, 福建水利电力职业技术学院副教授. 主要研究方向: 电力工程教学与研究