供配電系統(tǒng)中性點運行方式與接地

楊健，王貴全

（1.沈陽電氣傳動研究所（有限公司），遼寧 沈陽；2.國電康平發(fā)電有限公司，沈陽 康平 110500）

1 概述

隨著社會的不斷進步，電能已成為人們生產(chǎn)生活中最基本的不可代替的能源。然而，當電能失去控制時，就會引發(fā)各類電氣事故，其中對人體的傷害即觸電事故是最常見的，而人們最忽視的就是間接觸電。保護接地和保護接零是防止間接觸電最基本的措施。為此，建設(shè)部曾下達了有關(guān)接地及接地系統(tǒng)的強制性條文標準及嚴格的質(zhì)量驗收標準，故此在設(shè)計和施工中必須引起充分的重視。

1.1 接地的概念

接地就是將電氣設(shè)備的某些部位、電力系統(tǒng)的某點與大地相連，提供故障電流及雷電流的泄流通道，穩(wěn)定電位，提供零電位，提供零電位參考點，以確保電力系統(tǒng)、電氣設(shè)備的安全運行，同時確保電力系統(tǒng)運行人員及其他人員的人身安全。接地功能是通過接地裝置或接地系統(tǒng)來實現(xiàn)的。電力系統(tǒng)的接地裝置可分為兩類，一類為輸電線路桿塔或微波塔的比較簡單的接地裝置，如水平接地體、垂直接地體、環(huán)形接地體等；另一類為發(fā)電站的接地網(wǎng)。

1.2 接地的種類

（1）功能性接地:為保證電網(wǎng)正常運行，或為了實現(xiàn)電氣裝置的固有功能，提高其可靠性而進行的接地。例如:在電力系統(tǒng)正常運行時需要的接地（如電源中性點接地）又稱為工作接地。

（2）保護性接地:為了保證電網(wǎng)故障時人身和設(shè)備安全而進行的接地，它又分為:

①保護接地:電氣裝置外露部分、電氣裝置容易觸及的導(dǎo)電部分。它在正常時不帶電壓，而在故障情況下可能帶電壓。為了降低此電壓，減小對人身的損害，應(yīng)將其接地。例如:電氣裝置的金屬外殼接地，母線金屬支架接地等。

②電壓保護接地:為了防止過電壓對電氣裝置和人身安全的危害而進行的接地。例如:電氣設(shè)備或線路的防雷接地。依此類推，建筑物防雷接地也屬此類接地。

③防靜電接地:為了消除靜電時對人身安全和電氣裝置的危害而進行的接地。例如:輸送某些液體和氣體的金屬管道的接地，監(jiān)控等電子控制裝置和輸入輸出電子微弱信號管線接地等。

（3）功能性和保護性合一的接地。例如:屏蔽接地。這種接地應(yīng)首先滿足保護性接地要求。

（4）保護接地和保護接零。保護接地和保護接零是有區(qū)別的。保護接地是把電氣設(shè)備的金屬外殼、框架等用接地裝置與大地可靠地連接，它適用于電源中性點不接地的低壓系統(tǒng)和1000V以上任何形式的電網(wǎng)中。保護接地的原理是給人體并聯(lián)一個小電阻，以保證發(fā)生事故時，減小通過人體的電流和承受的電壓，主要保護人員和設(shè)備不受損害。

保護接零就是在電源中性點接地的系統(tǒng)中，把電氣設(shè)備的金屬外殼、框架與零線相連接，它的作用在于，如果電氣設(shè)備的絕緣損壞而碰殼，由于零線的電阻小，故短路電流很大，這將使電路中保護開關(guān)動作或使電路中保護熔絲斷開，切斷電源，這時外殼就不帶電，從而避免觸電事故。

（5）重復(fù)接地。在低壓三相四線制采用保護接零的系統(tǒng)中，為了加強接零的安全性，在零線的一處或多處通過接地裝置與大地再次連接，稱作重復(fù)接地，如圖1所示。

圖1 工作接地、保護接地、保護接零、重復(fù)接地

低壓配電系統(tǒng)的接地，在三相四線制中接地和接零是一個概念，在三相五線制系統(tǒng)接地和接零是分離的。變壓器中性點N線直接接變壓器的接地網(wǎng)上，是功能性接地。在電氣裝置外露金屬部分如外殼接地，是通過PE線直接接到接地網(wǎng)和接地極上。如建筑物基礎(chǔ)作為接地網(wǎng)，建筑物周圍的接地網(wǎng)，此為保護接地。

保護線與中性線從某點分開就不允許有任何聯(lián)系，其目的有以下兩點:其一是為了使漏電電流動作保護能正確動作；其二是為了使保護線上沒有電流流過，以保證保護線乃至設(shè)備外露可導(dǎo)電部分的電位限制在較低水平，以利安全。

至于中性線也應(yīng)采取與相線絕緣水平相同導(dǎo)線，是為了避免系統(tǒng)的雜散電流對中性線產(chǎn)生影響，以保證漏電電流動作保護裝置正確動作，同時也保障人身安全（同時即使在三相平衡條件下，由于三次倍數(shù)以上的諧波影響中性線上仍有相當大的電流流過，因此也是伴隨著電壓存在）。

2 保護接地、跨步電壓和接觸電壓

2.1 保護接地

供配電系統(tǒng)發(fā)生單相接地時，通常是內(nèi)部的某相導(dǎo)體與外殼間的絕緣破壞，往往會使平常不帶電的金屬構(gòu)件帶上危險的高壓，其數(shù)值遠遠高于安全電壓。采用保護接地可以減小人體觸電時流過人體的電流，將其限制在安全范圍。

如圖2所示，在中性點非有效接地系統(tǒng)中，在正常工作時電動機外殼不帶電。當絕緣損壞、某一相碰殼時，外殼帶上了電壓。此時人若接觸外殼就會有接地電流通過人體流入大地。最嚴重的情況是，當碰殼發(fā)生在繞組的首端時，外殼會帶上相電壓，流過人體的電流大大高于安全值，如圖2（a）所示。

如果采用保護接地，即將電動機的外殼通過接地體與大地相連，如圖2（b）所示。則接地體電阻與人體電阻是并聯(lián)關(guān)系，可以起分流的作用。流過人體的電流為

式中:Im為流過人體的電流，A；Id為單相接地電流，A；Rm為人體電阻，Ω；RE為接地電阻，Ω；Rt為人體與帶電體之間的電阻，Ω。

圖2 保護接地原理圖

通常RE＜＜Rm，所以適當選擇接地體的電阻RE就可以將通過人體的電流Im限制在安全的范圍內(nèi)。提高人體電阻Rm和人體與帶電體之間的接觸電阻Rt也有一定的限流效果。要提高Rm值，應(yīng)保證人體在健康、潔凈、皮膚干燥的狀態(tài)下參加工作；要提高Rt值，安全規(guī)程規(guī)定了人觸及可能漏電的電氣裝置時，地面應(yīng)鋪設(shè)絕緣墊、穿絕緣鞋、帶絕緣手套等。考慮到實際工作情況，防止人體觸電的根本技術(shù)措施是降低接地電阻值，只要RE足夠小，流過人體的電流就可以限制在安全的范圍，但要RE足夠小，就必須使接地體或接地網(wǎng)的投資增大。

2.2 跨步電壓和接觸電壓

當有接地電流流過接地體時，人體若在分布電位區(qū)域活動，則身體的不同部位之間會存在電位差，如果電位差超出了允許范圍，就會使人體流過超過安全范圍的電流，造成人體觸電。典型的電壓差有跨步電壓和接觸電壓，如圖2所示。

（1）跨步電壓。所謂跨步電壓是指在人在分布電位區(qū)域行走，當跨出一步時，兩腳之間的電位差稱為跨步電壓。人的步距可以取為0.8m，故跨步電壓為該區(qū)域水平距離0.8m的兩點之間的電位差值。如圖3所示，US=U1－U2。可見，處于分布電位區(qū)域（如高壓帶電體落地處附近或接地體附近）時，千萬不能大步逃離，因為步距越大，跨步電壓越大。

（2）接觸電壓。人站在電氣設(shè)備的附近，用手觸及漏電設(shè)備的外殼時，加于人手和腳之間的電位差稱為接觸電壓Ut。通常人距設(shè)備有一定距離0.8m，人觸及設(shè)備有一定高度（1.8m），故接觸電壓Ut，按距漏電設(shè)備0.8m，高度1.8m計算。如圖3所示，Ut=Ud－Us。

圖3 接地體的分布電位區(qū)域及接觸電壓和跨步電壓示意圖

為了保證人身安全，電氣工程在接地裝置的設(shè)計和施工時，應(yīng)保證接觸電壓和跨步電壓在允許范圍內(nèi)。

3 低壓配電系統(tǒng)接地形式

低壓配電系統(tǒng)按保護接地形式的不同，分為TN系統(tǒng)、TT系統(tǒng)和IT系統(tǒng)。TN、TT和IT的第一個字母表示電源端的接地狀態(tài)，T表示直接接地；I表示不直接接地，即對地絕緣或經(jīng)1kΩ以上的高阻抗接地。第二個字母表示負荷端接地狀態(tài)，T表示電氣設(shè)備金屬外殼的接地與電源端接地相互獨立；N表示負荷側(cè)接地是電源端工作接地的直接電氣延續(xù)。

3.1 TN系統(tǒng)

TN系統(tǒng)電源側(cè)中性點接地，各負荷經(jīng)過公用的接地線接地。其特點是一旦設(shè)備絕緣破壞使其外殼帶電，則通過保護線（PEN線）構(gòu)成短路回路，有很大的短路電流流過短路回路，使回路中熔斷器熔斷，低壓斷路器的脫扣器立即動作而跳閘，切除故障設(shè)備。TN系統(tǒng)的單相接地短路電流和相同條件下的TT系統(tǒng)相比，要增大五倍以上，單相接地短路電流大，有利于保護裝置的快速動作。

TN系統(tǒng)又可分為三種，即TN—C，TN—S和TN—C—S系統(tǒng)。

（1）TN—C系統(tǒng)

如圖4（a）所示，TN—C系統(tǒng)中由于中性線與保護線合為PEN線，因而具有簡單、經(jīng)濟的優(yōu)點，但PEN線上除了具有正常的負荷電流通過外，有時還會有高次諧波電流通過，正常運行情況下，由于負荷不完全對稱，PEN線上也將呈現(xiàn)出一定的電壓。其大小取決于PEN線上不平衡電流和線路阻抗。因此，TN—C系統(tǒng)主要適用于三相負荷基本平衡的工業(yè)企業(yè)建筑，在一般住宅和其他民用建筑內(nèi)不應(yīng)采用TN—C系統(tǒng)。

（2）TN—S系統(tǒng)

如圖4（b）所示，TN—S是一個三相四線加PE線的接地系統(tǒng)，即三相五線制系統(tǒng)。TN—S系統(tǒng)的特點是，中性線N與保護接地線PE除在變壓器中性點共同接地外，兩線不再有任何的電氣連接。

中性線N是帶電的，流過負荷電流。而PE線 不流過負荷電流，避免了TN—C系統(tǒng)中由于三相負荷不平衡或系統(tǒng)單相接地后使設(shè)備外殼處于高電位的缺點。TN—S系統(tǒng)廣泛適用于小企業(yè)及民用負荷。但由于增加PE線，投資增加。

（3）TN—C—S系統(tǒng)

如圖4（c）所示，TN—C—S系統(tǒng)由兩個接地系統(tǒng)組成，第一部分是TN—C系統(tǒng)，第二部分是TN—S系統(tǒng)，分界面在N線與PE線的連接點。通常該點為配電用戶的進戶接入點，進戶之前采用TN—C系統(tǒng)，進戶處做重復(fù)接地，進戶后變成TN—S系統(tǒng)。該系統(tǒng)中，PEN線分為PE線和N線后，N線應(yīng)對地絕緣，不得與PE線合并或互換。運行中，中性線N常會帶電，保護接地線PE沒有電的來源。PE線連接的設(shè)備外殼及金屬構(gòu)件在系統(tǒng)正常運行時，始終不會帶電，因此TN—C—S接地系統(tǒng)明顯提高了安全性，適用于居民住宅樓低壓配電系統(tǒng)。

圖4 TN系統(tǒng)

3.2 TT系統(tǒng)

如圖4所示，在TT系統(tǒng)中，配電變壓器中性點直接接地，電氣設(shè)備金屬外殼也通過保護線PE接地，但兩者的接地體是分開的，沒有導(dǎo)線連接，電氣設(shè)備的接地可幾臺共用也可單獨使用。TT系統(tǒng)中較好地防止接地故障所引起的觸電。在TT系統(tǒng)中，由于各設(shè)備的PE線分別接地，無電磁聯(lián)系，無相互干擾，適用于對信號干擾要求較高的場所，如對通訊信號、精密儀器、檢測裝置供電等。

3.3 IT系統(tǒng)

如圖5所示，IT系統(tǒng)變壓器中性點不接地或經(jīng)足夠高的阻抗接地，無中性線（即N線），為三相三線制的小接地電流系統(tǒng)供電方式。負荷只能取用線電壓（380V），無法接相電壓（220V），保護接地線PE各自獨立接地。該系統(tǒng)的優(yōu)點是當一相接地時，不會使外殼帶有較大的故障電流，系統(tǒng)可以照常運行，可靠性高。但帶接地點運行時，設(shè)備外殼可能帶上危險的電壓，危及人身安全。所以除了將設(shè)備外殼經(jīng)PE線分別接地外，IT系統(tǒng)還需要裝設(shè)靈敏的觸電保護裝置和絕緣監(jiān)察裝置。IT系統(tǒng)安全性高，且各PE線間無電磁聯(lián)系。通常用于對供電可靠性要求較高的場所，如發(fā)電廠的廠用系統(tǒng)、礦井、抽水泵站等。其缺點是不能配出中性線N，不適用于220V單相負荷。

圖5 TT系統(tǒng)

圖6 IT系統(tǒng)

4 結(jié)語

電力系統(tǒng)中性點接地方式是一個很重要的綜合性問題，它不僅涉及到電網(wǎng)的運行可靠性、過電壓、絕緣水平的選擇和保護的配置，而且對通信干擾、接地裝置及人身安全都有重要影響。本文介紹了幾種較為常見的低壓配電系統(tǒng)接地形式，以及有效的除去線路中的通信干擾，這種方法已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用。

［1］何金良，曾嶸.電力系統(tǒng)接地技術(shù)［M］.科學(xué)出版社.

［2］余建華.供配電一次系統(tǒng)［MJ］.中國電力出版社.

［3］郎永強.電氣接地、接零安全安裝方法與技巧［M］.機械工業(yè)出版社.