金屬外殼結構的電氣設備地線過流分析和對策

程新慶 莊丹生 張國星

（珠海格力電器股份有限公司 珠海 519070）

前言

根據國家相關標準，在我國城鎮低壓電網接地方式采用TN系統[1]，無論是家庭、辦公室還是工廠，隨處看到線路里有一根地線，這根地線會與金屬外殼結構的Ⅰ類電氣設備連接在一起，例如：空調器、洗衣機、冰箱、電動設備等等。這類電氣設備如果外殼與防盜網或建筑物鋼筋碰在一起，經常出現地線過流現象，甚至引燃地線周圍可燃物，發生電氣安全事故，因此對地線帶電導致電設備電線過流問題展開深入分析并研究對策很有現實意義。

注：根據國家相關規定，在國內城鎮低壓電網采用T N接地系統最廣泛，本文論述內容只針對T N接地系統，涉及電氣設備均是指金屬結構外殼的Ⅰ類電氣設備（簡稱電氣設備，以下同）。

1 接地系統分類

根據國標相關標準規定[2]，接地系統型分為TT、TN、IT三類，這些符號含義如下：

第一個字母表示電源端與地關系：

T：電源有一點接地；

I：電源端所有帶電部分不接地，或有一點高阻抗接地。

第二個字母表示電氣裝置外露導電部件與地關系：

T：電氣裝置外露可導電部分直接接地，此接地點電氣上獨立于電源接地點；

N：電氣裝置外露可導電部分與電源接地點有電氣連接。

1.1 TT系統

電力系統中性點直接接地，電氣設備外露可導電部分也接地，但兩個地相互獨立，如圖1所示，電力系統接地叫工作接地，接地電阻要求小于4 Ω，電氣設備的外露可導電部分接地叫保護接地，接地電阻要求小于 4 Ω[3]。

1.2 IT系統

電力系統帶電部分與大地無直接相連（或有高阻接地），電氣設備外露可導電部分接地，也叫保護接地，接地電阻要求同樣小于4 Ω。這類系統一般沒帶中性線，即通常說的三相三線制供電，如圖2所示。

1.3 TN系統

電力系統中性點直接接地，為常說的三相四線制或三相五線制供電，設備的外露可導電部分與電源中性線相連接。

TN系統是用得最廣的，根據低壓電網相關行業規定，我國城鎮低壓電網采用TN接地，農村采用TT接地[2]，有特別保護的特殊場所用IT接地。TN又細分為TN-C、TN-S、TN-C-S系統。

TN-C系統如圖3 所示，一般三相四線制供電，從中性點引出一根線，即工作零線N與保護零線PE合為一根線叫PEN線。TN-S系統如圖4所示，從中性點引出兩根線，即工作零線N和保護零線PE分開。

圖1 TT系統

圖2 IT系統

圖3 TN-C系統

圖4 TN-S系統

2 地線帶電原因

2.1 地線的作用

一般我們以大地作為標準零電位，地線（保護接零線PEN或PE線）直接接地后電位相當于零，所以稱為保護接零。保護接零作用，是用電設備或線路出現漏電故障時，意味著電源相線（火線）與外露可帶電部分導通，就相當于相線直接接在中性線上，造成“相——零（地）”短路，形成很大的短路電流，使設備和線路中的保護電器、開關（如熔斷器、空開等）迅速動作，切斷電源，防止觸電事故發生。

2.2 地線故障原因

地線未能發揮或達不到第2.1所述功能稱之為地線故障，主要由如下兩方面原因造成：

1）地線接插不良導致對地電阻超標。要求不大于4 Ω[3]。

2）沒按要求進行重復接地。在架空線路的干線和分支線的終端及沿線每1 km處，以及電纜和架空線在引入車間或大型建筑物入口處應重復接地，重復接地的對地電阻不大于高架傳輸線路。每一段距離要重復接地，要求不大于4 Ω。

2.3 地線帶電原因

根據上述分析可知，當地線故障，一旦電網中出現接錯線（錯誤把地線接到火線上）或用電設備出現漏電，沒法形成足夠大“相——零（地）”短路電流，設備或電路的熔斷器或過流保護開關無法動作，從而導致地線持續帶電。此外防雷設施不完善的地方，雷擊發生也可能導致地線短暫帶電。

具體導致地線帶電原因，示意如下：

1） 同一配電站的電網內，某用電設備漏電，或用戶把火線（L）與地線（PEN或PE）接反。如圖5所示，以設備漏電為例，虛線箭頭表示漏電流的流向，電流從設備外殼，經PE保護接零線，最后流入大地，因地線的線路故障，存在對地電阻較大，因此地線上形成電壓U。

2） 對于TN接地系統，因為有接零保護措施，原則不允許再對設備進行保護接地，因為一旦保護接地的設備出現漏電故障，設備的外露可帶電部分與保護線（PEN、PE）相連。如圖6虛線箭頭所示，漏電流從設備外殼分兩路流向兩個獨立不同的地，一路經保護接地線流回大地，另一路經保護接零線（PE）流回電網的地，由于對地電阻存在，電流經分流后無法讓設備及線路熔斷或開關動作，最后PE地線形成電壓U。

3） 雷擊產生超大電流，即使接地良好，也會導致地線短期帶電，原理如圖7所示，超大電流經地線形成電壓U。

圖5 電氣設備漏電導致地線帶電示意圖

圖6 TN系統增加接地保護的用電設備漏電引起地線帶電示意圖

圖7 雷擊引起地線帶電示意圖

2.4 地線帶電特征

同一配電站供電的電網，有些用戶沒嚴格按要求重復接地或地線接線不良，地線故障隨機會出現，且對地電阻大小隨機分布，此外有些用戶的電氣設備也會隨時發生漏電故障，上述均是相互獨立隨機事件，因此地線帶電特征：發生沒固定時間和地點，電壓大小也沒固定。

3 地線過流的原因分析

3.1 電氣設備與建筑物的鋼筋接觸會引起地線過流

有部分金屬外殼的電氣設備通過鐵質的支架用膨脹螺釘固定在墻上，部分安裝支架安裝時彭脹螺釘會與所在建筑物鋼筋接觸一起，建筑物的鋼筋深深插入大地，是個良好“接地設施”，客觀上相當于形成TT接地系統。根據國家相關標準，TN接地系統里使用的金屬外殼結構的電氣設備必須通過電源線與電源側的地連接。這樣電氣設備實際使用時形成TT和TN兩個接地系統。當TN接地系統地線發生故障帶電，則形成較大短路電流，從PE線一側電流路徑如圖8虛線箭頭所示，通過金屬外殼結構電氣設備外殼，再經膨脹螺釘流向建筑物鋼筋，最后流入大地，嚴重會引發地線過熱甚至引燃地線周圍可燃物產生火災。

國家相關標準一般禁止普通家庭和車間同時采用兩種接地方式，除非特殊有需要且有特別安全防護措施。

3.2 電氣設備擺放在用戶金屬防盜網上會引起地線過流

一方面用戶防盜網也存在固定螺釘碰到建筑物鋼筋，與3.1點同理會引起金屬外殼的電氣設備的地線過流。另一方面，當用戶防盜網相連接地方出現如電焊等作業時候，存在與3.1點相反方向大電流回流到用戶接零保護線（PE或PEN線）。

3.3 電設備的地線發生過流特點

電氣設備的地線產生過流現象最大特點是“不受控”，所以危險性高，表現如下：

3.3.1 發生不受控

電氣設備通過膨脹螺釘與建筑物是否接觸到無法控制和預知。同時由2.4可知地線帶電發生時間和地點隨機發生而不受控制。

3.3.2 不受用戶電源開關控制

因為用戶端只要是同一配電站供電，不同用戶其接地系統是相通的。舉例：即使某用戶家里電源開關拉下，只要電氣設備電源線沒有從插座拔下來，若地線出現故障帶電，電氣設備的地線就存在過流風險。

3.3.3 電流大小不受控

電氣設備通過外殼膨脹螺釘與建筑物接觸產生接觸電阻的大小是隨機性，有大有小，根據歐姆定律可知流過電流大小是隨機的，也可能是幾十安培電流讓地線長時間高溫下而又無法讓電流保護開關動作或熔斷絲熔斷。

4 對策

4.1 選取絕緣措施

在電氣設備與建筑物可以接觸位置增加絕緣墊進行絕緣處理，把地線電流回路的路徑切斷，如圖9所示。

4.2 選取安放位置

不允許金屬外殼電氣設備安放在金屬防盜網上使用。因為防盜網較大概率會通過膨脹螺栓與建筑物的內部鋼筋接觸。

4.3 選取線芯面積

圖8 電氣設備地線過流示意圖

圖8 電氣設備地線過流示意圖

電氣設備啟用前檢查其整個接地系統的地線的線芯面積，特別電氣設備內部保持接地連續性的連接線，其線芯面積不能小于電源線的零、火線。最小線芯面積不能小于1.5 cm2。電流大小差異很大，如，UL16#線（約相當于1.5 cm2）通40 A電流時線體表面溫度才44 ℃，而UL20#線（約相當線芯面積0.5 cm2）的同樣電流則很快出現熔斷，實驗數據如表1所示。

5 結束語

地線本身用來防止電擊傷人，電氣設備必須按相應標準配置，但對于TN接地系統的電網，電源端接地常常會帶電，從而導致金屬外殼結構的電氣設備存在地線過流引起火災的安全風險，需引起高度重視并采取對策預防。

表1 線徑對于電流大小的變化