等電位聯結在高低壓配電系統的作用

孟陳，李雪 （安徽省建筑科學研究設計院，安徽 合肥 230031）

1 等電位聯結與電擊保護的基本理論

1.1 等電位聯結

接地是指電力系統、電氣裝置或者設備的可導部分和局部大地之間做電氣連接。接地分為功能接地、保護接地、防雷接地。等電位聯結將建筑內帶電場所中可能引起電擊的金屬外露可導電部分通過電氣連接使帶電導體處于同一電位。等電位聯結通過電氣通路均衡電位，進而降低電擊危險。建筑電氣設計中，大部分人將接地和等電位聯結的概念混淆，實際上這兩者是不同的。

1.2 電擊保護

電擊防護是低壓電氣系統安全防護的重要組成部分。人體觸及具有電位差的導電裝置時，人體內將有電流通過，這就是電擊。電擊對人體會產生不同的效應，通過電流小時，對人體沒有危害；通過電流大時，會引起心臟纖顫、器官損傷等生理效應，嚴重危害到人身安全。電擊防護分為基本保護和故障保護，前者一般是無故障條件下的防護，后者僅考慮單一故障下的防護。等電位聯結是電氣故障保護中常用的有效措施。本文主要研究等電位聯結在故障保護中降低接觸電壓的作用。

2 等電位聯結在高壓系統中的作用

電力裝置的外露可導電部分由于故障電流流過，人與設備的接觸點和人的站立點之間存在一個電位差，該電壓為接觸電壓。故障電流流入大地，人的雙腳在行走的過程時，在周圍一定的范圍內兩腳之間產生電位差，稱為跨步電壓。接觸電壓和跨步電壓不能超過《交流電氣裝置的接地設計規范》（GB/T50065-2011）第4.2.2 條規定的允許值，否則危害人身安全。電氣設計中，設計人員應該計算出實際接觸電壓和跨步電壓，將其控制在允許值范圍內。

2.1 發電廠、變電站接觸電位差

實際工程中，接地網并不能做到等間距，故本文論述非等間距的接地網接觸電位的計算。依據GB/T50065-2011附錄D第D.0.4。

最大接觸電位差U:U=KKKKKKV

式中：

KKKKKK——最大接觸電位差的形狀、埋深、接地導體直徑、接地網面積、接地導體根數及接地網孔數目影響系數；

V=IR——接地網的電位提升（V）；

IDI——最大接地故障不對稱電流有效值（A）；

I——接地網入地的對稱電流（A）；

R——接地網電阻（Ω）；

最大接觸電壓差U允許值的計算如下。

110k V及以上有效接地系統和6kV～35kV低電阻接地系統發生單相接地或同點兩相接地時：

6k V～66kV不接地、諧振接地和高電阻接地發生單相接地故障時：

U=50+0.05ρC

式中：

ρ——地表層的電阻率；

C——表層衰減系數；

t——接地故障電流持續時間。

實際計算出的U應小于最大接觸電壓差的允許值U。

2.2 發電廠、變電站跨步電位差

依據《交流電氣裝置的接地設計規》（GB/T50065-2011）附錄D第D.0.4。

最大跨步電位差

U:U=KKKKKKV

式中：

KKKKKKV——最大跨步電位差的形狀、埋深、接地導體直徑、接地網面積、接地導體根數及接地網網孔數目影響系數。

V取值和上述接觸電壓一致。

最大接觸電壓差U允許值的計算如下。

110kV及以上有效接地系統和6k V～35k V低電阻接地系統發生單相接地或同點兩相接地時：

6k V～66kV不接地、諧振接地和高電阻接地發生單相接地故障時：

U=50+0.2ρC

式中，符號的意義的和最大接觸電位差一致。實際計算出的U應小于最大接觸電位差的允許值U。

工程實際設計中，35kV及以上的戶外變電所都是處于無等電位聯結的大地平面上，若是電力系統發生接地故障，產生的接觸電位差和跨步電位差會超過允許值，這種情況下，需要在戶外變電所地設施金屬網格并與設備外殼聯結以實現等電位，從而降低危害。

3 等電位聯結在低壓配電系統中的作用

低壓配電系統中等電位聯結的防電擊作用，主要表現在兩方面：一是當建筑內電氣設備外殼發生接地故障時，以TN系統為例，PE線的重復接地可以降低接觸電壓；二是其他建筑內發生故障時，防止故障電流通過PE線進入本建筑后，產生故障電壓引起電擊事件。

3.1 降低本建筑電氣故障引起的接觸電壓

如圖1，假設某建筑采用TN-C-S系統，PEN線進戶后即分為PE線和N線，通過人工接地極將PE線重復接地。變電所的接地電阻R和建筑的重復接地電阻R分別為4Ω和10Ω。各線路阻抗值如圖1所示（圖中數據單位為Ω），忽略工頻條件下的回路導體電抗及變壓器電抗。若是建筑電氣設備發生接地故障，計算設備外殼的預期接觸電壓U。

圖1 無等電位聯結電氣設備故障示意圖

本建筑采用TN-C-S系統，正常工作時的電源路徑為L-N-PE，建筑內電氣設備發生接地故障時，故障路徑為LPE-PEN，變電所和建筑的接地電阻對故障回路也起作用，做出如圖2所示的等效電路圖。

圖2 重復接地等效電路圖

由上述等效電路圖計算故障回路電流I：

預期接觸電壓為PE線路上電壓降和接地電阻R的電壓降之和：

無等電位聯結時，建筑內電氣設備發生故障時的接觸電壓遠大于人體安全電壓。

如圖3所示，該建筑設置總等電位聯結MEB，電氣設備外殼的預期接觸電壓U。

圖3 MEB聯結電氣設備故障示意圖

根據上述理論分析，做出等效電路圖，如圖4所示。

圖4 總等電位聯結等效電路圖

建筑做等電位聯結后，設備處的預期接觸電壓為PE線電阻兩端的電壓，計算如下：U=I×0.06=66(VB)

若該建筑不做重復接地，也不做等電位聯結，預期接觸電壓U為110V；建筑做重復接地后，接觸電壓為97.4V，接觸電壓有所下降；建筑做等電位聯結，接觸電壓為66V。由此可知，等電位聯結的效果最好。實際工程中，PE線電阻遠遠小于上述數值，接觸電壓在人體安全范圍內。

3.2 外部電氣設備故障引起的接觸電壓

如圖5所示，設備A和設備B位于不同的建筑內，假設相線和PEN線電阻相同，單位長度為6.5Ω/km，變壓器阻值R=0.02Ω，其他阻值忽略不計，當設備A發生單相短路故障時，設備B是不是受到影響。

圖5 不同建筑的電氣設備故障示意圖

圖6 故障回路一

由上述內容可知，故障后電流的路徑是L-PE-PEN，分析故障回路：

圖7 故障回路2

根據圖6～圖8分析得到的故障回路，可以做出等效電路圖，如圖9所示。

圖8 故障回路3

圖9.等效電路圖

由等效電路圖可知，故障電流I：

B設備處的接觸電壓U：

經過上述分析可知，建筑A和B均沒有設置等電位聯結，僅僅進行重復接地。當建筑A的電氣設備發生故障時，電氣設備B即使沒有故障也會產生接觸電壓。故障電流經過PEN線和PE線傳至其他用電設備，導致其他用電設備產生接觸電壓，若該電流沒有超過電流防護電器的整定值，不能切斷電源，該故障將長期存在，極有可能危害人體安全。

建筑內設置等電位聯結，建筑內的電氣設備外露可導電部分和其他建筑電器裝置的可導電部分的電位處于同一狀態，則不會產生電位差，避免非故障電氣設備外殼帶電，保證人體安全。

4 結語

各類電氣系統的等電位聯結可以使設備可導電部分的電位處于均衡狀態，達到近似相等或者接近，從而保證人體的安全，它是一項非常重要的電氣保護措施。如圖5所示，設備沒有達到電器防護的設定值時，防護電器不起作用，此時，可以借助等電位聯結消除接觸電壓帶來的危害。

等電位聯結是一個獨立的電氣技術措施，在電氣防雷、防電磁干擾、防爆等方面也有重要的應用。論文在放電擊方面的理解不甚全面，希望從事電氣設計的同行給予意見。