電氣工程概論第四章

第四章設備工作接地與保護接地

普通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材《電氣工程概論》內(nèi)容概述1工作接地2保護接地3保護接零45思考題概論普通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材《電氣工程概論》第一節(jié)概述

帶電的導體與大地接觸時，便會形成以接觸點為球心的半球形電場。球面積與球半徑的平方成正比，半球形的面積將隨著遠離接地點而迅速增大。

通常在距離接地點約20m左右處，半球形面積已達2500m2，土壤電阻已小到可以忽略不計，可認為在遠離接地點20m以外時，土壤中便不會再產(chǎn)生電壓降，即實際上已是零地位了。

這些電位為零的地方，也就是電氣上通常所說的“地”，即其含義實際上是泛指零電位的地方。第一節(jié)概述

按照接地的作用，可以將接地分為工作接地、保護接地、保護接零、防雷接地和防靜電接地等。1．工作接地（0.5～10歐姆）——保證電氣設備在正常或發(fā)生故障情況下可靠工作2．保護接地（1～10歐姆）——保證工作人員接觸時的人身安全，將一切正常工作時不帶電而在絕緣損壞時可能帶電的金屬部分接地3．保護接零（中性點直接接地低壓電網(wǎng)）——電氣設備的外殼與接地中性線（也稱零線）直接連接，以實現(xiàn)對人身安全的保護作用4．防雷接地（1～30歐姆）——防止雷擊和過電壓對電氣設備及人身造成危害，將強大的雷電流安全導入大地5．防靜電接地——為消除生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的靜電積累，如油罐、天然氣罐等，引起觸電或爆炸而設置的接地稱防靜電接地第二節(jié)普通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材《電氣工程概論》第二節(jié)工作接地

工作接地（中性點接地）：電力系統(tǒng)的中性點是指星形連接的三相變壓器繞組或發(fā)電機繞組的公共點。中性點的接地方式涉及到系統(tǒng)絕緣水平、通信干擾、接地保護方式、繼電保護整定、電壓等級以及電力網(wǎng)結(jié)構(gòu)等方面，是一個綜合性的復雜問題。

我國電力系統(tǒng)中性點接地方式有：中性點不接地（中性點絕緣）經(jīng)消弧線圈接地中性點直接接地經(jīng)電阻接地第二節(jié)工作接地

根據(jù)電力系統(tǒng)中發(fā)生單相接地故障（占６５％）時接地故障電流的大小，可將中性點接地方式分為兩類：第二節(jié)工作接地

大電流接地系統(tǒng)中發(fā)生單相接地故障時，接地相的電源將被短接，形成很大的接地電流。此時繼電保護裝置立即作用,斷路器跳閘切除故障，被切除部分負荷停電。

小電流接地系統(tǒng)中則不會出現(xiàn)電源被短接的現(xiàn)象，因此系統(tǒng)可以帶接地故障繼續(xù)運行(２h)，待做好停電準備工作后再停電排除故障。缺點是發(fā)生單相接地時非接地相的對地電壓將上升為線電壓，使線路和設備的絕緣成本增大。

電壓越高絕緣成本比重越大。在110kV及以上的電力系統(tǒng)中都采用中性點直接接地的運行方式。只有在60kV及以下的電力系統(tǒng)中才采用中性點不接地或經(jīng)消弧線圈接地的運行方式。一、中性點不接地的電力系統(tǒng)

1.中性點不接地系統(tǒng)的正常運行三相電壓對稱時，三相電容電流相量之和為零，否則不為零。

當各相對地電容不相等時，即使在正常運行狀態(tài)下，中性點的對地電位便不再是零，通常稱此情況為中性點位移。多是由于架空線路排列不對稱而又換位不完全的緣故。一、中性點不接地的電力系統(tǒng)2．中性點不接地系統(tǒng)的單相接地故障

發(fā)生A相單相金屬性接地故障情況，此時A相對地電壓降為零,而非故障相B、C對地電壓在相位和數(shù)值上均發(fā)生變化.由圖4-5(b)還可看出，在系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時，三相之間的線電壓仍然對稱，用戶的三相用電設備仍能照常運行一、中性點不接地的電力系統(tǒng)(4-1)

由式(4-1)和圖4-5(b)相量圖可知，當A相發(fā)生接地故障時，中性點電壓升高為相電壓，B相和C相對地電壓變?yōu)?/p>

和

，

和

的相位差為60，其幅值都等于正常運行時的線電壓，即升高到相電壓的

倍。

由圖4-5(b)還可看出，在系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時，三相之間的線電壓仍然對稱，用戶的三相用電設備仍能照常運行。一、中性點不接地的電力系統(tǒng)

中性點不接地系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時，在接地點將流過接地故障電流（電容電流）。例如，A相發(fā)生接地故障時，A相對地電容被短接，B、C相對地電壓升高到等于線電壓，所以對地電容電流變?yōu)椋ń拥仉娏鳎﹍oh為同級電力網(wǎng)具有電的直接聯(lián)系的架空線路總長度（km）；lcab為同級電力網(wǎng)具有電的直接聯(lián)系的電纜線路總長度（km）。一、中性點不接地的電力系統(tǒng)接地電流絕對值由于線路對地電容電流很難準確計算，通常按經(jīng)驗公式計算從圖4-6(b)可以看出，例如C相發(fā)生接地時，中性點電壓

變?yōu)?/p>

，消弧線圈在

作用下，產(chǎn)生電感電流

（滯后于90），其數(shù)值為

IL＝UC/XL＝U/X式中，U為電力網(wǎng)的相電壓（kV）；XL為消弧線圈的電抗（）。二、中性點經(jīng)消弧線圈接地的電力系統(tǒng)

電力系統(tǒng)中性點經(jīng)消弧線圈接地時，有三種補償方式，即全補償方式、欠補償方式和過補償方式。二、中性點經(jīng)消弧線圈接地的電力系統(tǒng)選擇消弧線圈時，應當考慮電力網(wǎng)的發(fā)展規(guī)劃，估算容量：式中，Sar為消弧線圈的容量(kVA)；

IC為電力網(wǎng)的接地電容電流（A）；

UN為電力網(wǎng)的額定電壓（kV）。

為了調(diào)節(jié)補償度（IL與IC的比值），消弧線圈制造成最大補償電流和最小補償電流之比為2:1或2.5:1，裝有5～9個分接頭供調(diào)節(jié)使用。

按規(guī)程規(guī)定，在3kV～60kV電力網(wǎng)中，電容電流超過下列數(shù)值時，中性點應裝設消弧線圈：①3kV～6kV電力網(wǎng)30A；②10kV電力網(wǎng)20A；③35kV～60kV電力網(wǎng)10A。二、中性點經(jīng)消弧線圈接地的電力系統(tǒng)三、中性點直接接地的電力系統(tǒng)

中性點直接接地的電力系統(tǒng)的主要優(yōu)點是：發(fā)生單相接地故障時中性點電位仍接近于零，非故障相對地電壓接近于相電壓。因此電氣設備的絕緣水平只需按電力網(wǎng)的相電壓考慮，從而可以降低工程造價。目前，我國110kV及以上的電力系統(tǒng)基本上都采用中性點直接接地方式。國外220kV及以上的電力系統(tǒng)也都采用這種接地方式。

發(fā)生單相接地故障時，接地相短路電流很大。為保證設備安全和系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，必須迅速切除故障線路。當發(fā)生單相接地時切除故障線路，將中斷向用戶供電。為了彌補這個缺點，在線路上廣泛安裝三相或單相自動重合閘裝置來提高供電可靠性。

在380/220V系統(tǒng)中，絕緣不是主要矛盾,從人身安全考慮,一般都采用中性點直接接地方式,發(fā)生故障后,可以迅速跳開自動開關或燒斷熔斷絲。四、中性點經(jīng)電阻接地的電力系統(tǒng)

可以直接消除不接地系統(tǒng)的兩個嚴重缺點，既能減少電弧過電壓的危險性，并使靈敏而有選擇性的接地保護得以實現(xiàn)。同時，由于接地電流小于直接接地系統(tǒng)，故對鄰近通信線路的干擾較弱。

兩種接地形式:五、中性點接地方式的比較與選擇接地方式不接地經(jīng)消弧線圈接地直接接地經(jīng)電阻接地①接地電流小，為對地電容電流，一般只允許運行在10～30A以下最小，等于殘流最大，可能達到系統(tǒng)三相短路電流或更大中等，基本由中性點電阻值決定。本表只討論接地電流為100～1000A的情況②單相接地時健全相電壓大，等于線電壓大，等于線電壓最小，＜80%線電壓一般處于80%～100%線電壓之間③避雷器工作條件非有效接地系統(tǒng)用非有效接地系統(tǒng)用有效接地系統(tǒng)用非有效接地系統(tǒng)用，但避雷器選用條件可以放寬④變壓器等設備的絕緣水平最高，全絕緣高，與不接地系統(tǒng)同最低，變壓器可采用分級絕緣低于不接地系統(tǒng)，當采用不接地系統(tǒng)絕緣水平時壽命延長接地方式不接地經(jīng)消弧線圈接地直接接地經(jīng)電阻接地⑥接地故障的繼電保護普通接地繼電器不適應，需要專門技術，不夠可靠需專門技術，通常只用于信號簡單可靠簡單可靠⑦斷路器工作條件切斷容量由三相短路電流而定切斷容量由三相短路電流而定，動作次數(shù)少單相接地電流有時比三相短路電流大，動作次數(shù)多切斷容量由三相短路電流而定，動作次數(shù)多⑧接地故障時的供電中斷情況在能夠自然熄弧情況下供電不被中斷自然熄弧，但永久性故障時仍需跳閘立即跳閘，但通過重合閘彌補此缺點立即跳閘，但通過重合閘彌補此缺點⑨地網(wǎng)和接地設備的費用最少地網(wǎng)費用少，但接地設備價格較高無接地設備，但地網(wǎng)建設費用大中對于不同電壓等級的電力系統(tǒng)中性點接地方式的選擇參照課本115頁。五、中性點接地方式的比較與選擇第三節(jié)普通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材《電氣工程概論》1．安全電流與安全電壓安全電壓（有效值）選用說明額定值/V空載上限/V4250在有觸電危險的場所使用的手持式電動工具等3643在礦井、多導電粉塵的場所使用的行燈等2429可供某些具有人體可能偶然觸及的帶電設備選用121568表4-2安全電壓等級與選用說明

保護接地是將設備金屬外殼、金屬構(gòu)件或互感器的二次側(cè)等接地，防備由于絕緣損壞而使外殼帶危險電壓，以保護工作人員在接觸時的安全。

安全電壓就是不危及人身安全的電壓。安全電壓取決于人體允許的安全電流和人體電阻。安全電壓的規(guī)定各國不盡相同。一、保護接地的作用2．保護接地的作用式中，IE為單相接地電流（A）；RE為保護接地電阻（）；Rman為人體電阻（）；Rt為腳與地面的接觸電阻（）人體電阻Rman與人體皮膚表面狀態(tài)和所處條件有關，如人體皮膚處于干燥、潔凈和無損傷的狀態(tài)下，Rman高達40000～100000；而皮膚有傷口或處于潮濕臟污的狀態(tài)時，Rman可降到1000左右。在最惡劣的情況下，人觸及的電壓只要達0.05A1000＝50V左右即有致命危險！流過人體的電流一、保護接地的作用

保護接地裝置由埋入土中的金屬接地體（角鋼，鋼管）和連接導線所構(gòu)成，如圖4-9所示。

當電力線路或電氣設備絕緣損壞發(fā)生接地時，接地電流通過接地體向大地作半球形擴散，形成電流場。在接地體附近電位最高，越遠電位越小，在距接地體15～20m以外的地方電位接近于零，

電氣設備的接地體與零電位之間的電位差UE為接地體的對地電壓，簡稱接地電壓，它在數(shù)值上等于接地電流與接地電阻的乘積。二、保護接地裝置接地電阻的允許值

如上所述，接地裝置的接地電阻實質(zhì)上是接地電流經(jīng)接地體散流于周圍土壤中所遇到的散流電阻。接地故障時，處于分布電位區(qū)域中的人，可能有兩種方式觸及不同的電位而受到電壓的作用。如圖4-9中當右邊的人觸及故障設備帶電的外殼，加于人手和腳之間的電壓，稱為接觸電壓。顯然其大小與故障設備（或接觸設備外殼的人的站立點）離接地點的遠近有關，離得愈近接觸電壓就愈小，愈遠其值就愈大。工程上通常按人站在距設備0.8m的地面上，手觸及設備上離地面垂直距離為1.8m處所受到的電壓來計算。接觸電壓兩點間內(nèi)電路的電位差則稱為接觸電勢。當左邊人在分布電位區(qū)域內(nèi)跨開一步，兩腳間（相距0.8m）所承受的電位差稱為跨步電壓，與跨步電壓相應兩點間的內(nèi)電勢，稱為跨步電勢接觸電勢Etou=UE－U

跨步電勢Estep＝U1－U2二、保護接地裝置接地電阻的允許值

在大電流接地系統(tǒng)中，接地電流IE較大，接地體附近的接地散流場范圍也大，接觸電壓和跨步電壓對人身安全都有嚴重威脅。但運行經(jīng)驗表明，故障切除時間快，單相接地時接地網(wǎng)電壓若不超過2000V時，人身和設備仍可認為是安全的，則此時接地電阻為RE≤2000/I()式中，I為計算用流經(jīng)接地裝置的入地短路電流（A）。當I＞4000A時，可取RE≤0.5。

在小電流接地系統(tǒng)中，IE較小，但繼電保護常作用于信號，接地時間較長，工作人員直接觸及設備外殼的幾率增大，所以必需限制接觸電壓。在接地裝置僅用于高壓設備時，規(guī)定接地電壓不得超過250V，即RE≤250/I()

當接地裝置為高、低壓設備共用時，考慮到人與低壓設備的接觸機會更多，規(guī)定接地電壓不超過120V，即RE≤120/I()

式中，I為計算用接地故障電流（A），一般接地電阻應不超過10。在1000V以下，最好不超過4。二、保護接地裝置接地電阻的允許值三、保護接地分類

按國標GB4776規(guī)定，保護接地分為IT、TT和TN三種方式。其中TN方式是將設備金屬外殼接零線，又稱為保護接零。IT接地方式是電源中性點不接地或經(jīng)高阻抗接地（字母I）以及設備的金屬外殼接地（字母T）的簡稱。TT接地方式是電源中性點接地（第一個字母T）和設備金屬外殼接地（第二個字母T）的簡稱。IT接地方式TT接地方式在IT接地方式中，當RE＜10時，由于RE<<Z，可使接地電壓限制在安全范圍內(nèi)。同時由于中性點不接地或經(jīng)高阻抗接地時的單相接地電流較小，發(fā)生接地后系統(tǒng)還可以繼續(xù)運行一段時間。在高電壓電力網(wǎng)中，由于電壓高，接地電流大，接地保護裝置能快速動作將故障切除。因而高電壓電力網(wǎng)中普遍采用TT接地方式我國1～60kV電網(wǎng)通常采用IT接地方式，1kV以下配電系統(tǒng)中采用TN接地方式三、保護接地分類為接地電壓；為接地電流；為接地電阻。四、發(fā)電廠和變電站的接地裝置

接地裝置由接地體和連接導體組成，接地體可分為自然接地體和人工接地體。自然接地體包括埋在地下的金屬管道，建筑物的金屬結(jié)構(gòu)等，但可燃性液體和氣體的金屬管道除外。人工接地體分水平接地體和垂直接地體。

接地裝置主要分兩種形式：外引式和環(huán)路式。將接地體集中布置在電氣裝置外的某一地稱為外引式。把接地體環(huán)繞電氣裝置布置，形成環(huán)狀，并在其中裝設若干均壓帶，則稱為環(huán)路式。

發(fā)電廠和變電站的接地裝置，除利用自然接地體或各種人工接地體之外，還應敷設人工接地網(wǎng)，用以降低工頻散流電阻。水平接地網(wǎng)應埋在0.6m以下，以免受到機械損傷和季節(jié)變化對接地電阻的影響。在避雷器、避雷針附近采用垂直接地體，以集中散泄雷電流之用。第四節(jié)普通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材《電氣工程概論》一、保護接零的作用（1）正常供電情況下能維持相線的對地電壓不變，從而可向外（對負載）提供380/220V兩種不同的電壓，以滿足三相380V（如電動機）及單相220V（如電燈、電熱）不同的用電需要；（2）若中性點不接地，則當發(fā)生單相接地故障時，另外兩相的對地電壓便升高為線電壓。既能減小人體的接觸電壓，同時還可以適當降低對電氣設備的絕緣要求，利于制造及降低造價。（3）可以避免高壓電竄到低壓側(cè)的危險。中性點直接接地后，萬一高低壓線圈間絕緣損壞而引起嚴重漏電甚至短路時，高壓電便可經(jīng)中性點接地裝置構(gòu)成閉合回路，使上一級繼電保護動作跳閘切斷電源，從而避免低壓側(cè)工作人員遭受高壓電的傷害或造成設備損壞。

我國低壓配電網(wǎng)主要是指電壓等級為380/220V的系統(tǒng)，其配電變壓器大都采用中性點直接接地方式。保護接零具有下述優(yōu)點：第四節(jié)保護接零在低壓配電系統(tǒng)內(nèi)采用保護接零方式時，還應注意如下要求：（1）電源中性點必須良好接地，工作接地電阻值應符合要求。（2）應裝設足夠的重復接地裝置。（3）同一臺變壓器供電的低壓電網(wǎng)中，不允許混用保護接地與保護接零方式，（4）零線上不準裝設開關和熔斷器。敷設要求同相線，以免出現(xiàn)零線斷線故障。（5）零線截面應保證低壓網(wǎng)任一處短路時，能夠承受大于熔斷器額定電流2.5～4倍及自動開關額定電流1.25～2.5倍的短路電流，且不小于相線載流量的一半。（6）所有電氣設備的保護接零線，應以“并聯(lián)”方式連接到零干線上。二、保護接零方式TN-S系統(tǒng)。字母S表示N與PE分開，設備金屬外殼與PE相連接，設備中性點與N連接，即采用五線制供電方式。其優(yōu)點是PE中沒有電流，故設備金屬外殼對地電位為零。主要用于數(shù)據(jù)處理，精密檢測，高層建筑的供電系統(tǒng)。TN-C系統(tǒng)。字母C表示N與PE合并成為PEN，實際上是四線制供電方式。設備中性點和金屬外殼都與N連接。由于N正常時流通三相不平衡電流和諧波電流，故設備金屬外殼正常對地帶有一定電壓，通常用于一般供電場所。TN-C-S系統(tǒng)。一部分N與PE合并，一部分N與PE分開，是四線半制供電方式。應用于環(huán)境較差的場所。當N與PE分開后不允許再合并。二、保護接零方式第四節(jié)保護接零三、保護接地與接零方式混用的危害及零線重復接地的必要性

1．保護接地與接零方式混用的危害

如果同時采用了接地和接零兩種保護方式，當實行保護接地的設備（如M2）萬一發(fā)生碰殼故障，則零線的對地低壓將會升高到電源相電壓的一半或更高。這時，實行保護接零的所有設備（如M1）上，便會帶有同樣高的電位，使設備外殼等金屬部分將呈現(xiàn)較高的對地電壓，從而危及操作人員安全。

第四節(jié)保護接零

在中性點有良好接地的低壓配電系統(tǒng)中，應優(yōu)先選用保護接零方式（同時要進行重復接地）。大多數(shù)工廠企業(yè)都由單獨的配電變壓器供電，故均屬此類。但下列情況除外：凡屬城市公用電網(wǎng)（即由同一臺配電變壓器供給多個用戶用電的低壓網(wǎng)絡）供電的，應采用同一種保護方式，且常是統(tǒng)一實行保護接地。在農(nóng)村配電網(wǎng)絡內(nèi)，皆因不便于統(tǒng)一與嚴格管理等原因，為避免接零與接地兩種保護方式混用而引起事故，所以規(guī)定一律不實行保護接零，而采用保護接地方式。

在中性點不接地的低壓配電網(wǎng)絡中，應采用保護接地方式。對所有高壓電氣設備，一般都是采用保護接地方式。2．零線重復接地的必要性

若未實行重復接地，當零線萬一斷線而同時又發(fā)生某一設備（如M2）碰殼（C相絕緣損壞）時，斷線處（M）后邊所有用電設備（如M3）的外殼上也會出現(xiàn)較高的對地電壓（為電源一相對地電壓U＝220V）。

實行零線重復接地后（重復接地電阻為Rc），M3外殼的對地電壓Uc可大為降低（僅等于故障電流Ik與Rc的乘積）。若Rc＝R0＝4，則Uc便只有電源相電壓的50％，從而可以減小觸電的危險程度；此時已構(gòu)成了故障電流回路，Ik也就可能會使保護（如熔斷器等）動作而切斷電源。1．保護接地與接零的適應范圍種類保護接地保護接零工作接地工作接零含義用電設備的金屬外殼接接地裝置用電設備的金屬外殼接供電電網(wǎng)的零干線運行需要的接地（如中性點接地）220V用電設備的電源線之一（零線）適應范圍中性點不接地電網(wǎng)中性點接地電網(wǎng)，三相四線制系統(tǒng)中性點接地電網(wǎng)三相四線制電網(wǎng)，220V用電設備的供電線路之一目的起安全保護作用起安全保護作用保護電網(wǎng)運行安全提供供電通路四、保護接地與接零的適應范圍種類保護接地保護接零工作接地工作接零作用原理平時保持零電位，不顯作用，只有發(fā)生碰殼或短路時能降低對地電壓，從而防止觸電傷人平時保持零干線電位不顯作用，且與相線絕緣；只有碰殼或短