工作接地與保護(hù)接地原理及作用

晨鳥(niǎo)教育晨鳥(niǎo)教育EarlybirdEarlybird接地原理及作用工作接地與保護(hù)接地電力系統(tǒng)和電氣設(shè)備的接地按作用不同主要分為工作接地和保護(hù)接地兩類(lèi)。所謂工作接地是依據(jù)電力系統(tǒng)運(yùn)行的需要，人為地將電力系統(tǒng)的中性點(diǎn)(例如發(fā)電機(jī)和變壓器的中性點(diǎn))及電氣設(shè)備的某一部份(例如避雷針和避雷器的接地引下線(xiàn))直接與大地進(jìn)展金屬性連接，或者通過(guò)特別裝置(例如消弧線(xiàn)圈、電阻、保護(hù)間隙等)與大地間接相連。其目的是使電力系統(tǒng)在正常工作或事故狀況下，保證系統(tǒng)和電氣設(shè)備牢靠的運(yùn)行，降低人體的接觸電壓以及有利于快10kV壞時(shí)，有可能使設(shè)備的金屬外殼帶電，為防止這種電壓危及人身安全而人為地將電氣設(shè)備的金屬外殼與大地進(jìn)展金屬性連接。電力系統(tǒng)的工作接地分為中性點(diǎn)直接接地(又稱(chēng)大電流接地系統(tǒng))和中性點(diǎn)不接地或經(jīng)消弧線(xiàn)圈接地(又稱(chēng)小電流接地系統(tǒng))兩種。在高壓或超高壓電力系統(tǒng)中，一般多承受中性點(diǎn)直接接地，它的優(yōu)點(diǎn)是能防止系統(tǒng)發(fā)生接地故障后引起的過(guò)電壓，并能避開(kāi)由于單相接地后系統(tǒng)連續(xù)35kV以下，接地方式狀況較簡(jiǎn)單。6～10kV及35kV系統(tǒng)均為中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)；380/220V低壓系統(tǒng)在多數(shù)企業(yè)承受中性點(diǎn)接地系統(tǒng)，但礦山企業(yè)均承受中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)。保護(hù)接地依據(jù)中性點(diǎn)是否接地，其方式有所不同，例如保護(hù)接地和保護(hù)接零等。接地裝置的接地電阻(Rd)(工作接地與保護(hù)接地)不同以及系統(tǒng)電壓的不同而有不同的要求和規(guī)定。如需要深入學(xué)習(xí)，可參考有關(guān)專(zhuān)著，設(shè)計(jì)手冊(cè)和資料。一、接地裝置的散流效應(yīng)r的半球體(如圖7－8)，并認(rèn)為接地體四周的土質(zhì)格外均勻，即土壤電阻率ρ是恒定值。當(dāng)電流經(jīng)接地裝置(接地體)入地時(shí)，電流Id將從半球體外表均勻地散射出去。在接地半球體外表的電流密度(jr)為：而距半球體球心為xcm處的電流密度〔jr〕為：在地中的電場(chǎng)強(qiáng)度為，故在x處的電場(chǎng)強(qiáng)度為。于是可用數(shù)學(xué)表由上式可見(jiàn)，距球心的距離愈遠(yuǎn)，散流的電流密度愈小。不管入地電流Id有多大，當(dāng)距離x在地中的電場(chǎng)強(qiáng)度為，故在x處的電場(chǎng)強(qiáng)度為。于是可用數(shù)學(xué)表〔V〕達(dá)式寫(xiě)出散流方向，在dx〔V〕將上式進(jìn)展〔由xA至∞〕積分，既能求得對(duì)應(yīng)于地外表任意點(diǎn)A處的電位UA：〔V〔V〕〔7－7〕〔V〕〔7－8〕從公式(7—7)及公式(7－8)可以得出結(jié)論：當(dāng)Id和ρ〔V〕〔7－8〕依據(jù)歐姆定律，知土壤在散流時(shí)的散流電阻微分表達(dá)式為：故全部散流電阻為：〔7－9〕〔7－10〕由式〔〔7－9〕〔7－10〕(V)式中Ud稱(chēng)為對(duì)地電壓，Rd又稱(chēng)為接地電阻。接地電阻與土壤電阻率成正比，與接地體的半電氣設(shè)備的外殼一般都和接地體連接，使設(shè)備外殼保持和大地同為零電位。例如電氣設(shè)備內(nèi)有一相絕緣遭到破壞，則有接地電流入地，在接地體四周地表有對(duì)地電位分布，而設(shè)備外殼上的對(duì)地電壓最高(Ud)，見(jiàn)圖7－9。假設(shè)此時(shí)人站在1處觸摸設(shè)備外殼，由于手的電位為Ud，而腳的電位為U1，于是加于人體的電壓為：(V)這個(gè)電壓叫做接觸電壓。對(duì)地電位分布越陡，則接觸電壓越高。接觸電壓在任何狀況下都不允許超過(guò)允許接觸的安全電壓。(V)假設(shè)此時(shí)有人向設(shè)備走來(lái)，雖然人并未接觸設(shè)備，但由于跨步過(guò)程兩腳位置不同，前腳電位U2，后腳電位為U1，因此加于人體的電壓為(V)這個(gè)電壓叫做跨步電壓?？绮诫妷和瑯硬辉试S超過(guò)允許接觸的安全電壓。欲減小接觸電壓和跨步電壓，通常實(shí)行降低接地電阻和打接地均壓網(wǎng)等措施，使電位分布曲線(xiàn)的陡度變平緩—些。二、對(duì)工頻接地電阻值的規(guī)定格外明顯，接地電阻Rd越小時(shí)，越安全。但接地電阻值要求越小，則工程投資費(fèi)將增大，且有時(shí)在土壤電阻率很高的地區(qū)很難把電阻值降低。在有條件的地方雖然可以利用埋設(shè)于地下的各種金屬管道(易燃液體，易燃?xì)怏w或易爆炸氣體的管道除外)，電纜的金屬外皮以及建筑物和構(gòu)筑物的地下金屬構(gòu)造等作為自然接地體，但在絕大多數(shù)狀況下，主要還是依靠人工接地裝置來(lái)滿(mǎn)足接地電阻所要求的規(guī)定值。下面將接地電阻值的要求簡(jiǎn)要說(shuō)明一下。電壓為1000V以上的中性點(diǎn)接地系統(tǒng)中的電氣設(shè)備這種系統(tǒng)通常稱(chēng)為大接地電流系統(tǒng)。在這種系統(tǒng)中線(xiàn)路電壓高，接地電流很大。當(dāng)發(fā)生單相碰殼對(duì)地短路時(shí)，在接地裝置上及接地裝置四周所產(chǎn)生的接觸電壓和跨步電壓較高。為了確保安全，這種系統(tǒng)的接地電阻Rd允許等于或小于0.5Ω。電壓為1000V以上的中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)中的電氣設(shè)備〔7－11〕這種系統(tǒng)通常稱(chēng)為小接地電流系統(tǒng)。這種系統(tǒng)中電氣設(shè)備的對(duì)地安全電壓值應(yīng)當(dāng)定為多少，要依據(jù)高壓側(cè)設(shè)備和低壓側(cè)設(shè)備是否承受共同接地裝置而定。假設(shè)凹凸壓側(cè)電氣設(shè)備承受共(65V)的一倍就可以了，一般承受125V。假設(shè)接地裝置只用于1000V以上高壓側(cè)設(shè)備，則對(duì)地電壓可以比共同接地狀況再提高一倍，即承受250V，緣由是這種電氣設(shè)備分布的范圍不如低壓設(shè)備廣，而且一般只I安，當(dāng)接地裝置與1000V〔7－11〕〔7－12〕〔7－12〕〔7－13〕依據(jù)以上兩式計(jì)算Rd〔7－13〕式中Ue—網(wǎng)路的線(xiàn)電壓(kV)；lk—電纜網(wǎng)路的總長(zhǎng)度(km)；lB－架空網(wǎng)路的總長(zhǎng)度(km)。假設(shè)網(wǎng)路僅為架空網(wǎng)路或僅為電纜網(wǎng)路，則不考慮另一種網(wǎng)路的長(zhǎng)度。依據(jù)這個(gè)故障電流I10Ω化對(duì)接地電阻的影響。上面規(guī)定的數(shù)值是指在最不利狀況下應(yīng)當(dāng)具有的接地電阻值。電壓在1000V以下的中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)中的電氣設(shè)備在1000V(系統(tǒng)對(duì)地電容電流)15A4Ω以?xún)?nèi)，則對(duì)地電壓不應(yīng)超過(guò)4×15＝60V。因此，對(duì)于一般電氣設(shè)備的接地電阻均規(guī)定不得超過(guò)4Ω。當(dāng)由單臺(tái)容量或并聯(lián)容量不超過(guò)100kV·A的變壓器(或發(fā)電機(jī))供電時(shí)，由于變壓器內(nèi)阻抗較大，且供電網(wǎng)路也不會(huì)很長(zhǎng)，所以不行能產(chǎn)生較大的單相接地短路電流，因此接地裝置的接地電阻值允昨不大干10Ω。依據(jù)同理，對(duì)于1kW以下的小型電氣設(shè)備，其接地電阻值電可為10Ω。假設(shè)低壓和高壓側(cè)(1000V以上)電氣設(shè)備共用接地裝置，則按式〔7－11〕Rd值。4.電壓在1000V以下的中性點(diǎn)直接接地系統(tǒng)中的電氣設(shè)備在這種系統(tǒng)中電氣設(shè)備的接地電阻不應(yīng)超過(guò)4Ω。三、人工接地裝置的工頻接地電阻計(jì)算人工接地裝置的類(lèi)型很多，常用的有垂直埋設(shè)的接地體和水平埋設(shè)的接地體，它們的接地電阻計(jì)算公式分別如下。垂直埋設(shè)接地體的接地電阻〔7－14〕垂直埋設(shè)的接地體多承受直徑為50mm，長(zhǎng)度為2〔7－14〕式中ρ—土壤電阻率(Ω·cm)；l—接地體的陡度(cm)；d—接地鐵管的直徑(cm)。0.5～0.7m深處(見(jiàn)圖7－10)。垂直接地體有時(shí)也承受角鋼或扁鋼，此時(shí)，它們的等效直徑如下：等邊角鋼：d=0.84b扁鋼：d＝0.5b〔7－15〕假設(shè)用單根垂直接地體接地電阻太大時(shí)，則必需打多根垂直接地體(〔7－15〕－接地體的利用系數(shù)，它與相鄰接地體之間的距離a和接地體的長(zhǎng)度l的比值有關(guān)。a/l的式中Rc－單根垂直接地體的接地電阻，由公式－接地體的利用系數(shù)，它與相鄰接地體之間的距離a和接地體的長(zhǎng)度l的比值有關(guān)。a/l的值越小時(shí)，接地體散流時(shí)相互屏蔽使散流效應(yīng)降低得越厲害，這相當(dāng)于散流電阻增大，于是利用系數(shù)減小。假設(shè)利用系數(shù)減小。假設(shè)時(shí)，則屏蔽現(xiàn)象消逝， ＝1。值可由圖7－11查得。水平埋設(shè)的接地體一般可用扁鋼、角鋼或圓鋼等制成，其接地電阻為：〔7－16〕式中－水平接地體總長(zhǎng)度c；h－接地體埋深c0.ρ、d－同上；〔7－16〕接地裝置外表的電流密度、四周土壤內(nèi)的電場(chǎng)強(qiáng)度〔〕顯著增大，因此接地裝一切防雷設(shè)備的接地裝置，在構(gòu)造型式上和計(jì)算方法上均與工頻接地時(shí)一樣。但由于雷電沖μs到幾十μs接地裝置外表的電流密度、四周土壤內(nèi)的電場(chǎng)強(qiáng)度〔〕顯著增大，因此接地裝〔7－17〕置四周的土壤中形成猛烈火花放電，火花放電范圍內(nèi)土壤的壓降顯著降低接近于零。這個(gè)效應(yīng)在工程計(jì)算上用沖擊系數(shù)ac來(lái)表達(dá)。于是沖擊接地電阻Rch〔7－17〕沖擊系數(shù)ac關(guān)系。當(dāng)雷電流幅值愈大，土壤電阻率愈高時(shí)，則沖擊系數(shù)ac值愈小，ac一般小于1(多在0.3至0.9范圍內(nèi))，也就是說(shuō)沖擊接地電阻—般都比工頻接地電阻小。但也有特別狀況，當(dāng)接地體很長(zhǎng)時(shí)，由于電感的作用，電流向接地體較遠(yuǎn)地段流淌時(shí)將受到阻礙，從而使雷電流不能沿接地體全長(zhǎng)均勻集中，因此有可能引起沖擊接地電阻Rch大于工頻接地電阻Rd，這時(shí)沖擊系數(shù)ac大于1地電阻值Rd及相應(yīng)的沖擊系數(shù)ac，就能求出沖擊接地電阻值Rch。例7—1某工廠(chǎng)變電站的獨(dú)立避雷針要求沖擊接地電阻 Rch為10Ω。雷電流的特征為100kA，4/40μs；該地區(qū)的土壤為砂質(zhì)土，土壤電阻率ρ＝5×104Ω·cm。今初步考慮承受三向放射式的復(fù)式接地裝置(圖7—12)，每支水平射線(xiàn)長(zhǎng)10m，射線(xiàn)用40×4mm2的扁鋼；每支水平射線(xiàn)上焊三支垂直接地體，垂直接地體用外徑為50mm，長(zhǎng)為2m的鐵管。試驗(yàn)證此接地裝置能否滿(mǎn)足要求。解：?jiǎn)胃怪苯拥伢w