第三章间接接触电击防护精要课件

电力工程系 Department of Electrical Engineering 电气安全技术 第三章 间接接触电击防护 n在正常情况下，直接防护措施能保证人身安全 ，但是当电气设备绝缘发生故障而损坏时，造 成电气设备严重漏电，使不带电的外漏金属部 件呈现危险电压，可能造成间接触电。 n间接接触电击防护目的是为了防止电气设备发 生故障情况下，发生人身触电事故，也是为了 防止电气设备事故进一步扩大。目前主要采用 保护接地、接零以及等电位联接等技术措施。 第一节 接地基本概念 1 技术术语： 接地与接地技术： 在电力系统中，由于正常运行的需要和为了保 障人身、设备的安全，将电力系统及其电气设备的 某些部分与埋入大地的金属导体相连接，即为接地。 接地技术就是研究接地原理、方法及其实施，如 何避免减轻人身伤亡事故，保证人身和设备安全而发 展起来的一门科学技术。 技术术语： 接地体、接地线与接地装置： n接地体：埋入地中并直接与大地接触的 金属导体。分为自然接地体和人工接地体。 n接地线：电气设备与接地体连接的导线。 n接地装置：接地线和接地体总称接地装置。 技术术语： 接地电流和接地短路电流 n凡从接地点流入地下的电流即属于接地电流。 n系统一相接地可能导致系统发生短路，这时的 接地电流叫做接地短路电流，如0.4kV系统中的 单相接地短路电流。在高压系统中，接地短路 电流可能很大，接地短路电流500A及以下的称 小接地短路电流系统；接地短路电流大于500A 的称大接地短系统。 技术术语： 流散电阻和接地电阻 n接地电流入地下后自接地体向四周流散这 个自接地体向四周流散的电流叫做流散电 流。流散电流在土壤中遇到的全部电阻叫 做流散电阻。 n接地电阻是接地体的流散电阻与接地线的 电阻之和。接地线的电阻一般很小，可忽 略不计，因此，在绝大多数情况下可以认 为流散电阻就是接地电阻。 技术术语： 电气上的“地” n电流通过接地体向大地作半球形流散。因为半球 面积与半径的平方成正比，半球的面积随着远离 接地体而迅速增大，因此，与半球面积对应的土 壤电阻随着远离接地体而迅速减小，至离接地体 20m处，半球面积已达2500，土壤电阻己可小 到忽略不计。这就是说，可以认为在离开接地体 20m以外，电流不再产生电压降了。或者说，至 远离接地体20m处，电压几乎降低为零。电气工 程上通常说的 “地”就是这里的地，而不是接 地体周围20m以内的地。 技术术语： n对地电压，即带电体与大地之间的电位差，也 是指离接地体 20m 以外的大地而言的。简单地 说，对地电压就是带电体与电位为零的大地之 间的电位差。显然，对地电压等于接地电流和 接地电阻的乘积。 n如果用曲线来表示接地体及其周围各点的对地 电压，这种曲线就叫做对地电压曲线。 图 3-1 所示的是单一接地体的对地电压曲线，显然， 随着离开接地体，曲线逐渐变平，即曲线的陡 度逐渐减小。 对地电压和对地电压曲线 *9 图3-1 对地电压曲线 接触电压 接触电压是指加于人体某两点之间的 电压。当设备漏电，电流IE自接地体 流入地下时，漏电设备对地电压为UE， 对地电压曲线呈双曲线形状。 人触及漏电设备外壳，其接 触电压即其手与脚之间的电位差。 跨步电压 n跨步电压是指人站在流过电流的地面上,加于人的两脚 之间的电压， *11 2 接地分类 n故障接地是指带电体与大地之间的意外连接， 如接地短路等。 n工作接地：工作接地是指正常情况下有电流流 过，利用大地代替导线的接地，以及正常情况 下没有或只有很小不平衡电流流过，用以维持 系统安全运行的接地。 n安全接地：是正常情况下没有电流流过的起防 止事故作用的接地，如防止触电的保护接地、 防雷接地等。 n保护接地：是一种技术上的安全措施，它 是把故障情况下可能呈现危险电压的金属 部分同大地紧密连接起来。 n防雷接地：又叫过电压保护接地，是指为 限制过电压危险影响而设的接地（如避雷 针，避雷器） 第二节 电网接地运行方式及其安全性评价 n电网种类很多。按照电压可分为 1000 伏 以上的高压电网和 1000 伏及 1000 伏以 下的低压电网； 按电流种类可分为交流电 网和直流电网； 按相数可分为三相电网和 单相电网； 按用途可分为动力电网、照明 电网和专用电网等；按运行方式可分为直 接接地电网、经阻抗接地电网和不接地电 网等。 高压电网运行方式： n中性点直接接地运行方式 n中性点经阻抗接地运行方式 n中性点不接地运行方式 低压电网运行方式： n中性点直接接地运行方式 n中性点不接地运行方式 接地电网和不接地电网对出现的各种电气故障 防护能力是不相同的。本节将重点讨论这两种 低压电网的安全特征。 1 接地电网(工作接地) n我国最常用的低压接地电网是用电电压 380/220 V （线电压 380V 、相电压 220V），供电电压 0.4/0.23 kV ( 线电 压 0.4 kV、相电 压 0.23 kV ) 的中性 点直接接地的三相四线制电网。380V用于 动力设备，220V用于照明设备和单相设备 。 *17 接地电网单相触电的危险性 图3-2接地电网中的单相触电 式中 U电网相电压 Ro工作接地电阻 Rd人脚下的土壤 流散电阻 Rs鞋的电阻 Rr人体的电阻 *18 结论： 触电的危险性主要决定于Rs的大小。 在接地电网中，单相触电的危险性是比较 大的。 接地电网抑制过电压的能力 n过电压是指一切对电气设备或电气线路绝 缘有危害的电压升高。 n电网中出现过电压的原因很多，根据造成 过电压的原因，过电压分可为外部过过电 压和内部过电压。外部过电压主要有雷击 过电压、雷电感应过电压、电磁感应过电 压和静电感应过电压等；内部过电压主要 有操作过电压、谐振过电压以及变压器高 压侵入低压等。 *20 n由于电网直接接地，各种过电压都将受到一 定的抑制。例：以变压器高压侵入低压为例 来分析接地电网的安全性。 n设高压 10 kV， 低压 0.4 kV ，尽管高压 相线对地电压将近为 5800 V，但当高压侧 意外与低压侧发生短路时 ，由于10 kV是不 接地电网，单相接地电流 Iad 不超过 20 30 A，如能控制RN 4 ，即可限制低压中 性点对地电压UN 不超过80120V。 图3-3 接地电网高压侵入低压 结论： n由于接地电阻小（一般RN 4 ），因 此，接地电网可大大地抑制过电压，减轻 了触电的危险性，同时由于控制了各导体 间产生过大的电位差，也减轻了由放电火 花所造成的火灾的危险性。但是，该故障 还是会影响到电气设备的正常运行，应及 时排除。 接地电网单相接地的危险性 n单相接地是电网最常见的故障之一。一相 故障接地不仅破坏了电网的运行方式，破 坏了电气设备的安全运行，甚至损坏电气 设备本身，还有可能危及人身安全。 *24 图3-4 接地电网单相接地 n 故障接地电阻 Rd 一般不会低于 15 ，在工 作接地电阻符合规定的条件下( 一般要求 RN 4)，可以把中性线对地电压UN 限制在50V 以下；由于对地电压被抑制住了，这种电网 在单相接地时触电的危险性虽然增加，但增 加不大。 n由于故障接地电流可达数安乃至数十安，这 种故障容易被检测出来，故障点也比较容易 确定。 结论： （1） 只要保证工作接地 RN 4，中性点对地 电压 UN 将被抑制，各相对地电压变化不大，触 电的危险性增加不多； （2） 由于故障接地电流 Id 较大，单相接地故障 易被检测出来，便于采用常规保护器件，使故 障状态时间缩短； （3） 虽然触电的危险性增加不大，但由于三相电 压的不平衡，也将危及到电气设备的正常运行 ，应及时排除故障。 2 不接地电网 n 除 10 kV 及 10 kV 以下的高压电网多采 用不接地电网外,井下配电常采用低压不 接地电网。 不接地电网单相触电危险性 n 如图所示，在不接地电网中，单相触电时流过人体的电 流只能通过电网各相对地绝缘阻抗成回路，绝缘阻抗是 各相与大地之间的等效应阻抗，可视为绝缘电阻与分布 电容的并联。 m N T L RN L1 L2 L3 n RP IP R1 C1R2 C2R3 C3 m n 3CR/3 IP RP *29 n对于对地绝缘电阻较低，对地分布电容又 很小的情况，由于绝缘阻抗中的容抗比电 阻大得多，可以不考虑电容。这时，求得 人体电压和人体电流分别为 n对于对地分布电容较大，对地绝缘电阻很高的 的情况，由于绝缘阻抗中的电阻比容抗大得多 ，可以不考虑电阻。这时，也可简化复数运算 ，求得人体电压和人体电流分别为 *32 n例题：设不接地电网各相对地电压均为 220 V ,各相对地 绝缘电阻均可视为无限大，各相对地电容均为 0.55 F， 人体电阻为 2000 ，试判断单相触电的危险性。 在给定了人体电阻的情况下判断人体触电的危险性，必 须求出流过人体的电流。将上述条件代入对应公式可求得 人体电流为： 通过这个例子的计算可以说明，不接地电网中单相触电也 有致命的危险，但与同样电压的接地电网相比，危险性较 小。 *33 由上列各式不难知道，在不接地电网中，单相触 电的危险性取决于电网电压、电网对地绝缘阻抗 和人体电阻等三方面的因素。 n正常情况下，由于绝缘阻抗远大于人体电阻，因 此人体承受的电压较低，流过人体的电流较小， 触电的危险性也相对较小。 不接地电网抑制过电压的能力 n由于电网与大地之间没有直接的电气连接 ，在意外情况下可能产生很高的对地电压 。以变压器高压侵入低压为例。 *35 当高压一相与低压中性点短路时，低压侧对地 电压将大幅度升高。设该变压器为 10/0.4 kV 的变压器，则低压中性点对地电压 UNO 升高到 将近 5800 V，由电压矢量图可知，Ua 略高于 5800 V，Ub =Uc 略低于 5800 V，这将给低压 系统的安全运行造成极大的威胁。 结论： 不接地电网抑制过电压的能力差，因此， 不接地电网中应该有有效的过电压保护措施。 L2 V11V21 10/0.4KV L1 L3 TN FV RE *37 不接地电网单相接地的危险性 因为绝缘阻抗 Z 很大，接地电流 Id 受到限制而很小。 *38 结论： （1） 在不接地电网中发生一相接地故障时，三 相电压将严重不平衡，接地相对地电压很低 ，另两相对地电压将升高到接近线电压，这 样大幅度的电压升高，不仅会增加单相触电 的危险性，完全失去不接地电网单相触电危 险性小的优越性，而且还可能损坏电气设备 的绝缘，可能产生放电火花，增加火灾的危 险性。 （2） 由于故障接地电流 Id 很小，接地故障检 测困难，这种接地故障可能潜伏下来 , 成为 危险的隐患。因此，在比较重要的接地电网 中，应当针对一相接地故障装设绝缘监视装 置。 *39 本节对低压电网的运行方式进行了比较分析。接地 电网的单相触电的危险性比不接地电网大，不接地电网 出现过电压的危险性和发生一相接地故障时的危险性比 接地电网要大。这里所说的危险性是相对这两种电网而 言的。无论接地电网还是不接地电网，出现以上故障时 ，对人体来说都是致命的。 从安全角度考虑，接地电网在抑制过电压、减轻故 障条件下的触电危险性等方面有明显的优点。而且三相 四线制线路能提供两组电压，同时供给动力和照明用电 ，大大节省了变配电设备，具有良好的经济性能。因此 ，我国和世界各国绝大部分都采用中性点直接接地的三 相四线制电网。 *40 对于触电危险性大、过电压危险性不大、供 电连续性要求较高，同且电网对地绝缘水平高 、对地分布电容不大的场合，宜采用不接电网 。在我国，这种电网主要用于矿井。对于配电 范围较大、用电设备数量大，对地绝缘阻抗难 以保证、过电压危害比较严重的场合，应采用 接地电网。就安全防护来讲，不同的电网应采 取不同的防护方式，不同电网中的用电设备应 采取不同种类的安全防护措施。 第三节 保护接地与保护接零 n保护接地和保护接零，也称接地保护和接 零保护，虽然两者都是安全保护措施，但 是他们实现保护的原理不同。简单的说， 保护接地是将故障电流引入大地，保护接 零是将故障引入系统，促使保护装置迅速 动作而切断电源。 *41 1 保护接地作用及原理分析 在不接地配电网中，当一相碰壳时，接地电流 IE 通过人体和配电网对地绝缘阻抗构成回路。 (与不接地电网单相触电作比较) *42 *43 如果设备外壳不接地，根据等值电路，不难 求得人体承受的电压和流过人体的电流分别为 如果设备外壳有接地保护，根据等值电路， 不难求得人体承受的电压和流过人体的电流分 别为 *44 由于 人体经过的电流将大大减小 电流分配关系 例如，在前面第一章第四节的例题中流过人体的 电流就是在没有保护接地情况下得到的，其大 小为64.8mA，如有保护接地，且接地电阻RE =4，则人体电流减小为2.3mA 。 *45 上述做法，即将在故障情况下可能呈现危 险对地电压的金属部分经接地线、接地体同大 地紧密地连接起来，把故障电压限制在安全范 围以内的做法就称为保护接地。 在不接地配电网中，仅当其对地绝缘阻抗 较高，单相接地电流较小，才有可能通过保护 接地把漏电设备故障对地电压限制在安全范围 之内。 在接地配电网中，当一相碰壳时，接地电流 IE 通过人体和配电网中性点阻抗构成回路。 (与 接地电网单相触电作比较) *47 n在接地的配电网中，如果电气设备没有采 取任何防止间接接触电击的措施，则漏电 时触及该设备的人所承受的接触电压可能 接近相电压，其危险性大于不接地的配电 网中单相电击的危险性。 n如果采取保护接地，一相漏电，则故障电 流主要经接地电阻RE 和工作接地电阻 RN 构成回路。漏电设备对地电压和零线对地 电压分别为： n 由于RE和RN同在一个数量级。二者都可 能远远超过安全电压，人触及漏电设备或 触及零线都可能受到致命的电击。 *49 另一方面，由于故障电流主要经RE和RN构成回路， 如不计及带电体与外壳之间的过渡电阻，其大 小为 由于RE和RN都是欧姆级的电阻，因此，IE 不可能太 大。这种情况下，一般的过电流保护装置不起 作用，不能及时切断电源，使故障长时间延续 下去。 2保护接零作用及原理分析 基本概念 n中性点三相绕线组的联结点（Y 联结） n零点将中性点引地称零点。 n中性线 n零线N ：由零点引出的导线。保证电流通路。 n火线 n保护线 PE公共线，将外露可导电部分接到 中性点上去的线。 n保护零线保护中性线 PEN（工作零线）二 者兼有 *50 *51 保护接零：将电气设备在正常情况下不带电的 金属部分与配电网中性点之间金属性的连接， 亦即与配电网保护零线(保护导体)的紧密连接 。这种做法就是保护接零 *52 n由于相零回路阻抗很小，当设备金属外壳漏 电时，通过设备外壳形成该相对零线的单相 短路，短路电流 ISS能促使线路上的短路保 护元件迅速动作，从而把故障部分设备断开 电源，消除电击危险。 3.2.2 保护接零作用及原理分析 *53 保护接零系统速断和限压的要求 在接零系统中，单相短电流越大，保护元件动作越 快；反之，动作越慢。单相短路电流决定于配电 网电压和相零线回路阻抗。稳态单相短路电流 ISS按下式计算: 式中 : U 配电网相电压； ZL 相线阻抗； ZPE 保护零线阻抗； ZE 回路中电器元件阻抗； ZT 变压器计算阻抗； Z 相零线回路阻扰，Z =ZL+ZPE+ZE+ZT 。 *54 a)就电流对人体的作用而言，电流通过人体的持续 时间越长，致命的危险性越大，引起心室颤动所 需要的电流越小。显然，相零线回路阻抗不能太 大，以保证发生漏电时有足够的单相短路电流 ，迫使线路上的保护元件迅速动作。 b)就电流对人体的作用而言，通过人体电流越大, 致命的危险性越大。因此，确定速断保护的动作 时间应当同时考虑可能的接触电压。 保护接零系统速断和限压的特点及其要求如下: *55 c)保护接零不仅起过电流速断保护作用，还能降低 漏电设备对地电压。由接零等值电路可以求出保 护装置动作前漏电设备对地电压为 d)应当指出，与不接地配电网不同，在这里欲将漏 电设备对地电压限制在某一安全范围内是困难的 。为了实现保护接零要求，可以采用一般过电流 保护装置或剩余电流保护装置。 3 保护接地与保护接零的适用范围 凡正常情况下不带电，当绝缘损坏或其他特殊 情况下可能带电的电器或机械设备的金属部分 ，都应该实行保护接地或接零。 a)电机、变压器、电器、携带式或移动式用电器 具的金属底座和外壳； b)电气设备的传动装置； c)屋内外配电装置的金属或钢筋混凝土构架，以 及靠近带电部分的金属遮栏和金属门； d)配电、控制、保护用的屏 ( 柜、箱 ) 及操作 台等的金属框架和底座； *56 *57 e)交、直流电力电缆的金属接头盒、终端头和膨胀 器的金属外壳和电缆的金属护层，可触及的金属 保护管和穿线的钢管； f)电缆桥架、支架和井架； g)装有避雷线的电力线路杆塔； h)在配电线路杆上的电力设备； i)在非沥青地面的居民区内，无避雷线的小接地短 路电流架空电力线路的金属杆塔和钢筋混凝土杆 塔； j)封闭母线的外壳及其他裸露的金属部分； *58 不实行保护接地或接零的设备 a)在木质、沥青等不良导电地面，无裸露接地导体 的干燥的房间内，交流额定电压 380 V 及以下 ，直流额定电压 440V 及以下的电气设备的金属 外壳；但当有可能同时触及上述电气设备外壳和 已接地的其他物体时，则仍应接地； b)在干燥场所，交流额定电压 127V 及其以下，直 流额定电压 110V 及其以下的电气设备的外壳； c)安装在配电屏、控制屏和配电装置上的电气测量 仪表、继电器和其他低压电器等的外壳，以及当 发生绝缘损坏时不会在支持物上引起危险电压的 绝缘子的金属底座等； *59 d)安装在已接地金属框架上的设备，如穿墙套管等 ( 但应保证设备底座与金属框架接触良好 )； e)额定电压 220V 及其以下的蓄电池室内的金属支 架； f)由发电厂、变电所和工业企业区域内引出的铁路 轨道； g)与已接地的机床、机座之间有可靠电气接触的电 动机和电器的外壳。 h)此外，木结构或木杆塔上方的电气设备的金属外 壳一般也不必接地。 *60 4 接地的一般要求 电气设备采用接地或接零。设计中应首先考虑自然 接地。输送易燃易爆物质的金属管道不能做接地体 在允许不同的电气设备使用一个总的接地装置时， 其接地电阻值应满足其中最小值的要求。 接地极与独立避雷针接地极之间的地下距 离不应小于3m 防