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电气安全设计摘 要 文章结合我国的低压配电设计规范及我国现代照明采用的TN-C、TN-S、TN-C-S、TT主流配电系统，分析了各配电系统的优缺点及其适用范围，并论述了其应用中应注意的问题和应采取的安全措施。阐述了低压配电系统N线的电流、电压工况及其保护，详细分析了N线的断线与安全用电及N线隔离与检修安全的机理。关键字 配电系统,接地方式,N线隔离 概述 低压配电系统通常包括系统接地和保护接地。系统接地是指系统电源某一点接地，这个点通常是电源（变压器、发电机）的中性点，系统接地的主要作用是使系统正常运行，如当发生雷击时，地面瞬变电磁场增加了低压配电线路冲击电压的感应幅值，作系统接地后由于雷电流的对地释放降低了线路瞬态过电压，因而减轻了线路绝缘被击穿的危险。如果不做系统接地，当电源干线发生一相接地故障时，由于接地故障电流小，电源处接地故障保护装置难以检测出故障，使故障持续存在，这时另外两相对地电压将上升为线电压，就会对单相设备的对地绝缘造成损害，从而引发电气事故。配电系统负荷侧金属的电气设备外壳和敷设用的金属套管、线槽等电气装置外露导电部分的接地如果未作保护接地，则故障电压可达系统的相电压；作了保护接地后故障电压仅为PE线和接地电阻(RA)上的电压降，大大的低于相电压，接地电阻(RA)还为故障电流Id提供返回电源的通路，使电器及时切断电源，从而起到防电击和防电气火灾的保护作用。目前，照明建筑电气设计选用较多的接地系统有TN、TT系统，为此本文分别对TN、TT系统进行分析。2 TN系统TN系统的电源端中性点直接接地，用电设备金属外壳、保护零线与该中性点连接，这种方式简称保护接零或接零制。按中性线（工作零线）与保护线（保护零线）的组合情况TN系统又分以下三种形式。2.1 TN-C系统在TN-C系统中，由于PEN线兼容PE线和N线的作用，节省了一根导线，但在PEN线上会通过三相不平衡电流I，其上有电压降IZPEN使电气装置外露导电部分对地带电压。三相不平衡负荷造成外壳带电压比较低。TN-C系统没有专用的PE线，而是与中性线（N线）合为一根PEN线，如果因维护管理不当使PEN线中断，电源220V对地电压将经相线和设备内绕组传导至设备外壳，使外壳呈现220V对地电压，造成电击危险（如图1所示）。另外，PEN线不允许切断（切断后设备失去了接地线），不能作电气隔离，因为在电气检修时可能因PEN对地带电压而引起人身电击事故。在TN-C系统中，不能装RCD（剩余电流动作保护器），因为当发生接地故障时，相线和PEN线的故障电流在电流互感器中的磁场互相抵消，RCD将无法检测到故障电流，因此，在照明回路中不应采用TN-C系统。2.2 TN-S系统在TN-S系统中，工作零线N和保护零线PE从电源端中性点开始完全分开，PE线平时不通过电流，只在发生接地故障时通过故障电流，故外露导电部分平时对地不带电压时比较安全，但需要增加一根导线，这是因为设备外壳保护零线PE正常工作时漏电开关无剩余电流，所以在相同短路保护灵敏度不够时，可装设漏电开关来保护单相接地。RCD对接地故障电流有很高的灵敏度，即使接触220V时，也能在数十毫秒的时间内切断以毫安计的故障电流，使人免于电击事故，但它只能对其保护范围内的接地故障起作用，不能防止从别处传导来的故障电压引起的电击事故。2.3 TN-C-STN-C-S是TN-C和TN-S两种系统的组合，其原理如图2所示；第一部分是TN-C系统，第二部分是TN-S系统，分界面在N线与PE线的连接点。该系统一般用在建筑物由区域变电所供电的场所，进户线之前采用TN-C系统，进户处作重复接地，进户后变成TS-S系统，TN-C-S系统则介于以上两者之间。3 TT系统TT系统的电源端中性点直接接地，用电设备金属外壳用保护地线接至与电源接地点无关的接地极。当TT系统正常运行时，用电设备金属外壳电位为零，当电气设备一相碰壳时，则短路电流比TN系统小，通常不足以使相间短路保护装置动作。当人体偶然触及带电部分时危险就比较大，需要在干线首端及用电设备处装RCD以确保安全。当变压器中性点和用电设备处接地电阻为4时，单相短路电流为Ld=220/(4+4)=27.5A（线路阻抗不计）。无论是干线首端还是用电设备处，当熔断器熔丝电流较大或自动开关瞬时脱扣器整定电流较大时，动作均不可靠。所以，TT系统内一般不能采用熔断器、低压短路器作接地故障保护而需采用漏电保护器。TT系统还有一个特点是中性线N与保护地线PE无一点电气联接，即中性点接地与PE线接地是分开的，所以不会因外部危险故障电压沿着PE进入建筑而导致电击事故发生。在TT系统内每个照明回路各有其专用的接地极和PE线，但各照明回路的PE线互不导通，故障电压不致从一照明回路传导至另一照明回路。但TT系统以大地为故障电流返回电源的通路，故障电流小，必须采用对接地故障反应灵敏的漏电保护器来防止人身电击。这些系统各有优缺点，需按具体情况选用。如果采用TN-C-S系统，应注意从照明电源进线配电箱开始就将PEN线分为PE线和中性线，使照明回路内不再出现PEN线，这是因为PEN线因通过负荷电流而带有电位，容易产生杂散电流和电位差的缘故。如果由独立的10/0.4kv变压器进行供电，则应采用TN-S系统。因为采用TN-C-S系统将在照明回路内出现PEN线；TT系统则要求设置分开的工作接地和保护接地，而在同一个区域内是很难做到两个分开的接地，维护工作也是比较困难的。4 N线的电流将电源的中性点（简称N点）引出来构成的中性线（简称N线），是国内通用的400/230V电压系统，该系统既可以是副绕组YN接线变压器的N线，也可以是YN绕组接线低压发电机的N线。在正常运行时，三相基波50Hz平衡负载下，N线上是没有电流的。而有单相负载时，用电网络的设计者则力图使三相负荷平衡。在企业的用电设计中，当单相电热装置容量较大而数量较少时，要采取相应的措施，电热设备电力装置设计规范GB 50056-93第2.0.13-14条介绍了减少三相不平衡度应该采取的措施。另外，如照明回路单相分配不平衡，也会造成严重的三相不平衡。另有一类特殊情况则与谐波有关，如即使电源电压基本上是正弦波，因负载是非线性的，此时N线上三次谐波将是各相线上的上述谐波之和，再加上基波的不平衡电流，N线上的电流有效值有可能接近甚至超过相电流。在短路状况下，当变压器绕组接线组分别为Y、YN12时，相线与N线短路构成的单相短路，其零序阻抗较大，即使是直接短路，其短路电流也不能满足三相短路保护装置的灵敏度，这也是变压器接线推荐为D、YN11的重要因素之一。如果是单相接地短路，短路电流经过大地回到电源N点，并不经过N线，漏电保护器根据剩余电流原理而动作，因此，它虽然与相线、N线短路不同，但都受变压器零序阻抗的影响。由于负荷有可能不平衡，低压一般不用零序保护作为单相接地保护而是采用漏电保护器。IEC标准603644473是规定线路过流保护的标准。其中关于中性线过流保护的条文都规定，不论中性线粗细，只需断开有关相线，不必断开中性线。这是因为断开有关相线后中性线电流会自然消失，中性线过流问题也不复存在，而少一个中性线触头就少一个潜在的事故隐患。相线触头导电不良的故障比较易于发现而且可及时处理，而中性线的触头导电不良则难以发现，“断零”而导致烧坏大量单相用电设备的事故也时有发生。因此，应尽量减少中性线上的触头或刀闸的数量，用于中性线过流保护的可装可不装的触头就不必装设。IEC标准60364-4-41是规定防电击措施的标准。在该规定中没有因TN-C0S系统PEN线过流，导致PEN线过大的电压降和过大的设备外壳对地电压，而采用断开中性线防电击的措施。这是因为在电气设计中对线路的电压降都有限制，低压线路上的电压降一般取为小于或等于回路标称电压的5%，即相线和PEN线、中性线的电压降总共不超过(220V5%)11V，设备外壳上不可能出现大于50V或25V的对地电压，所以为防止人身电击而断开中性线也是不必要的。5 N线的电压当在电源N点直接接地且三相负载完全平衡的正常情况下，N线对地电压为：UN=IORB(1)式（1）中，IO通过电源接地点的各相对地漏电流向量和；RB-N点接地电阻.接地电阻按规程取4。可见，当负载平衡且忽略漏电流时，UN=0。但在下列两种情况下，UN可能较大或很大。N线断线后的UN取决于N线断点后面的三相负载平衡度，最严重时只有一相有负载，断点后的UN可达相电压220V，三相平衡负载可使UN=0，通常介于2200V之间，称为中性点电压漂移。当N线完好但负载不平衡，位置靠近负载点的N线，则对地电压为：UN=IORB+INZN(2)它随着N线电流IN和阻抗ZN的大小而变化，在正常运行状态下，可以通过精心设计使IN尽量小，且可使ZN小一些，这样，就可以控制UN在一个安全电压范围内。通常，设定N线有20%的电压损失，其值为44V，此时用电负载端电压在相导线没有一点电压损失的前提下只有80%成为不正常的工况。假设相线和N线各有10%的电压损失，如单相负载回路，则UN为22V。相对于N线短路和接地短路故障，也应该能够通过设置可靠的保护断开加以排除。N线过压是相对的，对于N线来说，也就是电位偏移。由于用于N线的保护装置的技术问题，其保护作用基本难以有效实现。所以，一些发达国家采取了对线路截面、机械保护和连接质量提出严格要求的措施，使得断线事故大大减少。6 N线的隔离与断开在常用的电源直接接地的TN、TT系统内，正常情况下中性线的电位基本上是大地的电位，但由于种种原因它可能带危险对地电位，如电源回路一相接地导致中性线对地电位升高，但因中性线包有绝缘，还不致引起事故。公用电网内大量低压用户停电，这种故障一般不跳闸，只作为事故隐患。又如当10KV变电所内高压侧发生接地故障时，由于接地装置电位的升高同样也可使中性线带故障电压，因而10KV不接地网络的接地故障不跳闸只作用于信号，这个可达百伏左右的故障电压在中性线上也是持续存在的，它只在电气检修时对检修人员构成危险，因此在电气检修时，应在隔离相线的同时也隔离中性线。有一些城市将10KV网络由不接地系统改为经小电阻接地系统，上述故障电压就可达千伏以上，虽然这时10KV继电保护可切断电源，但其动作时间长达0.51S，依然会危及检修人员的安全。另外，检修时的电击危险还来自沿TT系统电源线路导入的雷电过电压，其持续时间虽然以微秒计算，但电压极高，足以使人致死。其对带电导体的隔离还有触头间空气间隙距离都有要求（对工频300V以下电压无此要求）。这需视海拔高度、空气污染程度以及触头形状等因素而定。英国IEE标准电气安装规范第460-01-0条规定，“低压断路器可兼作隔离电器”，说明其断路器的触头间的空气气隙是符合隔离要求的。对于各种沿中性线导入的危险电压引起电气检修时的电击事故，只能用在隔离相线的同时隔离中性线的方法来进行防范。所有照明电气装置并不是都要求中性线和相线一起隔离才能保证检修安全，这需要视接地系统类别和有无总等电位联结而定。IEC60364-4-46标准第461.2条规定：“在TN-S系统中（注：包括TN-C-S系统中户内TN-S部分）中性线不需要隔离和开关”。英国IEE标准电气安装规范第461-01-02条也规定，“在电源进线处除单相回路外TN-S、TN-C-S系统三相回路应断开全部相线而不要求断开中性线”。如此规定其原由是，TN-C-S系统电气装置设有总等电位联结。在IEC 60364标准和我国有关防电击标准中，总等电位联结都规定为各种接地系统内必不可少的基本防电击措施。当进行电气检修时，即使中性线没有隔离而带有从电源侧传导来的对地故障电压Uf，但由于存在总等电位联结的缘故，所有外露导电部分和装置外导电部分都处于同一电位水平Uf上，不存在电位差，检修人员接触中性线时自然不会遭受电击，甚至连触电的感觉都没有。因此，在有总等电位联结的TN-S系统中，不必为电气检修安全而隔离中性线。IEC 60364-4-46第461.2条不隔离中性线的规定未提及TT系统，说明TT系统内应隔离中性线。英国IEE标准电气安装规范第461-01-03条则规定，“TT系统（也包括IT系统）电气装置内的电气隔离应隔离所有带电导体，其中包括中性线”。虽然作了总等电位联结，但TT系统的中性线与地绝缘而未与总等电位联结导通，它与地间存在故障电压引起的电位差Uf，此电位差将对电气检修人员也会构成电击危险。因此，在TT系统（也包括不常用的IT系统）中，必须在总电源进线处和有需要的局部场所电源进线处将中性线和相线同时隔离。由于我国较多采用TN系统，如果按IEC和IEE标准的规定，不在TN系统使用四极开关，只在TT系统装用四极开关，则四极开关的使用可大大减少，这对提高电气安全水平和节约建设投资都是有益的。除了为电气检修安全隔离中性线外，TT系统内的漏电保护器（以下简称RCD）为防止出现两个故障电气安全也要求隔离中性线。TT系统因发生接地故障而使中性线带故障电压Uf。因中性线包有绝缘体，这一故障并不能直接引起事故。但如果再发生第二个故障（如相线碰外壳的设备接地故障），则RCD瞬即跳闸。如果RCD未隔离中性线，RCD跳闸后故障电压Uf将通过设备绕组和绝缘损坏的故障点传导至设备外壳上而导致电击事故。因此，为防止这种两个故障引起的电击事故，TT系统内RCD在断开相线时必须同时断开中性线以隔离Uf的传导。但在TN-S系统内（包括TN-C-S系统的户内TN-S部分）却不存在这种危险。这是因为在TN-S