间接接触电击防护

第三章间接接触电击防护 第三章间接接触电击防护 电气系统故障或异常状态下的电击 人体与正常状态下不带电 而在故障或异常状态下变为带电的物体接触造成的触电事故 保护接地与保护接零是防止间接接触电击最基本的措施 保护接地 使电工设备的金属外壳接地的措施 可防止在绝缘损坏或意外情况下金属外壳带电时强电流通过人体 以保证人身安全 保护接零 把电工设备的金属外壳和电网的零线可靠连接 以保护人身安全的一种用电安全措施 接地的基本概念 接地 电气设备的某些部位 电力系统的某点与大地紧密连接 提供故障电流和雷电电流的泄流通道 起到稳定电位 提供零点参考电位的作用 确保电力系统 电气设备的运行安全 保障运行人员和其他人员人身安全的措施 接地装置 包括引线在内的埋设在地中的一个或一组金属体 包括水平埋设或垂直埋设的金属接地极 金属构件 金属管道 钢筋混凝土基础 金属设施等 表征接地装置电气性能的参数为接地电阻 接地电阻 接地装置相当于无穷远处零点电位的电压与通过接地装置流入地中电流的比值 接地电阻反映接地装置流散电流 稳定电位能力的高低及保护性能的好坏 越小越好 接地分类 正常接地和故障接地正常接地 工作接地和安全接地工作接地 正常情况下有电流通过 利用大地代替导线的接地 以及正常情况下没有或很少电流通过 用以维持系统 设备 安全运行的接地 书上P71 配电网的变压器或发电机中性点接地 简而言之 配电系统接地安全接地 正常情况下没有电流通过 防止触电事故的接地 故障接地 带电体与大地之间意外连接 如接地短路等 接地电流和接地短路电流 接地电流 从接地点流入地下的电流接地短路电流 系统一相接地导致系统发生短路产生的电流 小于等于500A的接地短路电流称为小接地短路电流 大于500A的称为大接地短路电流 流散电阻和接地电阻 接地电流流入地下后 自接地体向四周流散 从接地体向四周流散的电流称为流散电流 流散电流在土壤岩石中遇到的全部电阻称为流散电阻接地电阻 接地体的流散电阻与接地线电阻之和 接地线电阻很小可忽略 接地体对地电压 对地电压 带电体与电位为零的大地之间的电位差 r 接地电流的流散半径 土壤或岩石电阻率I 流散电流 对地电压降 当观测点远离接地体20米时 电流产生的压降几乎为零 电气工程中的 地 的概念 接触电动势和接触电压 接触电动势 电流自接地体流散 在大地表面形成电位 与接地体相连的设备外壳与水平距离0 8m处之间的电位差 接触电压 施加与人体两点间的电压 相电压与线电压 对于交流电来说 相电压就是任一相线 火线 与零线之间的电压 也就是220V 三相交流电有三个相电压 三者电压 频率相同 相互之间的相位相差120 任意两根相线之间的电压 称为线电压 380V 三相交流电有三个相电压 所以也就有三个线电压 三个线电压的电压 频率相同 相互间的相位相差120 线电压 3 相电压 一 IT系统IT系统就是电源系统的带电部分不接地或通过阻抗接地 电源中性点不接地 电气设备的外露导电部分接地的系统 第一个大写 I 表示配电网不接地或经高阻抗接地 第二个大写 T 表示电气设备金属外壳接地 中性点是指变压器低压侧的三相线圈构成星形联结 联结点称中性点 此点与外部各接线端间电压绝对值相等 此点就是中性点 1 IT系统安全原理 为了保证电气设备 包括变压器 电机和配电装置 在运行 维护和检修时 不因设备的绝缘损坏而导致人身触电事故 所有这些电气设备不带电的部分如外壳 金属构架和操作机构以及互感器的二次绕组等都应妥善接地 电气设备的接地规程规定 电压在1000V以下电源中性点不接地的电网和1000V以上任何形式的电网中 均需采用保护接地 称之为IT系统 作为保安技术措施 应用很广泛 保护接地的原理是给人体并联一个小电阻 以保证发生故障时 减小通过人体的电流和承受的电压 图3 1所示电动机采用保护接地后 当一相绕组因绝缘损坏而碰壳 即与外壳短路时 此时若工作人员触及带电的设备外壳 因人体的电阻远较接地极的电阻大 大部分电流流经接地极入地 而通过人体的电流极其微小 从而保证了人身的安全 2 IT系统应用范围 IT系统适用于各种不接地配电网 包括低压不接地配电网 如井下配电网 和高压不接地配电网 还包括不接地直流配电网 在这些电网中 凡由于绝缘损坏或其它原因而可能带危险电压的正常不带电金属部分 除另有规定外 均应接地 应当接地具体部位是 接地具体部位 1 电动机 变压器 开关设备 照明器具 移动式电气设备的金属外壳或金属结构 2 类电动工具或民用电器的金属外壳 3 配电装置的金属构架 控制台的金属框架及靠近带电部分的金属遮栏和金属门 4 配线的金属管 5 电气设备的传动装置 6 电缆金属接头盒 金属外皮和金属支架 7 架空线路的金属杆塔 8 电压互感器和电流互感器的二次线圈 5 接地电阻允许值 因为故障对地电压等于故障接地电流与接地电阻的乘积 所以 各种保护接地电阻不得超过规定的限值 对于低压配电网 单相故障接地电流很小 限制电气设备的保护接地电阻不超过4 即能将其故障时对地电压限制在安全范围以内 如配电容量在100kVA以下 由于配电网分布范围很小 单相故障接地电流更小 限制电气设备的保护接地电阻不超过10 即可满足安全要求 在高压配电网中 由于接地故障电流比低压配电网的大得多 将故障电压限制在安全范围以内是难以实现的 因此 对高压电气设备规定了数值较低的保护接地电阻允许值 并限制故障持续时间 各种保护接地电阻允许值见表3 7 表3 7保护接地电阻允许值 注 Id为接地电流或接地短路电流 过电压及其防护 外部原因造成 雷电 电磁感应 静电感应内部原因造成 操作过电压 谐振过电压 事故措施 中性点经击穿保护器接地击穿保护器 击穿电压大多不超过额定电压的2倍正常情况下 击穿保护器处于绝缘状态 配电系统不接地 6 2操作过电压的限制措施 电力系统运行中 由于运行状态额突然变化 例如正常或故障操作 导致系统内电感和电容元件间电磁能转换 引起振荡 在设备或局部电网上出现过电压 即操作过电压 内过电压 中性点直接接地系统中 常见的操作过电压 合闸空载线路过电压 超高压系统中 最严重 切除空载线路过电压切除空载变压器过电压解列过电压 发生概率很低 中性点非直接接地系统中 主要是弧光接地过电压 防护措施 采用中性点经消弧线圈或电阻接地 断路器及其他设备性能改善 不严重 二 TT系统 1 TT系统安全原理TT系统是电源系统有一点 电源中性点 直接接地 设备外露导电部分的接地用保护接地线PE接到独立的接地体上 前后两个字母 T 分别表示配电网中性点和电气设备金属外壳接地 图3 2所示的配电网俗称三相四线配电网 这种配电网引出三条相线 L1 L2 L3线 和一条中性线 N线 工作零线 在这种低压中性点直接接地的配电网中 如电气设备金属外壳未采取任何安全措施 则当外壳故障带电时 故障电流将沿低阻值的低压工作接地 配电系统接地 构成回路 由于工作接地的接地电阻很小 设备外壳将带有接近相电压的故障对地电压 电击的危险性很大 在这种系统中 当某一相线直接连接设备金属外壳时 其对地电压为 式中 RN为工作接地的接地电阻 该电压低于相电压 但由于RA与RN同在一个数量级 漏电电流几乎不可能被限制在安全范围内 对于一般的过电流保护 实现速断是不可能的 因此 一般情况下不能采用TT系统 如确有困难 不得不采用TT系统 则必须将故障持续时间限制在允许范围内 在TT系统中 故障最大持续时间原则上不得超过5s 这样才能减少电流对人体的危害 2 TT系统应用范围TT系统主要用于低压共用用户 即用于未装备配电变压器 从外面引进低压电源的小型用户 三 TN系统 目前 我国地面上低压配电网绝大多数都采用中性点直接接地的三相四线配电网 在这种配电网中 TN系统是应用最多的配电及防护方式 1 TN系统安全原理 TN系统是电源系统有一点直接接地 负载设备的外露导电部分通过保护导体连接到此接地点的系统 即采取接零措施的系统 字母 T 和 N 分别表示配电网中性点直接接地和电气设备金属外壳接零 设备金属外壳与保护零线连接的方式称为保护接零 典型的TN系统见图3 3 在这种系统中 当某一相线直接连接设备金属外壳时 即形成单相短路 短路电流促使线路上的短路保护装置迅速动作 在规定时间内将故障设备断开电源 消除电击危险 a TN S系统 b TN C S系统 c TN C系统 三种方式 TN S系统 TN C S系统 TN C系统 工作零线 中性线 N 为保障系统运行使中性点接地的零线 保护零线 保障人身安全配备的接地零线 PETN S 保护零线与工作零线完全分开 可用于爆炸 火灾危险性较大或安全要求高的场所 宜用于独立附设变电站的车间 也适用于科研院所 计算机中心 通信局站等 正常工作条件下 外露导电部分和保护导体呈零电位 最 干净 的系统 TN C S 干线部分的前部保护零线与工作零线共用 宜用于厂内设有总变电站 厂内低压配电场的场所及民用楼房 TN C 保护零线与工作零线共用 可用于爆炸 火灾危险性不大 用电设备较少 用电线路简单且安全条件较好的场所 由同一台变压器供电的配电网中 不允许一部分电气设备采用保护接地而另一部分电气设备采用保护接零 即一般不允许同时采用TN系统和TT系统的混合运行方式 3 重复接地TN系统中 保护中性导体上一处或多处通过接地装置与大地再次连接的接地 称为重复接地 图3 4中的Rc即重复接地 a 无重复接地 b 有重复接地 1 重复接地的作用 减轻PE线或PEN线意外断线或接触不良时接零设备上电击的危险性 当PE线或PEN线断开时 如像图3 4 a 所示的那样 断线后方某接零设备漏电但断线后方无重复接地 则断线后方的零线及其上所有接零设备都带有将近相电压的对地电压 电击危险性极大 如像图3 4 b 那样 断线后方某接零设备漏电但断线后方有重复接地 则断线后方的零线及接零设备和断线前方的零线及接零设备分别带有如下的对地电压 这两个电压虽然都可能是危险电压 但毕竟都远远低于相电压 总的危险程度得以降低 减轻PEN线断线时负载中性点 漂移 TN C系统的零线断开后 如断线后方有不平衡负荷 则负载中性点发生电位 漂移 使三相电压失去平衡 可能导致接在一相或两相上的用电器具烧坏 如图3 5所示的工作零线断线 第1相未用电 第2相和第3相分别接有P2 4kW和P3 1kW 设功率因数相同 的负荷的例子 这时 第2 3两相负载串联在线电压上 如线电压为380V 则第2 3两相负载上的电压分别为 图3 5TN C系统的零线断线 进一步降低故障持续时间内意外带电设备的对地电压 如图3 6所示 如有设备漏电 过电流保护装置尚未动作 则无重复接地时漏电设备对地电压为 而有重复接地时 漏电设备对地电压降低为 图3 6重复接地降低设备漏电对地电压 a 无重复接地 b 有重复接地 缩短漏电故障持续时间由于重复接地在短路电流返回的途径上增加丁一条并联支路 可增大单相短路电流 缩短漏电故障持续时间 改善架空线路的防雷性能由于重复接地对雷电流起分流作用 可降低雷击过电压 改善架空线路的防雷性能 2 重复接地的要求以下处所应装设重复接地 架空线路干线和分支线的终端 沿线路每1km处 分支线长度超过200m分支处 线路引入车间及大型建筑物的第1面配电装置处 进户处 采用金属管配线时 金属管与保护零线连接后做重复接地 采用塑料管配线时 另行敷设保护零线并做重复接地 当工作接地电阻不超过4 时 每处重复接地电阻不得超过10 当允许工作接地电阻不超过10 时 允许重复接地电阻不超过30 但不得少于3处 保护导体 为防电击 用来与外露可导电部分 外部可导电部分 主接地端子 接地极 电源接地点或人工中性点任一部分作电气连接的导体 符号 PE 组成 保护导体包括保护接地线 保护接零线和等电位联结线 安全性 保护导体断开或缺陷除可能导致触电事故外 还可能导致电气火灾和设备损坏 因此 必须保证保护导体的可靠性 原则 防保护导体断开引发事故 干线必须与电源中性点和接地体相连 为保证导电连续性 不得设置单极开关和熔断器分类 人工保护导体 导电性好 不易损坏自然保护导体 方便 可靠 节约成本 减少接地体电阻 建筑物金属 轨道 煤气等可燃物 气体管道不得使用 保护导体的截面积 为满足导电能力 热稳定 机械稳定性 耐化学腐蚀要求 保护导体必须有足够的截面积 Idmax最大电流 t过流保护时间 K计算系数当保护线与相线SL材料相同时 保护线截面可以直接按下表选取 如果保护线与相线材料不同 可按相应的阻抗关系考虑 兼作工作零线的保护零线的PEN线的最小截面积 除应满足不平衡电流的导电要求外 还应满足保护接零可靠性的要求 为此 要求铜质PEN线截面积不得小于10mm2 铝质的不得小于16mm2 如系电缆芯线 则不得小于4mm2 3等电位联结 等电位联结指保护导体与建筑物的金属结构 生产用的金属装备以及允许用作保护线的金属管道等用于其他目的的不带电导体之间的联结 包括IT系统和TT系统中各用电设备金属外壳之间的联结 作用 通过等电位联结可以实现等电位环境 等电位环境内可能的接触电压和跨步电压应限制在安全范围内 等电位连接的定义 等电位连接 也叫联结 的定义有以下几种 但都是强调有可能带电伤人或物的导电体被连接并和大地电位相等的连接就叫等电位连接 美国国家电气法规对等电位连接所下的定义是 将各金属体做永久的连接以形成导电通路 它应保证电气的连续导通性并将预期可能加于其上的电流安全导走 GB50057 94对等电位连接定义 将分开的装置 诸导电物体等用等电位连接导体或电涌保护器连接起来以减小雷电流在它们之间产生的电位差 GB50343 2004定义 设备和外漏可导电部分的电位基本相等的电气连接 GB50054 95定义 使各外露导体可导电部分和装置外可导电部分电位基本相等的电气连接 国际上非常重视等电位连接的作用 它对用电安全 防雷以及电子信息设备的正常工作和安全使用 都是十分必要的 根据理论分析 等电位连接作用范围越小 电气上越安全 分类 总等电位连接局部等电位连接 第六节接地装置 接地装置是接地体 极 和接地线的总称 运行中电气设备的接地装置应当始终保持良好状态 分类 自然接地体人工接地体 1自然接地体和人工接地体 自然接地体是用于其他目的 且与土壤保持紧密接触的金属导体 利用自然接地体不但可以节省钢材和施工费用 还可以降低接地电阻和等化地面及设备间的电位 如果有条件 应当优先利用自然接地体 人工接地体可采用钢管 角钢 圆钢或废钢铁等材料制成 人工接地体宜采用垂直接地体 多岩石地区可采用水平接地体 变电所经常采用以水平接地体为主的复合接地体 即人工接地网 复合接地体的外缘应闭合 并做成圆弧形 为了保证足够的机械强度 并考虑到防腐蚀的要求 电力线路杆塔接地体引出线应镀锌 截面积不得小于50mm2 2接地线 交流电气设备应优先利用自然导体作接地线 在非爆炸危险环境 如自然接地线有足够的截面积 可不再另行敷设人工接地线 车间电气设备较多时分为 接地干线 接地支线 各电气设备的接地支线应单独与接地干线或接地体相连 不应串联连接 接地线的涂色和标志应符合国家标准 非经允许 接地线不得作其他电气回路使用 低压电气设备外露铜 铝接地线截面积 接地线的截面要求 见下表 3接地电阻 接地体对无穷远处零电位面之间的电压U与通过接地体泄入大地的电流I之比值 R R1 R2 R3 R4 R4 接地体本身电阻 引下线电阻 接地体与土壤接触电阻 接地体至零电位之间土壤电阻 a垂直接地体 多根垂直接地体并联 利用系数 1 2根并联 0 9 6根并联 0 7 4大地的导电特性 土壤电阻率大地的导电方式 电子导电和离子导电 因此 干燥的土壤或纯净的水是不导电或导电能力很差的土壤电阻率的大小主要取决于土壤中导电粒子的浓度和土壤的含水量 也就是说 土壤中所含导电离子浓度越高 土壤的导电性就越好 电阻率就越小 影响土壤电阻率的因素 土壤种类土壤含水量土壤温度土壤化学成分土壤物理性质季节影响 5降低接地电阻的施工