第六章安全与接地.ppt

第六章安全与接地 第一节概述主要内容 供配电系统的接地与安全 一接地的概念1接地 就是把电气设备与电位参照点的地球作电气上的连接使其保证有一个较低的电位 2接地装置 接地引下线和接地体的总称 3接地的种类1保护接地 为了人身安全防止设备绝缘劣化外壳带电而危及人身安全 2工作接地 稳定对地电位和继电保护需要 比如变压器中性点接地 3防雷接地 倒泻雷电流 以消除过电压对设备的影响 第二节接地电阻 接触电压和跨步电压1流散电阻 接地电压 大地内的电流密度 接地电压 接地体等电位 如图1所示 接地电流流入地下以后 就通过接地体向大地作半球形散开 这一接地电流就叫做流散电流 流散电流在土壤中遇到的全部电阻叫 叫做流散电阻 接地电阻是接地体的流散电阻与接地体的电阻之和 接地体电阻一般很小 可以忽略不计 因此 接地电阻不是接地体的电阻 而是电流在土壤中流散时土壤所呈现的电阻 图1流散电阻 图2接地概念图 返回 2对地电压 电流通过接地体向大地作半球形流散 在距接地体越远的地方球面越大 所以流散电阻越小 一般认为在距离接地体20m以上 电流就不再产生电压降了 或者说 至距离接地体20m处 电压已降为零 电工上通常所说 地 就是这里的地 通常所说的对地电压 即带电体同大地之间的电位差 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与接地电阻的乘积 如果接地体有多根钢管组成 则当电流自接地体流散时 至电位为零处的距离可能超过20m 3跨步电压和接触电压 1 原理 图3跨步和接触电压 2 跨步电压跨步电压 在接地电位的分布区域内 当人 动物 的双脚分开站在接地电位分布区域内时 由于人的双脚具有不同的对地电位 一般将这种电位差称为跨步电压 一般将人的跨步步距定为0 8m 减小跨步电压的措施 深埋接地体 降低土壤的散流电阻 采用网状接地装置 并缩小接地网的间距 降低接地电阻 敷设水平均压带 降低电位差 3 接触电压接触电压 通常将地面离设备水平距离为0 8m处对地电位与设备的外壳 架构或墙壁离地面1 8m处两点间的对地电位 差为接触电压 基本措施 在距设备外壳周围约1m的地中 埋设20 30cm的辅助接地线并将与主接电线相连接 降低接地电阻 铺沙砂烁或浇混凝土或沥青地面可以提高地面表面电阻 增强绝缘性能 敷设水平均压带 降低电位差 第二节供配电系统的接地形式 建筑供配电系统的接地 是指将配电系统或建筑物中的电气装置 设施的某些导电部位经接地线连接到接地极 一保护接地形式在供配电系统中 如果配电线路的绝缘破坏 可能会使电器设备的金属外壳等可导电的部分的对地电位超出的安全电压 危及人身安全 保护接地 将电气设备的外露的可导电部分 金属外壳 与地作金属连接 实现这一接地称为保护接地 低压配电系统接地的形式根据电源端与地的关系 电气装置的外露可导电部分与地的关系分为TN TT IT系统 其中TN系统又分为TN S TN C TN C S系统 以拉丁文字作代号形式的意义为 第一个字母表示电源与地的关系 T表示电源有一点直接接地 I表示电源端所有带电部分不接地或有一点通过阻抗接地 第二个字母表示电气装置的外露可导电部分与地的关系 N表示电气装置的外露可导电部分与电源端有直接电气连接 T表示电气装置的外露可导电部分直接接地 此接地点在电气上独立于电源端的接地点 一TN系统根据国家标准 供配电系统设计规范 GB50052 95规定 TN系统连接的特点就是工作零线和保护接地线有直接的金属连接关系 即有工作零线 电气设备的金属外壳通过低压配电网的中性点接地 既保护接零 1TN C系统俗称三相四线制系统 这种方式的连接特点是工作零线和保护合二为一 二者共用 称为PEN线 1 特点 图4TN C系统 优点 简单 经济 配电系统的过电流保护可兼作单相接地故障保护 缺点 单相接地故障时 系统存在着安全隐患 PEN线突然断线 单相故障时 故障电流不能经过PEN线构成回路 保护零线和工作零线共用 PEN线对地存在电位差 设备也有电位差 PEN上有电流流过 对其他设备产生电磁干扰 2 使用状况现在已经不允许使用 TN S系统俗称的三相五线制 图5TN S系统 这种方式的特点是将TN C系统中共用的工作零线和保护零线分开 设置独立的工作零线N和保护零线PN 设备的金属外壳与独立的保护零线连接 1 特点优点 发生单相短路故障时 故障电流仍然经设备金属外壳和 PE线构成回路 供配电线路的过流保护仍然可以兼作单相接地故障保护 设备的外壳对地没有电位差 不会对设备产生电磁干扰 缺点增加了投资 单相接地故障时 PE断线 系统存在安全隐患 2 使用状况目前我国推广的系统 附 1 在三相四线制配电线路的进户点再改为三相五线制安装方法是将工作零线和保护零线分开进户 在保护零线上再安装一个重复接地体 2 将变压器零线的一处或多处通过接地装置与大地的再次连接 重复接地 在1kV以下中性点直接接地的电力系统中 为确保接零安全可靠 除在电源中性点进行工作接地外 还必须在中性线的其他地方进行必要的重复接地 这些地方有 架空线路的干线和分支线的终端及沿线每1km处 电缆或架空线路引入室内或大型建筑物处 但距接地点不超过50m者除外 室内设备接地时 应将中性线与设备的接地装置相连接 每一重复接地装置的接地电阻均不应大于10 重复接地是保护接零系统中不可缺少的安全措施 它的安全作用主要有以下几方面 1 通过接地电阻和中性线阻抗的并联 降低漏电设备对地电压 2 一旦发生中性线断线时 由于重复接地存在 可以减轻触电的危险程度 3 重复接地和工作接地可构成中性线的并联分支 短路发生时能增大短路电流加速线路保护装置的动作 缩短故障的持续时间 4 重复接地对雷电流有分流作用 有利于限制雷击过电压的产生和改善防雷性能 3NT C S系统系统中有一部分中性线和保护线是合一的 兼有TN C和TN S的特点 常用于TN C的供电方式 图6TN C S系统 4TN方式的注意事项 1 PE或PEN线必须可靠连接 任何时候都不能断开 2 不允许在PE线或PEN线上装设熔断器等开关电器 3 PE线和N线分开后 就不能再合并 出现环流 二TT系统TT系统有一个直接接地点 电气设施的外露可导电部分接至电气上与电力系统的接地点无关的接地极 图7TT系统 TT系统的安全性能和电磁兼容性比TN系统好 故障电流经设备金属外壳 独立的接地体和中性点接地电阻构成回路 但成本高于TN系统 在欧洲的应用广泛使用 应用前景比较好 三IT系统电源中性点不接地 而电气设备的金属外壳通过独立的接地体接地的方式 对IT系统来说 各自的PE线独立接地 设备的金属外壳无电位差 在发生单相接地故障时 安全性能更好 图8IT系统 四总结1 TN系统中性点直接接地并引出有中性线保护线或保护中性线 顾名思义中性线和地线合为了一体 属于三相四线制系统系统有个特点就是设备不单独接地只系统接地 分TN C TN S和TN C S三种 a TN S系统 整个系统的中性导体和保护导体是分开的 b TN C系统 整个系统的中性导体和保护导体是合一的 c TN C S系统 系统中一部分线路的中性导体和保护导体是合一的 2 TT系统也属于三相四线制系统但除了系统接地外用电设备分别单独接地 3 IT系统是中性点不接地或经1k 阻抗接地其他用电设备单独接地 通常不引出N线 第三节接地计算和接地装置一接地电阻的计算 1垂直接地体 土壤电阻率L 接地体长度d 接地体直径 多根垂直接地体 利用系数 它表示由于电流相互屏蔽而使电流不能充分利用 2水平接地体 12 每根长约60米 为土壤电阻率 L 为接地体长度 表1垂直管形接地体的利用系数 3接地网发电厂和变电所接地 L 接地体 包括水平 垂直 总长度S 接地网面积 接地网在冲击电流的作用下同样具有火花和电感效应影响 这个问题涉及很复杂 常常需要通过实验来掌握 部分自然接地体的工频接地电阻可采用下列公式计算 1 电缆金属外皮和水管等的接地电阻RE 2 l 式中 为土壤电阻率 l 为电缆及水管等的埋地长度 2 钢筋混凝土基础的接地电阻式中 为土壤电阻率 V 为钢筋混凝土基础的体积 m3 4自然接地体的接地电阻的计算 5接地装置计算过程 1 按设计规范要求确定允许的接地电阻值 2 实测或估算可以利用的自然接地体的接地电阻 3 计算需要补充的人工接地体的接地电阻 4 计算单根接地体的接地电阻 5 计算接地体的数量 例题有一个50kVA的变压器中性点需要接地 可利用自然接地体的电阻为25 已知接地电阻的要求值不大于10 接地处的土壤电阻率为150 m 试确定接地装置的方案并求出相应的参数 解 1 先求出需要补充的人工接地装置的电阻值 2 根据需要补充的人工接地体电阻值 可以初步确定采用垂直钢管接地体 并用扁钢焊成一排的方案 求出单根垂直钢管接地电阻 3 计算接地体的数量查利用系数表得 取为0 8 接地体的数量 4 最后的方案是 考虑接地体的均匀对称布置 选取5根直径50mm 长为2 5m的镀锌钢管做垂直接地体 并用40mm 40mm 40mm的镀锌扁钢焊接 敷设成一字形 管间的距离为5m 这样就可以满足接地电阻小于10 的要求 二接地装置1接地体优先使用自然接地体 如果自然接地体不能满足要求时 再考虑增加人工接地体 1 垂直接地体接地体的布置根据安全 技术要求 因地制宜安排 可以组成环形 放射形或单排布置 为了减小接地体相互间的散流屏蔽作用 相邻垂直接地体之间的距离不应小于2 5 3m 垂直接地体的顶部采用扁钢或直径圆钢相连 上端距地面不小于0 6m 通常取0 6 0 8m 常用的几种垂直接地体布置形式如图10 图10常用的垂直接地体的布置 图9单个垂直接地体的安装 2 水平接地体 多岩石地区和土壤电阻率较高 的地区 因地电位分布衰减较慢 接地体宜采用水平接地体为主的棒带接地装置 水平接地体通常采用扁钢或直径为 12 16的圆钢组成 可以组成放射形 环形或成排布置 水平接地体应埋设于冻土层以下 一般深度为0 6 1m 扁钢水平接地体应立面竖放 这样有利于减少流散电阻 常用的几种水平接地体布置形式 如图11 图11水平接地体布置 3 接地网 发电厂和变电所常采用以水平接地体为主的复合接地体 即人工接地网 对面积较大的接地网 降低接地电阻靠大面积水平接地体 既有均压 减小接触电压和跨步电压的作用 又有散流作用 复合接地体的外缘应闭合 并做成圆弧形 埋入土中的接地棒之间用扁钢带焊接相连 形成地下接地网 扁钢带敷设在地下的深度不小于0 3m 扁钢带截面不得小于48mm2 厚度不得小于4mm 装设保护接地时 为尽量降低接触电压和跨步电压 应使装置地区内的电位分布尽可能均匀 为了达到此目的 可在装置区域内适当地布置钢管 角钢和扁钢等 形成环形接地网 见图12 图12接地网的布置 图12由钢管和偏钢组成的环形接地网和电压分布 2引下线 人工接地线 为连接可靠并有一定的机械强度 人工接地线一般采用钢质扁钢或圆钢接地线 只有当采用钢质线施工安装困难时 或移动式电气设备和三相四线制照明电缆的接地芯线 才可采用有色金属作人工接地线 但铝线不能作为地下的接地线 为防止机械损坏及锈蚀情况 接地线要有足够大的尺寸 对于1000V以上的系统一般要根据单相短路电流校验其热稳定 对于1000V以下中性点不接地系统 其接地干线的截面 根据载流量来说 不应小于相线中最大负荷相负荷的50 单独用电设备则不应小于其分支供电线容许负荷的1 3 在任何情况下 钢质接地线的截面不大100mm2 铝质接地线则为35mm2 铜质接地线则为25mm2 接地线应该敷设在易于检查的地方 并须有防止机械损伤及防止化学作用的保护措施 从接地体或从接地体连接干线引出的接地干线应明设 并涂漆标明 一般涂上紫色 穿越楼板或墙壁时 应穿管保护 接地干线要支持牢固 若采用多股导线连接时 要采用接线耳 从接地干线敷设到用电设备的接地支线的距离愈短愈好 接地线相互之间及接地体之间的连接应采用焊接 并无虚焊 接地线与电气设备的连接方法可采用焊接或用螺栓连接 接地线与接地体之间的连接应采用焊接或压接 连接应牢固可靠 电气装置中的每一个接地元件 应采用单独的接地线与接地体或接地干线相连接 3接地电阻 表2不同系统 不同装置下的工频接地电阻允许值 4降低土壤电阻率的方法 降低接地电阻 决定接地电阻的主要因素是土壤电阻率 常见的降低土壤电阻率的方法有以下几种 1 将接地装置附近置换成低电阻率的土壤 2 经常在埋设接地装置的地方浇以盐水 3 当上层土壤的电阻率很大 例如干砂 而下层土壤的电阻率又较小时 可以采用深埋接地体的方法 4 当遇到土壤的电阻率很大 而附近一定距离内有水源时 可以将接地体延伸到有水源的地方埋设 但应注意 延伸 的长度不宜过长 一般不超过40m 否则雷电流传来时 将因电感的作用而使接地装置始端电位增高 5 如在电力设备附近1km以内有电阻率较低的土壤 可敷设引外接地体 以降低厂 所内的接地电阻 6 把进变电所线路的地线全部连接起来 电流通过地线散流 对降低接地电阻也是有效的 7 对于多年冻土的地区 电阻率极高 可将接地体敷设在溶化地带或溶化地带的水池或水坑中 敷设深钻式接地体 或充分利用井管或其他深埋在地下的金属构件作接地体 在房屋溶化范围内敷设接地装置 除深埋式接地体外 还应敷设深度约0 5m伸长接地体 以便在夏季地表层化冻时起散流作用 在接地体周围人工处理土壤 以降低冻结温度和土壤电阻率 等电位联结是将建筑物中各电气装置和其它装置外露的金属及可导电部分与人工或自然接地体同导体连接起来以达到减少电位差称为等电位联结 等电位联结有总等电位联结 局部等电位联结和辅助等电位联结 见图17 一总等电位连接总等电位联结 MEB 总等电位联结作用于全建筑物 它在一定程度上可降低建筑物内间接接触电击的接触电压和不同金属部件间的电位差 并消除自建筑物外经电气线路和各种金属管道引入的危险故障电压的危害 它应通过进线配电箱近旁的接地母排 总等电位联结端子板 将下列可导电部分互相连通 第四节等电位连接 进线配电箱的PE PEN 母排 公用设施的金属管道 如上 下水 热力 燃气等管道 建筑物金属结构 如果设置有人工接地 也包括其接地极引线 图13总电位连接示意图 以上部分与总电位连接端子有直接的金属连接 总电位连接端子在通过接地线与接地体连接 于是 建筑中的这些金属体的电位相同 构成一个总的等电位区域 该区域内的人体触及外露的金属导体时 即使接地体存在对地电位 但由于人体处在等电位区域 所以危险不大 图14利用建筑物柱内主钢筋及基础作接地装置的建筑物总等电位连接示意图 二局部等电位连接 LEB 当需在一局部场所范围内作多个辅助等电位连接时 可通过局部等电位连接端子板将下列部分互相连通 以简便地实现该局部范围内的多个辅助等电位连接 被称作局部等电位连接 PE母线或PE干线 公用设施的金属管道 如果可能 包括建筑物金属结构 如图13所示 如果发生单相接地故障 接地故障电流通过金属外壳 局部等电位连接线 总PE线构成回路 故障点电流 由于具有层等电位连接 楼层地面与该层设备具有等电位 设备的金属外壳对楼层地面的电位仅仅是由楼层局部等电位连接的线阻抗Z1上的压降 加在人体上的电位 显然 采用了局部等电位连接后 可以进一步降低接触电压 一般相电压为220V 安全电压为50V 只要保证Z1的阻抗不超过总阻抗比例的22 即使发生接地故障的保护装置未动作 也可以保证接触电压在安全的范围之内 图13局部等电位连接示意图 总等电位连接采用柱内主钢筋及基础做接地装置 PE线在总等位连接端子引出 在每层 通常是在配电箱附近 预留接地钢板 用偏钢将接地钢板与附近的作为总电位连接柱内钢筋焊接连接 构成局部等电位连接端子 每层内设备的金属外壳与局部等电位连接端子引出的PE线连接 于是 建筑物内的各类进出管道 设备的金属外壳电位与局部等电位连接端子具有相同的电位 图17等电位连接示意图 第五节供配电系统的剩余电流动作保护供配电系统中 在发生单相接地故障时 如果得不到有效的保护 设备的金属外壳可能超出安全电压范围 从而引起触电事故 TN系统中PE或PEN断线 设备的金属外壳带有相电压 TT系统接地电阻R不能满足要求 在单相接地时设备的金属外壳也超过安全电压 当电气设备的金属外壳带电 相线碰壳或绝缘破坏 时 由于有接地保护可以大减少触电的危险性 但是低压断路器不一定跳闸 如两接地电阻各为4欧姆 这是接地的要求 4欧姆 当发生单相接地故障时 220 8 27 5A 达不到断路器或熔断器的动作电流 不能切断故障回路 就能进行保护 为了防止这类的安全隐患 在电路发生故障且其故障电流小于电路的过流保护装置的动作电流时 需要安装剩余电流动作保护装置 即为通常所称的漏电保护器 英文缩写RCD 一剩余电流动作保护装置的原理 图18剩余电流动作保护装置工作原理图TAN 零序互感器 A 放大器 YR 脱扣器 QF 低压断路器 图19零序电流互感器原理 1零序电流互感器原理 图19 1 c 为四线穿芯 用在三相四线制 TN C 或三相五线制 TN S 的网络中 铁芯 用导磁率很高的坡莫合金制成环形铁芯组成磁路 在闭合磁路的铁芯上绕一定匝数的线圈作为副边绕组 即二次线圈 和原边绕组 即一次线圈 由两根或多于两根的导线穿过铁芯或在铁芯上绕数匝 已经证明了三种系列当零序电流互感器的一次导线中通过电流时 若负载线路上没有触 漏电电流存在 一次导线电流的矢量和为零 铁芯中的磁通则互相抵消 互感器的二次线圈中的感应电势E2也为零 当被保护的负载线路上发生触 漏电或触电事故时 一次导线电流的矢量和就不为零 它们在铁芯中产生的磁通也就不为零 因此 互感器二次线圈中便产生感应电势E2 触 漏电或触电电流越大 二次感应电势E2也越大 零序电流互感器作为一个检测元件 其作用就是把检测到的触 漏电信号变换成二次回路的工作电压J2 使其加在触 漏电脱扣器线圈上 产生二次回路的工作电流 从而推动脱扣器动作或者通过放大电路将二次信号放大 再去推动执行元件或脱扣器动作 2剩余电流动作保护装置 图20剩余电流保护装置的内部结构图 断路器与剩余电流电保护器 脱扣器 二部分合并起来就构成一个完整的漏电断路器 具有过载 短路 漏电保护功能 根据客户要求还可增加过压保护功能 过压保护功能的实现是由漏电保护器的电子组件板增加功能而实现的 如下图所示 图21剩余电流保护装置的表面图 DZ47LE移印内容的解读是公司的注册商标 是表示产品的型号及壳架等级电流 表示必须定期对开关作模拟漏电流试验 以防在使用过程中损坏 更换 每个月一次 C16表示开关的额定电流是16A 在移印时A按标准省去不印 C表瞬时脱扣器代号 号 也就是C曲线特性 5In 10In 230V表示产品额定电压 IEC1009 1表示产品符合的国际标准 GB16917 1表示产品符合的国家标准 6000表示产品的运行短路分断能力为6000A 表示国家强制性3C认证标志 A010941表示工厂编号 表示表示开关往上推 开关闭合接通 用ON与I表示 往下推表示开关断开 用OFF与O表示 表示额定漏电动作电流是30mA 电源类别属于交流电 开关的保护动作时间小于或等于0 1秒 表示小型漏电断路器 1P N 的线路图左边表示由一极断路器与直通零线 右边表示脱扣器部分 脱扣线圈 零序电流互感器试验按扭 试验电阻等 进线各极分别用1 3 5 7表示 出线用2 4 5 6表 零线用N表示 进出线代号不变 漏电指示按扭 当开关漏电时此按扭会弹起排除故障后 闭合开关之前必须将指示按扭复位 否则开关不能闭合 二剩余电流动作保护装置的接线方式 图22TN S剩余电流保护装置的典型接线 剩余电流动作保护装置有单相装置和三相装置 单相装置分为单性和双极 应优先选择双极型剩余电流动作保护装置 三相装置有三线 三极 或四线 三极或四极 两种形式 对于三相三线电源供电的动力设备 应优先选择三线三极 对于同时向单相动力设备和三相动力设备供配电线路应选四线三极型或四线四极型剩余电流动