第3章下篇 间接接触电击防护课件

第三章间接接触电击防护 供电系统方式主要内容 供电系统方式概念 安全原理 分类及适用条件IT方式供电系统TT方式供电系统TN方式供电系统保护接地技术主要内容 接地分类及概念保护导体与等电位联结接地装置及技术接地电阻的影响因素接地电阻测量 1 供电系统方式 1 1 供电系统方式概念国际电工委员会 IEC 作了统一规定 将供电系统划分为三大类 这就是IT方式供电系统 TT方式供电系统和TN方式供电系统 在TN系统中 根据接线方式的区别又进一步分为TN C TN S和TN C S三种方式 IEC对供电系统方式的划分 IT系统方式TT系统TN CTN系统TN STN C S以上分类基于电源采用Y型联接 供电系统方式符号的定义 以拉丁文字作代号 其意义如下 第一个字母表示电源系统中性点与大地的关系 电源端中性点不接地或通过高阻抗 1000 接地 电源端中性点直接接地 第二个字母表示用电装置的外露可导电部分 金属外壳 的保护方式 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任何其他接地点 保护接地 电气装置的外露可导电部分与电源端接地点直接电气连接 保护接零 注意 无IN方式 TN方式后面的字母 C S 用来表示该方式中工作零线与保护零线的组合关系 工作零线与保护零线是合二为一的 Combination 工作零线与保护零线是严格分开的 Single 分类的优点及综合评价 优点 清晰 严谨 综评 IT系统有条件使用 矿山井下 TT系统目前已不推荐使用 TN系统广泛使用 1 2 IT方式供电系统 中文表述 IT系统即电源中性点不直接接地 用电设备外壳采用保护接地的供电系统 1 2 IT方式供电系统1 IT方式供电系统安全原理 在不接地配电网中 如不采取任何保护措施的情况 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 如各相对地绝缘阻抗对称 即Z1 Z2 Z3 Z 则运用戴维南定理可以比较简单地求出人体承受的电压和流经人体的电流 a b 则当外壳故障带电时 通过人体的接地电流IE与电网对地绝缘阻抗形成回路 当各相对地绝缘阻抗相等 即Z1 Z2 Z3 Z时 运用戴维南定理可求得图3 2b所示等效电路 等效电路中的电压源电压为一端口网络的开路电压 即在没有人触电时该相对地电压 因为是对称三相电路 该电压为相电压 等效电路中的内阻抗应是网络内各电压源全部短路后从该相看进去的等效阻抗 即三相阻抗的并联 因为三相对地绝缘阻抗相等 等效阻抗的数值为 根据等效电路图3 2b 可求出人体承受的电压和流过人体的电流分别为 式中 U 相电压 UP IP 人体电压和人体电流 RP 人体电阻 Z 各相对地绝缘阻抗 举例 三相低压线路 相电压220V 每相对地阻抗 M 设人体电阻RP 1000 计算人体的电压 电流分别为0 66V和0 66mA 对地绝缘阻抗 是绝缘电阻 和分布电容 的并联组合 当分布电容很小时 可不考虑容抗 则人体电压和人体电流分别为 如对地分布电容较大 同时对地绝缘电阻又很高 时 可不考虑电阻 此时求得人体电压和人体电流将分别为 U 两个例题说明 在不接地配电网中 如不采取任何保护措施 只有小范围的配电网才可能保证安全 电气隔离 当电网范围很大 对地绝缘做得再好 仅分布电容构成的回路也将导致电击的危险 例题 设电网各相对地电压为220V 各相对地绝缘电阻可视为无限大 各相对地电容均为0 55 F 人体电阻为2000 试判断单相电击的危险性 解 人体触电的危险性在很大程度上取决于通过人体的电流 将上述条件代人对应的公式 可求得人体电压和人体电流分别为 当设备的外壳故障带电时 保护接地电阻 E与人体电阻 P处于并联状态 如图示 当设备上装有保护接地 即构成 系统后 将会如何 由于在一般情况下 P 因此并联后的等效电阻的阻值与 近似相等 即 P 求得人体电压和人体电流为 如设备有保护接地 而且 其他条件不变 则可求得流过人体的电流为 例题 U 220V C 0 55 F RP 2000 结论 在电源中性点不接地的配电网中 人们在实践中发现 如果将用电设备的外壳与大地联接起来 可以有效地减小故障时的触电危险性 这就是IT系统的安全原理 2 IT系统的适用条件 1 IT系统只适用于小范围供电系统 范围越小 分布电容小 对地绝缘阻抗越大 反之则越危险 小范围供电 用电设备少 出现两台设备同时碰壳 不同相 的可能性小 2 IT系统用于供电可靠性要求高的场所 3 IT系统适用于用电环境很差的场所 绝缘监视的必要性 低压配电网的绝缘监视可用三只规格相同的电压表来实现 1 绝缘正常时 三相平衡 读数均为Up 2 出现故障时 该相电压表指示值急剧降低 另两相电压表指示显著升高 或者是一相两相对地绝缘显著恶化 三表出现不同读数 3 IT系统的绝缘监视 低压配电网绝缘监视 高压配电网的绝缘监视原理一样 加了电压互感器与配电网连接 以监视三相对地平衡 电压互感器配两组低压绕组线圈 分布采用星形和三角形联接 前者监视用 后者报警用 3 IT系统的绝缘监视 高压配电网绝缘监视 4 过电压保护 不接地配电网 由于配电网与大地之间没有直接的电气连接 在意外情况下可能会使整个低压系统产生很高的过电压 将给低压系统的安全运行造成极大的威胁 1 正常情况下 击穿保险器 FV 处在绝缘状态 配电系统不接地 2 当过电压产生时 FV被击穿 中性点直接接地 流过击穿保险器的电流为高压系统的接地短路电流 它可能引起高压系统过电流保护装置动作 切除故障 断开电源 1 3 TT方式供电系统 中文表述 优点 1 提供一组线电压和一组相电压 2 具有较好的过电压保护 3 故障接地点比较容易检测 4 漏电设备上对地电压有所降低 缺点 1 故障时零线上产生对地电压 2 故障电流不可能太大 会使故障长时间延续 3 每一台设备都单独接地 消耗过多的钢材且难以回收 费工费时 使成本增大 1 系统的优缺点评价 2 安全原理 在低压中性点直接接地配电网中 如果电气设备金属外壳未采取任何安全措施 则当设备外壳故障带电发生单相电击时 人体承受的电压接近相电压 也就是说 在接地的配电网中发生单相电击时 人所受到危险性远大于不接地的配电网中单相电击的危险性 当设备外壳采取接地措施时 由于电源中性点也是直接接地的 与IT系统有本质区别 这种配电防护系统称为TT系统 在TT系统中 如有一相漏电 则故障电流主要经接地电阻 与人体电阻 的并联再与工作接地电阻 串联而构成回路 等效电路图 一般情况下 P P 上二式可简化为 显然 且 与设备没有接地相比较 漏电设备上对地电压有所降低 但零线上却产生了对地电压 而且 由于 和 同在一个数量级上 两者都可能超过安全电压 例如 当 220 时 可知漏电设备对地电压与零线对地电压都为110 人触及漏电设备或触及零线都是致命的电压 故必须装置漏电保护器 漏电后迅速切断电源 避免漏电触电 缺点1 另一方面 由于故障电流主要经 和 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 和 都是欧姆级的电阻 因此 不可能太大 这种情况下 过电流保护装置可能不会及时切断电流 使故障长时间延续下去 如 当 相电压 220 时 可计算出故障电流 约为27 5 过电流保护装置难以识别 缺点2 3 适用条件及结论 系统缺点很多 除非采用其他防止间接接触电击的措施确有困难 且土壤电阻率较低的情况下 才可考虑采用 系统 所以TT系统仅用于使用点分散 采用其它防止触电事故有困难的低压小型用户 而且在不得不采用 系统的情况下 还必须同时采取快速切除接地故障的自动保护装置或其他安全措施 漏电保护 并保证零线没有电击的危险 绝不可单独使用 必须与漏电保护 过电流保护配合使用 我国TT系统改造已经完成 目前不推荐使用 2 系统 电力系统通常把设备金属外壳与保护零线连接的方式称为保护接零 TN系统就是配电网低压中性点直接接地 电气设备外壳接零的保护接零系统 TN系统的优点 用电设备的金属外壳意外带电时 会直接形成环路短路电流 会使线路上的保护装置迅速动作 使故障设备立即断电 达到安全目的 接线简单 节省人力 财力 2 1 TN系统的安全原理 当某相带电部分碰到设备外壳 即外露导电部分 时 通过设备外壳形成该相对零线的单相短路 短路电流 ss能促使线路上的短路保护元件迅速断开电源 从而消除电击危险 在实际应用中 TN系统根据保护零线和工作零线的组合关系又具体分为TN C系统 TN S系统和TN C S系统三种方式 在三相五线制配电网中有两根零线 分别为工作零线和保护零线 前者用 表示 后者用 表示 如果一根线既是工作零线又是保护零线 则用 表示 三相四线制 2 2 TN系统的分类 C系统的保护零线是与工作零线是合二为一的 1 C系统 系统的保护零线是与工作零线是完全分开的 2 S系统 对容易受干扰的设备 容易爆炸的危险场所特别适合 系统干线部分的前一部分保护零线是与工作零线共用的 而在某一具体区域按规范要求必须采用TN S方式供电系统 这时可在该用电区域的总配电箱中分出一支保护线 这种系统称为TN C S系统 3 C S系统 2 3 TN C系统存在问题及适用条件 存在问题 零线上有不平衡电流 形成设备对地电压 解决办法 尽量平衡 2 3 TN C系统存在问题及适用条件 存在问题 一旦零线断线时 则设备外壳带电 单相电器对地电压会接近相电压 易造成触电事故 解决办法 零线中不得单独接开关 熔断器等 加强线路巡查 2 3 TN C系统存在问题及适用条件 存在问题 一台设备漏电使外壳电位升高 其危险电压还会蔓延到其它设备上 使危险范围扩大 解决办法 确保保护装置在规定时间内动作 2 3 TN C系统存在问题及适用条件 存在问题 上游有漏电保护器时 TN C下游不能再有接地 否则正常的泄漏电流也可能引起漏电保护器动作 2 3 TN C系统存在问题及适用条件 存在问题 TN C系统中可能混入TT系统 即个别设备只接地不接零的情况 解决办法 一是加强用电知识宣传 二是凡是外壳需保护的单相用电设备必须采用三孔插座 TN C系统中混合TT系统危险性分析 2 3 TN C系统存在问题及适用条件 适用条件 用于三相负载基本平衡的场所 无爆炸危险 火灾危险性不大的场所 用电设备较少 用电线路简单且安全条件较好的场所 2 4 TN S系统注意事项及适用条件 注意事项 优点 相对于TN C系统 即使工作零线上有不平衡电流 也不会对设备产生对地电压 所以更安全 零线断线后果相比TN C系统较轻 PE断线相当于TT系统中设备外壳未接地的情况 2 4 TN S系统注意事项及适用条件 注意事项 优点 与TN C系统相比 TN S系统的干线 或电路上游 装上漏电保护器时 下游的保护线仍可重复接地 2 4 TN S系统注意事项及适用条件 注意事项 保护线不许进漏电开关 PE线 N线必须分清 不能混用 用规定的颜色加以区别 单相用电 红 褐 线 相线 L 蓝线 工作零线 N 黄绿相间 保护零线 PE 2 4 TN S系统注意事项及适用条件 适用条件 用于有爆炸危险 火灾危险性较大或安全要求较高的场所 建筑工地等 普遍用于工业 民用等低压系统 2 5 TN C S系统及适用条件 可部分解决TN C系统存在的问题 如不平衡电流减少 但保护线仍受前部分不平衡电流影响 会产生一定的对地电压 解决办法一是尽量减小前部分的不平衡电流 二是在分支处将保护线重复接地 一旦分支后不能再混用 2 5 TN C S系统及适用条件 适用条件 权宜之计 宜用于厂内设有总变电站 厂内低压配电的场所及民用楼房 大型建筑工地的三通一平阶段 五 三 种供电系统方式比较与辨识 3 保护接地技术 3 1 接地的基本概念接地 就是将电力系统中某点或设备的某一部位经接地装置与大地紧密连接起来 1 接地分类工作接地正常接地接地 人为 安全接地故障接地 意外 工作接地是指为维持电力系统正常运行而在变压器或发电机中性点的接地 安全接地包含保护接地 防雷接地 防静电接地 屏蔽接地等 2 接地电流和接地短路电流凡从接地点流入地下的电流即为接地电流 接地电流有正常接地电流和故障接地电流之分 正常接地电流指正常工作时通过接地装置流入地下 借大地形成工作回路的电流 故障接地电流系统发生故障时出现的接地电流 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 在高压系统中 接地短路电流可能很大 接地短路电流在500A及以下的称小接地短路电流系统 接地短路电流大于500A的称大接地短路电流系统 3 流散电阻和接地电阻流散电阻是接地电流在土壤中遇到的全部电阻 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 4 对地电压和对地电压曲线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 Ud Rd Id 电流通过接地体向大地作半球形流散 与半球面积对应的土壤电阻随着远离接地体而迅速减小 在离开接地体20m以外 电流几乎不再产生电压降 与半球形面积对应的土壤电阻随着远离接地体而迅速减小 至离开接地体 处 半球形面积已达 土壤电阻已小到可以忽略不计 所以认为在远离接地体 以外 电流不再产生电压降 或者说 至远离接地体 处 电压已降为零 如果用曲线来表示接地体及其周围各点的对地电压 这种曲线就叫对地电压曲线 显然 随着离开接地体 土壤电阻逐渐减小 电压降落逐渐减缓 曲线逐渐变平 或者说曲线的陡度逐渐减小 对地电压相对值与距离的关系曲线 接触电压接触电压是指加于人体某两点之间的电压 如图所示UC 5 接地电阻值的确定 低压电气设备接地电阻在380 不接地低压系统中 单相接地电流很小 为限制设备漏电时外壳对地电压不超过安全范围 一般要求保护接地电阻RE 4 当配电变压器或发电机的容量不超过100kVA时 由于配电网分布范围很小 单相故障接地电流更小 因此可以放宽对接地电阻的要求 取RE 10 高压电气设备接地电阻 小接地短路电流系统如果高压电气设备与低压电气设备共用接地装置 并要求设备对地电压不超过 其接地电阻为 E 如果高压电气设备单独装设接地装置 设备对地电压可放宽至 其接地电阻为 小接地短路电流系统高压电气设备的保护接地电阻除应满足上面两式的要求外 还不应超过 大接地短路电流系统在大接地短路电流系统中 由于接地短路电流很大 很难限制设备对地电压不超过某一范围 而是靠线路上的速断保护装置切除接地故障 当接地短路电流IE 4000A时 要求其接地电阻为 E 但当接地短路电流IE 4000A时 可采用 E 0 5 发电厂和区域变电站的接地电阻在小接地短路电流系统中 发生单相接地时 一般不会迅速切除故障 为保证人身安全 要求人的接触电压和跨步电压不得超过 架空线路和电缆线路的接地电阻小接地短路电流系统中 无避雷线的高压电力线路在居民区内的钢筋混凝土杆宜接地 金属杆塔应接地 其接地电阻不宜超过 5 煤矿井下接地网要求不大于2 3 2 保护导体与等电位联结 保护导体 指PE线 PEN线以及在电力系统中不用作正常电流回路的导体 PE线是专用的保护导体 PEN线是与工作零线共用的保护导体 1 保护导体的组成保护导体包括 保护接地线 保护接零线和等电位连接线等 保护导体分为人工保护导体和自然保护导体 人工保护导体有 1 多芯电缆的芯线 2 与相线同一护套内的绝缘线 3 单独敷设的绝缘线或裸导体等 自然保护导体有 1 电线电缆的金属覆层 如护套 屏蔽层 铠装层 2 导线的金属导管或其他金属外护物 3 某些允许使用的金属结构部件或外部可导电部分 如建筑物的金属结构 梁 柱等 及设计规定的混凝土结构内部的钢筋等 电力系统中应优先考虑利用自然导体作保护导体 但是 利用自来水管作保护导体必须得到供水部门的同意 而且水表及其他可能断开处应予跨接 煤气管等输送可燃气体或液体的管道不得用作保护导体 2 保护导体的截面积 为满足导电能力 热稳定性 机械稳定性 耐化学腐蚀的要求 保护导体必须有足够的截面积 保护导体截面积的计算和选择主要考虑以下两个因素 1 应能承受故障条件下可能遭受的大电流过热 2 应具有足够的机械强度 以保证在预定条件下导体的完整 如规定断开时间不小于0 1 不超过0 5 时 保护导体最小截面积应符合下列热稳定要求 式中 SPE 保护导体最小截面积 ISS 可能的单相短路电流有效值 短路保护动作时间 决定于保护零线类型的计算系数 按教材表 5至表 7选取 当保护线 PE线 与相线 L线 材料相同时 保护线的截面积可以直接按下表选取 兼作工作零线和保护零线的PEN线的最小截面除应满足不平衡电流的导电要求外 还应满足保护机械可靠性的要求 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 保护接地的应用范围 各种不接地配电网 IT 保护接地适用于各种不接地 或通过阻抗接地 配电网 包括交流不接地配电网和直流不接地配电网 也包括低压不接地配电网和高压不接地配电网 在这些配电网中 凡使用设备由于绝缘损坏或其他原因而可能带危险电压的金属部分均应接地 3 保护接地的应用范围 电气设备的某些金属部分下列电气设备的金属部分可不接地 除另有规定的 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 及以下 直流额定电压440 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 在干燥场所 交流额定电压127 及以下 直流额定电压110 及以下的电气设备的外壳 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 3 保护接地的应用范围 电气设备的某些金属部分下列电气设备的金属部分可不接地 除另有规定的 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 额定电压220 及以下的蓄电池室内的金属支架 由发电厂 变电所和工业 企业区域内引出的铁路轨道 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 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 4 重复接地 重复接地 指零线上除工作接地以外的其他点的再次接地 目的 为了保护导体在故障时尽量接近大地电位 作用 1 减轻保护零线断开或接触不良时电击的危险性 2 降低漏电设备的对地电压 3 缩短漏电故障持续时间 4 改善架空线路的防雷性能 5 等电位联结 1 等电位连接 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连接 2 等电位联结的作用 1 实现等电位环境 2 降低等电位环境内可能的接触电压和跨步电压 3 注意事项 1 采取防止环境边缘处危险跨步电压的措施 2 防止环境内高电位引出和环境外低电位引入的危险 5 等电位联结 3 3 接地装置与接地技术 接地体 埋入土壤内并与大地直接接触的金属导体或导体组 接地体可分为人工接地体与自然接地体两类 接地线 连接接地体与电气设备应接地部分的金属导体 接地线同样有自然接地线与人工接地线之分 接地装置 是指埋入地下的接地体以及与其相连的接地线的总体 接地体 接地线 人工接地体是采用钢管 角钢 圆钢等材料制成并特意埋入地下的金属导体 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 如 埋设在地下的金属管道 有可燃或爆炸性介质的管道除外 金属井管 与大地有可靠连接的建筑物的金属结构 水工构筑物及类似构筑物的金属管 桩等自然导体均可用作自然接地体 利用自然接地体可节约材料 节省施工费用 还可以降低接地电阻和等化地面及设备间的电位 利用自来水管及电缆的铅 铝包皮作接地体时 必须取得主管部门同意 以便互相配合施工和检修 1 自然接地体和人工接地体 1 垂直接地采用钢管 角钢 圆钢 扁钢或废钢铁等材料制成的人工接地体多采用垂直接地 垂直埋设的接地体可采用直径为40 50mm的钢管或40mm 40mm 4mm至50mm 50mm 5mm的角钢 可成排布置也可布置成环形 垂直接地 两个角钢或钢管相距5m左右 距墙 1 5m 顶深60cm左右 2 人工接地装置施工 多岩石地区可采用水平接地体 水平埋设的接地体可采用40mm 4mm的扁钢等 水平接地体多采用放射形布置 也可成排布置或环形布置 形状可以是条形 环形 放射形等 埋设深度不小于0 6m 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 网状接地 2 水平接地 3 接地体与设备之间的联接 要求 保证联接可靠 焊接点要用搭焊 搭接长度扁钢不小于宽度的二倍 圆钢不小于直径的6倍 不能虚焊 导线与接地体的联接可根据不同的接地体用卡箍 螺栓等进行连接 并采取防锈 防振等措施 确保可靠连接 3 接地电阻影响因素及减阻方法 凡是需要接地的地方 接地电阻越小越好 但也要考虑节省投资和安装施工方便等经济原则 影响接地电阻的主要因素有 1 土壤电阻率影响土壤电阻率的因素有土壤类型 表土层深度及基岩类型 含水情况 土壤温度等 2 接地体的形状 尺寸 与土壤的接触面积和埋设深度等 3 减小接地电阻方法 围绕上述因素进行 加深加长接地体 增加接地体附近的土壤湿度 人工水池 用化学方法减低土壤电阻率 减阻剂 等 4 接地电阻的计算 测量及检查维护 1 接地电阻计算 略 半球接地体的流散电阻计算R 2piS0 S0 半球接地体的半径 其它形状的接地体则很难或者根本没有办法理论求解 还不如用实际测量方法更准确些 2 接地电阻测量