电气安全教材- 第三章 间接接触电击防护.doc

第三章 间接接触电击防护前面说过，间接接触电击即故障状态下的电击。这种电击在电击死亡事故中约占二分之一，而这种电击尚未导致死亡的伤害在电击伤害中所占的比例要大得多。保护接地，接零、加强绝缘、电气隔离、不导电环境、等电位联结、安全电压和漏电保护都是防间接接触电击的技术措施。其中，保护接地和保护接零是防止间接接触电击的基本技术。这两种措施还与低压系统的防火性能有关。本章重点介绍保护接地和保护接零的技术问题。第一节 IT 系统IT 系统即保护接地系统，保护接地是最古老的安全措施。到目前为止，保护接地是应用最广泛的安全措施之一，不论是交流设备还是直流设备，不论是高压设备还是低压设备，都采用保护接地作为必须的安全技术措施。一、接地的基本概念所谓接地，就是将设备的某一部位经接地装置与大地紧密连接起来。1. 接地分类按照接地性质，接地可分为正常接地和故障接地。正常接地又有工作接地和安全接地之分。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。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。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。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属于接地电流。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，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，接到电流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。3. 流散电阻和接地电阻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。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。通常所说的对地电压，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。 如果接地体由多根钢管组成，则当电流自接地体流散时，至电位为零处的距离可能超过20 m 。从以上的讨论可知，当电流通过接地体流入大地时，接地体具有最高的电压。离开接地体后，电压逐渐降低，电压降落的速度也逐渐降低。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。5. 接触电动势和接触电压接触电动势是指接地电流自接地体流散，在大地表面形成不同电位时，设备外壳与水平距离 0.8m 处之间的电位差。接触电压是指加于人体某两点之间的电压，如图 3-1 所示。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。 a 触及漏电设备外壳，其接触电压即其手与脚之间的电位差。如果忽略人的双脚下面土壤的流散电阻，接触电压与接触电动势相等。图 3-1 中 ,a 的接触电压为 Uc 。如果不忽略脚下土壤的流散电阻，接触电压将低于接触电动势。6.跨步电动势和跨步电压跨步电动势是指地面上水平距离为 0.8m( 人的跨距 ) 的两点之间的电位差。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，图3-1 对地电压曲线如图 3-1 中的Uw1和Uw2.如果忽略脚下土壤的流散电阻,跨步电压与跨步电动势相等。人的跨步一般按 0.8m 考虑；大牲畜的跨步通常按 1.01.4m 考虑。图 3-1 中,b紧靠接地体位置,承受的跨步电压最大；c离开了接地体,承受的跨步电压要小一些。如果不忽略脚下土壤的流散电阻,跨步电压也将低于跨步电动势。二、 IT 系统的安全原理图 3-2a 所示的在不接地配电网中，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。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。运用戴维南定理可以得出图 3-2b 所示的等值电路。等值电路中的电动势为网络二端开路，即没有人触电时该相对地电压。因为对称，该电压即相电压 U，该阻抗即 Z/3。 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 Up= （3.1） Ip= （3.2）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。图3-2 IT系统安全原理 (a) 示意图 (b) 等效电路图 ( 图中虚线为有保护接地的情况)绝缘阻抗 Z 是绝缘电阻 R 和分布电容 C 的并联阻抗。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，可简化式 (3.1) 和式 (3.2)，求得人体电压和人体电流分别为 Up= （3.3） Ip= （3.4）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 Up= （3.5）Ip= （3.6）由以上各式不难知道，在不接地配电网中，单相电击的危险性决定于配电网电压、配电网对地绝缘电阻和人体电阻等因素。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 。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。在不接地配电网中采用接地保护的系统，这种系统即为 IT 系统。字母 I 表示配电网不接地或经高阻抗接地，字母 T 表示电气设备外壳接地。只有在不接地配电网中，由于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。三、保护接地的应用范围1 各种不接地自己电网保护接地适用于各种不接地配电网，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。在这类配电网中，凡由于绝缘损坏或其他原因而可能呈现危险电压的金属部分，除另有规定外，均应接地。它们主要包括：(1) 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；(2) 电气设备的传动装置；(3) 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；(4) 配电、控制、保护用的屏 ( 柜、箱 ) 及操作台等的金属框架和底座；(5) 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；(6) 电缆桥架、支架和井架；(7) 装有避雷线的电力线路杆塔；(8) 装在配电线路杆上的电力设备；(9) 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；(10) 电除尘器的构架；(11) 封闭母线的外壳及其他裸露的金属部分；(12) 六氟化硫封闭式组合电器和箱式变电站的金属箱体；(13) 电热设备的金属外壳；(14) 控制电缆的金属护层。2. 电气设备的某些金属部分电气设备下列金属部分，除另有规定外，可不接地：(1) 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；(2) 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；(3) 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；(4) 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 )；(5) 额定电压 220V 及其以下的蓄电池室内的金属支架；(6) 由发电厂、变电所和工业企业区域内引出的铁路轨道；(7) 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，木结构或术杆塔上方的电气设备的金属外壳一般也不必接地。四、接地电阻的确定从保护接地的原理可以知道，保护接地的基本原理是限制漏电设备外壳对地电压在安全限值 UL 以内， 即漏电设备对地电压 UE=IEREUL 。各种保护接地的接地电阻就是根据这个原则来确定的。1. 低压设备接地电阻在 380V 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 100 kVA 时，由于配电网分布范围很小，单相故障接地电流更小 , 可以放宽对接地电阻的要求，取 RE 10。2. 高压设备接地电阻(1) 小接地短路电流系统。如果高压设备与低压设备共用接地装置，要求设备对地电压不超过 120V，其接地电阻为 RE (3.7)式中： RE 接地电阻 , ；IE 接地电流 ,A 。如果高压设备单独装设接地装置，设备对地电压可放宽至 250V，其接地电阻为 RE （3.8）小接地短路电流系统高压设备的保护接地电阻除应满足式 (3.7) 和式 (3.8) 的要求外，还不应超过 10。以上两个式子中的 IE 为配电网的单相接地电流，应根据配电网的特征计算和确定。(2) 大接地短路电流系统。在大接地短路电流系统中，由于按地短电流很大，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。要求其接地电阻为RE （3.9）但当接地短路电流 IE400OA 时，可采用RE 0.5 3. 架空线路和电缆线路的接地电阻小接地挥路电流系统中，无避雷线的高压电力线路在居民区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 30。中性点直接接地的低压系统的架空线路和高、低压共杆架设的架空线路，其钢筋混凝土杆的铁横担和金属杆应与零线连接，钢筋混凝土的钢筋宜与零线连接。与零线连接的电杆可不另做接地。沥青路面上的高、低压线路的钢筋混凝土和金属杆塔以及已有运行经验的地区，可不另设人工接地装置，钢筋混凝土的钢筋、铁横担和金属杆塔，也可不与零线连接。三相三芯电力电缆两端的金属外皮均应接地。变电所电力电缆的金属外皮可利用主接地网接地。与架空线路连接的单芯电力电缆进线段，首端金属外皮应接地。如果在负荷电流下，末端金属外皮上的感应电压超过 60V，末端宜经过接地器或间隙接地。在高土壤电阻率地区接地电阻难以达到要求数值时，接地电阻允许值可以适当提高。例如，低压设备接地电阻允许达到 1030 ，小接地短路电流系统中高压设备接地电阻允许达到 30，发电厂和区域变电站的接地电阻允许达到 15 等。五、绝缘监视在不接地配电网中，发生一相故障接地时，其他两相对地电压升高，可能接近相电压，这会增加绝缘的负担、增加触电的危险。这时，如某设备另一相漏电，即使该设备上有合格的保护接地，也不可能将其故障电压限制在安全范围以内。而且，不接地配电网中一相接地的接地电流很小，线路和设备还能继续工作，故障可能长时间存在。这对安全是非常不利的。因此，在不接地配电网中，需要对配电网进行绝缘监视 ( 接地故障监视 ), 并设置声光双重报警信号。低压配电网的绝缘监视，是用三只规格相同的电压表来实现的接线如图 3-3 所示。配电网对地电压正常时三相平衡，三只电压表读数均为相电压，当一相接地时，该相电压表读数急剧降低，另两相则显著升高。即使系统没有接地，而是一相或两相对地绝缘显著恶化时，三只电压表也会给出不同的读数，引起工作人员的注意。为了不影响系统中保护接地的可靠性，应当采用高内阻的电压表。 图 3-4 高压配电网绝缘监视 图 3-3 低压配电网绝缘监视配电网的绝缘监视如图 3-4 所示。监视仪表 ( 器 ) 通过电压互感器同配电网连接。互感器有两 组低压线圈：一组接成星形，供绝缘监视的电压表用；另一组接成开口三角形，开口处接信号继电器。正常时，三相平衡，三只电压表读数相同，三角形开口外电压为零，信号继电器 KS 不动作。当一相接地或一、两相绝缘明显恶化时，三只电压出现不同读数，同时三角形开口处出现电压，信号继电器动作，发出信号。这种绝缘监视装置是以监视三相对地平衡为基础的，对于一相接地故障很敏感，但对三相绝缘同时恶化，即三相绝缘同时降低的故障是没有反映的。其另一缺点是当三相绝缘都在安全范围以内，但相互差别较大时，会给出错误的指示或信号。由于这两种情况很少发生，上述绝缘监视装置还是可用的。在低压配电网中，为了比较准确地检测配电网对地绝缘情况，可以借用专用方法测量绝缘阻抗。图 3-5 表示一种无源测量装置的基本线路。按下SB1 时， 测得该相对地电压 U ； 按下 SB2 时，测得该相接地电流I，由此可求得三相配电网对地导纳近似为Y= （3.10） 如接通 SA1，重复上述测定，通过电压表读数 UG 和电流表读数 IG 可求得这时三相电网对地导纳近似为Y= （3.11）图 3-5 配电网绝缘阻抗无源测量如接通 SA2，重复上述测定，可求得Y= （3.12）比较上列各项可求得 G= （3.13）B= （3.14）六、过电压的防护配电网中出现过电压的原因很多。由于外部原因造成的有雷击过电压、电磁感应过电压和静电感应过电压；由内部原因造成的有操作过电压、谐振过电压以及来自变压器高压侧的过渡电压或感应电压。对于不接地配电网，由于配电网与大地之间没有直接的电气连接，在意外情况下可能产生很高的对地电压。例如，当高压一相与低压中性点短接时 ( 见图 3-6a), 低压侧对地电压将大幅度升高。如该变压器为 10/0.4kV 的变压器，采用 Y/Yo-12 接法，则低压中性点对地电压UNo 升高到将近 5800V。 由电压相量图 ( 见图 3-6b) 可知，其他各相对地电压 U1E、U2E 、 U3E 也将升高到略低于或略高于 5800V。这将给低压系统的安全运行造成极大的威胁。图 3 6 不接地电网高压窜低压 (a) 示意图 (b) 相量图为了减轻过电压的危险均在不接地低压配电网中，可把低压配电网的中性点或者一相经击穿保险器接地。击穿保险器主要由两片黄铜电极夹以带小孔的云母片组成，其击穿电压大多不超过额定电压的 2 倍。正常情况下，击穿保险器处在绝缘状态，配电系统不接地；当过电压产生时，云母片带孔部分的空气隙被击穿，故障电流经接地装置流入大地。这个电流即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。如果这个电流不大，不足以引起保护装置动作，则可以通过选定适当的接地电阻值控制低压系统电压升高不超过120 V。为此，接地电阻应为 RE （3.15）RE接地电阻，IHE高压系统单项接地短路电流，A。通常情况下，R E 4 是能够满足上述要求的。正常情况下，击穿保险器必须保绝缘良好。否则，不接地配电网变成接地配电网，用电设备上的保护接地将不足以保证安全。因此，对击穿保险器的状态应经常检查，或者接入两只相同的高内阻电压表进行监视。正常时，两只电压表的读数各为相电压的一半。如果击穿保险带内部短路，一只电压表的读数降低至零；而另一只电压表的读数上升至相电压。必要时，防护装置应当设置监视击穿保险器绝缘的声、光双重报警信号。为了不降低系统保护接地的可靠性，监视装置应具有很高的内阻。为了抑制可能的过电压振荡，可在不接地配电网的电源中性点或人为中性点与大地之间接一阻抗值为56倍相电压值的阻抗。第二节 TT 系统一、 TT 系统的原理我国绝大部分地面企业的低压配电网都采用星形接法的低压中性点直接接地的三相四线配电网，如图 3-7 所示。这不仅是因为这种配电网能提供一组线电压和一组相电压，便于动力和照明由同一台变压器供电，而且还在于这种配电网具有较好的过电压防护性能，且一相故障接地时单相电击的危险性较小，故障接地点比较容易检测等优点。低压中性点的接地常叫做工作接地，中性点引出的导线叫做中性线。由于中性线是通过工作接地与大地连在一起的，因而中性线也叫做零线。这种配电网的额定供电电压为 0.23/0.4kV ( 相电压为 0.23kV, 线电压为 0.4kV), 额定用电电压为 220/380V( 相电压为 220V,线电压为 380V)。220V 用于照明设备和单相设备，380V 用于动力设备。接地的配电网中发生单相电击时，人体承受的电压接近相电压。也就是说，在接地的配电网中，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。图3-7 TT 系统图 3-7 所示为设备外壳采取接地措施的情况。这种做法类似不接地配电网中的保护接地，但由于电源中性点是直接接地的，而与 IT 系统有本质区别。这种配电防护系统称为 TT 系统。第一个字母 T 表示电源是直接接地的。这时，如有一相漏电，则故障电流主要经接地电阻R E 和工作接地电阻 R N 构成回路。漏电设备对地电压和零线对地电压分别为UE= （3.16）UN= （3.17）(3.28)式中 :U 配电网相电压 ;Rp 人体电阻。一般情况下，RNRp，RERp 。可简化为UE （3.18）UN （3.19）显然，U E +U N = U,且 UE/UN =RE/RN。与没有接地相比较，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。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IE （3.20） 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。例如，当 RE =RN=4 时，故障电流只有27.5A，能与之相适应的过电流保护装置是十分有限的。正因为如此，一般情况下不能采用TT系统。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 TT 系统。而且在这种情况下，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防止电击的措施，并保证零线没有电击的危险。二、 TT 系统的应用采用TT系统时，被保护设备的所有外露导电部分均应同接向接地体的保护导体连接起来；采用TT系统应当保证在允许故障持续时间内漏电设备的故障对地电压不超过某一限值，即 UE=IEREUL （3.21） 在第一种状态下，即在环境干燥或略微潮湿、皮肤干燥、地面电阻率高的状态下，UL 不得超 过 50V； 在第二种状态下，即在环境潮湿、皮肤潮湿、地面电阻率低的状态下，UL 不得超过 25V。 故障最大持续时间原则上不得超过 5s。为实现上述要求，可在 TT 系统中装设剩余电流保护装置 ( 漏电保护装置 ) 或过电流保护装置，并优先采用前者。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。第三节 TN 系统TN系统即保护接零系统。由于保护接零和保护接地都是防止间接接触电击的安全措施，做法上又存在一些相似之处，因此，有些人没有严格区分这两种措施,不能鉴别某些不妥当的说法和做法。 “保护接零 ”一词在我国已经得到普及。这一名词有利于明确区分不接地配电网中的保护接地，还有利于区分中性线和零线，有利于区分工作零线和保护零线，有其独特的科学性。一、 TN系统的安全原理及类别TN系统中的字母N表示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。或者说TN系统就是配电网低压中性点直接接地,电气设备接零的保护接零系统。图3-8 保护接零原理（a）原理图 （b）等效电路保护接零的原理如图 3-8 所示。当某相带电部分碰连设备外壳 ( 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 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。在三相四线配电网中，应当区别工作零线和保护零线。前者即中性线，用 N 表示；后者即保护导体，用 PE 表示。如果一根线既是工作零线又是保护零线，则用 PEN 表示。TN 系统分为 TN-S,TN-C-S,TN-C 三种方式 , 如图 3-9 所示。 TN-S 系统的保护零线是与工作零线完全分开的；TN-C-S 系统干线部分的前一部分保护零线是与工作零线共用的；TN-C 系统的干线部分保护零线是与工作零线完全共用的。图3-9 TN 系统（a）TN-S 系统（b）TN-C-S 系统（c）TN-C 系统二、 TN 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: = （3.22）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 。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。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。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。认为保护接零只起过电流速断保护作用，而不能降低漏电设备对地电压也是不对的。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 （3.23）如线路截面较小，保护零线与相线紧邻敷设。由于电抗比较小，其范围也比较容易确定，对地电压可按下式简化计算 : （3.24）式中：RL相线电阻； RpE保护线电阻； Kc计算系数，0.61 如令m= ，则上式可简化为： （3.25）如导体材质相同，则 m 即为相线截面与保护线截面之比。对于电缆和绝缘导线 ,m13。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。例如，在相电压 U =220V 的条件下，当 m =1.6667 时，UE =110V；当 m =1.0465 时，UE =90V；当 m =0.7426 时，UE =75V 等。这些数值都远远超过安全电压值。但是，如果过电流保护元件能保证上面三种电压分别不得超过 0.2s,0.5S 和 1s内动作，则应当认为保护是有效的。由于地面对地电压曲线分布规律随接地体特征及其施工方式而异，发生触电的位置受工艺过程等因素的影响，最大接触电压可能难以确定。为此，国家标准以额定电压为依据作了一个比较简明的规定 : 对于相线对地电压 220V的TN 系统，手持式电气设备和移动式电气设备末端线路或插座回路的短路保护元件应保证相、零线短路持续时间不超过 0.4s；配电线路或固定式电气设备的末端线路应保证短路持续时间不超过 5s。后者之所以放宽规定是因为这些线路不常发生故障，而且接触的可能性较小，即使触电也比较容易摆脱的缘故。如配电箱引出的线路中，除固定设备的线路外，还有手持式、移动式设备或插座线路，短路持续时间也不应超过 0.4S。否则。应采取能将故障电压限制在许可范围之内的等电位联结措施。这里，5s的时限主要是从热稳定的要求考虑的，只是个时间限值，而并非人为延时，这些规定与国际标准基本符合。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。三、保护接零的应用范围保护接零用于中性点直接接地的 220/380V 三相四线配电网。在这种配电网中，接地保护方式(TT系统)难以保证安全,不能轻易采用。在这种系统中，凡因绝缘损坏而可现危险对地电压的金属部分均应接零。要求接零和不要求接零的设备和部位与保护接地的要求大致相同。TN-S 系统可用于有爆炸危险、火灾危险性较大或安全要求较高的场所，宜用于独立附设变电站的车间。 TN-C-S 系统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。TN-C 系统可用于无爆炸危险、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。在接地的三相四线配电网中，应当采取接零保护。但在现实中往往会发现如图 3-10 所示的接零系统中个别设备只接地、不接零的情况，即在 TN 系统中个别设备构成TT系统的情况。这种情况是不安全的。在这种情况下，当接地的设备漏电时，该设备和保护零线( 包括所有接零设备 )对地电 压分别为图 3-10 保护方式选择UE=URE/（RNRE） （3.26）UN=UUE=URN/（RNRE） （3.27）式中，RE 为该设备的接地电阻；RN 为工作接地与零线上所有其他接地电阻的并联值。这时的故障电流不太大，不一定能促使短路保护元件动作而切断电源，危险状态将在大范围内持续存在。因此,除非接地的设备或区段装有快速切断故障的保护装置,否则，不得在TN系统中混用 TT 方式。如果将接地设备的外露金属部分再同保护零线连接起来,构成 TN 系统，其接面将要介绍的重复接地，这对安全是有益无害的。在同一建筑物内，如有中性点接地和中性点不接地的两种配电方式，则应分别接零措施和保护接地措施。在这种情况下，允许二者共用一套接地装置。四、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。按照国际电工委员会的提法，重复接地是为了保护导体在故障时尽量接近大地电位的在其他附加点的接地。其实质与上述的定义基本上是一致的。重复接地是提高 TN 系统安全性能的重要措施。1. 重复接地的作用接地总是会限制对地电压的，但如果仅仅这么说，那就不太具体了。为此，现从以下方面详细说明重复接地的作用。图3-11 零线接地与设备漏电(1) 减轻零线断开或接触不良时电击的危险性。在很多情况下，保护零线 (PE线、 PEN线 ) 断开或接触不良的可能性是不能完全排除的。图 3-11a 表示没有重复接地的接零系；零线断线。如图所示，当零线断开，后方又有一相碰壳时，故障电流经过触及设备的人体；工作接地构成回路。因为人体电阻比工作接地电阻 R N 大得多，所以在断线处以后，人体几乎承受全部相电压。如图 3-11b 所示，零线后方有重复接地 Rs，情况就不一样了。这时，较大的故障电流经过 Rs 和 R N 构成回路。在断线处以后，设备对地电压 U NE = I ERs；在断线处以前，设备对地电压 U NE=I ER N 。因为U SE 和 U NE 都小于相电压，所以事故严重程度一般都减轻一些。图 3-11 中的下方是相应情况下的电位分布曲线。在保护零线断线的情况下，即使没有设备漏电，而是三相负荷不平衡，也会给人身安全造成很大的威胁。在这方面，重复接地有减轻危险或消除危险的作用。根据规定，在中性点直接接地的配电系统中，单相 220V 用电设备应均匀地分配在三相线路，由负荷不平衡引起的中性线电流一般不得超过变压器额定电流的 25%。如果零线完好，这 25% 的不平衡电流只在零线上产生很小的电压降，对人身没有伤害。但是，如果零线断裂，断线处以后的零线可能会呈现数十伏乃至接近相电压的危险电压。如图 3-12a 所示，在两相停止用电，仅一相保持用电的特殊情况下，如果零线断线，电流经过该相负荷、人体、工作接地构成回路。因为人体电阻较大，所以大部分电压降在人体上，造成触电危险。如果像图 3-12b 那样，零线或设备上装有重复接地，则设备对地电压即为重复接地上的电压降。一般情况下，Rs与负载电阻或 R N 比较不会是太大的数值，其电压降只是电源相电压的一部分，从而减轻或消除了触电的危险性。例如，假定该相负荷为 1kW，则其电阻 R L= 48.4，再假定 R N = 4，Rs =10，可求得对地电压为 这个电压对人来说是没有太大危险的。在零线断线情况下，重复接地一般只能减轻零线断线时触电的危险，而不能完全消除触电的危险。 图3-12 零线接地与不平衡负荷 (a) 无重复接地(b) 有重复接地（2）降低漏电设备的对地电压。同一般接地措施一样，重复接地也有降低故障对地电压 (等化对地电位)的作用。 图 3 13 重复接地降低设备漏电对地电压图 3 13a 是没有装设重复接地的保护接零系统，当发生碰壳短路时，线路保护元件应能迅速动作，切断电源。但是，如因某种原因，保护系统失灵，则危险状态将延续下来。即使保护接零系统没有失灵，在从发生碰壳短路起，到保护元件动作完毕止的一段时间内，设备外是带电的。该设备对地电压为 （3.28）式中：ZPE 中性点至故障点间零线阻抗 ZL 中性点至故障点间相线阻抗显然，零线阻抗越大，设备对地电压也越高。这个电压通常高于安全电压。应当指出，企图用降低零线阻抗的办法来获得设备上的安全电压是不现实的。例如，如果要求设备对地电压UE=50V，则在 220/380V 系统中，相线电压降为 (220-50)V =170V，零线阻抗与相线阻抗之比为 50170 13.4，即零线阻抗约为相线的 1/3.4，或者说零线导电能力应当为相线导电能力的 3.4 倍。这显然是很不经济，也是不现实的。当然，只要条件允许，加大零线总是有利于安全的。正因为如此，通常总是把建筑用金属结构、生产用金属装备同保护零线连接起来，实现等电位联结。在上述情况下，如果像图 3-13b 那样加上重复接地 Rs，则触电危险可以减轻。这时，短路电流大部分通过零线成回路，导致漏电设备对地电压降低，而中性点对地电压升高，二者分别为 （3.29） （3.30）应当注意，迅速切断电源是保护接零的基本保护方式。如不能实现这一基本保护方式，即使有重复接地，往往也只能减轻危险，而难以消除危险，而且危险范围还有所扩大，见图 3-11 和图 3-13 中下方的电位分布曲线。(3) 缩短漏电故障持续时间。因为重复接地和工作接地构成零线的并联分支，所以当发生短路时能增大单相短路电流，而且线路越长，效果越显著，这就加速了线路保护装置的动作，缩短了漏电故障持续时间。(4) 改善架空线路的防雷性能。架空线路零线上的重复接地对雷电流有分流作用，有利于限制雷电过电压。2 重复接地的要求电缆或架空线路引入车间或大型建筑物处、配电线路的最远端及每 1km 处、高低压线路同杆架设时，共同敷段的两端应做重复接地。线路上的重复接地宜采用集中埋设的接地体，车间内宜采用环形重复接地或网络重复接地。零线与接地装置至少有两点连接，除进线处的一点外，其对角线最远点也应连接，而且车间周围过长，超过 400m 者， 每 200m 应有一点连接。一个配电系统可敷设多处重复接地，并尽量均匀分布，以等化各点电位。每一重复接地的接地电阻不得超过 10；在变压器低压工作接地的接地电阻允许不超过 10 的场合，每一重复接地的接地电阻允许不超过30，但不得少于三处。五速断保护元件具体地说，接零系统中的速断保护元件是短路保护元件或剩余电流保护 ( 漏电保护 ) 元件。常见短路保护元件是熔断器和低压断路器的电磁式过电流脱扣器。剩余电流保护将在第四章介绍。必须明确，接零系统中的短路保护元件不仅仅是保护设备和线路，而且是防止间接接触电击的主要单元，其动作时间必须满足本章第二节的要求。应当指出，由于相零线回路阻抗的计算和测量都不是很方便的，取得单相短路电流的准确数值往往会遇到困难，而接零线路中的保护元件又起着保障人身安全的重要作用，因此，应严格控制保护元件的动作电流。在不致错误切断线路、不影响正常工作的前提下，保护元件的动作电流越小越好。为了不影响线路正常工作，保护元件应能躲过线路上的最大冲击电流而不动作。如异步电动机的堵转电流高达额定电流的 57 倍，保护元件应能躲过电流，不妨碍电动机正常启动。例如，用熔断器保护单台电动机时，熔体的额定电流应为电动机额定电流的 1.5 2.5 倍。断路器动作很快，应要求其瞬时 ( 或短延时 ) 动作过电流脱扣器的整定电流大于线路上的峰值电流。我国新标准 (GB50054-95) 规定，如在接零系统中采用熔断器作为短路保护元件，当要求故障持续时间不超过 5S 时，单相短路电流 Iss 与熔体额定电流 IFU 的比值不应小于表3-1 所列数值；当要求故障持续时间不超过 0.4S 时，单相短路电流 Iss 与熔体额定电流IFU 的比值不应小于表 3-2 所列数值。当中性线导电能力不低于相线导电能力时，不必考虑中性线的过电流保护。即使中性线的导电能力低于相线的导电能力，但相线上的短路保护元件能保护中性线或正常情况下流过中性线的电流比相线电流小得多，亦不必考虑中性线的短路保护。表 3-1 故障持续时间 5s 时的Iss/IFU最小值熔体额定电流/A4 1012638020025500Iss/IFU4.55.06.07.0表 3-2 故障持续时间 0.4s 时的Iss/IFU 最小值熔体额定电流/A4101632406380200Iss/IFU891011如中性线不能被相线上的保护元件保护，可在中性线上装设保护元件。但其动作应当只能断开相线或同时断开相线和中性线，而不能只断开中性线，不断开相线。因此，不允许在有保护作用的零线上装设单极开关或熔断器。例如，在三相四线系统中三相设备的保护零线，以及在有接零要求的单相设备的保护零线上，都不允许装设单极开关或熔断器。如果采用低压断路器，只有当过电流脱扣器动作后能同时切断相线时，才允许在零线上装设过电流脱扣器。第四节 保护导体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。一、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联结线。保护导体分为人工保护导体和自然保护导体。交流电气设备应优先利用自然导体作保护导体。例如，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，生产用的起重机的轨道，配电装置的外壳、走廊、平台、电梯竖井、起重机与升降机的构架，运输皮带的钢梁，电除尘器的构架等金属结构，配线的银管，电缆的金属构架及铅、铝包皮 ( 通信电缆除外 ) 等均可用作自然保护导体。在低压系统，还可利用不流经可燃液体或气体的金属管道作保护导体。在非爆炸危险环境，如自然保护导体有足够的截面积，可不再另行敷设人工保护导体。人工保护导体可以采用多芯电缆的芯线、与相线同一护套内的绝缘线、固定敷设的绝缘线或裸导体等。保护干线 ( 保护导体干线 ) 必须与电源中性点和接地体 ( 工作接地、重复接地 ) 相连。保护支线 ( 保护导体支线 ) 应与保护干线相连。为提高可靠性，保护干线应经两条连接线与接地体连接。利用母线的外护物作保护导体时，外护物各部分电气连接必须良好，并不会受到机械破坏或化学腐蚀，其导电能力必须符合要求，而且每个预定的分接点应能与其他保护导体连接。利用电缆的外护物或导线的穿管作保护零线时，亦应保证连接良好和有足够的导电能力。利用设备以外的导体作保护零线时，除保证连接可靠、导电能力足够外，还应有防止变形和移动的措施。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原则上不得用作保护导体。为了保持保护导体导电的连续性，所有保护导体，包括有保护作用的 PEN 线上均不得安装单极开关和熔断器；保护导体应有防机械损伤和化学腐蚀的措施；保护导体的接头应便于检查和测试 ( 封装的除外 )； 可拆开的接头必须是用工具才能拆开的接头；各设备的保护( 支线 )不得串联连接，即不得用设备的外露导电部分作为保护导体的一部分。此外，还应注意，一般不得在保护导体上接入电器的动作线圈。二、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。当保护线与相线材料相同时，保护线可以直接按表 3-3 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。除应用电缆芯线或金属护套作保护线外，有机械防护的保护零线不得小于 2.5 mm2 ；没有机械防护的不得小于 4mm2。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。表 3-3 保护零线截面选择表SL/mm2SPE/mm2SL16SL1635SL/2三、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 )。保护导体干线应接向总开关柜。总开关柜内保护导体端子排与自然导体之间的联结称为总等电位联结。总开关柜以下，如采用放射式配电，则保护导体作为支线分别接向用电设备或配电箱 ( 配电箱以下都属于支线 )；如采用树干式配电，应从总开关柜上引出保护导体干线，再从该干线向用电设备或配电箱引出保护支线。对于用电设备或配电箱，如其保护接图3-