接零保护和TN系统

接零保护和接零保护和 tntn 系统系统 1 引言 人身触电事故的发生 一种情况是人体直接触及或过分靠近设 备的带电部分 即直接接触触电 另一种情况是人体接触平时 不带电 因绝缘损坏而带电的电气设备的外露金属部分 如金 属外壳 金属护罩 金属构架等 即间接接触触电 接地与 接零是进行间接接触触电的防护而采取的两项保护性接地措施 是电气安全技术中两个重要的基本概念 2 tn 系统 我国 380 220v 低压配电网广泛采用中性点直接接地的运行方式 根据国际电工委员会 iec 标准 低压配电网中性点工作制度有 3 种 tn 系统 tt 系统和 it 系统 其中根据各国不同的做法 tn 系统又分为 tn s tn c tn c s 三种型式 tn s 系统的特征 是中性线 n 线 和保护线 pe 线 严格分开 又称三相五线 制系统 见图 1 图 1tn s 系统 tn c 系统的特征是将 n 线和 pe 线的功能合在一根保护中性线 pen 线 上 故又称为三相四线制系统 或称为接零保护系 统 这根 pen 线在我国通称为 零线 俗称 地线 见图 2 图 tn c 系统 tn c s 系统中有一部分其 n 线和 pe 线结合成 pen 线 有一部 分 n 线和 pe 线全部或部分分开 n 线的功能是 供单相设备使 用 传导三相系统中的不平衡电流 减上三相负荷中性点的电 位偏移 而 pe 线的功能则是保障人身安全 防止发生触电事故 tn c 系统在我国的工厂企业和居民住宅中是一种常用的中性点 工作制度 3 接地保护型式在 tn 系统中运用的局限性 接地保护是为防止因电气设备绝缘损坏而使人体有遭受触电的 危险 将电气设备正常情况下不带电的外露金属部分 如金属 外壳 与接地体作直接的电气连接 其基本原理是限制漏电设 备外壳对地电压 使之不超过安全范围 有人认为在 tn 系统中 采用接地保护型式可以保证人身安全 这种看法是不对的 在 tn 系统中 电气设备的金属外壳采用接地保护 一般仅能减 轻触电的危险程度 并不能绝对保证安全 分析如下 见图 3 a 所示中性点直接接地低压电网 当一相碰壳使设备外壳 带电时 若人体触及设备外壳 则有接地短路电流流经人体电 阻和接地电阻 并通过中性点形成回路 其等值电路见图 3 b 假设中性点接地电阻 ro 和保护接地电阻 rd 均为 4 人体电阻 rr 约 1000 在计算流经接地体的电流 id 时可忽略不 计 rr 的影响 则流经人体的电流 ir 约为 ir ur rr idrd rr uxrd rd ro rr 100ma 图 3 中性点直接接地配电网保护接地分析 式中 ur 是作用于人体的电压 ux 是电网相电压 假设为 220v 我们知道 通过人体的工频电流超过 50ma 时心脏就 会停止跳动 发生昏迷并出现致命的电灼伤 工频 100ma 的电 流则会迅速致人死命 即使将人体电阻按照 2000 计算 ir 也 达 55ma 对人体仍是非常危险的 另一方面 id ux rd ro 27 5a 不足以引起中等容量以上线路的保 护装置动作 或保险丝不能熔断 造成漏电设备上的危险电 压 ud idrd 100v 将长期存在 而采用降低保护接地电阻 rd 的办法以降低漏电设备外壳对地电压 ud 或在降低 rd 的同时 降低中性点接地电阻 ro 以增大接地短路电流 id 从而使保护装 置迅速动作来切断电源的想法在具体实施上都是不现实的 因 此接地保护形式并不适用于 tn 系统 如果要想在中性点直接接 地低压配电网中采用接地保护型式 电网应引出 n 线且采用漏 电保护器 并使 n 线和设备 pe 线无一点电气联系 构成 tt 系 统 接地保护系统 4 接零保护型式 4 1 接零保护原理 接零保护型式过去通常称为 保护接零 是由前苏联提出来的 概念 但根据 民用建筑电气设计规范 jgj 16 92 的规定 用电设备的接地 一般可区分为保护性接地和功能性接地 保 护性接地又可分为接地和接零两种型式 可见严格意义上讲不 应再采用 保护接零 一词 接零保护是为防止因电气设备绝缘损坏而使人体有遭受触电的 危险 将电气设备正常情况下不带电的外露金属部分 如金属 外壳 与电网的保护线 pe 线或 pen 线 相连接 当一相碰壳 而使接零设备金属外壳带电时 单相接地短路电流通过该相线 和 pe pen 线形成回路 而不经过电源中性点接地装置 见 图 4 由于故障回路相线 pe pen 线阻抗很小 所以单相短 路电流很大 它可使线路上的保护装置 如熔断器 开关等 迅速动作 从而切除漏电设备电源 以起到保护作用 接零保 护适用于 tn 系统 一般和熔断器 脱扣器等配合 需要注意的 是 接零 的概念是指将设备金属外壳接到 pe 线和 pen 线上 而不是接到 n 线上 图 4 保护接零原理 4 2 在 tn c 系统中采用接零保护应注意的问题 4 2 1 重复接地 经验表明 在 tn c 系统中 除电源中性点必须采用工作接地 外 零线应在规程规定的地点采用重复接地 见图 5 重复接 地电阻与工作接地电阻构成零线的并联分支 降低了相线一零 线回路电阻 当发生一相碰壳时 使短路电流增大 加速保护 装置的动作 可缩短故障的持续时间 另重复接地还可限制漏 电设备的对地电压和零线上的电压降 图 5 tn c 系统重复接地 4 2 2 零线 pen 线 断线问题 若零线断线 如不采用重复接地 那么在断线点后有一台设备 发生碰壳时 则断线点后所有接零设备金属外壳对地电压均接 近于相电压 这是很危险的 见图 4 采用重复接地 断线点 后的接零设备就成为接地设备 重复接地此时起到后备保护的 作用 另零线断线时 若三相负荷不平衡 则会使负荷中性点 电位严重漂移 造成三相电压不对称从而烧坏单相设备 零线 不应在短路电流的作用下发生断线 并为防止零线断线 零线 上不得单独安装熔断器 开关装置 若采用自动开关 只有当 过流脱扣器动作后能同时切除相线时 才允许在零线上装设过 流脱扣器 当相线 铝绞线或钢芯铝绞线 截面为 70mm sup 2 sup 以下时 零线截面与相线截面相同 相 线截面在 70 mm sup 2 sup 及以上时 零线截面不宜小 于相线截面的 50 4 2 3 三相负荷不平衡和高次谐波的影响 当三相负荷不平衡时 不平衡电流在零线上产生电压降 另一 方面由于大量非线性电气设备产生的高次谐波电流也叠加到零 线上 即使零线没有断线 同时也没有设备漏电 如人体接触 零线或设备金属外壳 也会产生麻电的感觉 重复接地可减轻 这种麻电现象 4 2 4 零线的接法 电气设备的金属外壳 必须采用单独的引线同零干线作可靠的 连接 三相 380v 四孔插座和单相 220v 三孔插座的保护接零极 pe 线极 也应单独引线接到零干线上 并联的形式 不能 将三孔插座的保护接零极 pe 线极 直接与工作零线极 n 线 极 相连 这样连接若工作零线松扣脱落时 就会使设备的金 属外壳带相电压 并且此时如将工作零线 n 线 和相线 l 线 接反 也会使设备的金属外壳带相电压 从面造成人身触电事 故 如图 6 所示 即为插座的错误接法 此时若三孔插座的工 作零线发生断线 则接在三孔插座上的单相设备不但不能正常 工作且其金属外壳存在相电压 而接在四孔插座上的三相设备 虽能工作但其金属外壳也带有相电压 4 2 5 接地与接零混合使用问题 在同一台变压器或发电机供电的低压电网中 不允许将接零保 护与接地保护混合使用 这样做的后果是如果接地设备发生漏 电而熔断器未及时熔断时 会使整条零线上出现危险的电压 从而使所有接零设备的金属外壳也同时出现危险电压 如采 用第 3 段中的数据 则该电压达 110v 图 6 三孔插座和四孔插座的错误接法 5 tn c 系统存在的缺陷 过去我国对民用建筑特别是居民住宅一直采用以 tn c 型式单 相两线入户的居多 随着人民生产水平的提高 家用电器的增 多 原先符合住宅设计规范的 tn c 系统已不能保证电气安全 的要求 tn c 系统的缺陷主要表现在 1 现在的家用电器大多采用单相三孔插头 而很多地方单相 三孔插座的 pe 线极却是虚设的 并未单独引接 pen 线 结果用 户在处理时有的干脆就不接线 有的将插座的 pe 线极与 n 线极 直接相连 也有的用一根导线将 pe 线极引接到电网 pen 线上或 附近的自然接地体上 等等 这些处理方法都存在安全隐患 2 按 施工现场临时用电安全技术规范 jgj46 88 要求 短路电流应大于熔断器额定电流的 4 倍 但此时熔断时间却为 10 15s 显然保险丝在规定时间内熔断 仍然不能满足保证人 身安全的要求 3 由于三相负荷不平衡和高次谐波的影响而使 pen 线和接零 设备金属外壳呈现较高的电位 产生麻电现象 虽采用重复接 地可减轻此现象 这种现象一般也有能造成人身伤亡 但可能 会对地引起火花 故不适宜在居民住宅 医院 计算机中心等 场所使用 4 对零线 pen 线 断线所带来的危害 即使采用了重复接 地的措施 也不能完全消除 5 若碰壳设备容量较大 距离电源较远 相线一零线回路电 阻较大 短路电流较小 保护装置不能迅速动作 故障设备电 源不能及时切除 pen 线和设备金属外壳就会长期带电 虽采 用重复接地 但仍不能完全消除危险 6 由于零线 pen 线 不允许切断 不能作电气隔离 故在 电气检修时可能因零线对地带电压而引起人身伤亡事故 7 容易将相线和零线接错 或者因互换而引起设备外壳带电 在同一系统中 容易出现保护接地与接零同时存在的情况等等 由于上述原因 住宅设计规范 gb50096 1999 规定了居 民住宅应采用 tt 系统 三相四线制 接地保护系统 t