电气工程概论第四章

第四章设备工作接地与保护接地

普通高等教育“十一五”国家级规划教材《电气工程概论》内容概述1工作接地2保护接地3保护接零45思考题概论普通高等教育“十一五”国家级规划教材《电气工程概论》第一节概述

带电的导体与大地接触时，便会形成以接触点为球心的半球形电场。球面积与球半径的平方成正比，半球形的面积将随着远离接地点而迅速增大。

通常在距离接地点约20m左右处，半球形面积已达2500m2，土壤电阻已小到可以忽略不计，可认为在远离接地点20m以外时，土壤中便不会再产生电压降，即实际上已是零地位了。

这些电位为零的地方，也就是电气上通常所说的“地”，即其含义实际上是泛指零电位的地方。第一节概述

按照接地的作用，可以将接地分为工作接地、保护接地、保护接零、防雷接地和防静电接地等。1．工作接地（0.5～10欧姆）——保证电气设备在正常或发生故障情况下可靠工作2．保护接地（1～10欧姆）——保证工作人员接触时的人身安全，将一切正常工作时不带电而在绝缘损坏时可能带电的金属部分接地3．保护接零（中性点直接接地低压电网）——电气设备的外壳与接地中性线（也称零线）直接连接，以实现对人身安全的保护作用4．防雷接地（1～30欧姆）——防止雷击和过电压对电气设备及人身造成危害，将强大的雷电流安全导入大地5．防静电接地——为消除生产过程中产生的静电积累，如油罐、天然气罐等，引起触电或爆炸而设置的接地称防静电接地第二节普通高等教育“十一五”国家级规划教材《电气工程概论》第二节工作接地

工作接地（中性点接地）：电力系统的中性点是指星形连接的三相变压器绕组或发电机绕组的公共点。中性点的接地方式涉及到系统绝缘水平、通信干扰、接地保护方式、继电保护整定、电压等级以及电力网结构等方面，是一个综合性的复杂问题。

我国电力系统中性点接地方式有：中性点不接地（中性点绝缘）经消弧线圈接地中性点直接接地经电阻接地第二节工作接地

根据电力系统中发生单相接地故障（占６５％）时接地故障电流的大小，可将中性点接地方式分为两类：第二节工作接地

大电流接地系统中发生单相接地故障时，接地相的电源将被短接，形成很大的接地电流。此时继电保护装置立即作用,断路器跳闸切除故障，被切除部分负荷停电。

小电流接地系统中则不会出现电源被短接的现象，因此系统可以带接地故障继续运行(２h)，待做好停电准备工作后再停电排除故障。缺点是发生单相接地时非接地相的对地电压将上升为线电压，使线路和设备的绝缘成本增大。

电压越高绝缘成本比重越大。在110kV及以上的电力系统中都采用中性点直接接地的运行方式。只有在60kV及以下的电力系统中才采用中性点不接地或经消弧线圈接地的运行方式。一、中性点不接地的电力系统

1.中性点不接地系统的正常运行三相电压对称时，三相电容电流相量之和为零，否则不为零。

当各相对地电容不相等时，即使在正常运行状态下，中性点的对地电位便不再是零，通常称此情况为中性点位移。多是由于架空线路排列不对称而又换位不完全的缘故。一、中性点不接地的电力系统2．中性点不接地系统的单相接地故障

发生A相单相金属性接地故障情况，此时A相对地电压降为零,而非故障相B、C对地电压在相位和数值上均发生变化.由图4-5(b)还可看出，在系统发生单相接地故障时，三相之间的线电压仍然对称，用户的三相用电设备仍能照常运行一、中性点不接地的电力系统(4-1)

由式(4-1)和图4-5(b)相量图可知，当A相发生接地故障时，中性点电压升高为相电压，B相和C相对地电压变为

和

，

和

的相位差为60，其幅值都等于正常运行时的线电压，即升高到相电压的

倍。

由图4-5(b)还可看出，在系统发生单相接地故障时，三相之间的线电压仍然对称，用户的三相用电设备仍能照常运行。一、中性点不接地的电力系统

中性点不接地系统发生单相接地故障时，在接地点将流过接地故障电流（电容电流）。例如，A相发生接地故障时，A相对地电容被短接，B、C相对地电压升高到等于线电压，所以对地电容电流变为（接地电流）loh为同级电力网具有电的直接联系的架空线路总长度（km）；lcab为同级电力网具有电的直接联系的电缆线路总长度（km）。一、中性点不接地的电力系统接地电流绝对值由于线路对地电容电流很难准确计算，通常按经验公式计算从图4-6(b)可以看出，例如C相发生接地时，中性点电压

变为

，消弧线圈在

作用下，产生电感电流

（滞后于90），其数值为

IL＝UC/XL＝U/X式中，U为电力网的相电压（kV）；XL为消弧线圈的电抗（）。二、中性点经消弧线圈接地的电力系统

电力系统中性点经消弧线圈接地时，有三种补偿方式，即全补偿方式、欠补偿方式和过补偿方式。二、中性点经消弧线圈接地的电力系统选择消弧线圈时，应当考虑电力网的发展规划，估算容量：式中，Sar为消弧线圈的容量(kVA)；

IC为电力网的接地电容电流（A）；

UN为电力网的额定电压（kV）。

为了调节补偿度（IL与IC的比值），消弧线圈制造成最大补偿电流和最小补偿电流之比为2:1或2.5:1，装有5～9个分接头供调节使用。

按规程规定，在3kV～60kV电力网中，电容电流超过下列数值时，中性点应装设消弧线圈：①3kV～6kV电力网30A；②10kV电力网20A；③35kV～60kV电力网10A。二、中性点经消弧线圈接地的电力系统三、中性点直接接地的电力系统

中性点直接接地的电力系统的主要优点是：发生单相接地故障时中性点电位仍接近于零，非故障相对地电压接近于相电压。因此电气设备的绝缘水平只需按电力网的相电压考虑，从而可以降低工程造价。目前，我国110kV及以上的电力系统基本上都采用中性点直接接地方式。国外220kV及以上的电力系统也都采用这种接地方式。

发生单相接地故障时，接地相短路电流很大。为保证设备安全和系统的稳定运行，必须迅速切除故障线路。当发生单相接地时切除故障线路，将中断向用户供电。为了弥补这个缺点，在线路上广泛安装三相或单相自动重合闸装置来提高供电可靠性。

在380/220V系统中，绝缘不是主要矛盾,从人身安全考虑,一般都采用中性点直接接地方式,发生故障后,可以迅速跳开自动开关或烧断熔断丝。四、中性点经电阻接地的电力系统

可以直接消除不接地系统的两个严重缺点，既能减少电弧过电压的危险性，并使灵敏而有选择性的接地保护得以实现。同时，由于接地电流小于直接接地系统，故对邻近通信线路的干扰较弱。

两种接地形式:五、中性点接地方式的比较与选择接地方式不接地经消弧线圈接地直接接地经电阻接地①接地电流小，为对地电容电流，一般只允许运行在10～30A以下最小，等于残流最大，可能达到系统三相短路电流或更大中等，基本由中性点电阻值决定。本表只讨论接地电流为100～1000A的情况②单相接地时健全相电压大，等于线电压大，等于线电压最小，＜80%线电压一般处于80%～100%线电压之间③避雷器工作条件非有效接地系统用非有效接地系统用有效接地系统用非有效接地系统用，但避雷器选用条件可以放宽④变压器等设备的绝缘水平最高，全绝缘高，与不接地系统同最低，变压器可采用分级绝缘低于不接地系统，当采用不接地系统绝缘水平时寿命延长接地方式不接地经消弧线圈接地直接接地经电阻接地⑥接地故障的继电保护普通接地继电器不适应，需要专门技术，不够可靠需专门技术，通常只用于信号简单可靠简单可靠⑦断路器工作条件切断容量由三相短路电流而定切断容量由三相短路电流而定，动作次数少单相接地电流有时比三相短路电流大，动作次数多切断容量由三相短路电流而定，动作次数多⑧接地故障时的供电中断情况在能够自然熄弧情况下供电不被中断自然熄弧，但永久性故障时仍需跳闸立即跳闸，但通过重合闸弥补此缺点立即跳闸，但通过重合闸弥补此缺点⑨地网和接地设备的费用最少地网费用少，但接地设备价格较高无接地设备，但地网建设费用大中对于不同电压等级的电力系统中性点接地方式的选择参照课本115页。五、中性点接地方式的比较与选择第三节普通高等教育“十一五”国家级规划教材《电气工程概论》1．安全电流与安全电压安全电压（有效值）选用说明额定值/V空载上限/V4250在有触电危险的场所使用的手持式电动工具等3643在矿井、多导电粉尘的场所使用的行灯等2429可供某些具有人体可能偶然触及的带电设备选用121568表4-2安全电压等级与选用说明

保护接地是将设备金属外壳、金属构件或互感器的二次侧等接地，防备由于绝缘损坏而使外壳带危险电压，以保护工作人员在接触时的安全。

安全电压就是不危及人身安全的电压。安全电压取决于人体允许的安全电流和人体电阻。安全电压的规定各国不尽相同。一、保护接地的作用2．保护接地的作用式中，IE为单相接地电流（A）；RE为保护接地电阻（）；Rman为人体电阻（）；Rt为脚与地面的接触电阻（）人体电阻Rman与人体皮肤表面状态和所处条件有关，如人体皮肤处于干燥、洁净和无损伤的状态下，Rman高达40000～100000；而皮肤有伤口或处于潮湿脏污的状态时，Rman可降到1000左右。在最恶劣的情况下，人触及的电压只要达0.05A1000＝50V左右即有致命危险！流过人体的电流一、保护接地的作用

保护接地装置由埋入土中的金属接地体（角钢，钢管）和连接导线所构成，如图4-9所示。

当电力线路或电气设备绝缘损坏发生接地时，接地电流通过接地体向大地作半球形扩散，形成电流场。在接地体附近电位最高，越远电位越小，在距接地体15～20m以外的地方电位接近于零，

电气设备的接地体与零电位之间的电位差UE为接地体的对地电压，简称接地电压，它在数值上等于接地电流与接地电阻的乘积。二、保护接地装置接地电阻的允许值

如上所述，接地装置的接地电阻实质上是接地电流经接地体散流于周围土壤中所遇到的散流电阻。接地故障时，处于分布电位区域中的人，可能有两种方式触及不同的电位而受到电压的作用。如图4-9中当右边的人触及故障设备带电的外壳，加于人手和脚之间的电压，称为接触电压。显然其大小与故障设备（或接触设备外壳的人的站立点）离接地点的远近有关，离得愈近接触电压就愈小，愈远其值就愈大。工程上通常按人站在距设备0.8m的地面上，手触及设备上离地面垂直距离为1.8m处所受到的电压来计算。接触电压两点间内电路的电位差则称为接触电势。当左边人在分布电位区域内跨开一步，两脚间（相距0.8m）所承受的电位差称为跨步电压，与跨步电压相应两点间的内电势，称为跨步电势接触电势Etou=UE－U

跨步电势Estep＝U1－U2二、保护接地装置接地电阻的允许值

在大电流接地系统中，接地电流IE较大，接地体附近的接地散流场范围也大，接触电压和跨步电压对人身安全都有严重威胁。但运行经验表明，故障切除时间快，单相接地时接地网电压若不超过2000V时，人身和设备仍可认为是安全的，则此时接地电阻为RE≤2000/I()式中，I为计算用流经接地装置的入地短路电流（A）。当I＞4000A时，可取RE≤0.5。

在小电流接地系统中，IE较小，但继电保护常作用于信号，接地时间较长，工作人员直接触及设备外壳的几率增大，所以必需限制接触电压。在接地装置仅用于高压设备时，规定接地电压不得超过250V，即RE≤250/I()

当接地装置为高、低压设备共用时，考虑到人与低压设备的接触机会更多，规定接地电压不超过120V，即RE≤120/I()

式中，I为计算用接地故障电流（A），一般接地电阻应不超过10。在1000V以下，最好不超过4。二、保护接地装置接地电阻的允许值三、保护接地分类

按国标GB4776规定，保护接地分为IT、TT和TN三种方式。其中TN方式是将设备金属外壳接零线，又称为保护接零。IT接地方式是电源中性点不接地或经高阻抗接地（字母I）以及设备的金属外壳接地（字母T）的简称。TT接地方式是电源中性点接地（第一个字母T）和设备金属外壳接地（第二个字母T）的简称。IT接地方式TT接地方式在IT接地方式中，当RE＜10时，由于RE<<Z，可使接地电压限制在安全范围内。同时由于中性点不接地或经高阻抗接地时的单相接地电流较小，发生接地后系统还可以继续运行一段时间。在高电压电力网中，由于电压高，接地电流大，接地保护装置能快速动作将故障切除。因而高电压电力网中普遍采用TT接地方式我国1～60kV电网通常采用IT接地方式，1kV以下配电系统中采用TN接地方式三、保护接地分类为接地电压；为接地电流；为接地电阻。四、发电厂和变电站的接地装置

接地装置由接地体和连接导体组成，接地体可分为自然接地体和人工接地体。自然接地体包括埋在地下的金属管道，建筑物的金属结构等，但可燃性液体和气体的金属管道除外。人工接地体分水平接地体和垂直接地体。

接地装置主要分两种形式：外引式和环路式。将接地体集中布置在电气装置外的某一地称为外引式。把接地体环绕电气装置布置，形成环状，并在其中装设若干均压带，则称为环路式。

发电厂和变电站的接地装置，除利用自然接地体或各种人工接地体之外，还应敷设人工接地网，用以降低工频散流电阻。水平接地网应埋在0.6m以下，以免受到机械损伤和季节变化对接地电阻的影响。在避雷器、避雷针附近采用垂直接地体，以集中散泄雷电流之用。第四节普通高等教育“十一五”国家级规划教材《电气工程概论》一、保护接零的作用（1）正常供电情况下能维持相线的对地电压不变，从而可向外（对负载）提供380/220V两种不同的电压，以满足三相380V（如电动机）及单相220V（如电灯、电热）不同的用电需要；（2）若中性点不接地，则当发生单相接地故障时，另外两相的对地电压便升高为线电压。既能减小人体的接触电压，同时还可以适当降低对电气设备的绝缘要求，利于制造及降低造价。（3）可以避免高压电窜到低压侧的危险。中性点直接接地后，万一高低压线圈间绝缘损坏而引起严重漏电甚至短路时，高压电便可经中性点接地装置构成闭合回路，使上一级继电保护动作跳闸切断电源，从而避免低压侧工作人员遭受高压电的伤害或造成设备损坏。

我国低压配电网主要是指电压等级为380/220V的系统，其配电变压器大都采用中性点直接接地方式。保护接零具有下述优点：第四节保护接零在低压配电系统内采用保护接零方式时，还应注意如下要求：（1）电源中性点必须良好接地，工作接地电阻值应符合要求。（2）应装设足够的重复接地装置。（3）同一台变压器供电的低压电网中，不允许混用保护接地与保护接零方式，（4）零线上不准装设开关和熔断器。敷设要求同相线，以免出现零线断线故障。（5）零线截面应保证低压网任一处短路时，能够承受大于熔断器额定电流2.5～4倍及自动开关额定电流1.25～2.5倍的短路电流，且不小于相线载流量的一半。（6）所有电气设备的保护接零线，应以“并联”方式连接到零干线上。二、保护接零方式TN-S系统。字母S表示N与PE分开，设备金属外壳与PE相连接，设备中性点与N连接，即采用五线制供电方式。其优点是PE中没有电流，故设备金属外壳对地电位为零。主要用于数据处理，精密检测，高层建筑的供电系统。TN-C系统。字母C表示N与PE合并成为PEN，实际上是四线制供电方式。设备中性点和金属外壳都与N连接。由于N正常时流通三相不平衡电流和谐波电流，故设备金属外壳正常对地带有一定电压，通常用于一般供电场所。TN-C-S系统。一部分N与PE合并，一部分N与PE分开，是四线半制供电方式。应用于环境较差的场所。当N与PE分开后不允许再合并。二、保护接零方式第四节保护接零三、保护接地与接零方式混用的危害及零线重复接地的必要性

1．保护接地与接零方式混用的危害

如果同时采用了接地和接零两种保护方式，当实行保护接地的设备（如M2）万一发生碰壳故障，则零线的对地低压将会升高到电源相电压的一半或更高。这时，实行保护接零的所有设备（如M1）上，便会带有同样高的电位，使设备外壳等金属部分将呈现较高的对地电压，从而危及操作人员安全。

第四节保护接零

在中性点有良好接地的低压配电系统中，应优先选用保护接零方式（同时要进行重复接地）。大多数工厂企业都由单独的配电变压器供电，故均属此类。但下列情况除外：凡属城市公用电网（即由同一台配电变压器供给多个用户用电的低压网络）供电的，应采用同一种保护方式，且常是统一实行保护接地。在农村配电网络内，皆因不便于统一与严格管理等原因，为避免接零与接地两种保护方式混用而引起事故，所以规定一律不实行保护接零，而采用保护接地方式。

在中性点不接地的低压配电网络中，应采用保护接地方式。对所有高压电气设备，一般都是采用保护接地方式。2．零线重复接地的必要性

若未实行重复接地，当零线万一断线而同时又发生某一设备（如M2）碰壳（C相绝缘损坏）时，断线处（M）后边所有用电设备（如M3）的外壳上也会出现较高的对地电压（为电源一相对地电压U＝220V）。

实行零线重复接地后（重复接地电阻为Rc），M3外壳的对地电压Uc可大为降低（仅等于故障电流Ik与Rc的乘积）。若Rc＝R0＝4，则Uc便只有电源相电压的50％，从而可以减小触电的危险程度；此时已构成了故障电流回路，Ik也就可能会使保护（如熔断器等）动作而切断电源。1．保护接地与接零的适应范围种类保护接地保护接零工作接地工作接零含义用电设备的金属外壳接接地装置用电设备的金属外壳接供电电网的零干线运行需要的接地（如中性点接地）220V用电设备的电源线之一（零线）适应范围中性点不接地电网中性点接地电网，三相四线制系统中性点接地电网三相四线制电网，220V用电设备的供电线路之一目的起安全保护作用起安全保护作用保护电网运行安全提供供电通路四、保护接地与接零的适应范围种类保护接地保护接零工作接地工作接零作用原理平时保持零电位，不显作用，只有发生碰壳或短路时能降低对地电压，从而防止触电伤人平时保持零干线电位不显作用，且与相线绝缘；只有碰壳或短