城市轨道交通供电系统课件：接地系统与过电压保护

接地系统与过电压保护城市轨道交通供电系统接地系统概述接地系统概述接地系统基本知识01接地的分类、作用02content目录目录接地系统基本知识接地系统基本知识0

1一、接地系统基本知识01接地装置、接地体与接地线接地装置：人为设置的接地体与接地线的总称。埋人土壤内并与大地直接接触的金属导体或金属体网叫作接地体或接地体网。连接接地体与电气设备必须接地部分的金属导体，叫作接地线。一、接地系统基本知识02对“地”电压、接触电势/电压、跨步电势/电压电气设备发生接地故障时其接地部分与大地零电位之间的电位差称为接地故障时设备的对地电压，它在数值上等于接地电流与接地电阻的乘积。在接地电流扩散区域内，地面上沿电流扩散方向水平距离为0.8m的两点间的电位差，称为跨步电势。以接地点为中心的大地表面约20m半径的圆形范围内，便形成了一个电位分布区，在地面上离设备水平距离为0.8m处与沿设备外壳、架构或墙壁离地面1.8处两点间的电位差称为接触电势。当设备发生接地故障时一、接地系统基本知识03接地电流、流散电阻凡从带电体流入地下的电流即为接地电流正常接地电流指正常工作时，通过接地装置流入地下、借用大地形成回路的电流；故障接地电流指系统发生故障时出现的接地电流。凡系统接地而导致系统发生短路时的故障接地电流，便叫作接地短路电流。在系统中，接地短路电流可能会很大。因此规定:凡接地短路电流在500A及以下时，称为小电流接地系统大于500A时则称为大电流接地系统可见，接地电流与接地短路电流是不同的两回事一、接地系统基本知识03接地电流、流散电阻在接地体上，电流自接地体向四周大地流散时所遇到的全部电阻，称为流散电阻指整个接地装置的电阻值，它是接地体的流散电阻与接地线本身电阻之和。接地电阻由于接地线的电阻一般都很小，故常可忽略不计。因此，可近似认为接地电阻就等于流散电阻。接地的分类、作用接地的分类、作用0

2二、接地的分类、作用接地的分类接地正常接地工作接地强电系统的中性点接地过电压保护接地直流或弱电系统的接地两线一地制的相线接地安全接地保护接地与保护接零重复接地与共同接地静电接地与屏蔽接地电法保护接地故障接地设备碰壳接地电力线路接地电气设备或设施的任何部位（不论带电与不带电）人为地或自然地与具有零电位的大地相接通的方式，称为电气接地（常简称接地）。二、接地的分类、作用由于运行和安全需要，为保证电力网在正常情况或事故情况下能可靠地工作而将电气回路中某一点实行的接地，称为工作接地。强电系统中，各种工作接地的主要作用是：变压器和发电机的中性点直接接地，能维持相线对地的电压不变,并可降低人体的接触电压及适当降低制造时对电气设备的绝缘要求①变压器或发电机的中性点经消弧线圈接地，还能在发生单相接地故障时，消除接地短路点的电弧及由此而可能引起的危害②仪用互感器如电压互感器一次侧线圈的一端接地，主要是为了对一次系统中的相对地电压进行测量③以防止雷害为目的而做的接地为防雷接地④两线一地制的相线接地，相当于三线制的单相接地运行，只适用于3-10kV中性点不接地系统，利用大地作为一根导线，从而可以降低线路基建投资与年运行费用，并减少线路材料的耗量⑤工作接地1二、接地的分类、作用安全接地2采用保护接零时，通常将零线上的一点与地多次做良好的电气连接，成为重复接地。采用重复接地后，由于重复接地点使零线与大地可靠连接，可保证单相碰壳时，零线电位不升高，保证接零设备的安全。当某种原因使零线折断后，断线处以后的电气设备将失去保护接零，即零线采用重复接地，这部分电气设备仅相当于采用保护接地。（a）（b）二、接地的分类、作用综合接地3在供电系统中，同时存在多个用于不同目的、不同用途的接地系统。一个车站内要求接地的系统和设备很多，从接地装置的要求上，可以共用接地装置，也可以分设，在分开设置不同的接地装置时，若距离不能满足要求，将导致不同接地导体之间的耦合影响难以避免。综合接地系统是指供电系统和需要接地的其他设备目前，中国高速铁路多采用综合接地系统各类接地可以采用单独的接地线，但接地极和等电位面是共用的，不存在不同接地系统接地导体之间的耦合问题，也避免了采用不同接地导体产生的点位不同问题。系统接地保护接地电磁兼容接地防雷接地等采用共同的接地装置，并实施等电位连接措施。城市轨道交通供电系统城市轨道交通接地系统的构成和维护城市轨道交通接地系统的构成和维护城市轨道交通接地系统的设计原则和要求01城市轨道交通接地系统的结构和功能02content目录目录城市轨道交通接地系统的维护030

1城市轨道交通接地系统的设计原则和要求城市轨道交通接地系统的设计原则和要求一、城市轨道交通接地系统的设计原则和要求其接地要求如下:车站变电所设备的接地利用车站综合接地网保证工作人员、所内被保护设备的安全及设备工作接地的要求。地面变电所设备的接地利用变电所接地网来实现。在地下车站，由于受地形的限制，如果供电系统单独做一接地网相当困难，且很难满足接地电阻的要求，设备安全接地装置与防雷接地装置尽量分开设置，设备安全接地电阻应小于等于O.5Ω，防雷接地电阻应小于10Ω。在DC1500V系统中，接触轨系统应设独立的接地线，所有不带电金属部分与接地线连接，接地线与牵引变电所内接地网相连，构成接触轨系统接地保护回路。01城市轨道交通接地系统的设计原则一、城市轨道交通接地系统的设计原则和要求123456全线接地按综合接地系统的概念进行设计，使全线形成统一的高低压兼容、强弱电统一的接地系统，满足全线各类设备的工作接地、安全接地及防雷接地要求。满足各类通信、信号、计算机等弱电设备的工作接地与安全接地要求。满足接触网系统工作接地与防雷接地要求。满足沿线接触导线和馈电线断线可能搭触到设备的安全接地要求。满足其他车站设备工作接地与安全接地要求。当杂散电流防护设计与安全接地发生矛盾时，优先考虑安全接地。01城市轨道交通接地系统的设计原则一、城市轨道交通接地系统的设计原则和要求02城市轨道交通接地系统的设计要求变电所中的交流电气装置、设施的某些可导电部分应接地。变电所内不同用途和不同电压的电气装置、设施使用一个总的接地装置，车站内变电所与其他系统采用综合接地，共用一个接地网。每个车站接地网上分别引出变电所设备接地引出线、弱电设备接地引出线和接触网架空地线引出线三组引出线，每组引出线包括三个引出端子，每组引出线间的电气距离大于20m。接地装置考虑土壤干燥等季节变化的影响，接地电阻在四季中均应满足要求，雷电保护接地的接地电阻只考虑在雷季中土壤干燥状态的影响。变电所接地装置的形式和布置考虑保护接地的要求，降低接触电位差和跨步电位差。12345并且，对需设计的城市轨道交通接地系统提出如下要求：0

2城市轨道交通接地系统的结构和功能城市轨道交通接地系统的结构和功能二、城市轨道交通接地系统的结构和功能01城市轨道交通接地系统的结构全线各车站、车辆段和停车场设钢轨电位限制装置5牵引回流系统采用浮空不接地方式，钢轨、负回流线、直流开关柜、整流器、负极柜采用绝缘法安装。4架设架空地线，供接触网系统设备工作接地、安全接地和防雷接地用。32沿线电缆支架上敷设一贯通的接地金属体，供沿线区间电气、通信、信号等机电设备安全接地用。每个车站单独设置一个接地网，供车站各种设备的工作接地、安全接地用。接地电阻满足弱电设备共用接地网接地电阻的要求。1最终设计的接地系统如下：二、城市轨道交通接地系统的结构和功能01城市轨道交通接地系统的结构1500V城市轨道交通综合接地系统P1、P2、P3-强电接地引上线

P4、P5、P6-弱电接地引上线

P7、P8、P9-金属管线接地引线

PCE-强电接地母线

PSCE-金属管线接地母线

WCE-弱电接地母线

在地下车站，由于受地形的限制，如果供电系统单独做一接地网相当困难，且很难满足接地电阻的要求，其接地要求如下:车站变电所设备的接地利用车站综合接地网保证工作人员、所内被保护设备的安全及设备工作接地的要求。地面变电所设备的接地利用变电所接地网来实现。设备安全接地装置与防雷接地装置尽量分开设置，设备安全接地电阻应小于等于O.5Ω，防雷接地电阻应小于10Ω。在DC1500V系统中，接触轨系统应设独立的接地线，所有不带电金属部分与接地线连接，接地线与牵引变电所内接地网相连，构成接触轨系统接地保护回路。二、城市轨道交通接地系统的结构和功能02城市轨道交通接地系统的功能1充分利用沿线设施，可有效降低钢轨电位，保证人身和设备的安全，降低城轨铁路各子系统单独接地所需的工程投资。3城轨交通铁路各子系统接地纳入综合接地系统后，在大大降低各子系统独立进行接地处理实施难度的同时，可有效克服各子系统设备之间的电位差。2对于场坪面积条件有限或者高土壤电阻率地区，采用综合接地优势特别突出。此城市轨道交通接地系统具有以下功能：Texthere0

3城市轨道交通接地系统的维护城市轨道交通接地系统的维护三、城市轨道交通接地系统的维护01城市轨道交通接地系统的维护环路式接地由于单根接地体周围的电场分布不均匀，接地电流或接地电阻较大，容易使人受到跨步电压和接触电压的威胁；此外，单根接地体的可靠性较差，万一断线,就极不安全。因此，一般在不太重要的场合或在独立的设备或设备较少的场合采用。变电所或车间一般采用环路式接地，流散电场互相重叠，使地面电场分布均匀，因此跨步电压和接触电压很低。环路式接地如图所示。当接地体间的相隔距离为接地体长度的1/3时，其效果更为明显。三、城市轨道交通接地系统的维护02城市轨道交通接地系统的维护周期接地系统维护检查的周期一般是:对变、配电所的接地网或工厂车间设备的接地装置，应每年测量一次接地电阻值。看是否合乎要求，并对比上次测量值分析其变化。对其他的接地装置，则要求每两年测量一次。根据接地装置的规模、在电气系统中的重要性及季节变化等因素，每年应对接地装置进行1-2次全面性维护检查。三、城市轨道交通接地系统的维护1)3)2)4)检查接地线是否折断、损伤或严重腐蚀。其具体内容是检查接地点土壤是否因受外力影响而有松动。检查接地支线与接地干线的连接是否牢固。检查重复接地线、接地体及其连接处是否完好无损。5)6)检查全部连接点的螺栓是否有松动，并应逐一加以紧固。挖开接地引下线周围地面，检查地下0.5m处地线受腐蚀的程度，严重时应立即更换。三、城市轨道交通接地系统的维护7)9)8)10)检查接地线的连接线卡及跨接线等的接触是否完好。其具体内容是检查接地体是否因受水冲击或其他原因造成露出地面或离地表过近，若有，应及时修复。检查明敷部分接地或接零母线上的涂漆是否脱落，若有脱落现象时，应重新涂漆以使标志鲜明。及时做好接地装置的变更、检修、测量等项内容的记录。城市轨道交通供电系统小接地电流系统小接地电流系统中性点的接地方式分类01中性点不接地的三相系统02content目录目录中性点经消弧线圈接地的三相系统03中性点经电阻接地系统04一、中性点的接地方式分类变电设备测量设备保护设备01什么是中性点电力系统的中性点是指星型接线的变压器或者发电机的中性点，这些中性点的接地方式是个复杂的问题它关系到系统的绝缘水平、供电可靠性、机电保护、通信干扰、接地保护方式、电压等级、系统接线和系统稳定等很多方面的问题，须经合理技术比较后确定电力系统中性点的接地方式。一、继电保护的作用02中性点接地方式分类大接地电流方式我国电力系统目前所采用的中性点接地方式主要有三种，即不接地、经消弧线圈接地和直接接地。凡是需要断路器遮断单相接地故障电流的，属于大接地电流方式。在大接地电流方式中，主要有中性点直接接地方式、中性点经中电阻、低电阻、低阻抗接地方式。小接地电流方式凡是单相接地电弧能够瞬间自行熄灭者，属于小接地电流方式。在小接地电流系统中，主要有：中性点不接地方式、中性点经消弧线圈接地方式和中性点经高电阻接地方式等多种。小电阻接地系统在国外应用较为广泛，我国已开始部分应用。在城市轨道交通35kV系统中，大部分采用经小电阻接地方式，主变压器110kV侧采用中性点直接接地方式，而在220/380V低压配电系统中也采用中性点直接接地方式。二、中性点不接地的三相系统01中性点不接地的三相系统中性点不接地的三相系统如下图所示，由于输电线路与大地之间存在着电容，各相对地就有电容电流通过，其大小取决于线路对地的电压和对地的电容。二、中性点不接地的三相系统01中性点不接地的三相系统当中性点不接地系统的正常运行时，由于正常运行时各相对地的电压是对称的，各相线路对地电容相等，故各相对地的电容电流也相等。各相电流等于负荷电流及对地电容电流之和，各相对地电容电流的数值相等而相位相差120°，它们的相量和等于零，地中没有电容电流通过，中性点对地电位为零。这时，中性点接地与否对各相对地电压没有任何影响。二、中性点不接地的三相系统01中性点不接地的三相系统可是，当中性点不接地系统的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，通常此情况称为中性点位移。这种现象的产生,多数是由于架空线路排列不对称而又换位不完全造成的。因此在高压输电系统中，架空线路经常采用换相的方式来解决此问题。架空线路换相示意图如下。二、中性点不接地的三相系统02中性点不接地的三相系统故障当中性点不接地系统的单相接地故障时，接地相的对地电压为零，接地相对地的电容电流也为零，此时中性点电位不再是零了，未接地的A、B两相的对地电压将升高到相电压的3倍，即A、B两相的对地电压等于线电压。通过接地点的电容电流为未接地时每一相对地电容电流的3倍。三、中性点经消弧线圈接地的三相系统01中性点经消弧线圈接地的三相系统中性点不接地三相系统，在发生单相接地故障时虽还可以继续供电，但在单相接地故障电流较大，如35kV系统大于10A、10kV系统大于30A时，就无法继续供电。为了克服这个缺陷，便出现了经消弧线圈接地的方式。目前在35kV系统中，较广泛地采用这种中性点经消弧线圈接地的方式，即中性点经消弧线圈接地的三相系统。如图所示中性点经消弧线圈接地的三相系统中发生单相接地时的电流路径。三、中性点经消弧线圈接地的三相系统01中性点经消弧线圈接地的三相系统当发生单相(如C相)接地时，中性点电压将变为U0这时消弧线圈处于相电压下，其内将产生一感性电流I。电感电流IL与电容电流正好相位相反，也流入故障点，从而对单相接地所产生的电容电流实现了补偿，这种补偿使接地电流减小。由于接地电流的减小，电弧将自行熄灭，故障即消失。四、中性点经电阻接地的三相系统01中性点经电阻接地的三相系统中性点经电阻接地系统，按接地电流大小又分为经高电阻接地和经低电阻接地。高电阻接地方式以限制单相接地电流为目的，电阻值一般为数百至数千欧姆。中性点经高电阻接地系统可以消除大部分谐振过电压，对单相间隙弧光接地过电压有一定的限制作用，但对系统绝缘水平要求较高，主要用于发电机回路，有些大型发电机的中性点采用经高电阻接地方式，以提高运行的稳定性。城市轨道交通供电系统LARGEGROUNDINGCURRENTSYSTEM大接地电流系统大接地电流系统content目录目录大接地电流方式概念01中性点直接接地系统02中性点经低电阻接地系统03中性点直接接地系统中性点直接接地系统0

1一、大接地电流方式概念01什么是中性点，什么是大接地电流方式电力系统的中性点是指星型接线的变压器或者发电机的中性点。大接地电流方式指凡是需要断路器遮断单相接地故障电流折，属于大接地电流方式。在大接地电流方式中，主要有中性点直接接地方式、中性点经中电阻、低电阻、低阻抗接地方式。中性点直接接地系统中性点直接接地系统0

201中性点直接接地系统系统中性点经一无阻抗接地线接地的方式为中性点直接接地。对电源而言，凡三相线圈的首端或尾端连接在一起的共同连接点，称为电源中性点，而由电源、中性点引出的导线便称为中性线，常用N表示，三根相线时则分别用A、B、C或L1、L2、L3表示。此时，中性点直接接地方式就是电源中性点直接与接地装置有着良好连接，取得了大地的零电位，该中性点便称为零点，常用0(或N)表示。正常运行时，中性点无电流通过；当发生单相短路故障时，通过接地点的电流较大，可能会烧坏电气设备，发生故障后，继电保护会立即动作，使开关跳闸，消除故障。二、中性点直接接地系统二、中性点直接接地系统采用中性点直接接地方式的系统，对线路绝缘水平的要求较低，能明显降低线路造价，其缺点就是单相接地短路对附近的通信线路有电磁干扰，为此，电力线路应远离通信线路，当两线有交叉时，必须有较大的交叉角，以减少干扰的影响。目前我国110kV以上系统大都采用中性点直接接地。城市轨道交通主变压器110kV侧就采用了中性点直接接地方式。220V/380V三相四线制低压配电网络中，配电变压器的中性点大都实行工作接地，低压电网的配变中性点一般都要实行直接接地。01中性点直接接地系统二、中性点直接接地系统02220/380V低压配电系统接地方式在220/380V低压配电系统中，广泛采用中性点直接接地的额运行方式，低压配电系统按接地方式的不同分为三类，即TT、TN和IT系统。在220V/380V三相四线制低压配电网络中，配电变压器的中性点大都实行工作接地，低压电网的配变中性点一般都要实行直接接地。目前我国110kV以上系统大都采用中性点直接接地。城市轨道交通主变压器110kV侧就采用了中性点直接接地方式。注：第一个字母表示电力(电源)系统对地的关系，T表示中性点直接接地，I表示所有带电部分绝缘。第二个字母表示用电装置外露的可导电部分对地的关系，如T表示设备外壳接地，N表示负载采用接零保护。第三个字母表示工作零线与保护线的组合关系，如C表示工作零线与保护线是合一的，如TN-C;S表示工作零线与保护线是严格分开的，如TN-S。二、中性点直接接地系统02220/380V低压配电系统接地方式-TN系统TN供电系统是将电气设备的金属外壳与工作零线相接的保护系统，称为接零保护系统。TN方式供电系统中，根据其保护零线是否与工作零线分开而划分为TN-C、TN-S和TN-C-S三种。TN-C方式供电系统是用工作零线兼作接零保护线，可以称为保护中性线（PEN）;故也称四线制系统，接线中若存在三相负荷不平衡或者有单相负荷是，保护中性线上呈现不平衡电流，电气设备的外露可导电部分有对地电压的存在。由于N线不得断线，因而在进入建筑物前PEN先应作重复接地。二、中性点直接接地系统02220/380V低压配电系统接地方式-TN系统TN-S方式供电系统是把工作零线N和专用保护线PE严格分开的供电系统，称为TN-S供电系统。俗称三相五线制系统，如图4-15所示，仅电力系统中性点一点接地，外露可导电部分直接接到PE线上。TN-S是我国目前低压系统中普遍采用的接地方式。二、中性点直接接地系统02220/380V低压配电系统接地方式-TN系统TN-C-S供电系统是在TN-C系统上临时变通的做法。当三相电力变压器工作接地情况良好、三相负载比较平衡时TN-C-S系统在施工用电实践中还是可行的。但是在三相负载不平衡、建筑施工工地有专用的电力变压器时，必须采用TN-S方式供电系统。二、中性点直接接地系统02220/380V低压配电系统接地方式-TT系统三根相线分别为L1/L2/L3，一根中性线N，用电设备外露部分采用各自的PE线直接接地。如图所示。在TT系统中当电气设备的金属外壳带电时，接地保护装置可以减少触电危险，但低压断路器不一定跳闸，设备的外壳对地电压可能超过安全电压。当漏电电流较小时，需加漏电保护器。接地装置的接地电阻应满足当单相接地故障时，在规定时间内切除供电线路的需求，或者使接地电压限制在50V以下。二、中性点直接接地系统02220/380V低压配电系统接地方式-IT系统“”IT系统的主要特征就是电力系统的中性点不接地或者经过高阻抗接地，用电设备的外露可导电部分采用各自的PE线接地。在IT系统中，当任何一相发生故障接地时，因为大地可以作为相线继续工作，系统可以继续运行，所以在线路中需加单相接地检测、监视装置，在系统发生故障时报警。中性点经低电阻接地系统中性点经低电阻接地系统0

3中性点经低电阻接地方式适用于以电缆为主，不容易发生瞬时单相接地故障且系统电容电流比较大的城市电网、发电厂用电系统及企业配电系统。其中城市轨道交通35kV供电系统就是采用的此接地方式。由于35kV侧一般采用三角形联结，中性点须采用一台接地变压器来实现。实现小电阻接地需要两个重要设备，一是接地变压器，二是接地电阻柜。三、中性点经低电阻接地系统01中性点经低电阻接地系统由于用中性点经消弧线圈接地方式，无法完全消除接地故障点的电弧和一直谐振过电压，可采用中性点经低电阻接地方式z。该方法具有切除单相接地故障快，过电压水平低的优点接地变压器过电压及防雷保护过电压及防雷保护城市轨道交通供电系统过电压分类01内部、外部过电压02content目录目录防雷保护措施030

1过电压分类过电压分类一、过电压分类在供配电系统正常工作时，各类供配电线路、各种用电设备所承受的电压为相应的额定电压，但在实际工作当中，由于断路器的操作或系统故障，使系统参数发生变化，由此而引起的电力系统内部电磁能量转化或传递的过程中，将在系统中出现过电压。在电力系统过电压一般分为内部过电压和外部过电压。0

2内部、外部过电压内部、外部过电压二、内部、外部过电压内部过电压由于电力系统本身的各种开关操作、系统内部故障以及其他一些原因使系统的运行状态发生改变，也就是有系统两种运行方式之间的过渡过程所引起的。内部过电压的数值一般在额定电压的4-5倍以内。内部过电压所引起的危害相对于外部过电压要小。系统内部过电压主要分为操作过电压和谐振过电压等。01内部过电压概念及分类二、内部、外部过电压操作过电压是由于系统中的开关操作、负载骤变等引起的过电压。常见的操作过电压有以下几种:中性点不接地系统中的电弧接地过电压、切除空载线路过电压、切除空载变压器过电压、空载线路合闸过电压等在系统进行操作或者发生故障时，电感和电容元件就会形成不同的震荡电路，在一定的作用下产生谐振现象，引起谐振过电压操作过电压1谐振过电压2二、内部、外部过电