(福建省建筑科學研究院，福建 福州 350025)

0 引 言

低壓供配電系統(tǒng)發(fā)生接地故障時，如果防護措施不當，將產(chǎn)生很大的故障電流，導致電氣設備和導體的溫度超過其正常工作的最高溫度，以至損壞絕緣，甚至引發(fā)電氣火災[1]。接地故障還可使電氣裝置的外露可導電部分帶電，超過安全電壓限值，使操作人員接觸危險電壓而觸電，引起電擊事故，造成人員傷亡和財產(chǎn)損失。因此安全、可靠的用電是低壓供配電系統(tǒng)需要解決的基本問題。

為了防止接地故障的發(fā)生，我國有關標準已將建筑物內作等電位聯(lián)結作為電氣裝置最基本的保護措施[2]。等電位聯(lián)結的作用就是消除或減小過大的電位差，以保障人身和財產(chǎn)安全，并使電氣裝置正常實現(xiàn)其功能。

1 接地故障保護的基本要求

1.1 低壓配電系統(tǒng)的接地型式及其應用場所

低壓配電系統(tǒng)按接地型式可以分為TN系統(tǒng)、TT系統(tǒng)、IT系統(tǒng)。

①TN系統(tǒng)：電源變壓器中性點直接接地，電氣裝置的外露可導電部分通過保護導體與中性點連接，如圖1所示。按N導體和PE導體的不同組合，又分為TN-C、TN-S、TN-C-S。TN系統(tǒng)發(fā)生故障時，回路的故障電流較大，保護電器會立即動作而切斷電源，同時依靠等電位聯(lián)結降低預期接觸電壓，比較安全。因此，TN系統(tǒng)廣泛應用于工業(yè)及民用建筑內。

②TT系統(tǒng)：電源變壓器中性點直接接地，電氣裝置的外露可導電部分直接接地。當電氣設備的金屬外殼帶電時，由于系統(tǒng)的回路阻抗大，故障電流小，通常采用RCD作接地故障保護。TT系統(tǒng)通常用在難作等電位聯(lián)結的戶外場所，如道路照明、施工場地等。

③IT系統(tǒng)：電源變壓器中性點不接地或經(jīng)過高阻抗接地。電氣裝置的外露可導電部分直接接地。IT系統(tǒng)的故障電流更小，其預期接觸電壓也小，不需要切斷電源，可以帶故障繼續(xù)運行，供電可靠性高，但是應有絕緣監(jiān)測，發(fā)出報警信號，以便及時排除故障。IT系統(tǒng)通常用于不允許停電的場所，或者是要求連續(xù)供電的地方，例如醫(yī)院手術室、應急系統(tǒng)、地下礦井等。

圖1 TN系統(tǒng)及其接地故障等效電路圖

1.2 電氣設備的防觸電保護措施

電氣設備按照防觸電保護方式可以分為0類設備、Ⅰ類設備、Ⅱ類設備、Ⅲ類設備，各類設備的保護措施和主要特征如表1所示。按電擊防護的基本要求可以分為基本保護和故障保護，基本保護的主要措施有以下四種：

①基本絕緣：將電氣設備帶電部分用絕緣覆蓋，防止人體與帶電部分的任何接觸；

②遮欄或外護物：用遮欄或外護物防止人體與帶電部分接觸，遮欄或外護物應牢固可靠，只有在使用鑰匙、工具或切斷帶電部分電源時才允許打開或移動；

③阻擋物：阻擋物應能防止軀體不慎接近帶電部分或在正常工作中操作帶電部分，人體無意地接觸帶電部分；

④置于伸臂范圍之外：可同時觸及的不同電位的部分之間的距離不應在伸手可及的范圍之內。

表1 電氣設備的保護措施及主要特征[3]

故障保護的防護措施歸納起來主要有兩大類：在規(guī)定的時間內自動切斷電源和降低接地故障時外露可導電部分的預期接觸電壓。發(fā)生接地故障時，自動切斷電源的時間不應大于表2的規(guī)定。

表2交流回路最長的切斷電源的時間[4]單位：秒

系統(tǒng)不超過63A的插座和不超過32A的終端回路50V400V其它配電回路TN0.80.40.20.15TT0.30.20.070.041

注：U0—交流回路相對地的標稱電壓。

現(xiàn)今使用的電氣設備絕大多數(shù)都是Ⅰ類電氣設備，其外露可導電部分通過PE線聯(lián)結而實現(xiàn)接地保護，當發(fā)生接地故障時，若不能在表2規(guī)定的時間內切斷電源，則故障電流Id流過PE線，在PE線上產(chǎn)生預期接觸電壓。在忽略人體阻抗和人與地之間的接觸電阻時，預期接觸電壓Ud通過式(1)計算可得：

(1)

對于U0=220V的配電系統(tǒng)，

當SPE=SL，即RPE=RL時，

注：SL是相線的截面，SPE是PE線的截面，RL是相線的電阻，RPE是PE線的電阻。

由此可見，Ud遠遠大于安全電壓限值。此時，有效的措施就是作保護等電位聯(lián)結，保護等電位聯(lián)結可以有效的降低預期接觸電壓和消除故障電壓。

2 等電位聯(lián)結的關鍵技術

2.1 等電位聯(lián)結的類別和作用

等電位聯(lián)結可以消除不同金屬物之間的電位差和建筑物內故障電壓；減少由于保護電器的不可靠動作帶來的危害和避免外界電磁場引起的干擾，改善裝置的電磁兼容性。因此，等電位聯(lián)結在爆炸危險場所、防雷電危害、抗電磁干擾、防電擊保護中有著廣泛應用[5]。

按等電位聯(lián)接的作用可分為保護等電位聯(lián)結和功能等電位聯(lián)結，按等電位聯(lián)結的作用范圍可分為總等電位聯(lián)結、輔助等電位聯(lián)結和局部等電位聯(lián)結。

2.2 總等電位聯(lián)結的保護效果

以TN-C-S系統(tǒng)為例分析在重復接地和等電位聯(lián)結情況下，預期接觸電壓的變化情況。如圖2 a)所示，在建筑物入戶處(點M)做重復接地，其接地電阻為RE，在忽略變壓器阻抗，人體阻抗，人與地之間的接觸電阻情況下，當設備A發(fā)生接地故障時，人體預期接觸電壓可以由式(2)計算。

(2)

圖2 TN系統(tǒng)在不同情況下的接觸電壓

如果按圖2 b)所示在建筑物入戶處(點M)做總等電位聯(lián)結，PEN線上的電壓降已在等電位聯(lián)結范圍之外，對人體接觸電壓已不產(chǎn)生影響，只有PE線的電壓降對人體產(chǎn)生接觸電壓[6]，故預期接觸電壓可以由式(3)計算。

Ud=IdZPE

(3)

Id為故障電流；ZPE為故障點到MEB(總接地端子)之間的PE導體上的阻抗。由此可見，合適的等電位聯(lián)結可以大大降低預期接觸電壓。

3 等電位聯(lián)結的工程實例分析

以TN-C-S系統(tǒng)為例，分4種情況分析在采用重復接地、等電位聯(lián)結等情況下的預期故障電壓變化情況。

某建筑物采用TN-C-S型接地系統(tǒng)，其地下室與大地之間設有絕緣的防水層，PEN線在進戶處分為PE線和N線，如圖3所示。設PEN線的阻抗ZPEN=0.04Ω、PE線的阻抗ZPE=0.06Ω、相線的阻抗ZL=0.1Ω；RB為變壓器中性點的接地電阻，RB=4Ω。忽略變壓器阻抗及線路電抗。當建筑物內的電氣設備A發(fā)生接地故障時，計算外露可導電部分的預期接觸電壓Ud。

圖3 TN系統(tǒng)發(fā)生接地故障示意圖

①無總等電位聯(lián)結，無重復接地，如圖3所示。在忽略人體電阻和人與地之間的接觸電阻時，此時故障電流通過L線、PE線、和PEN線流入大地。此時有：

Ud1=Id1(ZPEN+ZPE)=1100×(0.06+0.04)=110V

②無總等電位聯(lián)結，有重復接地，如圖2a)所示。在電源進戶(點M)處，作重復接地，接地電阻RE=10Ω。

此時Ud是流過RE及RB之電流在RE上產(chǎn)生的電壓降。由公式(2)計算可得：

③有總等電位聯(lián)結，無重復接地。在電源進戶(點M)處，若不作重復接地而改作總等電位聯(lián)結，如圖2 b)所示，在設備A發(fā)生接地故障時：

由于作了總等電位聯(lián)結(MEB)，Ud應為設備A之外殼對MEB處的電位差。

Ud3=Id3×ZPE=1100×0.06=66V

④設置局部等電位聯(lián)結。假設在PE線的中點處(ZPE′=0.5ZPE)設置局部等電位聯(lián)結，在設備A發(fā)生接地故障時：

由于作了局部等電位聯(lián)結，Ud應為設備A之外殼對局部等電位聯(lián)結處的電位差。

Ud4=Id4×ZPE′=1100×0.03=33V

對比分析以上4種情況，不難發(fā)現(xiàn)，在沒有采取保護措施的情況下，預期接觸電壓Ud1=110V遠遠大于安全電壓限值50V。在設置了重復接地的情況下，預期接觸電壓Ud2=97.4V，降低了約13V，降低的幅度有限并且仍然大于安全電壓限值。在進戶處設置總等電位后，預期接觸電壓Ud3=66V，說明總等電位對于降低預期接觸電壓效果明顯，但是仍然未降低到安全電壓限值以下。通過設置局部等電位聯(lián)結后，預期接觸電壓降低至33V，可以有效的將預期接觸電壓降低至安全電壓限值以下，若將局部等電位聯(lián)結點設置得更靠近故障點，預期接觸電壓將會降得更低。

4 結 語

在規(guī)定的時間內自動切斷電源和降低接地故障時外露可導電部分的預期接觸電壓是低壓配電系統(tǒng)故障防護的主要措施。重復接地和等電位聯(lián)結均可降低預期接觸電壓，但預期接觸電壓不一定在電壓安全限值以內，此時，尚需在合適的位置做局部等電位聯(lián)結。等電位聯(lián)結點距離故障設備越近，預期接觸電壓越低，發(fā)生電擊事故的概率就越小。因此，將等電位聯(lián)結措施合理的應用到工程實踐中，可以減少電擊事故的發(fā)生，以保障人身及財產(chǎn)安全。