建筑电气设计中接地系统的探究

摘要: 本文对建筑电气设计中的低压配电各种接地系统进行了探讨,论述了PE保护线及等电位联结在低压配电系统中的重要作用。

关键词: 电气设计；低压配电系统; 接地系统; 等电位联结

引言

低压配电系统的接地型式与安全问题，在以往多年间，国内外都曾进行过长期的探讨、试验，国际电工委员会1997年通过的建筑电气装置标准总结了世界各国的低压配电系统的接地做法，才正式统一划分为TN、TT、IT三种接地系统，而且根据不同的做法，在TN系统中又有TN－S、TN－C、TN－C－S三种型式。T表示电源直接接地; I表示对地隔离(绝缘)或经阻抗接地; N表示中性线在电源处接地; C表示中性线和保护线合用一根; S表示中性线和保护分开各用一根。本文将对低压配电系统接地形式的特点、适用场合进行详细分析,为相关设计人员提供参考。

1TN-C系统

TN-C系统的中性线N与保护线PE是合二为一的,即将设备金属外壳与PE线、N线连接在PEN线上,作为保护接零。TN-C系统如图1所示。

图1TN-C系统

从图1可以看出, PEN线除通过正常负荷电流外,有时还会通过谐波电流, PEN 线上产生的电压降(ΔU = IL ZPEN )将呈现在用电设备外壳和线路金属管线上。当发生PEN线断线或相线碰地短路事故时,将出现高的对地电压。在同一台变压器供电范围内的PEN线是连通的,故障电压可沿PEN线窜至其他建筑物内的用电设备,不仅使人触电,还会对地放电引起火灾,因为故障电压已经超过了安全值。

TN-C系统适用于三相负荷基本平衡且谐波电流较少的供电。对有爆炸、火灾、井下、医疗和无专门维修的民用建筑、数据处理和一些精密电子设备用电不宜用TN-C系统。图1 中Ⅰ、Ⅱ处位置如果相线的绝缘损坏而碰壳时,相当于相线、中性线短路,短路电流较大,断路器过电流保护足以瞬时切断电路。因此在TN-C系统中使用剩余电流断路器和仅使用断路器的保护作用是一样的,如果使用剩余电流断路器会增加成本,还会在同一段PEN线上的用电设备之间传递高电位。

保护接零就是中性线接地。在接零的系统中发生一相碰壳故障时,形成单相短路,电流很大,能使线路保护设备迅速动作,切除故障。在TN-C系统中,不应有一部分是保护接零,另一部分是保护接地。这样做,当接地的设备发生碰壳时,中性线电位升高,会使接零的设备外壳带上危险的电压,如图2所示。

图2同一供电系统中接地与接零混用的危险

2TN-S系统

TN-S系统的中线性N 和保护线PE是分开的, PE线不通过正常的负荷电流,因此, PE线和设备外壳不带电位。PE线只有在发生故障时才产生电位,因此,可较安全地用于民用建筑电气中,也适宜用于精密电子设备的供电。该系统不能解决对地故障电压蔓延和相线对地短路引起中性点电位升高等问题。在TN-S系统中,N线上带有以下成分的电流:

(1) 谐波电流。现代建筑物中一般都用各种直流电子设备以及大量的荧光灯。它们产生的高次谐波除了对电源污染外,还会给N线带来谐波电流,尤其是3次谐波电流。按理论分析,发生在三相中的3次谐波电流会在N线上叠加,叠加后的电流值是相当可观的。有时N 线上叠加的谐波电流甚至大于相线电流。因此,一般在三相四线回路中采用4根截面相等的电线或电缆供电。

(2) 单相工作电流。N线上的电流与相线上的电流大小一样,随着照度标准的提高,单相工作电流也越来越大,这是不能忽视的。

(3) 三相不平衡电流。这是单相负荷的供电系统中必然发生的现象。而且这种不平衡随着时间变化,情况也变得更复杂。TN-S系统供电也就是针对三相不平衡用电负荷制订的。上述3种成分电流混合后在N线上通过,其绝对值是不会太小的。另一方面, N线存在着阻抗,线路越长,阻抗越大,加上中间连接点的阻抗,N线上累积的阻抗是不容忽视的。尤其是越接近末端,阻抗就越大。N线上有电流和阻抗,必然产生对地电压降。同一N 线上的电压降也是随不同段变化,这个电压降可能会大于50 V。假如N线上某点带有100 A电流,该点的阻抗是0. 5Ω,则该点的电压降便达到50 V (人体最大安全电压为50 V) 。因此, TN-S系统在正常运行时N线带电,会发生电击的危险。剩余电流断路器保护装置的接线如图3所示。

图3TN-S系统

图3中1、2、3处或更多处都可使用剩余电流断路器,但需要注意以下几点:

(1) PE线不能穿过剩余电流保护装置的电流互感器,否则不论是否发生漏电故障,穿过零序电流互感器的电流相量和都等于零,剩余电流保护装置拒动。

(2) 由于在2、3支路或更多支路处共用一条PE线,如果有个别用电设备(如图3中Ⅲ设备)未进行剩余电流保护,当其相线因绝缘损坏碰壳后,高电位会通过PE线传递到其他用电设备(图3中Ⅰ、Ⅱ设备)的外壳上,这时2、3支路的剩余电流断路器拒绝动作(不能切断电源) ,但其外壳上带有接近相电压的危险电压,因此,该系统中支路上的用电设备应尽可能装设剩余电流断路器或断路器保护。

3TN-C-S系统

TN-C-S系统中,中性线N和保护线PE一部分是合二为一的,另一部分是分开的,如图4 所示。在民用建筑配电中, TN-C-S是常用的接地系统,通常电源线路中用PEN线进入建筑物总进线柜上后,再分为N线和PE线。这种方式接线简单,具有一定的安全性,适用于分散的民用建筑物配电。由于电源线路中的PEN线上有一定的电压降,此电位仍将呈现在设备的外壳上,因此在单体进线处将PEN线做重复接地,接地电阻≤10Ω后,分为PE线和N线,N线与地绝缘。

图4TN-C-S系统

在图4中,分界点D 的前部是TN-C系统,不应装用剩余电流断路器, D 点的后部为TN-S系统,可以使用剩余电流断路器。

4TT系统

该系统过去称为接地制,用电设备外壳用单独的接地极接地,与电源的接地在电气上无联系,各个建筑物的电气设备用自己的接地极接地, PE线互不连接,这就杜绝了故障电压沿PE线自户外窜入户内的危险。因此供电部门提供给公用低压电网供电的用户大多是用TT接地系统,在农村用得较广。因农村用电负荷分散,线路故障电流小,这个系统接地可以就地打接地极,避免了从电源引来PE线的麻烦。

5IT系统

IT系统中性点不直接接地或经高阻抗接地,也就是说电源带电部分对地绝缘,用电设备的金属外壳直接接地。该系统主要用于电机系统接地。IT系统不宜配出N线,如要配出N线时,需要在N线上装设过电流保护,并用来包括N线在内的所有导线断电。在有大量的单相用电设备时,需要配出N线。可在三相电源设置四极断路器或隔离开关,在发生短路故障时同时切断相线及N线。

6PE线的作用及约束条件

在民用建筑中,常用的低压配电系统的接地形式有3种。在这些低压配电系统设计中,需将所有电气设备及可触及到的金属物体与保护PE线相连。在电气设备与其相连的情况下,对电气设备及操作人员起到保护作用。因此,在低压配电系统保护中, PE线的设置是十分重要的一项技术措施。

PE线是低压配电系统在接地故障状态下传送故障电流的导线,对其有如下几点要求。

(1) 载流能力需满足保护装置灵敏度的要求。

(2) 载流时的线载温度及电磁感应强度对建筑物及内部不能产生火灾或爆炸的危险。

(3) TN-S、TN-C-S系统中PE线所构成的接地故障回路阻抗ZS 的约束条件为

ZS Ia ≤Uo (1)

式中ZS ―――接地故障回路阻抗

Ia ―――保证保护电器在规定的时间内切断故障线的动作电流

Uo ―――相线对地标称电压

(4) TT系统由于接地故障电流小(影响接地故障电流的因素主要为系统与设备的接地电阻) ,因此, TT系统接地故障保护的约束条件为

RA Ia ≤ 50 V (2)

式中RA ―――外露可导电部分的接地极电阻

(5) PE线设置中要考虑以下问题: ①在TN-S、TN-C-S系统中,当出现接地故障时,由于PE线在接地故障持续时间内承受单相短路电流,因此在PE线上所产生的接触电压值需低于安全电压50 V。② PE线敷设时尽量与配电导线靠近并同路敷设,尽可能降低相线―中性线回路阻抗,提高接地故障保护电器的灵敏度,同时也降低PE线上的接触电压。同路敷设是指PE线与配电导线同管、同线槽或桥架敷设。

(6) PE线的选用。JGJ /T 16―1992《民用建筑电气设计规范》第14. 6. 2. 1条规定, PE线最小截面的选用如表1所示。

表1保护线的最小截面(mm2 )

当PE线采用其他金属材料时,如电缆金属外皮、配线用的钢管及金属线槽等,其导电性能必须满足相应PE线的导电性能,即所选的其他金属PE线截面应与表1 所列的相当。IEC /TC 64出版的364-5-54第543. 1. 1条指出, PE线最小截面计算公式如下:

（3）

式中Id ―――忽略阻抗的故障电流有效值

t―――保护电器动作时间

K―――按保护线、绝缘、其他部分的材料及初始温度和最终温度决定的系数

根据计算,若取最不利的条件下Id = 44 A,t = 5 s, K = 58 (裸钢导体初始温度为30 °C,允许最高温度为200 °C) ,则Sa = 1. 7 mm2。若按长时间接地故障电流44 A选择,只需Sa 为12 mm ×4 mm的扁钢; 若采用穿管钢绝缘导线, 只需10 mm2就能满足接地故障保护要求。

近几年来,不少电缆和母线槽生产厂家开发了五芯电缆及五线母线槽,这类产品已在工程中被广泛采用。这类产品是为了满足TN-S、TN-C-S、TT系统在制式上的要求,实际上这些系统只要求提供一条低阻抗的电流通道,并不要求每个出线回路PE线均需专设。各组PE线的选择应按组内出线回路最大接地故障电流值来确定,或者按组内最大相截面积来确定。对于小容量支线回路, PE线允许专设。

改革开放前,在220 /380 V低压配电系统中是用TN-C系统接地形式。改革开放以后,逐步采用IEC标准,低压配电系统才使用TN-S系统接地形式。目前新建工程内部几乎一律采用TN-S系统接地形式,也有低压电源变配电所采用TN-C系统。这就形成了建筑物的室外部分是TN-C系统,室内部分是TN-S,合起来是TN-C-S系统。这样一来就给人一个错觉,似乎TN-C-S系统是新旧的过渡,也可能认为TN-C、TN-C-S系统会淘汰。是否如此,需加考虑。

TN-S系统中,由于中性线和保护线是分开的,而且N线对地绝缘,从电源引出后N线就不能再接地了。如果低压供电网路较大,中性线延长的路径较长,则中性线对地阻抗增大。当三相负荷不平衡时,负荷中性点偏离电位较多,不利于单相用电设备的安全,这是TN-S系统的缺点。TN-C系统从变电所馈出线后,在用电处对中性点可做多次接地,使负荷中线性具有地的电位,有利于单相设备的使用,这是TN-C系统的优点。TN-S系统虽然可以提高用电的人身安全,可用于住宅或其他民用建筑,但供电范围不宜过大,否则会造成单相用电设备不够安全,尤其是低压较长距离的送电,应采用TN-C系统或TN-C-S系统,而不宜采用TN-S系统。

目前在工程设计中常出现一些不正确的叫法。按国际标准正常供电的配电系统,不是按正常时是否通过电流这一原则划分,而是单纯从传输线的根数取其名称,如“三相五线”等,这不是一种规范化的称谓,还是应该以国际标准取其名称。按国际标准划分,如图5所示。

( a) 单相二线TN-S系统( b) 二相三线TT系统

( c) 三相三线TT系统( d) 三相四线TN-S系统

图5系统组合举例

7等电位联结

等电位联结可明显降低预期接触电压,其效果比重复接地好得多,在工程中也易于实现。等电位联结可分为主等电位联结(常称为总等电位联结,MPB)和辅助电位联结(常称为局部电位联结,LEB)两种。其中主等电位联结就是用主保护导体、主接地导体及电气装置的外部可导电部分(如金属水管、主金属构架、基础内的钢筋等)全部连接,在其影响区域内,电击防护水平可明显提高。辅助等电位联结是在一个局部范围内将能同时触及的外露可导电部分、外部可导电部分相互连接,使其在局部地区内外于同一电位。

对建筑物内的电气装置实施等电位联结及安装,可防止PEN线和PE线传导引入的故障电压而导致的电击事故,也可消除电位差、电弧、电火花的发生,有利于消除电磁场引起的干扰,对弱电系统也是不可忽视的一项有效的抗干扰措施。

等电位联结安装要求应执行国家建筑标准设计图集及国家标准中有关等电位部分要求。

对于辅助等电位联结(局部等电位联结)防电击的有效性可通过以下公式校验:

R ≤Ui / Ia(4)

式中R ―――可同时触及的外露可导电部分和装置外可导电部分之间的电阻

Ui ―――允许持续接触电压限值(一般场所内交流电压为50 V 或直流电压为120 V,潮湿场所交流电压为25 V或直流电压为60 V)

Ia ―――切断故障回路不超过5 s的保护动作电流

8结语

建筑电气设计中正确选择接地系统十分重要。如果选择不当,引起的问题就很难采取措施来补救。故对接地系统的分析和选择使用应当引起人们的重视。

注：文章内的图表、公式请到PDF格式下查看