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值得收藏!接地系統(tǒng)全面詳解

發(fā)布時(shí)間:2019-01-30 責(zé)任編輯:xueqi

【導(dǎo)讀】在電力系統(tǒng)中,接地系統(tǒng)是用來(lái)保護(hù)人身及電力、電子設(shè)備安全的重要措施,過(guò)接地導(dǎo)體將過(guò)電壓產(chǎn)生的過(guò)電流通過(guò)接地裝置導(dǎo)入大地,從而實(shí)現(xiàn)保護(hù)。以下將全面詳解接地系統(tǒng)。
 
為什么回路電流走零線不走地線,而漏電流走地線不走零線,零線地線原理是什么?
 
 
如圖所示, 一直搞不清楚地線和零線的原理,地線的兩端分別是什么,保護(hù)中性線的兩端是什么。漏電流為什么走的地線而回線的電流不走地線。
 
圖中都是我自己標(biāo)注的,可能有錯(cuò)誤。
 
題主的這個(gè)問(wèn)題挺好,好在兩處:第一,標(biāo)題好,直接切入主題;第二,對(duì)保護(hù)中性線錯(cuò)誤的認(rèn)識(shí)表述很到位,的確是許多人的認(rèn)知盲區(qū)。零線的準(zhǔn)確名稱是保護(hù)中性線。
 
先說(shuō)答案:題主的主題本身就是錯(cuò)的。要知道,保護(hù)中性線是中性線與地線的合并線,保護(hù)中性線包括了地線功能在內(nèi)。
 
現(xiàn)在,我來(lái)回答問(wèn)題。
 
我們看圖1:
 
 
注意到圖1中還未出現(xiàn)保護(hù)中性線,只有三條相線L1/L2/L3,以及三條相線的中性線N。三條相線對(duì)N線的電壓均為220V,相線之間的電壓則為380V。
 
我們知道,交流電壓的表達(dá)式為:
 
 
而交流電流的表達(dá)式為:
 
 
注意到一個(gè)事實(shí),當(dāng)三相平衡時(shí),中性線總線上的電壓和電流有如下特性:
 
 
在圖1中,具有此特性的只有標(biāo)注了N字樣的中性線總線,而中性線支線是不具有此特性的。
 
對(duì)于中性線支線來(lái)說(shuō),流過(guò)中性線的電流與相線電流大小相等方向相反。
 
我們?cè)賮?lái)看圖1。圖1中的中性線發(fā)生了斷裂,于是在斷裂點(diǎn)的前方,中性線的電壓依舊為零,但斷裂點(diǎn)的后方若三相平衡時(shí),它的電壓為零;但若三相不平衡,則斷裂點(diǎn)后方的中性線電壓會(huì)上升,最高會(huì)升到相電壓。
 
事實(shí)上,我們發(fā)現(xiàn),只要三相不平衡,盡管中性線并未斷裂,但中性線的電壓也會(huì)上升。
 
 
我們看圖2和圖3:
 
圖2中,在變壓器的中性點(diǎn)做了接地,此接地在國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范中,被稱為系統(tǒng)接地。注意,這里的接地符號(hào)是接大地的意思。
 
系統(tǒng)接地的意義有兩個(gè):
 
第一個(gè)意義:系統(tǒng)接地使得變壓器的中性線的電位被強(qiáng)制性地鉗制在大地的零點(diǎn)位;
 
第二個(gè)意義:給系統(tǒng)的接地電流提供了一條通道;
 
值得注意的是:圖2中的N線因?yàn)橛辛斯ぷ鹘拥?,所以它的符?hào)也變了,變成PEN,也就是題主主題中的保護(hù)中性線。
 
保護(hù)中性線在這里,保護(hù)優(yōu)先于中性線功能。
 
通過(guò)前面的論述我們已經(jīng)知道,若保護(hù)中性線斷裂,由于保護(hù)性中性線具有中性線功能,所以斷裂點(diǎn)后部的保護(hù)性中性線電壓可能會(huì)上升。
 
事實(shí)上,保護(hù)性中性線斷裂點(diǎn)后部的由電壓完全由下式?jīng)Q定:
 
 
可以看出,如果UA、UB和UC各不相同,則三相電壓就不平衡,保護(hù)性中性線電壓當(dāng)然也不等于零。
 
同理,我們可以看到保護(hù)性中性線斷裂點(diǎn)后部的電流也與三相不平衡有關(guān)。
 
再看圖3,我們發(fā)現(xiàn)保護(hù)性中性線PEN中采取多點(diǎn)接地的方法,以避免出現(xiàn)保護(hù)性中性線斷裂點(diǎn)后部電壓上升的情況。
 
注意哦,圖2對(duì)應(yīng)的接地系統(tǒng)叫做TN-C,而圖3對(duì)應(yīng)的接地系統(tǒng)叫做TN-C-S。
 
現(xiàn)在,我們可以回答題主的問(wèn)題了。
 
我們來(lái)看圖4:
 
 
零線的準(zhǔn)確名稱是保護(hù)中性線
 
圖4中,變壓器中性點(diǎn)接地,而用電設(shè)備的外殼直接接地。
 
正常運(yùn)行時(shí),我們看到,用電設(shè)備的外殼根本就不會(huì)有任何電流流過(guò)。
 
現(xiàn)在,我們來(lái)分析L3相對(duì)用電設(shè)備的外殼發(fā)生碰殼事故的情況。
我們首先遇見(jiàn)的是外殼接地電阻有多大這個(gè)基礎(chǔ)參數(shù)。在國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB50054《低壓配電設(shè)計(jì)規(guī)范》中,把外殼接地后的電阻以及地網(wǎng)電阻合并叫做接地極電阻,并規(guī)定它的值不得大于4歐。但在工程上,一般認(rèn)為接地極電阻為0.8歐。
 
其次,我們需要知道保護(hù)性中性線電纜的電阻是多少。這個(gè)值可以根據(jù)具體線路參數(shù)來(lái)考慮。方便起見(jiàn),不妨先規(guī)定這條保護(hù)性中性線電纜的長(zhǎng)度是100米,電纜芯線截面是16平方毫米,它的工作溫度是30攝氏度,則它的電阻為:
 
 
有了這兩個(gè)數(shù)據(jù),我們就可以來(lái)進(jìn)行實(shí)際計(jì)算了。
 
我們看圖4的下圖,我們發(fā)現(xiàn)當(dāng)L3相對(duì)用電設(shè)備的外殼短路時(shí),保護(hù)性中性線中有電流流過(guò),地網(wǎng)中也有電流流過(guò)。
 
注意到保護(hù)性中性線電阻和地網(wǎng)電阻其實(shí)是并聯(lián)的,按照中學(xué)的電學(xué)物理知識(shí),我們知道并聯(lián)電路的電流與電阻的阻值成反比,也即:
 
 
由式1我們看到,地網(wǎng)電流與保護(hù)性中性線電阻和地網(wǎng)電阻的比值有關(guān)。我們把接地極電阻按4歐取值,把具體參數(shù)代入,得到地網(wǎng)電流為:
 
 
即便我們按工程慣例接地極電阻取為0.8歐,得到地網(wǎng)電流為: 
 
 
也就是說(shuō),地網(wǎng)電流只相當(dāng)于保護(hù)性中性線電流的3%~15%而已!我們?nèi)橹虚g值,則地網(wǎng)電流只有保護(hù)性中性線電流的6%。
 
零線的準(zhǔn)確名稱是保護(hù)中性線
 
至此,我們已經(jīng)回答了題主的問(wèn)題。
 
現(xiàn)在,我來(lái)提個(gè)問(wèn)題:
 
用電設(shè)備的外殼發(fā)生碰殼故障后,地網(wǎng)電流如此之小,與保護(hù)性中性線電流相比,幾乎可以忽略不計(jì),那么用電設(shè)備的外殼帶電將長(zhǎng)期存在。如此一來(lái),必然會(huì)出現(xiàn)人身傷害事故。
 
那么,在實(shí)際接線中,我們是如何來(lái)保護(hù)人身安全的?
 
提示:這個(gè)問(wèn)題的涉及面有點(diǎn)廣,與低壓配電網(wǎng)的接地形式有關(guān),與用電設(shè)備的保護(hù)接零及保護(hù)接地有關(guān),與TN-C系統(tǒng)下到底采用斷路器保護(hù)還是采用漏電開(kāi)關(guān)保護(hù)也有關(guān)。
 
解答:從以上描述中我們看到,當(dāng)發(fā)生單相接地故障時(shí),地網(wǎng)電流很小,根本不足以推動(dòng)斷路器或者熔斷器執(zhí)行保護(hù)。怎么辦呢?
 
國(guó)際電工委員會(huì)IEC提出了解決方案,這就是接地系統(tǒng)。
 
在具體描述之前,我們先明確幾個(gè)概念:
 
第一個(gè)概念,什么叫做系統(tǒng)接地或者工作接地?
 
系統(tǒng)接地(工作接地))指的是電力變壓器中性點(diǎn)接地,用T來(lái)表示,沒(méi)有就用I來(lái)表示。
 
第二個(gè)概念,什么叫做保護(hù)接地?
 
保護(hù)接地指的是用電設(shè)備的外殼直接接地,用T表示。若外殼接到來(lái)自電源的保護(hù)性中性線或者地線,則用N表示。
 
第三個(gè)概念,什么叫做接地形式?
 
接地形式有三種,分別是TN、TT和IT。TN下又分為T(mén)N-C、TN-S和TN-C-S。
 
知曉這幾個(gè)概念后,我們來(lái)看看IEC給出的有關(guān)TN-C和TT系統(tǒng)的原圖。注意,這兩幅圖是不容置疑的,是有關(guān)接地系統(tǒng)的權(quán)威解釋。
 
第一幅圖:TN-C接地系統(tǒng)和TN-S系統(tǒng)
 
零線的準(zhǔn)確名稱是保護(hù)中性線
 
由于電路中有系統(tǒng)接地,但負(fù)載外殼沒(méi)有直接接地,而是通過(guò)保護(hù)性中性線PEN間接接地,所以該接地系統(tǒng)叫做TN-C。
 
圖中左上角就是變壓器低壓側(cè)繞組,我們看到它引出了三條相線L1/L2/L3和一條PEN保護(hù)性中性線。注意到保護(hù)性中性線的左側(cè)有兩次接地,第一次在變壓器的中性點(diǎn),這叫做系統(tǒng)接地,第二次在中間某處,叫做重復(fù)接地。重復(fù)接地的意義就是防止保護(hù)性中性線斷裂后其后部保護(hù)性中性線的電壓上升。
 
值得注意的是負(fù)載。我們看到中間的負(fù)載PEN首先引到外殼,然后再引到保護(hù)性中性線接線端子。這說(shuō)明,保護(hù)性中性線PEN是保護(hù)優(yōu)先的。也因此,
 
下圖是TN-S系統(tǒng),我就不解釋了:
 
 
第二幅圖:TN-C-S接地系統(tǒng)
 
 
TN-C-S區(qū)別于TN-C,就在于PEN在重復(fù)接地后分開(kāi)為N中性線和PE保護(hù)線。
 
注意到TN-C-S的-S側(cè)負(fù)載的外殼是接在PE線上的,而TN-C-S的-C側(cè)則是接在PEN線上,因此前者是保護(hù)接地,后者是保護(hù)接零。兩者相比,保護(hù)性中性線不能中斷,而PE線同樣也不能中斷。
 
在居家配電系統(tǒng)和學(xué)校、企事業(yè)單位配電系統(tǒng)中,TN-C-S非常普遍。
 
第三幅圖:TT接地系統(tǒng)
 
從符號(hào)代碼看,TT接地系統(tǒng)有系統(tǒng)接地,但它的保護(hù)接地采取直接接地的方式實(shí)現(xiàn)的。
 
 
TT接地系統(tǒng)變壓器的中性點(diǎn)直接接地,而用電負(fù)載的外殼也獨(dú)立直接接地。構(gòu)成保護(hù)接地。
 
值得注意的是:我們?cè)谇懊嬉呀?jīng)描述過(guò)了,當(dāng)發(fā)生單相接地故障時(shí),流經(jīng)地網(wǎng)的電流實(shí)際上只有N線電流的6%左右。因此,TT系統(tǒng)下發(fā)生的單相接地故障電流相對(duì)TN要小得多。
 
現(xiàn)在我們來(lái)對(duì)比TN系統(tǒng)和TT系統(tǒng)的異同點(diǎn):
 
1.對(duì)于TN系統(tǒng)和TT系統(tǒng)來(lái)說(shuō),由于首字母都是T,說(shuō)明這兩個(gè)系統(tǒng)都有系統(tǒng)接地;
 
2.由于TN系統(tǒng)的N線與PE線在系統(tǒng)接地處或者重復(fù)接地處是連在一起的,PEN則完全合并在一起,而用電設(shè)備的外殼直接與PE或者PEN連在一起,因此發(fā)生單相接地故障時(shí),故障電流會(huì)比較大,近似于相線對(duì)N線的短路。所以,TN系統(tǒng)又叫做大電流接地系統(tǒng);
 
TT的系統(tǒng)接地與保護(hù)接地完全獨(dú)立,單相接地故障電流要返回電源,必須通過(guò)地網(wǎng),并且電流較小。所以,TT系統(tǒng)又叫做小電流接地系統(tǒng)。
 
有了接地系統(tǒng)的解釋,我們就可以回答問(wèn)題了。
 
1.需要適當(dāng)?shù)胤糯蠼拥仉娏?/div>
 
適當(dāng)?shù)胤糯蠼拥仉娏?,使得用電設(shè)備的前接斷路器可以執(zhí)行過(guò)電流保護(hù)操作,這就是具有大接地電流的TN系統(tǒng)。
 
2.加裝漏電保護(hù)裝置RCD。
 
我們來(lái)看圖5:
 
 
圖5中,我們看到變壓器的中性點(diǎn)直接接地,然后分開(kāi)為N和PE,并且PE一直延伸到負(fù)載側(cè)并接到用電設(shè)備的外殼上。所以,此接地方式屬于TN-S接地系統(tǒng)。
 
當(dāng)用電設(shè)備發(fā)生碰殼事故后,PE線的電阻當(dāng)然小于地網(wǎng)電阻,并且PE的最前端還與N線相連,接地電流被放大到接近相對(duì)N的短路電流,則距離用電設(shè)備最近的上游斷路器會(huì)執(zhí)行過(guò)電流跳閘保護(hù)。
 
圖5中,我們還看到從二級(jí)配電用四芯電纜引了三條相線和N線到負(fù)載側(cè),PE線被切斷了,而用電設(shè)備的外殼直接接地。于是當(dāng)用電設(shè)備發(fā)生碰殼事故后,接地電流只能通過(guò)地網(wǎng)返回電源。此接地方式屬于TN-S下的TT接地系統(tǒng)。
 
由于TT下通過(guò)地網(wǎng)的接地電流很小,所以IEC和國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)都規(guī)定了必須安裝漏電保護(hù)裝置RCD。
 
RCD的原理如下:
 
 
未發(fā)生單相接地故障時(shí),三相電流合并N線電流后的相量和為零。當(dāng)發(fā)生漏電后,某相電流會(huì)增加,并且漏電流經(jīng)過(guò)地網(wǎng)返回電源,則N線電流依然與先前一致。于是,零序電流互感器的磁路中會(huì)出現(xiàn)磁通,其測(cè)量繞組中當(dāng)然會(huì)出現(xiàn)電流,并驅(qū)動(dòng)檢測(cè)和控制部件使得前接斷路器執(zhí)行漏電保護(hù)動(dòng)作。
 
RCD的動(dòng)作電流可以在30毫安以下,有效地保護(hù)了人身安全。
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