接地系统安全和火源分析

出处：按学科分类—政治、法律 中国商业出版社《最新单位消防工作实务全书第三卷》第1227页（7144字）

(一)TT系统

TT系统如图4－4－4所示，通常变压器低压侧中性点的工作接地电阻R₀=4Ω，电气设备外壳接地电阻R_d也为4Ω，且电气设备外壳与地同电位，不会产生电弧或火花。但当外壳出现单相接地故障时，就不同了。如果忽略导线电阻不计，则单相接地电流为：

此时，电气设备容量较大，就可能出现I_d小于保护该电气设备的熔断器熔体的额定电流I_er。这样，熔体不熔断，故障长期存在，I_d持续作用的结果不但会使电气设备发热，电弧的持续存在也将能使可燃物点燃。外壳和变压器中性点也出现对地电压，其表达式如下：

在上两式中，无论R₀略大于R_d或R₀＜＜R_d，对人体都不安全。要设备外壳对地电压U_d达到安全值，R_d必须在百分之几欧(Ω)以下才能实现，这样在实践中很难做到。即使做到也很不经济，技术上也不合理。

未故障相相电压也将会升高到接近线电压，这样会使单相设备绝缘击穿，扩大事故范围。

由于中性点对地电位的升高，又使中性线(N)上出现对地电位，从而使未故障接零保护设备的外壳带电。

(二)IT系统

IT系统如图4－4－7所示，在电气设备没有接地的情况下，如果电气设备有一相绝缘损坏，则外壳就带电。由于电气线路对地存在着绝缘电阻和对地分布电容，且绝缘电阻和电容正常时处于并联状态，构成了线路对地的总阻抗。如果人体触及绝缘已遭损坏的电气设备外壳，则电流就通过人体构成了通道，人体将遭到触电的危害。

图4－4－7 IT系统接地原理图

如果电气设备已进行了接地措施，接地电流将同时沿着人体和接地装置流过，流经人体和接地装置电流大小，与电阻成反比关系。

式中：I_r、R_r是沿着人体流过的电流和人体电阻；

I′_d、R_d是沿接地体流过的电流和电阻。

当R_d＜＜R_r时，则可将通过人体的电流限制到安全值以内，甚至减到零，从而使人体避免遭受触电的危险。

关于总的接地电流I_d的大小，在1000V以上的系统由于容抗X_c＞＞R，绝缘电阻可以忽略，此时主要是电容电流对人体的危害。而在1000V以下的系统，当电源容量较小(100kVA以下)，线路不太长，此时主要是流经绝缘体的漏电流。在电源容量较大的情况下线路比较长导线对地电容电流和绝缘漏电流就不能忽略。

(三)TN系统

在TN系统，电气设备在采取保护接零的同时，必须与熔断器或自动空气开关等保护配合应用，才能起到保护作用。

TN系统接零的原理如图4－4－8所示。

图4－4－8 TN系统接零原理图

当设备的某一相与金属外壳相碰，形成该相对中性线的单相短路时，短路电流I_d=I_dL将通过设备外壳和中性线形成闭合回路。由于外壳、中性线和相线的合成电阻很小，短路电流将很大，往往都大于三倍的熔丝(片)额定电流，从而使保护设备迅速动作，使故障设备从线路中切除，就是在故障瞬间，人体触及故障设备外壳，通过人体的电流也是很小的，从而达到对人身和设备的保护作用。

1．TN－C系统

TN－C系统是我国广泛采用的系统，在这个系统，由于中性线与保护线是合一的，为了防止触电事故，必须将电气设备外壳与PEN线作良好的电气连接。如果电气设备外壳既不与PEN线连接，又不与大地作良好电气连接时，则是不安全的。

如图4－4－9所示，当电气设备绝缘损坏，使外壳带电时，漏电流很小，不足以使熔断器熔丝熔断，设备外壳也将长期存在电压，当人体触及该外壳时，就会有电流流过人体，其值为：

图4－4－9 电气设备外壳未接地

式中：U_x——相电压，220V；

R_r——人体电阻(一般为800～1000Ω)；

R₀——工作接地电阻(一般为4Ω)。

若取R_r=1000Ω，则R₀＜＜R_r，可忽略。那么

很明显0．22A，已经超过了人体的安全值。

TN－C系统常常接有大量三相和单相负载，当单相负载过多，使三相负载运行中出现不平衡时，PEN线中就会有不平衡电流I₀流过，并在PEN线上形成电压降，其值为：

U_N=(R_N+jX_N)I_N

式中R_N和X_N分别为PEN线上的电阻和电抗。该电压实际就是加在电气设备外壳上的电压，有时可达到10～40V。这个电压在正常运行情况下的存在，不但会使人感到麻电，而且还可能对附近的金属构件放电，形成火花，特别在易燃易爆环境是很危险的。

此系统只接地，不接PEN线的情况，与TT系统的分析是一样的。

2．TN-S系统

TN－S系统的中性线与保护线是分开的，正常运行时，保护线(PE)上没有工作电流流过。即使有也只能是电气设备的泄漏电流和线路分布电容电流流过，其值也只有毫安(mA)级。这就使电气设备外壳与变压器中性点基本上处于同电位状态，而且对地电压均为零。

中性线流过电流时形成的电压降，并没有加到电气设备的外壳上，故无论从防触电或防火角度看是安全的。

3．TN－C－S系统

TN－C－S系统多用在民用建筑中，其优缺点或利害关系与TN－C，TN－S系统相同。

(四)重复接地

TN系统将电气设备外壳与N(PEN)线相接，可以使漏电设备从线路中迅速切除，但并不能避免漏电设备对地危险电压的存在，同时当N(PEN)线断线的情况下，设备外壳还存在着承受接近相电压的对地电压，继电保护的动作时间也不是达到了最低程度。为了使TN系统电气设备处于最佳的安全状态，还必须对N(PEN)线进行重复接地。

所谓重复接地，就是将N(PEN)线上一处或多处通过接地装置与大地再次连接，如图4－4－10所示。

图4－4－10 有重复接地的TN系统

而前面图4－4－8所示的是一个无重复接地的TN系统。当接零电气设备发生单相短路时，从短路起，到保护装置动作完毕，切断电源的短时间内，其对地电压，即短路电流在PEN线上产生的电压降为：

式中：I_dL－—单相短路电流；

Z_x——相线阻抗；

Z_L——PEN线阻抗；

U_L——PEN线电压降。

由此看出，PEN线阻抗愈大，设备对地电压愈高，通常这个电压远高于安全电压，如果用增加PEN线截面积，降低电阻的办法来换取设备的安全电压是很不经济的。一般规定PEN线导电能力不应低于相线导电能力的1／2，依次原则，可取代入上式则有：

可见，单纯接零措施，仍有触电危险。

在采用图4－4－10中，有重复接地措施时，短路电流大部分通过PEN线，只有小部分电流通过重复接地电阻R_c和工作接地电阻R₀，此时接地电流在R₀上的电压降，就是设备对地电压，即：

U_d只占PEN线电压降的一部分是显而易见的。若取R_c=10Ω，R₀=4Ω，则有：

实际上由于R_c、R₀与PEN线是并联的，U_d比104．8V还要低一些，但这个电压对人的危险仍然存在，可与纯接零相比，重复接地的安全性却提高了，如果能使重复接地电阻R_c降低，则安全性更高，所以在线路中多处重复接地可以降低总的重复接地电阻值。

采用重复接地，还可以减轻由于PEN线断线带来的危险性，如图4－4－11所示。接在PEN线断线处后面的电气设备外壳上存在的对地电压为：

图4－4－11 有重复接地的REN线断线

在断线前面设备外壳上的对地电压为：

当R_c=R₀时，，即断线前后电气设备外壳上的对地电压均为U_x／2。实际上R_c＞R₀，故U_c＞U₀，即与无重复接地时，发生断线后人体承受的近似相

电压相比，危险性是减轻了，但仍不是安全电压。一般R_c=10Ω，在1000V以下的TN系统中，只能起到平衡电位的作用，而不能完全排除危险。因此，要提高对PEN线的施工质量，加强维护、防止断线。

重复接地可以从PEN线上直接接地，也可以从设备外壳上接地。户外架空线宜在线路终端接地，分支线宜在超过200m的分支处接地，高压与低压线路宜在同杆敷设段的两端接地。以金属外皮作中性线的低压电缆，也要重复接地。车间内宜采用环形重复接地，中性线与接地装置至少有两点联接。

(五)采用IT系统或TN系统时应注意的问题

1．在IT系统中，将设备外壳接地。若用同一台变压器供电的两台电气设备，同时发生碰壳接地时，由图4－4－12可看出，无论R_d1和R_d2怎样变化，两台设备外壳都要承受大于的电压，该电压对人是不安全的，而且容易对周围金属构件(如电线管)发生火花放电，引起火灾。解决办法是，采用金属导线将两个接地体直接联接起来的共同接地方式，使两相分别接地变成相间短路，促使保护装置迅速动作，切除设备电源，以达安全目的。

图4－4－12 双碰壳时共同接地

再一个问题是，这种系统单相电流比较小，三相电压的对称性并不被破坏，单相短路持续时间可达两小时。在此时间内由短路电流形成的间歇电弧，及由间歇电弧产生的过电压使绝缘的击穿都将产生点火源，从而扩大事故，形成火灾。

2．在，TN系统中，不能采用有的设备接地，有的设备接零的不合理接地方式。

由同一台发电机，同一台变压器，同一段母线供电的线路也不应采用两种工作制，如图4－4－13所示。如果采用保护接地措施的D设备发生碰壳接地，I_d很小，保护装置不能及时动作，设备外壳和接地线上，就会长期存在危险电压。该电压不但危及人身安全，而且在车间还会向金属构件放电，形成火花。另外，凡是与N线联接的设备外壳电压也都升高，从而使故障范围扩大。

图4－4－13 不合理的接地方式

3．TN－C系统中的中性线是兼作保护线的，在线路上接有很多三相对称负荷和单相负荷，这些负荷很容易造成系统三相负荷的不平衡。正常时PEN线中除有不平衡电流通过外，还有漏电流和电容电流，因此PEN线上有电压降，约为10～40V。该电压就是与PEN线联接的各设备的对地电压。它虽对人不会造成危险，但在有易燃易爆物的地方，产生火花放电却是危险的。

尤其在PEN线断线的情况下，会构成潜在的电点火源。

例如：某油库车站，靠装卸台停有一列载有五节汽油、两节机油的列车。当工作人员联接好管道，将1号泵房鹤管与油槽车罐口相碰时，突然发出长达10cm的强烈火花，幸好油槽车内装的是机油，未酿成事故。该强烈火花，是由于PEN线断线造成的，如图4－4－14所示。

图4－4－14 油库区供电与接地示意图

油库区所有电气设备和输油管道均采用保护接零，并有重复接地。

由于铁轨也是接地的，可视轨道对地电位为零。输油管(鹤管)与铁轨油槽车之间电压就是PEN线与大地间的电压，经实测为2～12V。当用金属导线将输油管与铁轨连接，立即产生与卸油时同样的火花。这个电压是由于三相负荷不平衡，引起PEN线电位偏移造成的。不同负载下，PEN线与铁轨之间的电压，如表4－4－1所示。

表4－4－1PEN线与铁轨间的电压

正常时PEN线电阻远小于接地电阻，三相不平衡电流绝大部分通过PEN线回到变压器，通过接地装置的分流近于零。当PEN线断线时，不平衡电流被迫经接地装置和大地回到变压器。不平衡电流I₀₁就在1号泵房电机的接地电阻R_d1上产生电压降I₀₁R_d1，该电压就是鹤管与铁轨间形成异常火花的电压。

4．允许切断中性线的有关范围

严格讲，PEN线断开，会使接零设备上呈现危险的对地电压，所以在PEN线上装设开关和熔断器是不允许的，如在380／220V系统中的PEN线和具有接零要求的单相设备，就不允许装开关和熔断器。如果装设自动开关，只有当过电流脱扣器动作后能同时切断相线时，才允许在PEN线上装设过流脱扣器。

而对于分布很广的单相线路，如果用电环境正常，没有保护接零要求(如宿舍、办公楼、商店和仓库等)就可以在PEN线和相线上同时装设开关和熔断器，这样就有利于控制短路事故的持续时间，减轻火灾的威胁。如果只在一相上装设开关和熔断器，由于相线和PEN线容易互相接错，而使相线处于无保护状态，当都接上后就减少了这种危险。就是在PEN线熔断器熔断、相线带电的情况下，由于设备外壳不接零，故是不会带电的(但绝缘损坏时有危险)。为了提高安全的可靠性，PEN线用绝缘导线；为达其PEN线，相线都切断的目的，可采用双极刀闸开关，以避免PEN线切断而相线未断的情况。

5．中性线的选择

变压器中性点引出的中性线可用钢母线；车间内若为TN－C－S系统，则行车轨道、金属结构构架可选作保护接地线，设备外壳都与它相连接，外壳不会有危险电压；专用中性线的截面应大于相线截面的一半；四芯电缆的中性线与电缆钢铠焊接后，也可做为TN系统的N(PEN)线；金属钢管也可作为中性线使用，但爆炸危险环境N线和PEN线必须分开敷设。