【word】 保护接地和保护接零原理理论分析

【word】 保护接地和保护接零原理理论分析 保护接地和保护接零原理理论分析 理论研究 保护接地和保护接零原理理论分析 张涵铃 (义乌国际商贸学校,浙江义乌322008) 摘要:随着社会的不断进步,电能已经成为人们生产生活中最基本和 不可替代的能源.然而,当电能失去控 制时,就会引发各类电气事故,其中包括对人体的伤害,即触电事故. 为了保证安全,防止触电事故,必须在落实 好组织措施的前提下,采取相应的技术措施.间接接触触电的安全防 护技术措施很多,其中保护接地和保护 接零是防止人体间接接触触电最基本最有效的措施. 关键词:保护接地;保护接零;原理理论分析 TheoryAnalysisontheProtectionEarthingandProtectionZeroLineConnect ion //ZhangHanling Abstract:Withthegradualdevelopmentofthesociety.theelectricityhasbeco methemostbasicand indispensableenergyinourlifeandproduction.However.allkindsofelectrica ccidentswouldoccur includingthedamageonhumanbeingwhentheelectricityisoutofcontro1.Inordertoguaranteethesafety andpreventfromtheelectrocution,thetechnicalmeasuresconcernedshouldbeadoptedunderthepremise thattheorganizationmeansarewellsettled.Therearemanysafetypreventionmeasuresoftheindirect electricshock,thereintotheprotectionearthingandprotectionzerolineconnectionareboththemostbasic andeffectivewaystopreventhumanbodyfromindirectlycontactingelectricshock. Keywords:Protectionearthing;zerolineconnectionprotection;principletheoryanalysis 中图分类号:TM08文献标识码:A文章编 号:1673.8241(2007)08.0056.08 一 引言 保护接地和保护接零是防止人体间接接触触电 最基本最有效的措施,但很多书籍和文章中,保护 接地和保护接零原理的分析往往是定性地分析.本 文结合交流电路,根据电工学规律,通过数学计算 的方法,详细地分析保护接地和保护接零的基本原 理.以帮助人们理解保护接地和保护接零的作用, 功能;同时也可以指导工程技术人员进行保护接地 和保护接零工作,正确安装插座等. 为了分析保护接地和保护接零的原理,首先需 要理解和掌握安全电流,安全电压和电力配电系统 等一些知识. 收稿日期:2007-07—30 作者简介:张涵铃(1964-),男,中学一级教师,维修电 工技师. 56200T8 1.安全电流和安全电压. 保护接地和保护接零都是通过接地使流过人 体的电流和加在人体两端的电压限制在一定范围 内.人体是具有一定电阻值的导体,在电气安全工 程计算中,通常取人体电阻值为1700Q.在一般情 况下,取30mA为安全电流,即以30mA为人体所能 忍受而无致命危险的最大电流;在我国规定一般 环境下的安全电压为36V.即通过人体的电流小于 30mA,承受的电压小于36V,可认为人身是安全的, 不会对人体产生生理,病理的伤害. 2.三种电力配电系统. (1)IT系统:所谓IT系统是指电源中性点不接 地或经阻抗接地(I),电气设备的外露可导电部分 (如设备的金属外壳)经各自的保护线PE分别直接 接地(T)的三相三线制低压配电系统. (2)TT系统:电源中性点直接接地(T),而设 备的外露可导电部分则对地直接做电气连接(T). 此接地点与电力系统的接地点无直接关联.这种系 统叫做TT系统. (3)TN系统:电源中性点直接接地(T),电 气装置的外露可导电部分通过保护线(PE)与电源 中性点的接地点直接做电气连接(N)的配电系统. ?————一 图11T系统 图2TT系统 图5TN系统 二,保护接地原理分析 保护接地,就是将电气设备在正常运行时不带 电而绝缘损坏时可能带电的金属部分(例如各种电气 设备的金属外壳,配电装置的金属构架等)用导线与 大地直接做电气连接.此接地点与电力系统的接地 点无直接关联. 1.电源中性点不接地电网中,电气设备不接地 时,有很大的危险性. 以电动机为例,设电动机不接地.如图4(a). 当电动机正常运行时,其外壳不带电,触及外 研究II:l:[rl0Ith 壳的人并无危害. 而当电动机外壳绝缘击穿时,其外壳便带有电 压.这时若有人触及电动机外壳,将有电流经人体 电阻Rb和线路对地绝缘阻抗Z(电网对地分布电容 C和绝缘电阻R的并联组合)构成回路.如图4(a). 画出等效电路如图4(b) 根据电工学规律,可求得流经人体的电流: ?————一 (a) N 躅 (b) 图4中性点不接地电网发生单相碰壳故障 =3U/(Z+3Rb)其有效值为=3lZ+61 人体承受的电压为Ub=IbRb=3RbU~IzR6I 式中:U——电网相电压(V);Rb—-人体电 阻(Q);Z——电网每相导线对地的复阻抗Z=R+I/ jcoc(~) (1)低压电网:如在采矿,石油化工部门及某些发 电厂中,采用中性点不接地的380/220V电网. 第一,当电网对地绝缘电阻较低,同时对地分 布电容又很小时:由于容抗Zc=I/o~cl:L电阻R的数 值要大得多(1/coc>>R),因此可以不考虑分布电 容的作用.只考虑电阻R,Z=R.于是流过人体的电 流为:Ib=3U/(R+姐,人体承受的电压为:Ub=IbRb :3URb/(R+3R.晴天时,设测得各相对地取绝缘 电阻R=O.5×l00,人体电阻Rb=1700O.则流过 2001.651 论研 人体的电流为: ,6=3U/(R+3R6)=(3×220)/0.5×l0.+3× 1700~1.31(mA) 人体承受的电压:U6:IbR6=1.3l×l0× 1700=2.23(V) 这时Ib=1.3lmA<<30mA,Ub<36Vo人体是 安全的,不会有触电的危险. 阴雨天时,如果电网绝缘不良,设R=5000f2,则 流过人体的电流为,6=3+36)=(3×220)/5000+3 ×l700=65i11A>30i11A.加于人体的电压: Ub=IbRb=65×10×1700=lll(V)>36V这时对触 电者是相当危险的. 第二,对于对地分布电容较大,同时对地绝缘 电阻又很高时,由于R>>1/?c,所以可以不考虑电 阻的作用. 只考虑容抗,Zc=1/j?c 根据电工学理论,可求得流过人体的电流和人 体承受的电压: ===! Z+3Rb一— 1 —- t-3Rb1+j3Rb~c jc =6:垒 1+3Rb~c 其有效值为: 3?cU ?1+9尺6?c =Rb=3R6?cU 例如,~U=220V,各相对地电容C=0.55F, 人体电阻Rb=2000fl时,通过人体的电流为: 肋=3o~cU 3×(2rrx50)×0.55×10一.×220 ?1+9×2000×4×n×50×O.55×10一’ =79.2mA>30mA 人体承受的电压为:Ub=IbRb=79.2×10× 2【】(】0=l58.4V>36V对人体有较大的危害. (2)高压电网. 582007.8 3,60kV电网的中性点是不接地运行的.这类 电网电压较高,绝缘电阻R一般都在数百兆欧以上. 但由于电网分布广,线路长,对地电容较大(尤其是 电缆电路).这时,R>>l/?c;Zl/?c,流过人体 的电流为: /b=3 设有一6KV电缆电网,线路总长为1500米,全 部采用l6的铜芯电缆敷设.馈电给高压电动机,每 千米电缆的对地电容Co-’O.22F,当人触及”碰壳” 的电动机外壳时,流过人体的电流为: /b=3 .. 6000 j×一 ,/3 =950mA>>30mA 人体承受的电压为:6=IbR6=950×10× 1700=1615V>>36V 显然,这是十分危险的. 所以,中性点不接地电网中,电气设备不接地 时,如果电气设备漏电,当人体接触时,通过人体的 电流大于30mA,人体承受的电压大于36Vo即会发 (b) 图5】T系统发生”碰壳”故障时保护接地的作用 生严重的触电事故. 2.电源中性点不接地电网中,采用保护接地可 以防止人身触电 如图5(a)中,电动机外壳通过保护线(PE), 接地体Rel~f接接地. 在示意图(a)中,当设备的外壳漏电带电时, 保护接地电阻R与人体电阻R处于并联状态.因为 RE<<R所以RffRR.同样可求得设备金属外壳 对地电压(即人体可能承受的电压)和流过人体的电 流分别是: 0==0 3RE+z == RbRb{3R,+Z) (1)当R,C很大时,可不考虑电阻的作用. 0 Rb(j3RFcoC+1) 通过人体的电流有效值为: =一 Rb,Jl+9R2Ec0C 人体承受的电压为: 0一:=:墨0 ,3RcoC+l 对IT系统,当U--220V,各相对地电容 C=0.55uF,人体电阻Rb--2000f)时,如果设备采用 保护接地时,若R.-4Q,其它条件不变,则可求得 流过人体的电流为: Ib 3x4x27Tx50x0,55xl0一x220 200041+9x4x(2;rx50)x(o.55x10i) =0.23A<<30mA 人体承受的电压为: Ub--IbRb--0.23x10,x2000.-0.46V<<36V 人体比较安全,没有触电的危险. (2)当电网对地绝缘电阻较低,同时对地分布电 容又很小时:在380V/220V中性点不接地电网中,仍 假设电网的绝缘电阻R--5000C2,忽略对地电容的影 论研 响,人体电阻Rb--1700f),当保护接地电阻R=4Q 时,根据以上电路和电工学公式可求得人体的接触 电压: Ub= 3尺+尺 =兰×22o 3x4+5000 =0.53V<<36V 通过人体的电流为: l一-b===0一.3一lmA<<30一mA=——=——=.I<<j Rbl700 这时人体很安全,没有触电的危险. 所以,当设备金属外壳意外带电时,只要适当 地控制RE的大小,就可将故障电压限制在安全范围 (一般为36V)之内,流过人体的电流限制在某一范围 (30mA)内,以消除或减小电击的危险.这就是保 护接地的工作原理. 由此可见,在IT系统中,采用保护接地是很有 效的安全技术措施. 3.在电源中性点直接接地的电网中,保护接地 的有效性分析. 在电源中性点直接接地的电网中,无保护接地 时,有很大的触电危险性;当采用保护接地时,降低 了触电的危险性,如果再加装漏电保护器,可保证人 身安全. (1)无保护接地时,有很大的触电危险性. 在示意图6(a)中,电源中性点直接接地,而设 备的外露可导电部分没有保护接地. 在图6(a)中,电动机的金属外壳不接地.当 人体触及”碰壳”的电动机外壳时,接地电流I经 人体电阻Rb;~n变压器的工作接地电阻R构成回 路.根据图6(b)等效电路,可求出流经人体的电流 Ib为: =J,==129mA>30mA .尺6+1700+4 此电流远大于安全电流,触电者是很危险的. (2)有保护接地时:降低了触电的危险性,如果 再加装漏电保护器,可保证人身安全. 2007.859 Il理论研究 No=42 图6中性点直接接地电网中不采用保护接地的危险 电动机采取保护接地:即外壳通过保护线 (PE),接地体Re直接接地. 第一,当电动机发生碰壳短路时,等效电路如图 (b)所示.故障电流U/R.+/懈 分析:Ib=65mA大于安全电流(30mA).且故 障电流只有27.5A,在大多数情况下,是不足以使电 路的过电流保护装置(如熔断器,自动开关的脱扣 器等)动作的.电动机的外壳将长时间带电,这对人 是很危险的. 第二,另外,观察分析电路图7,根据等效电路, 由电工学原理,可求得零线对地电压: D,懈u[4/(4+4)]X220=110V>36V <<6,R<< 即零线上产生了对地电压己,n.人触及漏电设备 或触及零线即可能受到危险的电击. 根据以上两点分析可知,一般情况下,供电电力 系统不采用TT系统. 第三,当不得不采用TT系统时: 一 个是要减少保护接地电阻值:人体(R) 与接地电阻RE并联,为保证人身安全,要使人体 上的电压Ub=UE=36V,所以U0=U—U----220— 36=184V, ,一==46A Ro4 ,6===0.0212 Rb1700 =,一=46—0.0212=45.9788A 尺一==0,783Q lE45.9788 即要使保护接地电阻降至0.783f~.这样做将增 大接地装置的费用和工程难度.从技术和经济的角 度来看,这样做是不合理的. 另外,当不得不采用TT系统时,还必须加装高 灵敏度漏电保护器. 三,保护接零原理分析 在我国,遍布城乡的低压配电网多是中性点直 接接地的380V/220V三相四线制系统.这种电网防 止间接接触触电有效的安全技术措施是保护接零. 所谓保护接零,就是在电源中性点直接接地的 三相四线制(380V/220V)低压电网中,把电气设备 在正常情况下不带电的金属外壳与电网的零线(中 性线)可靠地连接起来.如图8(a)所示,图(b)是 等效电路. ZT (a) ZEZL ZT (b) ZEZL 电路(c) 图8等效电路图 N 1.保护接零原理. (1)保护接零具有过电流速断作用:借助接零线 路,使设备在绝缘损坏后碰壳形成单相短路,利用 短路电流促使线路上的保护装置迅速动作,切断电 源,保证人身安全.保护装置一般是熔断器FU或低 压断路器. 当电动机正常运行时,零线(保护中性线PEN) 不带电.由于电动机的外壳是与零线(中性线)相连 的,人体摸触设备外壳等于摸触保护中性线PEN, 并无触电危险. 当某相带电部分碰到设备外壳(即外露导电部 分)时,通过设备外壳使该相与零线(保护中性线) 论研究lI{日:l1【l】【II1 形成单相短路.因为该相短路时的短路电流I很 大,在大多数情况下,只要短路保护装置选得合适, 就能促使线路上的短路保护装置(如熔断器FU)迅 速动作,把故障部分很快地与电源断开,从而消除电 击的危险. 因为R>>Z所以电路(b)可以转化为(C) 单相短路电流:=U/ZE+ZL+Z~E+Z己,/Z (/__一一配电网的相电压(V) Z——回路中电器元件阻抗(Q) Z——相线阻抗(Q) Z——保护零线阻抗(Q) Z——变压器计算阻抗(Q) Z——相零线回路阻抗(Q),即Z=Z+Z+ ZPE+ZT 注意:接零的保护作用不是由单独的接零来实 现的,而是要与其他线路保护装置(如熔断器,断路 器)配合使用才能完成.显然,相零线回路总阻抗Z 不能太大,以保证发生漏电时有足够的单相短路电 流,迫使线路上的保护装置动作.另外,还要注意短 路保护装置的参数:对低压断路器:单相短路电流 大于其整定电流的1.5倍,即?1.5Iqf;对熔断器: 单相短路电流大于其额定电流的4倍,I]11~>4Ifu. 在低压380V/220V系统中单相接零时的短路电 流远小于三相短路电流,在进行保护装置的选择时 应给予充分注意. (2)保护接零可以降低漏电设备对地电压. 根据保护接零等效电路,由电工学理论,可求出 漏电设备对地电压的有效值: I71 Uf———L—一Ilz ,+z,+z+zr1显然uF<u 上式中各阻抗难以确定,人体接触漏电设备时, 可由下式求出预期接触电压:U:Km/(1+m)U 式中m——保护零线与相线之比,l[1m=R/ R,对于电缆和绝缘导线m=l,3 K——计算系数,有总等电位联结时,取 K=0.6,l 例如,当在相电压U=220V的条件下,K=0.8, 当m=0.7426时,U-’75,,o 2007.861 论研 这时U:75V<U:220V,人体接触漏电设备的 危险性大大减少了. 从以上分析可知,保护接零的基本原理是借助 接零线路(中性线)使漏电设备形成单相短路,促使 线路上保护装置迅速动作,切断电源,保证人身安 全;其次,保护接零系统中的保护接零线和重复接 地也有一定降压作用. 2.TN配电系统中插座安装示意图(图9). (1)插头,插座的正确接法(以单相用电器为例). 第一,随着人们生活水平的提高,家用电器逐 渐增多,为了保证人身安全,需要正确安装插座.正 确的接法如下图中所示:单相用电设备外壳与插头 粗脚相接,插座粗孔与PEN线直接相接.在我国,家 用电器的外壳与插头的粗脚之间是用黄绿双色线连 接的;但目前,许多建筑物墙上的插座粗孔上没有安 装导线.为了发挥保护接零的作用,插座上的粗孔应 该用导线连接到保护中性线PEN上. 第二,三孔插座的正确接法进一步说明(见图 l0):安装时要求标有接地符号的大插孔在正上方. 大孔接保护零线,右下小孔接相线,左下小孔接工作 图9丁N配电系统中插座安装示意图 S 图10三孔插座的正确接法图 2007.8 零线. (2)错误接法 图ll几种接法中,保护零线借用工作零线,是错 误的. 错误的原因在于:一旦零线上熔断器或零线断 线,或插座上的火线和工作零线接反,电器设备的 外壳同电源火线相连,使外壳带电,对地有220V的 相电压,反而可能引起触电事故,十分危险. L L S S 图11插厘的错误接法图 3.保护接零应注意的问题. 为了充分发挥保护接零的作用,需注意以下几 个问题: (1)在由同一台变压器供电的电力配电系统中, 不宜将一部分设备保护接零,而另一部分设备保护 接地.即在同一系统中,不宜将保护接地和保护接 零混用. 图l2(a)中电动机M采用保护接零,电动机M, 采用保护接地.当采用保护接地的电动机M,发生碰 壳故障时,该供电系统的等效电路如图12(b)所示. 如果电动机M,的功率较大,熔体的熔断电流也较大 时;同时短路电流受(R+R)的限制,这样短路电 流不足以使熔断器熔断,因此电源也不能被切断. 这时碰壳的~}JLM外壳和保护零线PEN都会产 生对地电压: 磐 Rb2 Rbl 图12MI采用保护接零,M2采用保护接地 碰壳电动机M对地电压: ‰=耻X4=110V36V 保护零线PEN对地电压: ==x4=l10V36V 见+R”4+4 也就是说,不仅采用保护接地的电动机M2% 壳带有危险的电压,而且所有接零的设备的外壳全 都带有危险的电压.在线路保护装置(如熔断器)未 动作的情况下,设备外壳将长时间带电,这对于接 触电气设备的人是很危险的.所以,在同一系统中, 不宜将保护接地和保护接零混用. (2)严防零线断线.在零线上不允许单独装设 开关或熔断器. (3)保护零线的截面积不得小于相应线路相线 截面积的二分之一. (4)保护接零的零线应装设足够的重复接地.重 复接地对于保证保护接零的有效性具有重要意义. 四,结束语 通过以上计算分析可知: 1.电源中性点不接地电网中,电气设备不接地 时,如果发生漏电事故,人体接触时,通过人体的 电流大于30mA,承受的电压大于36V,有很大的危 论研究II{日【1]IIII 险性;采用保护接地后,可使通过人体的电流小于 30mA,承受的电压小于36V,能有效地防止人身触 电. 在电源中性点直接接地的电网中,无保护接地 时,如果发生漏电事故,人体接触时,通过人体的电 流也大于30mA,承受的电压也大于36V,同样具有 很大的触电危险性;当采用保护接地时,降低了触电 的危险性,如果再加装漏电保护器,可保证人身安 全. 2.在我国,遍布城乡的低压配电网多是中性点 直接接地的380V/220V三相四线制系统.这种电网 防止间接接触触电有效的安全技术措施是保护接 零.保护接零的基本原理是借助接零线路(中性线) 使漏电设备形成单相短路,促使线路上保护装置迅 速动作,切断电源,保证人身安全;其次,保护接零 系统中的保护接零线和重复接地也有一定降压作 用. 所以,保护接地和保护接零是防止人体间接接 触触电最基本最有效的技术措施.@ 参考文献: [1]安全用电(第二版)[M].中国劳动出版社,1999. [2]陈晓平.电气安全[M].机械工业出版社,2004. [3】张庆河.电气与静电安全[M】.中国石化出版社, 2005. [4]李悦,杨海宽.电气安全工程[M】.化学工业出版 社,2004. [5]tip永强.电气接地,接零安全安装方法与技巧[M]. 机械工业出版社,2007. [6国家经贸委和安全生产局编委会.电工作业[M].气 象出版社,2006. 2007.863