配電系統(tǒng)的接地與漏電保護(hù)器的配置技術(shù)論文
摘要：文章論述了配電系統(tǒng)的接地方式及適用范圍，并在簡述了RCD原理后，指出了正確使用RCD的方法。
關(guān)鍵詞：TN系統(tǒng) TT系統(tǒng) IT系統(tǒng) RCD保護(hù) 接地 接零
電能是一種即發(fā)即用、便于傳輸、使用的清潔能源。我國電力工業(yè)發(fā)展速度２０００年全國發(fā)電量為１３６８．５ＴＷＨ煼⒌繾盎容量達(dá)到３１９ＧＷ，居世界第二位。電氣化水平也得到了極大提高。電能已經(jīng)成為我國各方面建設(shè)及人們生活中不可缺少的能源。電能的使用已遍及各行各業(yè)。如：電能用于金屬熔煉、焊接、切割及金屬熱處理，用于電解、電鍍及電化加工，電能還用于運(yùn)輸工業(yè)、醫(yī)療及農(nóng)業(yè)灌溉等。現(xiàn)在，電能正愈來愈多地用來改善居住環(huán)境等。
１ 接地方式
長期以來，電力安全運(yùn)行及正確使用電能一直是人們關(guān)心的問題，而配電系統(tǒng)的正確接地及有效保護(hù)技術(shù)又是安全利用電能的重要方面。
電力系統(tǒng)中，有兩種接地方式，即中性點(diǎn)直接接地（亦稱大電流接地系統(tǒng)），另一種是中性點(diǎn)不接地（或經(jīng)消弧線圈接地，亦稱小電流接地系統(tǒng)）。在１１０ｋＶ及以上的高壓或超高壓電力系統(tǒng)中，一般采用中性點(diǎn)直接接地，這是為了降低高壓電器設(shè)備的絕緣水平，也可以防止在發(fā)生接地故障后產(chǎn)生的過電壓，可免除單相接地后的不對稱性。這種接地方式下，接地故障所產(chǎn)生的零序電流足夠使繼電保護(hù)靈敏動作，所以保護(hù)可靠。
中壓配電系統(tǒng)一般中性點(diǎn)不接地，所以，一旦發(fā)生單相接地故障，系統(tǒng)還能在不對稱方式下運(yùn)行二個(gè)小時(shí)。但是地下電力電纜大量使用及城市用電負(fù)荷急增，不少地方已開始采用中性點(diǎn)接地方式。
對３８０／２２０Ｖ的低壓配電系統(tǒng)，除某些特殊情況外，絕大部分是中性點(diǎn)接地系統(tǒng)，其目的是為了防止絕緣損壞后運(yùn)行人員遭受觸電的危險(xiǎn)。
這里舉一例說明（見圖１），低壓三相四線制變壓器二次側(cè)中性點(diǎn)經(jīng)接地，電氣設(shè)備外殼不接地。當(dāng)外殼帶電時(shí)，有人觸及外殼，此時(shí)流過人體的電流為：
�。桑颍澹睿�
式中：ｕｘ——相電壓（Ｖ）
�。颍颍澹睢梭w電阻（Ω）
ｒ０——接地裝置電阻（Ω）
由于ｒ０＜＜ｒｒｅｎ≈１５００Ω，則Ｉｒｅｎ≈≌０．１４７Ａ，結(jié)果遠(yuǎn)大于安全允許值。
２ 漏電保護(hù)器
國家標(biāo)準(zhǔn)ＧＢ１６９１７．１—９７《家用或類似用途帶過電流保護(hù)的剩余電流動作斷路器的一般要求》等標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，漏電保護(hù)器可分：
（１）漏電動作開關(guān)（僅有漏電保護(hù)的保護(hù)器）；
�。ǎ玻┞╇妱幼鲾嗦菲鳎◣н^載、短路和漏電三種功能保護(hù)器）；
（３）漏電繼電器（僅有漏電報(bào)警功能的保護(hù)器）。
２．１ 保護(hù)器的工作原理
漏電保護(hù)是一種電流動作型漏電保護(hù)，它適用于電源變壓器中性點(diǎn)接地系統(tǒng)（ＴＴ和ＴＮ系統(tǒng)），也適用于對地電容較大的某些中性點(diǎn)不接地的ＩＴ系統(tǒng)（對相－相觸電不適用）。
漏電保護(hù)器工作原理見圖２。三相線Ａ，Ｂ，Ｃ和中性線Ｎ穿過零序電流互感器，零序電流互感器的副邊線圈接中間環(huán)節(jié)及脫扣器。
在正常情況下（無觸電或漏電故障發(fā)生），由克氏電流定律知道：三相線和中性線的電流向量和等于零，即：
＋＋＋＝Ｏ
因此，各相線電流在零序電流互感器鐵芯中所產(chǎn)生磁通向量之和也為零，即：
�。剑�
當(dāng)有人觸電或出現(xiàn)漏電故障時(shí)，即出現(xiàn)漏電電流，這時(shí)通過零序電流互感器的一次電流向量和不再為零，即：
Δ＋＋＋≠０
零序電流互感器中磁通發(fā)生變化，在其副邊產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，此信號進(jìn)入中間環(huán)節(jié)，如果達(dá)到整定值，使勵磁線圈通電，驅(qū)動主開關(guān)，立即切斷供電電源，達(dá)到觸電保護(hù)。
２．２ 漏電保護(hù)器性能參數(shù)說明
2.2.1 額定漏電動作電流（I△n）
它是指在規(guī)定條件下，漏電保護(hù)器必須可靠動作的漏電動作電流值。國家標(biāo)準(zhǔn)（ＧＢ６８２９—８６）規(guī)定為０．００６、０．０１、０．０１５、０．０３、０．０５、０．０７５、０．１、０．２、０．３、０．５、１、３、５、１０、２０Ａ計(jì)１５個(gè)等級，在０．０３Ａ（３０ｍＡ）以下為高靈敏度，０．０３～１Ａ為中靈敏度，１Ａ以上為低靈敏度。
2.2.2 額定漏電不動作電流（I△n0）
這是為防止漏電保護(hù)器誤動作的必需技術(shù)參數(shù)，即在電網(wǎng)正常運(yùn)行時(shí)允許的三相不平衡漏電流。國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定I△n0不得低于I△n的1/2。
2.2.3 漏電動作分?jǐn)鄷r(shí)間
動作時(shí)間是從突然施加漏電動作電流開始到被保護(hù)主電路完全被切斷為止。為達(dá)到人身觸電時(shí)的安全保護(hù)作用和適應(yīng)分級保護(hù)的需要，漏電保護(hù)器分快速型、延時(shí)型及反時(shí)限型三種。
2.2.4 靈敏度α
一般漏電信號電流不可能很大，又要保證人身安全，我國規(guī)定的３０ｍＡ信號電流可直接接觸保護(hù)，國外可小到６ｍＡ。
漏電互感器的靈敏度由下式表示：
α＝
式中：
�。拧边吚@組中感應(yīng)電動勢模；
�。伞淮温╇娏鞯哪�。
α反應(yīng)了漏電互感器對漏電流的反應(yīng)能力。根據(jù)電磁感應(yīng)原理計(jì)算得到：
�。剑保�
采取加大鐵芯截面積，增加匝數(shù)Ｎ１，可以增加勵磁阻抗Ｚｍ，及增加負(fù)載阻抗ＺＬ，則可以得到高的靈敏度。
３ 低壓配電系統(tǒng)的接地
３．１ 三種接地系統(tǒng)
在我國的《民用電氣設(shè)計(jì)規(guī)范》（ＪＧＪ／Ｔ１６—９２）標(biāo)準(zhǔn)中將低壓配電系統(tǒng)分為三種，即ＴＮ、ＴＴ、ＩＴ三種形式。其中，第一個(gè)大寫字母Ｔ表示電源變壓器中性點(diǎn)直接接地；Ｉ則表示電源變壓器中性點(diǎn)不接地（或通過高阻抗接地。第二個(gè)大寫字母Ｔ表示電氣設(shè)備的外殼直接接地，但和電網(wǎng)的接地系統(tǒng)沒有聯(lián)系；Ｎ表示電氣設(shè)備的外殼與系統(tǒng)的接地中性線相連。
�。裕蜗到y(tǒng)：電源變壓器中性點(diǎn)接地，設(shè)備外露部分與中性線相連。
�。裕韵到y(tǒng)：電源變壓器中性點(diǎn)接地，電氣設(shè)備外殼沒有專用保護(hù)接地線（ＰＥ）。
�。桑韵到y(tǒng)：電源變壓器中性點(diǎn)不接地（或通過高阻抗接地），而電氣設(shè)備外殼沒有專用保護(hù)接地線（ＰＥ）。
３．２ ＴＮ系統(tǒng)
電力系統(tǒng)的電源變壓器的中性點(diǎn)接地，根據(jù)電氣設(shè)備外露導(dǎo)電部分與系統(tǒng)連接的不同方式又可分三類：即ＴＮ—Ｃ系統(tǒng)、ＴＮ—Ｓ系統(tǒng)、ＴＮ—Ｃ—Ｓ系統(tǒng)。下面分別進(jìn)行介紹。
e=宋體> 3.2.1 TN—C系統(tǒng)（見圖3）
其特點(diǎn)是：電源變壓器中性點(diǎn)接地，保護(hù)零線（ＰＥ）與工作零線（Ｎ）共用。
�。ǎ保┧抢弥行渣c(diǎn)接地系統(tǒng)的中性線（零線）作為故障電流的回流導(dǎo)線，當(dāng)電氣設(shè)備相線碰殼，故障電流經(jīng)零線回到中點(diǎn)，由于短路電流大，因此可采用過電流保護(hù)器切斷電源。ＴＮ—Ｃ系統(tǒng)一般采用零序電流保護(hù)；
�。ǎ玻裕巍孟到y(tǒng)適用于三相負(fù)荷基本平衡場合，如果三相負(fù)荷不平衡，則ＰＥＮ線中有不平衡電流，再加一些負(fù)荷設(shè)備引起的諧波電流也會注入ＰＥＮ，從而中性線Ｎ帶電，且極有可能高于５０Ｖ，它不但使設(shè)備機(jī)殼帶電，對人身造成不安全，而且還無法取得穩(wěn)定的基準(zhǔn)電位；
（３）ＴＮ—Ｃ系統(tǒng)應(yīng)將ＰＥＮ線重復(fù)接地，其作用是當(dāng)接零的設(shè)備發(fā)生相與外殼接觸時(shí)，可以有效地降低零線對地電壓。
3.2.2 TN—S系統(tǒng)（見圖4）
整個(gè)系統(tǒng)的中性線（Ｎ）與保護(hù)線（ＰＥ）是分開的。
�。ǎ保┊�(dāng)電氣設(shè)備相線碰殼，直接短路，可采用過電流保護(hù)器切斷電源，如果線路較長，可在線路首端裝設(shè)ＲＣＤ，靠它切斷故障電流；
�。ǎ玻┊�(dāng)Ｎ線斷開，如三相負(fù)荷不平衡，中性點(diǎn)電位升高，但外殼無電位，ＰＥ線也無電位；
�。ǎ常裕巍酉到y(tǒng)不必重復(fù)接地，因?yàn)橹貜?fù)接地后對Ｎ線斷后保護(hù)設(shè)備作用不明顯；
�。ǎ矗裕巍酉到y(tǒng)適用于工業(yè)企業(yè)、大型民用建筑。
3.2.3 TN—C—S系統(tǒng)（見圖5）
它由兩個(gè)接地系統(tǒng)組成，第一部分是ＴＮ—Ｃ系統(tǒng)，第二部分是ＴＮ—Ｓ系統(tǒng)，其分界面在Ｎ線與ＰＥ線的連接點(diǎn)。
�。ǎ保┊�(dāng)電氣設(shè)備發(fā)生單相碰殼，同ＴＮ—Ｓ系統(tǒng)；
�。ǎ玻┊�(dāng)Ｎ線斷開，故障同ＴＮ—Ｓ系統(tǒng)；
�。ǎ常裕巍谩酉到y(tǒng)中ＰＥＮ應(yīng)重復(fù)接地，而Ｎ線不宜重復(fù)接地。
�。校啪�連接的設(shè)備外殼在正常運(yùn)行時(shí)始終不會帶電，所以ＴＮ—Ｃ—Ｓ系統(tǒng)提高了操作人員及設(shè)備的安全性。
３．３ ＴＴ供電系統(tǒng)（見圖６）
如圖６，電源中性點(diǎn)直接接地，電氣設(shè)備的外露導(dǎo)電部分用ＰＥ線接到接地極（此接地極與中性點(diǎn)接地沒有電氣聯(lián)系）。
�。ǎ保┊�(dāng)電氣設(shè)備發(fā)生相碰殼接地，環(huán)路阻抗Ｚ＝ＺＬ＋ＺＰＥ＋Ｚｆ＋ＲＡ＋ＲＢ
式中：
�。冢獭嗑�阻抗；
ＺＰＥ——ＰＥ線阻抗；
Ｚｆ——相線與外殼間接觸電阻；
ＺＡ——用電設(shè)備接地電阻；
�。冢隆娫粗行渣c(diǎn)接地電阻。
由于ＺＬ、ＺＰＥ、Ｚｆ很小，可忽略，接地電流：
Ｉｄ＝＝
按ＪＧＪ／Ｔ１６—９２標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定ＲＡ·Ｉ＇ｄ≤５０Ｖ，及Ｉ＇ｄ＝
Ｕ——相電壓；
Ｉ＇ｄ——為低壓斷路器瞬時(shí)或延時(shí)過電流脫扣整定值（Ａ）；
Ｉｄ——單相短路電流（Ａ）。
∴ＲＡ≤（１５／２９）·ＲＢ
如果ＲＢ≤４Ω，則：ＲＡ≤·ＲＢ＝２．０７Ω；接地電阻 的要求極其苛刻，較難實(shí)現(xiàn)，因此一般要求ＲＡ取值范圍為４Ω～１０Ω。
如果ＲＡ≤４Ω，則Ｉａ≈１２．５Ａ。
由ＲＬ１型熔斷器特性曲線與自動開關(guān)保護(hù)特性曲線得到的保護(hù)裝置允許最大整定值列于下表。
由表可知ＲＡ≤４Ω時(shí)，熔斷器熔體的額定電流Ｉｅ≤４Ａ或Ｉｅ≤２Ａ，而低壓斷路器瞬時(shí)動作整定值Ｉｅ≤１１Ａ才能保證在規(guī)定時(shí)間內(nèi)切斷故障回路。在工程上，這么小的整定值是沒有實(shí)際意義的，另外，容量較大的分支負(fù)荷或支路負(fù)荷也無法采用熔斷器或自動開關(guān)作這種ＴＴ接地系統(tǒng)的保護(hù)電器，因此要采用ＲＣＤ保護(hù)電器。
�。ǎ玻裕韵到y(tǒng)在國外被廣泛應(yīng)用，在國內(nèi)僅限于局部對接地要求高的電子設(shè)備場合，如果在負(fù)荷端和首端裝設(shè)ＲＣＤ煻干線末端裝有斷零保護(hù)，則可適用于農(nóng)村居住區(qū)、工業(yè)企業(yè)及分散的民用建筑等場所。
�。常� ＩＴ系統(tǒng)
電力系統(tǒng)的帶電部分與大地間無直接連接（或經(jīng)電阻接地），而受電設(shè)備的外露導(dǎo)電部分則通過保護(hù)線直接接地（如圖７）。
圖７（ａ）配電中性點(diǎn)與地絕緣；圖７（ｂ）配電中性點(diǎn)經(jīng)電阻（阻抗）接地；圖７（ｃ）配電中性點(diǎn)經(jīng)阻抗接地?zé)对O(shè)備外露導(dǎo)電部分接到電源的接地體上。
下面分析發(fā)生單相短路故障時(shí)的情況熣飫鎦宦凼鐾跡罰ǎ猓。在發(fā)生第一次接地故障時(shí)。
Ｉｄ≤Ｕ／（Ｚ＋ＲＡ＋ＲＢ＋ＺＬ＋Ｚｆ）
式中：
�。凇潆娤到y(tǒng)中性點(diǎn)的阻抗
ＲＡ——用電設(shè)備的接地電阻，一般ＲＡ≤４Ω
ＲＢ——配電設(shè)備中性點(diǎn)的接地電阻，一般ＲＢ≤４Ω
�。铡娫聪嚯妷�，２２０Ｖ
ＺＬ——相線電阻
�。冢妗嗑�與外殼之間接觸電阻
�。冢�、Ｚｆ數(shù)值很小，略去不計(jì)。按ＩＥＣ標(biāo)準(zhǔn)，Ｚ的阻抗推薦５倍于相線電壓數(shù)值，
Ｚ＝５×２２０擔(dān)保埃埃唉
�。桑洹埽玻玻埃ǎ保埃埃埃矗矗剑埃玻保福ǎ粒� 設(shè)備外露部分的電壓：Ｕｆ≤Ｉｄ·ＲＡ＝０．２１８×４＝０．８７２Ｖ，這個(gè)電壓不會造成觸電傷害，因此第一次出現(xiàn)這種情況，不用切斷電源，而是發(fā)一個(gè)聲光告警。
在發(fā)生第二次接地故障時(shí)（圖８），Ｍ１設(shè)備的Ｌ３相接地，Ｍ２設(shè)備的'Ｌ２相接地時(shí)，必須滿足ＲＡ·Ｉａ≤５０Ｖ及ＲＣ·ＩＣ≤５０Ｖ，式中Ｉａ、ＩＣ分別為Ｍ１，Ｍ２保護(hù)器的動作電流。
在一般情況下，ＲＡ＝ＲＣ＝４Ω，則Ｉａ＝Ｉｃ≈５０Ｖ／４Ω＝１２．５Ａ；如果采用熔斷器或空氣斷路器作保護(hù)時(shí)，ＩＴ系統(tǒng)只能提供小容量負(fù)荷。如果采用ＲＣＤ，則ＩＴ系統(tǒng)可以提供較大負(fù)荷量。
４漏電保護(hù)器的配置
�。矗� 漏電保護(hù)器的配置技術(shù)
一般僅有一級保護(hù)，額定動作電流Ｉ△ｎ≤Ｖｒ／Ｒｓ。式中：Ｖｒ——安全觸電電壓，特別潮濕場所為２．５Ｖ，潮濕場所�。玻担�，而干燥場所取５６Ｖ；Ｒｓ為設(shè)備外露導(dǎo)電部分接地電阻。
如果有二級保護(hù)，圖９表示了兩級保護(hù)的動作時(shí)間和動作電流的配合關(guān)系。其第一級的目的是為了防止人身間接接觸觸電，被保護(hù)電網(wǎng)面積大負(fù)載電流大，通常１５０ｋＶＡ變壓器總出線電流２１６Ａ，動作電流�。保埃啊常埃埃恚粒鴦幼鲿r(shí)間為０．２ｓ以上；其第二級的目的是防止直接接觸觸電事故，被保護(hù)電網(wǎng)覆蓋小，動作電流選３０ｍＡ，動作時(shí)間≥０．０４ｓ。
如果多級漏電保護(hù)時(shí)，多級漏電保護(hù)Ｉ△ｎ１≥３Ｉ△ｎ２ ｔ１≥ｔｆｄ，式中，Ｉ△ｎ１是上一級，Ｉ△ｎ２為下一級ＲＣＤ額定動作電流，ｔｆｄ為上一級ＲＣＤ可返回的時(shí)間；ｔｆｄ為下一級ＲＣＤ分、合斷時(shí)間。
如果要采取三級保護(hù)，則（１）末線路端用電設(shè)備Ｉ△ｎ＝３０ｍＡ煟簟埽埃１ｓ；（２）分支路選擇ＲＣＤ，取Ｉ△ｎ＝１００ｍＡ ｔ≤０．３ｓ；（３）干線選擇Ｉ△ｎ＝３００ｍＡ ｔ≤１ｓ。
４．２ 安裝漏電保護(hù)器的注意事項(xiàng)
�。ǎ保┞╇姳Ｗo(hù)器能否正常工作，它與接地方式及安裝方式有很大關(guān)系。這里僅舉一例說明Ｉ△ｎ＝１００ｍＡ煟簟埽保蟆
由于兩個(gè)漏電保護(hù)器出線后的線路混用（見圖１０），而造成兩個(gè)漏電保護(hù)器不能同時(shí)供電。
圖中，由于臨時(shí)將照明燈泡跨接在兩個(gè)漏電保護(hù)器出線后的相線與中性線之間，它是跨接在２ＬＤＢ中的相線與的１ＬＤＢ中性線之間，當(dāng)燈泡亮后，其相線電流流經(jīng)２ＬＤＢ和１ＬＤＢ回到中線，很明顯２ＬＤＢ使出現(xiàn)不平衡電流，１ＬＤＢ中也出現(xiàn)差流，從而２ＬＤＢ和１ＬＤＢ一起動作，切斷了電源，因此造成兩個(gè)回路都無法正常工作。
（２）安裝漏電保護(hù)器時(shí)，一定要注意線路中中性線的正確接法，即工作中性線一定要穿過漏電電流互感器，而保護(hù)中性線決不能穿過漏電電流互感器，如圖４—（ａ）（即ＴＮ－Ｓ系統(tǒng)）。 ５ 結(jié)論
（１）不同的接地方式應(yīng)選用不同的接地保護(hù)器。ＴＴ系統(tǒng)中，ＲＣＤ是接地故障的適合保護(hù)器；而在ＴＮ－Ｃ系統(tǒng)，就不宜采用ＲＣＤ；在ＴＮ－Ｓ，ＴＮ－Ｃ－Ｓ系統(tǒng)，均可采用ＲＣＤ作保護(hù)器。
�。ǎ玻榱诉_(dá)到保護(hù)人身安全，又不要擴(kuò)大停電范圍，要正確選擇ＲＣＤ的分級保護(hù)。
（３）安裝ＲＣＤ保護(hù)，要防止接地方式混亂，及接地、接零混用。還要正確使用，使用不當(dāng)也會造成停電或事故。
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