工作接地與保護接地原理及作用

1、接地原理及作用工作接地與保護接地電力系統(tǒng)和電氣設(shè)備的接地按作用不同主要分為工作接地和保護接地兩類。所謂工作接地是根據(jù)電力系統(tǒng)運行的需要，人為地將電力系統(tǒng)的中性點（例如發(fā)電機和變壓器的中性點）及電氣設(shè)備的某一部份（例如避雷針和避雷器的接地引下線）直接與大地進行金屬性連接，或者通 過特殊裝置（例如消弧線圈、電阻、保護間隙等）與大地間接相連。其目的是使電力系統(tǒng)在正常工作或事故情況下，保證系統(tǒng)和電氣設(shè)備可靠的運行，降低人體的接觸電壓以及有利于快 速切斷故障設(shè)備等。 所謂保護接地主要指在 10kV以下的供電系統(tǒng)，當電氣設(shè)備的絕緣出現(xiàn)損 壞時，有可能使設(shè)備的金屬外殼帶電，為防止這種電壓危及人身安全而人為地

2、將電氣設(shè)備的 金屬外殼與大地進行金屬性連接。電力系統(tǒng)的工作接地分為中性點直接接地（又稱大電流接地系統(tǒng)）和中性點不接地或經(jīng)消弧線圈接地（又稱小電流接地系統(tǒng)）兩種。在高壓或超高壓電力系統(tǒng)中，一般多采用中性點直接接 地，它的優(yōu)點是能防止系統(tǒng)發(fā)生接地故障后引起的過電壓，并能避免由于單相接地后系統(tǒng)繼 續(xù)運行而形成的不對稱性。工業(yè)企業(yè)供電系統(tǒng)，采用的電壓一般都在35kV以下，接地方式情況較復雜。610kV及35kV系統(tǒng)均為中性點不接地系統(tǒng)；380/220V低壓系統(tǒng)在多數(shù)企業(yè)采用中性點接地系統(tǒng)，但礦山企業(yè)均采用中性點不接地系統(tǒng)。保護接地按照中性點是否接地，其方式有所不同，例如保護接地和保護接零等。不論是那一

3、類接地都必須在地下埋設(shè)接地體，由接地體和接地引線組成的裝置稱為接地裝置。接地裝置的接地電阻（Rd）值，報據(jù)作用（工作接地與保護接地）不同以及系統(tǒng)電壓的不同而有不 同的要求和規(guī)定。給讀者建立一個基本概念。本節(jié)將著重講述有關(guān)工作接地與保護接地的基本原則及基本知識，如需要深入學習，可參考有關(guān)專著，設(shè)計手冊和資料。一、接地裝置的散流效應(yīng)為使現(xiàn)象直觀清楚及分析結(jié)論清晰起見，假設(shè)接地裝置為一半徑為 r的半球體（如圖7-8）,并認為接地體周圍的土質(zhì)十分均勻，即土壤電阻率p是恒定值。當電流經(jīng)接地裝置 （接地體）入地時，電流Id將從半球體表面均勻地散射出去。在接地半球體表面的電流密度（jr）為：芻（如）而距半球

4、體球心為 x cm處的電流密度（jr）為：人二島曲）T-B 擔地的託迸現(xiàn)魯酗對壊電M?簾曲規(guī)由上式可見，距球心的距離愈遠，散流的電流密度愈小。不論入地電流Id有多大，當距離 x超過20m時，則電流密度已很微小，基本上可視為零。在地中的電場強度為 玉匚出W，故在x處的電場強度為匸。于是可用數(shù)學表 達式寫出散流方向，在 dx段內(nèi)的電壓降落為：du =- jtpdx -必(V)將上式進行(由xA至g)積分，既能求得對應(yīng)于地表面任意點A處的電位UA :八上(V)( 7-7)根據(jù)同理，可寫出半球接地體表面處的電位：5普(V)( 7-8)從公式(7 7)及公式(7- 8)可以得出結(jié)論：當Id和p為定值時，

5、距接地裝置越遠處的地表面 電位越低，距接地裝置越近處的地表電位越高，而以接地體表面處的電位為最高。電位和距 離為雙曲線函數(shù)關(guān)系，如圖 7-9所示。圖中曲線稱為對地電位分布曲線。當距離接地裝置超 過20m時，在該處的地表電位基本上等于零。根據(jù)歐姆定律，知土壤在散流時的散流電阻微分表達式為:故全部散流電阻為:(7 9)由式（7 8）及式（7 9）可以得出：-: J （ 7 10 ）式中Ud稱為對地電壓，Rd又稱為接地電阻。接地電阻與土壤電阻率成正比，與接地體的半 徑成反比。一般情況下，接地裝置的結(jié)構(gòu)型式均比較復雜，其接地電阻值還與結(jié)構(gòu)型式有關(guān)。電氣設(shè)備的外殼一般都和接地體連接，使設(shè)備外殼保持和大地

6、同為零電位。例如電氣設(shè)備內(nèi) 有一相絕緣遭到破壞，則有接地電流入地，在接地體附近地表有對地電位分布，而設(shè)備外殼上的對地電壓最高（Ud），見圖7 9。假如此時人站在1處觸摸設(shè)備外殼，由于手的電位為Ud ,而腳的電位為U1，于是加于人體的電壓為：這個電壓叫做接觸電壓。對地電位分布越陡，則接觸電壓越高。接觸電壓在任何情況下都不 允許超過允許接觸的安全電壓。如果此時有人向設(shè)備走來，雖然人并未接觸設(shè)備，但由于跨步過程兩腳位置不同，前腳電位為U2，后腳電位為U1，因此加于人體的電壓為這個電壓叫做跨步電壓?？绮诫妷和瑯硬辉试S超過允許接觸的安全電壓。欲減小接觸電壓和跨步電壓，通常采取降低接地電阻和打接地均壓網(wǎng)等

7、措施，使電位分布曲線的陡度變平緩一些。二、對工頻接地電阻值的規(guī)定十分明顯，接地電阻 Rd越小時，越安全。但接地電阻值要求越小，則工程投資費將增大，且有時在土壤電阻率很高的地區(qū)很難把電阻值降低。在有條件的地方雖然可以利用埋設(shè)于地下的各種金屬管道（易燃液體，易燃氣體或易爆炸氣體的管道除外），電纜的金屬外皮以及建筑物和構(gòu)筑物的地下金屬結(jié)構(gòu)等作為自然接地體，但在絕大多數(shù)情況下，主要還是依靠人工接地裝置來滿足接地電阻所要求的規(guī)定值。下面將接地電阻值的要求簡要說明一下。1電壓為1000V以上的中性點接地系統(tǒng)中的電氣設(shè)備這種系統(tǒng)通常稱為大接地電流系統(tǒng)。在這種系統(tǒng)中線路電壓高，接地電流很大。當發(fā)生單相 碰殼對

8、地短路時，在接地裝置上及接地裝置附近所產(chǎn)生的接觸電壓和跨步電壓較高。為了確 保安全，這種系統(tǒng)的接地電阻 Rd允許等于或小于0.5 a2電壓為1000V以上的中性點不接地系統(tǒng)中的電氣設(shè)備 這種系統(tǒng)通常稱為小接地電流系統(tǒng)。這種系統(tǒng)中電氣設(shè)備的對地安全電壓值應(yīng)該定為多少， 要根據(jù)高壓側(cè)設(shè)備和低壓側(cè)設(shè)備是否采用共同接地裝置而定。如果高低壓側(cè)電氣設(shè)備采用共 同接地，由于考慮接地的并聯(lián)回路很多，對地電壓只要不超過安全電壓(65V)的一倍就可以了，一般采用125V。如果接地裝置只用于1000V以上高壓側(cè)設(shè)備，則對地電壓可以比共同接地情 況再提高一倍，即采用 250V，原因是這種電氣設(shè)備分布的范圍不如低壓設(shè)備

9、廣，而且一般只 有熟練人員才能進行操作和維護。如果經(jīng)過計算已知單相接地短路電流為I安，當接地裝置與1000V以下的電氣設(shè)備共用時，其接地電阻Rd應(yīng)為：覘T(G) (7- 11)如接地裝置只用于1000V以上的電氣設(shè)備時，則(Q)根據(jù)以上兩式計算(7- 12)Rd值時，故障電流I的計算方法如下：1 = 6(琨+厶)(&(7- 13)式中Ue網(wǎng)路的線電壓(kV);Ik 電纜網(wǎng)路的總長度(km);IB 架空網(wǎng)路的總長度(km)。如果網(wǎng)路僅為架空網(wǎng)路或僅為電纜網(wǎng)路，則不考慮另一種網(wǎng)路的長度。按照這個故障電流I計算接地裝置的接地電阻時，其值不應(yīng)大于10Q。另外，尚應(yīng)考慮季節(jié)變化對接地電阻的影響。上面規(guī)定

10、的數(shù)值是指在最不利情況下應(yīng)該具有的接地電阻值。電壓在1000V以下的中性點不接地系統(tǒng)中的電氣設(shè)備在1000V以下的中性點不接地系統(tǒng)中，當發(fā)生單相接地短路時，短路電流(系統(tǒng)對地電容電流)最多不超過十幾安培。如果以15A作為計算電流，并將接地電阻限制在4Q以內(nèi)，則對地電壓不應(yīng)超過4X15= 60V。因此，對于一般電氣設(shè)備的接地電阻均規(guī)定不得超過4Q。當由單臺容量或并聯(lián)容量不超過100kV-A的變壓器(或發(fā)電機)供電時，由于變壓器內(nèi)阻抗較大，且供電網(wǎng)路也不會很長，所以不可能產(chǎn)生較大的單相接地短路電流，因此接地裝置的接 地電阻值允昨不大干10Q。根據(jù)同理，對于1kW以下的小型電氣設(shè)備，其接地電阻值電可

11、為10 Qo如果低壓和高壓側(cè)(1000V以上)電氣設(shè)備共用接地裝置，則按式(7 11)考慮Rd值。電壓在1000V以下的中性點直接接地系統(tǒng)中的電氣設(shè)備在這種系統(tǒng)中電氣設(shè)備的接地電阻不應(yīng)超過4 Qo三、人工接地裝置的工頻接地電阻計算 人工接地裝置的類型很多，常用的有垂直埋設(shè)的接地體和水平埋設(shè)的接地體，它們的接地電 阻計算公式分別如下。1.垂直埋設(shè)接地體的接地電阻垂直埋設(shè)的接地體多采用直徑為50mm，長度為22.5m的鐵管制成，其接地電阻值為(G)(7- 14)式中p土壤電阻率（cm）l 接地體的陡度（cm）;d接地鐵管的直徑（cm）。為了盡量防止氣候或自然條件對接地電阻值的影響，一般將鐵管頂端埋

12、設(shè)在地下0.50.7m深處（見圖7- 10）。垂直接地體有時也采用角鋼或扁鋼，此時，它們的等效直徑如下：等邊角鋼：d=0.84b扁鋼：d = 0.5b圖7-10單IS恥直接地牡如果用單根垂直接地體接地電阻太大時，則必須打多根垂直接地體（排列成行或排列成環(huán)形 ）并以鋼帶將它們并聯(lián)起來。此時多極并聯(lián)垂直接地體的總接地電阻值為：陰=二（G）視（7- 15）式中Rcz-單根垂直接地體的接地電阻（Q）,由公式（7 14）求得；n-并聯(lián)的垂直接地體數(shù)目；-接地體的利用系數(shù)，它與相鄰接地體之間的距離a和接地體的長度I的比值有關(guān)。a/l的值越小時，接地體散流時互相屏蔽使散流效應(yīng)降低得越厲害，這相當于散流電阻增

13、大，于是 利用系數(shù)-減小。如果二U汽時，則屏蔽現(xiàn)象消失，- = 1。，一值可由圖7 11查得。2.水平埋設(shè)接地體的接地電阻W）聊列或抒川的眾闇慕盛I ft） U | 優(yōu)討匕科川眾魅水平埋設(shè)的接地體一般可用扁鋼、角鋼或圓鋼等制成，其接地電阻為：冷#咗+ & S）_.,1（7 16）式中L 水平接地體總長度（cm）;h 接地體埋深（cm）, 一般為0.5以下；p d 冋上；A-水平接地體的結(jié)構(gòu)型式修正系數(shù)。四、防雷接地及沖擊接地電阻值一切防雷設(shè)備的接地裝置，在結(jié)構(gòu)型式上和計算方法上均與工頻接地時相同。但由于雷電沖擊電流數(shù)值很大。這個沖擊電流在幾個ys到幾十ys瞬間通過接地裝置向大地中散流時，使接地

14、裝置表面的電流密度、周圍土壤內(nèi)的電場強度（：廠一一 ； ）顯著增大，因此接地裝 置周圍的土壤中形成強烈火花放電，火花放電范圍內(nèi)土壤的壓降顯著降低接近于零。這個效應(yīng)在工程計算上用沖擊系數(shù)ac來表達。于是沖擊接地電阻Rch和工頰接地電阻 Rd之間的關(guān)系式可以表達為沖擊系數(shù)ac的大小與接地裝置的型式、總長度、沖擊電流的大小以及土壤電阻率等因素有密切關(guān)系。當雷電流幅值愈大，土壤電阻率愈高時，則沖擊系數(shù)ac值愈小，ac 一般小于1（多在0.3至0.9范圍內(nèi)），也就是說沖擊接地電阻 一般都比工頻接地電阻小。但也有特殊情況，當接地體很長 時，由于電感的作用，電流向接地體較遠地段流動時將受到阻礙，從而使雷電流

15、不能沿接地 體全長均勻擴散，因此有可能引起沖擊接地電阻Rch大于工頻接地電阻 Rd，這時沖擊系數(shù)ac大于1。總之，沖擊接地電阻與工頻接地電阻是有區(qū)別的，但是只要知道接地裝置的工頻接地電阻值Rd及相應(yīng)的沖擊系數(shù) ac,就能求出沖擊接地電阻值Rch。例7 1某工廠變電站的獨立避雷針要求沖擊接地電阻Rch為10Q。已知雷電流的特征為100kA , 4/40 y；s該地區(qū)的土壤為砂質(zhì)土，土壤電阻率尸5 X 104 m。今初步考慮采用三向放射式的復式接地裝置（圖712），每支水平射線長10m，射線用40X4mm2的扁鋼；每支水平 射線上焊三支垂直接地體，垂直接地體用外徑為50mm，長為2m的鐵管。試驗證此接地裝置能否滿足要求。解：單根垂直接地體的工頻電阻按式（7 14）計算：= 202Qp 415x10* - 4x200In =In2曲 d 2x2005Al 7-i?.i jA水平接地體的工頻接地電阻按式（716）計算:5幻小2ttx30003(W50 x2+ 0.867) = 32.60式中