接零保護和TN系統(tǒng)

接零保護和TN系統(tǒng)1引言人身觸電事故的發(fā)生，一種狀況是人體直接觸及或過分靠近設備的帶電部分，即直接接觸觸電；另一種狀況是人體接觸平常不帶電，因絕緣損壞而帶電的電氣設備的外露金屬部分（如金屬外殼、金屬護罩、金屬構架等），即間接接觸觸電。接地與接零是進行間接接觸觸電的防護而實行的兩項愛護性接地措施，是電氣平安技術中兩個重要的基本概念。2TN系統(tǒng)我國380/220V低壓配電網廣泛采納中性點直接接地的運行方式。依據(jù)國際電工委員會IEC標準，低壓配電網中性點工作制度有3種：TN系統(tǒng)、TT系統(tǒng)和IT系統(tǒng)。其中依據(jù)各國不同的做法，TN系統(tǒng)又分為TN-S、TN-C、TN-C-S三種型式。TN-S系統(tǒng)的特征是中性線（N線）和愛護線（PE線）嚴格分開，又稱三相五線制系統(tǒng)，見圖1。<imgsrc=“/UploadFiles/Tech/200805/2008051321264034.gif”align=“center”/圖1TN-S系統(tǒng)TN-C系統(tǒng)的特征是將N線和PE線的功能合在一根愛護中性線（PEN線）上，故又稱為三相四線制系統(tǒng)，或稱為接零愛護系統(tǒng)，這根PEN線在我國通稱為”零線”，俗稱“地線”，見圖2。<imgsrc=“/UploadFiles/Tech/200805/2008051321264043.gif”align=“center”/圖TN-C系統(tǒng)TN-C-S系統(tǒng)中有一部分其N線和PE線結合成PEN線，有一部分N線和PE線全部或部分分開。N線的功能是：供單相設備使用，傳導三相系統(tǒng)中的不平衡電流，減上三相負荷中性點的電位偏移。而PE線的功能則是保障人身平安，防止發(fā)生觸電事故。TN-C系統(tǒng)在我國的工廠企業(yè)和居民住宅中是一種常用的中性點工作制度。3接地愛護型式在TN系統(tǒng)中運用的局限性接地愛護是為防止因電氣設備絕緣損壞而使人體有患病觸電的危急，將電氣設備正常狀況下不帶電的外露金屬部分（如金屬外殼）與接地體作直接的電氣連接。其基本原理是限制漏電設備外殼對地電壓，使之不超過平安范圍。有人認為在TN系統(tǒng)中采納接地愛護型式可以保證人身平安，這種看法是不對的。在TN系統(tǒng)中，電氣設備的金屬外殼采納接地愛護，一般僅能減輕觸電的危急程度，并不能肯定保證平安。分析如下：見圖3（a）所示中性點直接接地低壓電網，當一相碰殼使設備外殼帶電時，若人體觸及設備外殼，則有接地短路電流流經人體電阻和接地電阻，并通過中性點形成回路，其等值電路見圖3（b）。假設中性點接地電阻Ro和愛護接地電阻Rd均為4Ω，人體電阻Rr約1000Ω，在計算流經接地體的電流Id時可忽視不計Rr的影響，則流經人體的電流Ir約為：Ir=Ur/Rr=IdRd/Rr=UxRd/（Rd+Ro）Rr=100mA<imgsrc=“/UploadFiles/Tech/200805/2008051321264014.gif”align=“center”/圖3中性點直接接地配電網愛護接地分析式中Ur是作用于人體的電壓，Ux是電網相電壓（假設為220V）。我們知道，通過人體的工頻電流超過50mA時心臟就會停止跳動，發(fā)生昏迷并消失致命的電灼傷；工頻100mA的電流則會快速致人死命。即使將人體電阻根據(jù)2000Ω計算，Ir也達55mA，對人體仍是特別危急的。另一方面Id≈Ux/（Rd＝Ro）=27.5A，不足以引起中等容量以上線路的愛護裝置動作（或保險絲不能熔斷），造成漏電設備上的危急電壓（Ud=IdRd≈100V）將長期存在。而采納降低愛護接地電阻Rd的方法以降低漏電設備外殼對地電壓Ud，或在降低Rd的同時降低中性點接地電阻Ro以增大接地短路電流Id，從而使愛護裝置快速動作來切斷電源的想法在詳細實施上都是不現(xiàn)實的。因此接地愛護形式并不適用于TN系統(tǒng)。假如要想在中性點直接接地低壓配電網中采納接地愛護型式，電網應引出N線且采納漏電愛護器，并使N線和設備PE線無一點電氣聯(lián)系，構成TT系統(tǒng)（接地愛護系統(tǒng)）。4接零愛護型式4.1接零愛護原理接零愛護型式過去通常稱為“愛護接零”，是由前蘇聯(lián)提出來的概念。但依據(jù)《民用建筑電氣設計規(guī)范》（JGJ/16-92）的規(guī)定：用電設備的接地，一般可區(qū)分為愛護性接地和功能性接地；愛護性接地又可分為接地和接零兩種型式。可見嚴格意義上講不應再采納“愛護接零”一詞。接零愛護是為防止因電氣設備絕緣損壞而使人體有患病觸電的危急，將電氣設備正常狀況下不帶電的外露金屬部分（如金屬外殼）與電網的愛護線（PE線或PEN線）相連接。當一相碰殼而使接零設備金屬外殼帶電時，單相接地短路電流通過該相線和PE（PEN）線形成回路，而不經過電源中性點接地裝置，見圖4。由于故障回路相線、PE（PEN）線阻抗很小，所以單相短路電流很大，它可使線路上的愛護裝置（如熔斷器、開關等）快速動作，從而切除漏電設備電源，以起到愛護作用。接零愛護適用于TN系統(tǒng)，一般和熔斷器、脫扣器等協(xié)作。需要留意的是，“接零”的概念是指將設備金屬外殼接到PE線和PEN線上，而不是接到N線上。<imgsrc=“/UploadFiles/Tech/200805/2008051321264017.gif”align=“center”/圖4愛護接零原理4.2在TN—C系統(tǒng)中采納接零愛護應留意的問題4.2.1重復接地閱歷表明，在TN—C系統(tǒng)中，除電源中性點必需采納工作接地外，零線應在規(guī)程規(guī)定的地點采納重復接地，見圖5。重復接地電阻與工作接地電阻構成零線的并聯(lián)分支，降低了相線一零線回路電阻，當發(fā)生一相碰殼時，使短路電流增大，加速愛護裝置的動作，可縮短故障的持續(xù)時間；另重復接地還可限制漏電設備的對地電壓和零線上的電壓降。<imgsrc=“/UploadFiles/Tech/200805/2008051321264004.gif”align=“center”/圖5TN—C系統(tǒng)重復接地4.2.2零線（PEN線）斷線問題若零線斷線，如不采納重復接地，那么在斷線點后有一臺設備發(fā)生碰殼時，則斷線點后全部接零設備金屬外殼對地電壓均接近于相電壓，這是很危急的，見圖4。采納重復接地，斷線點后的接零設備就成為接地設備，重復接地此時起到后備愛護的作用。另零線斷線時，若三相負荷不平衡，則會使負荷中性點電位嚴峻漂移，造成三相電壓不對稱從而燒壞單相設備。零線不應在短路電流的作用下發(fā)生斷線，并為防止零線斷線，零線上不得單獨安裝熔斷器、開關裝置。若采納自動開關，只有當過流脫扣器動作后能同時切除相線時，才允許在零線上裝設過流脫扣器。當相線（鋁絞線或鋼芯鋁絞線）截面為70mm＜sup＞2＜/sup＞以下時，零線截面與相線截面相同；相線截面在70mm＜sup＞2＜/sup＞及以上時，零線截面不宜小于相線截面的50%。4.2.3三相負荷不平衡和高次諧波的影響當三相負荷不平衡時，不平衡電流在零線上產生電壓降，另一方面由于大量非線性電氣設備產生的高次諧波電流也疊加到零線上，即使零線沒有斷線，同時也沒有設備漏電，如人體接觸零線或設備金屬外殼，也會產生麻電的感覺。重復接地可減輕這種麻電現(xiàn)象。4.2.4零線的接法電氣設備的金屬外殼，必需采納單獨的引線同零干線作牢靠的連接。三相380V四孔插座和單相220V三孔插座的愛護接零極（PE線極）也應單獨引線接到零干線上（并聯(lián)的形式）。不能將三孔插座的愛護接零極（PE線極）直接與工作零線極（N線極）相連，這樣連接若工作零線松扣脫落時，就會使設備的金屬外殼帶相電壓；并且此時如將工作零線（N線）和相線（L線）接反，也會使設備的金屬外殼帶相電壓，從面造成人身觸電事故。如圖6所示，即為插座的錯誤接法。此時若三孔插座的工作零線發(fā)生斷線，則接在三孔插座上的單相設備不但不能正常工作且其金屬外殼存在相電壓，而接在四孔插座上的三相設備雖能工作但其金屬外殼也帶有相電壓。4.2.5接地與接零混合使用問題在同一臺變壓器或發(fā)電機供電的低壓電網中，不允許將接零愛護與接地愛護混合使用。這樣做的后果是假如接地設備發(fā)生漏電而熔斷器未準時熔斷時，會使整條零線上消失危急的電壓，從而使全部接零設備的金屬外殼也同時消失危急電壓，（如采納第3段中的數(shù)據(jù)，則該電壓達110V。）<imgsrc=“/UploadFiles/Tech/200805/2008051321264077.gif”align=“center”/圖6三孔插座和四孔插座的錯誤接法5TN—C系統(tǒng)存在的缺陷過去我國對民用建筑特殊是居民住宅始終采納以TN—C型式單相兩線入戶的居多。隨著人民生產水平的提高，家用電器的增多，原先符合住宅設計規(guī)范的TN—C系統(tǒng)已不能保證電氣平安的要求。TN—C系統(tǒng)的缺陷主要表現(xiàn)在：（1）現(xiàn)在的家用電器大多采納單相三孔插頭，而許多地方單相三孔插座的PE線極卻是虛設的，并未單獨引接PEN線，結果用戶在處理時有的干脆就不接線，有的將插座的PE線極與N線極直接相連，也有的用一根導線將PE線極引接到電網PEN線上或四周的自然接地體上，等等。這些處理方法都存在平安隱患。（2）按《施工現(xiàn)場臨時用電平安技術規(guī)范》（JGJ46-88）要求：短路電流應大于熔斷器額定電流的4倍，但此時熔斷時間卻為10~15S。明顯保險絲在規(guī)定時間內熔斷，仍舊不能滿意保證人身平安的要求。（3）由于三相負荷不平衡和高次諧波的影響而使PEN線和接零設備金屬外殼呈現(xiàn)較高的電位，產生麻電現(xiàn)象。雖采納重復接地可減輕此現(xiàn)象，這種現(xiàn)象一般也有能造成人身傷亡，但可能會對地引起火花，故不相宜在居民住宅、醫(yī)院、計算機中心等場所使用。（4）對零線（PEN線）斷線所帶來的危害，即使采納了重復接地的措施，也不能完全消退。（5）若碰殼設備容量較大、距離電源較遠，相線一零線回路電阻較大，短路電流較小，愛護裝置不能快速動作，故障設備電源不能準時切除，PEN線和設備金屬外殼就會長期帶電。雖采納重復接地，但仍不能完全消退危急。（6）由于零線（PEN線）不允許切斷，不能作電氣隔離，故在電氣檢修時可能因零線對地帶電壓而引起人身傷亡事故