低压系统接地故障的保护设计和等电位联结
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摘要：将建筑物电气装置内外露可导电部分、电气装置外可导电部分、人工或自然接地体用导体连接起来以达到减少电位差称为等电位联结。等电位联结也有不与人工或自然接地体连接的，称为不接地的等电位联结。
关键词：人工接地体 自然接地体 电位差 等电位联结
3.4.2.1 等电位联结概念
将建筑物电气装置内外露可导电部分、电气装置外可导电部分、人工或自然接地体用导体连接起来以达到减少电位差称为等电位联结。等电位联结也有不与人工或自然接地体连接的，称为不接地的等电位联结。
等电位联结有总等电位联结、局部等电位联结和辅助等电位联结之分。
所谓总等电位联结乃是将建筑物内的下列导电部分汇接到进线配电箱近旁的接地母排(总接地端子板)上而互相联结：?
——进线配电箱的PE（PEN）母排；?
——自接地极引来的接地干线（如需要）；?
——建筑物内的公用设施金属管道，如煤气管道、上下水管道，以及暖气、空调等的干管；
——建筑物的金属结构；?
——钢筋混凝土内的钢筋网。
需要说明，煤气管和暖气管可进行总等电位联结，但不允许用作接地体。因为煤气管道在入户后应插入一段绝缘部分，并跨接一过电压保护器；户外地下暖气管因包有隔热材料，与地非良好接触。
局部等电位联结是在建筑物内的局部范围内按总等电位联结的要求再做一次等电位联结。
辅助等电位联结则是在伸臂范围内有可能出现危险电位差的可同时接触的电气设备之间或电气设备与装置外可导电部分(如金属管道、金属结构件)之间直接用导体作联结。?
图3-1总等电位联结示意
3.4.2.2 等电位联结作用
(1)降低预期接触电压
图3-2TN系统等电位联结作用
以接地型式TN－C－S系统为例加以说明，图3-2为常用的TN-C-S系统，在电源进线处PEN线分成PE线和N线(N线从此处开始与PE线绝缘)，设有重复接地，不安装总等电位联结,如果设备发生接地故障，忽略接地故障点的阻抗，RA与RB串联后再与ZPEN并联，RA+RB>>ZPEN；人体阻抗Zh与鞋袜和地板电阻Rp串联后再与ZPE并联，Zh+Rp>>ZPE，接地故障电流Id流经相线和PE线、PEN线，返回变压器低压绕组，即??
??
式中－U0相对地标称电压，V ；
－ZT变压器零序阻抗，Ω ；
－ZL相线阻抗，Ω ；
－ZPE电气装置内部PE线阻抗，Ω ；
－ZPEN电气装置外部PEN线阻抗，Ω 。
预期故障电压UT1可用下式计算：
做了总等电位联结后预期接触电压为
从以上两式可知，做了总等电位联结后，减少的预期接触电压为?
从图3-2可知，做了总等电位联结后，在总等电位联结区内，作为总等电位联结组成部分的建筑物基础钢筋、金属结构件、金属管道、金属电缆桥架、电缆金属护套、敷设电缆或导线金属管等自然接地体，接地电阻值较小，已起到重复接地的作用。IEC标准没有规定必须为重复接地做人工接地体，也没有明确规定重复接地的电阻值。
电源线路中PEN线上的电压降虽不在建筑物内产生接触电压，但它能使接地母排对地电位升高。由于在总等电位联结范围内电气装置外露可导电部分和装置外可导电部分都和接地母排相连通，其电位都同样升高而基本处于同一电位上，人体接触这些导电部分时，没有接触不同电位，自然不存在电击危险的。
(2)消除自建筑物外沿PEN线或PE线窜入的危险故障电压
TN系统内因绝缘损坏发生接地故障后有三种可能情况：一是故障点相接触的两金属部分因数百以至数千安的电流通过，熔化成团而脱离接触，接地故障自然消失；二是两金属部分熔化成团脱离接触后引燃电弧，形成大故障点阻抗的电弧性接地故障，由于相当大一部分的线路电压降落在电弧上，接触电压相对减少，它的后果大多是火灾而非人身电击；三是两金属部分熔化后互相焊牢，使故障继续存在，其故障点阻抗可忽略不计，其后果大多是人身电击，这就是接地故障。正是由于接地故障电压存在，沿PEN线或PE线窜入的危险故障电压易引起的电击。
－保护装置未动作而引起的接地故障电压；
－PEN线折断而引起的接地故障电压；
－当电源干线中的PEN线折断时(俗称断零)，由于三相负荷不均衡，负荷侧中性点漂移，也能使PEN线和设备外壳对地带电位。如果建筑物内有总等电位联结，使外露可导电部分都处于该电位，同样也可消除由此引起的电击危险；
－高压系统中性点不接地或经消弧线圈接地发生接地故障引起的低压系统接地故障电压；
－高压系统中性点经低电阻接地系统发生接地故障引起的低压系统接地故障电压。
虽然PEN线或PE线上存在危险故障电压，但由于PEN线或PE线在建筑物内均已等电位联结，在等电位联结范围内人体同时可触及的电气装置内、外外露可导电部分基本上处于同一电位，火灾及人身电击自然不会产生。
(3)减少保护装置据拒动带来的危害
保护装置据拒动是由于：
－保护装置内的电子元器件的老化，温度漂移或干扰等；
－保护装置的动作值改变，装置投入运行后，增加供电容量或串级保护需要，电子脱扣器受环境温度的影响等；
－增加供电的线路长度，阻抗加大；
－保护装置开断较大的短路电流，触头表面被拉毛，触头接触电阻加大；
－保护装置脱扣器供电电源与发生接地故障同相序，接地故障造成脱扣器供电电压低于要求值。
等电位联结可以降低故障回路阻抗，缩短保护装置的动作时间，降低接触电压。<<低压配电设计规范>>（GB50054－95）第4.4.4条明确规定，采用接地故障保护时，应做等电位联结，也符合IEC标准将等电位联结规定为自动切断故障电路防电击的措施之一。
(4)等电位联结是电磁兼容（EMC）主要措施之一
1）有利于消除雷击电磁脉冲干扰
等电位联结减小需要防雷空间内各金属部件和各系统之间的电位差。穿过各防雷区界面的金属物和系统，以及在一个防雷区内部的金属物及系统均应在界面处做符合要求的等电位联结。
2）信息技术设备的电磁兼容
信息技术装置或设备可能因为在设备中或互连的设备间感应产生的电流或电压而出错。干扰的原因包括雷电或负载的通断、静电放电、工频地电位差、磁场和射频场等导致的在电源和接地导体中带来的瞬变电涌。
避免电磁干扰入侵的基本技术举例如下：
??采用电的或纠错的技术在信息技术装置或设备中提供内在的抗干扰性能；
??在干扰源与信息技术装置或设备间在电气上实施隔离；
??在相关频率范围的设备之间实施等电位联结；
??提供一个低阻抗的基准电位平面，使电位差减小，并提供屏蔽。
3.4.2.3 局部等电位联结作用
(1)消除自总等电位联结后沿PEN线或PE线传导的危险故障电压
当建筑物内配电线路较长，且截面较小时，由于回路阻抗大，接地故障电流Id小，不能满足保护装置切断时间要求，为此需加大导体截面或装设剩余电流保护器。如果在此局部范围内设置局部等电位联结，则可简单而靠地解决过流保护灵敏度不够的问题。如下图3-3所示，如果设备发生固定式设备接地故障，接地故障电流Id则为：
式中Id－接地故障电流，A；
ZT－变压器零序阻抗，Ω；
ZL－相线阻抗，Ω；
ZPEN－PEN线阻抗，Ω；
ZPE1－进线配电箱至终端配电箱PE线等值阻抗，Ω；
ZPE2－固定式设备至配电箱PE线等值阻抗，Ω；
U0－相线对地的标称电压，V。
预期接触电压UT为：
电源系统接地的电阻值RB与保护导体接地电阻值RA之和远远大于PEN线阻抗ZPEN，故在以上的接地故障电流的计算中，忽略了接地极的分流。
采用如图3-4 所示的局部等电位联结时，其接地故障电流为：
式中
接地故障电流Id的分流Id2为:
其固定式设备的预期接触电压UT1为：
其手握式设备的预期接触电压UT2为：
通过UT与UT1的比较可发现，局部等电位联结消除自总等电位联结后沿PE线的危险故障电压，即使保护电器切断时间超过5s，手握式设备的预期接触电压UT2仅为接地故障电流的分流Id2在ZPE3和ZPE42的电压降，ZPE3和ZPE42的值甚小，不致于发生电击事故。
图3-3TN系统局部等电位联结作用
(未有局部等电位联结)
图3-4TN系统局部等电位联结作用
(有局部等电位联结)
(2)降低预期接触电压
局部等电位联结除能消除电气装置总等电位联结至局部等电位联结接地故障时PE线传导的预期接触电压UT外，还能降低接地故障回路阻抗，在电气装置内各楼层或多处做局部等电位联结，如图3－5所示。K1处发生接地故障时，忽略总等电位联结和局部等电位联结端子与PE线和可导电部分连接导体电阻，PE线导体与可导电部分导体在局部等电位联结间并联后又串联；若K2处发生接地故障时，PE线导体与可导电部分导体在局部等电位联结间并联后又并（串）联，其局部等电位联结降低接地故障回路阻抗，加大接地故障电流Id，缩短保护电器的动作时间，防止电击发生。
图3－5局部等电位联结降低预期接触电压
3.4.2.4 等电位联结导体选择
等电位联结导体选择见表3－1：
表3－1等电位联结线导体截面选择表
类别
取值
总等电位联结线
局部等电位联结线
辅助等电位联结线
一般值
不小于0.5×进线PE（PEN）线截面
不小于0.5×局部场所最大PE线截面
两电气设备外露可导电部分间
较小PE线截面
电气设备与装置外导电部分间
0.5×PE线截面
最小值
6 mm2铜线
有机械保护时
2.5mm2铜线
有机械保护时
2.5mm2铜线
16mm2 铝线（有机械保护，保证连接处持久导通）
无机械保护时
4 mm2铜线
无机械保护时
4 mm2铜线
50mm2铁
16 mm2铁
16 mm2铁
最大值
25 mm2 铜线或相同电导值导线（若为铝线时则有机械保护，并保证连接处持久导通）
25 mm2 铜线或相同电导值导线（若为铝线时则有机械保护，并保证连接处持久导通）
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