《安全技术》之接零保护和TN系统（WORD版）.doc

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接零保护和TN系统1引言人身触电事故的发生，一种情况是人体直接触及或过分靠近设备的带电部分，即直接接触触电；另一种情况是人体接触平时不带电，因绝缘损坏而带电的电气设备的外露金属部分（如金属外壳、金属护罩、金属构架等），即间接接触触电。接地与接零是进行间接接触触电的防护而采取的两项保护性接地措施，是电气安全技术中两个重要的基本概念。2 TN系统我国380/220V低压配电网广泛采用中性点直接接地的运行方式。根据国际电工委员会IEC标准，低压配电网中性点工作制度有3种：TN系统、TT系统和IT系统。其中根据各国不同的做法，TN系统又分为TN-S、TN-C、TN-C-S三种型式。TN-S系统的特征是中性线（N线）和保护线（PE线）严格分开，又称三相五线制系统，见图1。图1TN-S系统TN-C系统的特征是将N线和PE线的功能合在一根保护中性线（PEN线）上，故又称为三相四线制系统，或称为接零保护系统，这根PEN线在我国通称为“零线”，俗称“地线”，见图2。图TN-C系统TN-C-S系统中有一部分其N线和PE线结合成PEN线，有一部分N线和PE线全部或部分分开。N线的功能是：供单相设备使用，传导三相系统中的不平衡电流，减上三相负荷中性点的电位偏移。而PE线的功能则是保障人身安全，防止发生触电事故。TN-C系统在我国的工厂企业和居民住宅中是一种常用的中性点工作制度。3接地保护型式在TN系统中运用的局限性接地保护是为防止因电气设备绝缘损坏而使人体有遭受触电的危险，将电气设备正常情况下不带电的外露金属部分（如金属外壳）与接地体作直接的电气连接。其基本原理是限制漏电设备外壳对地电压，使之不超过安全范围。有人认为在TN系统中采用接地保护型式可以保证人身安全，这种看法是不对的。在TN系统中，电气设备的金属外壳采用接地保护，一般仅能减轻触电的危险程度，并不能绝对保证安全。分析如下：见图3（a）所示中性点直接接地低压电网，当一相碰壳使设备外壳带电时，若人体触及设备外壳，则有接地短路电流流经人体电阻和接地电阻，并通过中性点形成回路，其等值电路见图3（b）。假设中性点接地电阻Ro和保护接地电阻Rd均为4Ω，人体电阻Rr约1000Ω，在计算流经接地体的电流Id时可忽略不计Rr的影响，则流经人体的电流Ir约为：Ir=Ur/Rr=IdRd/Rr=UxRd/（Rd+Ro）Rr=100mA图3中性点直接接地配电网保护接地分析式中Ur是作用于人体的电压，Ux是电网相电压（假设为220V）。我们知道，通过人体的工频电流超过50mA时心脏就会停止跳动，发生昏迷并出现致命的电灼伤；工频100mA的电流则会迅速致人死命。即使将人体电阻按照2000Ω计算，Ir也达55mA，对人体仍是非常危险的。另一方面Id≈Ux/（Rd＝Ro）=27.5A，不足以引起中等容量以上线路的保护装置动作（或保险丝不能熔断），造成漏电设备上的危险电压（Ud=IdRd≈100V）将长期存在。而采用降低保护接地电阻Rd的办法以降低漏电设备外壳对地电压Ud，或在降低Rd的同时降低中性点接地电阻Ro以增大接地短路电流Id，从而使保护装置迅速动作来切断电源的想法在具体实施上都是不现实的。因此接地保护形式并不适用于TN系统。如果要想在中性点直接接地低压配电网中采用接地保护型式，电网应引出N线且采用漏电保护器，并使N线和设备PE线无一点电气联系，构成TT系统（接地保护系统）。4接零保护型式4.1接零保护原理接零保护型式过去通常称为“保护接零”，是由前苏联提出来的概念。但根据《民用建筑电气设计规范》（JGJ/16-92）的规定：用电设备的接地，一般可区分为保护性接地和功能性接地；保护性接地又可分为接地和接零两种型式。可见严格意义上讲不应再采用“保护接零”一词。接零保护是为防止因电气设备绝缘损坏而使人体有遭受触电的危险，将电气设备正常情况下不带电的外露金属部分（如金属外壳）与电网的保护线（PE线或PEN线）相连接。当一相碰壳而使接零设备金属外壳带电时，单相接地短路电流通过该相线和PE（PEN）线形成回路，而不经过电源中性点接地装置，见图4。由于故障回路相线、PE（PEN）线阻抗很小，所以单相短路电流很大，它可使线路上的保护装置（如熔断器、开关等）迅速动作，从而切除漏电设备电源，以起到保护作用。接零保护适用于TN系统，一般和熔断器、脱扣器等配合。需要注意的是，“接零”的概念是指将设备金属外壳接到PE线和PEN线上，而不是接到N线上。图4保护接零原理4.2在TN—C系统中采用接零保护应注意的问题4.2.1重复接地经验表明，在TN—C系统中，除电源中性点必须采用工作接地外，零线应在规程规定的地点采用重复接地，见图5。重复接地电阻与工作接地电阻构成零线的并联分支，降低了相线一零线回路电阻，当发生一相碰壳时，使短路电流增大，加速保护装置的动作，可缩短故障的持续时间；另重复接地还可限制漏电设备的对地电压和零线上的电压降。图5 TN—C系统重复接地4.2.2零线（PEN线）断线问题若零线断线，如不采用重复接地，那么在断线点后有一台设备发生碰壳时，则断线点后所有接零设备金属外壳对地电压均接近于相电压，这是很危险的，见图4。采用重复接地，断线点后的接零设备就成为接地设备，重复接地此时起到后备保护的作用。另零线断线时，若三相负荷不平衡，则会使负荷中性点电位严重漂移，造成三相电压不对称从而烧坏单相设备。零线不应在短路电流的作用下发生断线，并为防止零线断线，零线上不得单独安装熔断器、开关装置。若采用自动开关，只有当过流脱扣器动作后能同时切除相线时，才允许在零线上装设过流脱扣器。当相线（铝绞线或钢芯铝绞线）截面为70mm＜sup＞2＜/sup＞以下时，零线截面与相线截面相同；相线截面在70 mm＜sup＞2＜/sup＞及以上时，零线截面不宜小于相线截面的50%。4.2.3三相负荷不平衡和高次谐波的影响当三相负荷不平衡时，不平衡电流在零线上产生电压降，另一方面由于大量非线性电气设备产生的高次谐波电流也叠加到零线上，即使零线没有断线，同时也没有设备漏电，如人体接触零线或设备金属外壳，也会产生麻电的感觉。重复接地可减轻这种麻电现象。4.2.4零线的接法电气设备的金属外壳，必须采用单独的引线同零干线作可靠的连接。三相380V四孔插座和单相220V三孔插座的保护接零极（PE线极）也应单独引线接到零干线上（并联的形式）。不能将三孔插座的保护接零极（PE线极）直接与工作零线极（N线极）相连，这样连接若工作零线松扣脱落时，就会使设备的金属外壳带相电压；并且此时如将工作零线（N线）和相线（L线）接反，也会使设备的金属外壳带相电压，从面造成人身触电事故。如图6所示，即为插座的错误接法。此时若三孔插座的工作零线发生断线，则接在三孔插座上的单相设备不但不能正常工作且其金属外壳存在相电压，而接在四孔插座上的三相设备虽能工作但其金属外壳也带有相电压。4.2.5接地与接零混合使用问题在同一台变压器或发电机供电的低压电网中，不允许将接零保护与接地保护混合使用。这样做的后果是如果接地设备发生漏电而熔断器未及时熔断时，会使整条零线上出现危险的电压，从而使所有接零设备的金属外壳也同时出现危险电压，（如采用第3段中的数据，则该电压达110V。）图6三孔插座和四孔插座的错误接法5 TN—C系统存在的缺陷过去我国对民用建筑特别是居民住宅一直采用以TN—C型式单相两线入户的居多。随着人民生产水平的提高，家用电器的增多，原先符合住宅设计规范的TN—C系统已不能保证电气安全的要求。TN—C系统的缺陷主要表现在：（1）现在的家用电器大多采用单相三孔插头，而很多地方单相三孔插座的PE线极却是虚设的，并未单独引接PEN线，结果用户在处理时有的干脆就不接线，有的将插座的PE线极与N线极直接相连，也有的用一根导线将PE线极引接到电网PEN线上或附近的自然接地体上，等等。这些处理方法都存在安全隐患。（2）按《施工现场临时用电安全技术规范》（JGJ46-88）要求：短路电流应大于熔断器额定电流的4倍，但此时熔断时间却为10~15S。显然保险丝在规定时间内熔断，仍然不能满足保证人身安全的要求。（3）由于三相负荷不平衡和高次谐波的影响而使PEN线和接零设备金属外壳呈现较高的电位，产生麻电现象。虽采用重复接地可减轻此现象，这种现象一般也有能造成人身伤亡，但可能会对地引起火花，故不适宜在居民住宅、医院、计算机中心等场所使用。（4）对零线（PEN线）断线所带来的危害，即使采用了重复接地的措施，也不能完全消除。（5）若碰壳设备容量较大、距离电源较远，相线一零线回路电阻较大，短路电流较小，保护装置不能迅速动作，故障设备电源不能及时切除，PEN线和设备金属外壳就会长期带电。虽采用重复接地，但仍不能完全消除危险。（6）由于零线（PEN线）不允许切断，不能作电气隔离，故在电气检修时可能因零线对地带电压而引起人身伤亡事故。（7）容易将相线和零线接错，或者因互换而引起设备外壳带电。在同一系统中，容易出现保护接地与接零同时存在的情况等等。由于上述原因，《住宅设计规范》（GB50096-1999）规定了居民住宅应采用TT系统（三相四线制、接地保护系统）、TN-C-S系统（部分接零、部分为三相五线制）或TN-S系统（三相五线制系统），并进行总等电位连接。6结论尽管在TN系统中采用了接零的保护措施，但仍需注意它是针对间接接触触电的防护措施，对于直接接触。