低压接地系统介绍与应用

1.低压配电网的接地形式

低压配电网的接地形式需要考虑三方面的内容：

1）电气系统的中性线及电器设备外露导电部分与接地极的连接方式；

2）采用专用的PE保护线还是采用与中性线合一的PEN保护线；

3）采用只能切断较大的故障电流的过电流保护电器还是采用能检测和切断较小的剩余电流的保护电器作为低压成套开关设备的接地故障防护。

接地系统分TN、TT和IT三种类型，这些接地系统的文字符号的含义见表1-34。

表1-34 接地系统文字符号的含义

我们来看低压配电网的接地形式，如图1-45所示。

从表中看出，低压配电网的接地系统包括TN系统、TT系统和IT系统。

2.TN系统

按表1-34中符号的意义可知TN系统的电源中性点是不经阻抗直接接地的，同时用电装置的外露导电部分则通过与接地的中性点连接而实现接地。TN系统按中性线和PE线的不同组合方式又分为三种类型：

类型1：TN-C接地系统：TN-C在全系统内N线和PE线是合一的，其总C是法文Combine“合一”一词的首字母，见图1-45。

图1-45 低压配电网的接地系统

类型2：TN-S接地系统：TN-S在全系统内N线和PE线是分开的，S是法文Separe“分开”一词的首字母，见图1-45。

类型3：TN-C-S接地系统：TN-C-S在全系统内仅在电气装置电源进线点前N线和PE线是合一的，而电源进线点之后即分为N和PE两根线，见图1-45。

TN接地系统的特征是：

1）强制性地要求将用电设备外露导电部分和中性点接通并接地；

2）TN接地系统中的单相接地故障电流被放大为短路故障电流，所以TN系统属于大电流接地系统。因此在TN系统下可利用断路器或熔断器的短路保护作用来执行单相接地故障保护；

3）在TN接地系统中发生第一次接地故障时就能切断电源。

（1）TN-C接地系统及特征

TN-C系统中的中性线N和保护线PE在整个过程中作为PEN导线敷设，TN-C系统属于三相四线制带电导体系统，见图1-50，TN-C接地系统故障保护如图1-46所示。

TN-C系统要求在用电设备的内部范围内设置有效的等电位环境，且需要均匀地分布接地极，所以TN-C能同时承载三相不平衡电流和高次谐波电流。为此，TN-C的PEN线应当在用电设备内与若干接地极相连，即重复接地；其次，当TN-C系统的用电设备端PEN线断线后则外壳将带上与相电压近似相等的电压，其安全性较低。为了消除这种影响，也要求在PEN线上采取重复接地的措施。正是因为TN-C采取了PEN线重复接地的措施，使得系统不能使用剩余电流动作保护装置。

值得注意的是：TN-C系统的PEN线定义中，“保护线”的功能优于“中性线”的功能。所以PEN线首先接入用电设备的接地接线端子，然后再用连接片接到中性线端子。

图1-46 TN-C接地系统的接地故障保护

（2）TN-S接地系统及特征

TN-S系统中的中性线N和保护线PE在整个过程中各自独立分开敷设，但在电源端两者合并在一起接入电源设备的中性点，电源设备的中性点直接接地。TN-S系统为三相四线制带电导体系统，见图1-50，TN-S接地系统的接地故障保护如图1-47所示。

图1-47 TN-S接地系统下的接地故障保护和剩余电流保护

（3）TN-C-S系统

TN-C-S系统中的中性线和保护线前部分按PEN导线敷设，后部分各自分开敷设，且分开后不能再合并。见图1-45。

TN-C-S系统的TN-C部分适用于不平衡负载，而TN-C-S系统的TN-S部分适用于平衡负载。TN-C-S系统可以配套使用剩余电流动作保护装置，只是后部的TN-S系统其PE线不能穿过剩余电流动作保护装置的零序电流互感器铁心。

3.IT接地系统

按表1-34中符号的意义可知IT系统的电源中性点是不接地或者经过高阻抗（1000～2000Ω）接地的，其用电设备上的外露导电部分则直接接地，见图1-45。

IT系统的三条相线与地之间存在泄漏电阻和分布电容，这两种效应一起组成了IT系统对地泄漏阻抗。以1km的电缆为例，IT系统对地泄漏阻抗Z_g为3000～4000Ω。

在IT系统中发生单相接地的故障时，电网的接地电流很小，产生的电弧能量也很小，电力系统仍然能维持正常工作状态，一般地，IT系统多用于对不停电要求较高的场所，例如矿山的提升机械、水泥砖窑生产机械装置以及医院手术室供电等。

IT系统为三相三线制带电导体系统，见图1-50。

由于IT系统的某相对地短路后另外两相对地电压会升高到接近线电压，若人体触及另外的任意两条相线后，触电电流将流经人体和大地再经接地相线返回电网，此电流很大足以致命。为此，IT系统的现场设备必须配备剩余电流动作保护装置RCD，如图1-48所示。

图1-48 IT接地系统的绝缘监测和RCD保护

IT接地系统的应用特性如下：

1）能提供最好的供电连续性；

2）IT接地系统可以省略中性线的敷设，减少了投资费用；

3）当出现第一次接地故障时发出报警信息，操作人员可对系统实施必要的故障定位和故障排除，从而有效地防止了供电中断；

4）当发生第二次异相接地故障时能起动过电流保护装置或RCD剩余电流保护装置切断用电设备的电源。

4.TT接地系统

按表1-34中符号的意义可知TT系统的电源的中性点是不经阻抗直接接地的，其用电设备上的外露导电部分也是直接接地的。TT系统中系统接地和保护接地是分开设置，在电气上不相关联。

TT接地系统的特征是应用于三相四线制且所有终端用电设备的外露可导电部分均各自由PE线单独接地，见图1-50。

从图1-45中可以看出，TT系统中电源变压器的中性点直接接地，而所有用电设备的外露导电部分与单独的接地极相连接。TT系统的用电设备端接地极和电源接地极之间可以不相连，但也可以相连。

在TT系统中使用中性线时要充分注意到中性线的连续性要求：TT系统的中性线不允许中断。若TT系统的用电设备必须要分断中性线，则中性线不允许在相线分断之前先分断，同时中性线也不允许在相线闭合之后再闭合。

TT系统发生单相接地故障时，因为电网中的接地电流比较小往往不能驱动断路器或熔断器产生接地故障保护分断操作。正是由于TT系统的单相接地电流较小，所以IEC对TT系统最先推荐使用剩余电流动作保护装置，如图1-49所示。

1）TT电源接地系统的设计和安装较为简单，适用于由公用电网直接供电的电气装置；

2）TT电源接地系统运行时不需要安装绝缘监测装置；

3）在TT电源接地系统中要使用剩余电流RCD保护装置，其中剩余电流在30～100mA可作为人身电击伤害防护，而剩余电流在500mA以下可作为消防测量和防护；

4）在TT系统中，每次发生接地故障都将出现供电中断，但供电中断仅限于故障回路。

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图1-49 TT接地系统的接地故障RCD保护

5.低压配电网带电导体的分类形式

IEC标准中按配电系统带电导体的相数和根数进行分类。其中“相”指的是电源的相数，而“线”指的是在正常运行时有电流流过的导线。

注意：当低压配电系统正常时，接地线PE是没有电流流过的，所以在IEC的低压配电网带电导体系统形式中接地线PE不属于“线”的范畴。

图1-50所示为若干种低压配电网带电导体的形式。

图1-50 低压配电网带电导体系统的形式

图1-50中的a、b是三相四线制带电导体系统形式，这是应用最广的带电导体系统形式。

图1-50a中除了三根相线外，还有一根中性线或者兼具有中性线N和接地线功能的PEN线；图1-50b中除了三根相线外，还有一根中性线N和接地线PE。

图1-50c、d和e是三相三线制带电导体系统形式。它们的特点是电源输出的电压仅为线电压，没有相电压。其中变压器绕组有星形和三角形两种。

图1-50f是两相三线制带电导体系统形式，它的特点是可以引出120/240V两种电压。240V供较大负荷使用，而120V则供小负荷使用，对人身安全防护更为有利。

图1-50g和h是单相两线制带电导体系统形式，其中图7用三相变压器构成单相两线制的低压配电网带电导线系统形式，图1-50h则用单相变压器构成单相两线制的低压配电网带电导线系统形式。图1-50h因为没有中性线，因此对于用电设备来说更安全。

图1-50i是单相三线制带电导体系统形式，其中变压器的两个绕组间相位角为零，两绕组的连接处引出线为N线，因此它被称为单相三线制。

6.各类电源接地系统的选用准则和应用范例

从人身电击伤害的角度来看各类电源接地系统，则其效果都是一样的，因此各类电源接地形式与安全准则无关。

各类电源接地系统的选用准则见表1-35，选用电源接地系统的形式主要考虑到如下方面。

1）某些情况下必须强制采用某种电源接地系统。例如医院的手术室必须采用IT系统；

2）低压电网要求不间断供电的水平；

3）接地系统要满足低压配电网的运行要求和运行条件；

4）接地系统要满足低压配电网和负载的其他特性。

表1-35 各类电源接地系统的选用准则

注：1.由于大电流接地故障会增加TN-C系统的危险性，因此在易发生火灾的场所，例如煤矿、油田、化工等场所不能使用TN-C电源接地系统。

2.无论采用何种电源接地系统，消防系统使用的RCD其整定值T_Δn≤500mA。

电源接地系统应用范例——某医院的低压配电网图1-51所示为某医院的低压电网示意图。

图1-51 某医院的低压电网示意图

图1-51中可见，低压总进线电源的接地系统采用TN-S，重要部门和科室采用市电进线互投供电；电梯、消防、MIS信息中心和手术中心等一级负荷由市电和自备发电机互投确保供电；手术室的电源通过独立的电力变压器从TN-S系统转换为IT系统。

图中的手术中心的电源是利用电力变压器从TN-S电源接地系统中独立出来的特殊供电区域，该区域采用IT电源接地系统。

此示例中说明：为了满足某种特殊需求，可采用利用电力变压器从低压电网中另行组建独立区域，在独立区域中可实现最佳的电源接地系统。

【例1-12】 电源接地系统应用范例——同一电源引出不同的接地系统。

图1-52所示为从TN-C的系统中引出不同的接地系统示意图。

图1-52电力变压器低压侧绕组的中性点并未接地，而是接到低压成套开关设备中，通过低压成套开关设备的PEN线与配电室内等电位联结工作接地。这种接法在变压器与低压开关柜间距离很短时很常见，例如中小容量的干式变压器与低压成套开关设备的连接。

我们看到图1-52的低压开关柜内安排了PE线，并与PEN线在一点相接。

值得注意的是：接地系统一定包括电源部分、线路部分和负载部分，三者缺一不可。不能把接地系统割裂开来按上级和下级系统来讨论。

【由TN-C系统引出TN-S系统】

在图1-52的最左侧第一个馈电回路引出了三条相线到用电设备，同时又从PEN母线中引出N线，从PE母线中引出PE线，构成了TN-S系统。

注意，我们不可能从TN-S系统中引出TN-C系统。原因很简单：在TN-S下电力变压器接地极附近PEN线分开为PE线和N线，在IEC60364《接地系统》、GB16895《低压电气装置第1部分：基本原则、一般特性评估和定义》和规范GB50054《低压配电设计规范》都规定：一旦PEN线分开为PE线和N线，就不得再次合并，而TN-C是以PEN线为其特征的。故可以从TN-C中引出TN-S，但不可以从TN-S中引出TN-C。

【由TN-C系统引出TN-C系统】

图1-52左起第二个馈电回路是TN-C系统，我们看到用电设备引入了三条相线和一条PEN线。当PEN线引至用电设备时与用电设备的外露导电部分（外壳）相接，由此构成用电设备的保护接零。

图1-52中的PEN线的接法是，在终端开关箱、柜内安排PEN排，从PEN排引出带中性线功能的PEN线接到负载的中性线接线端子上，再从PEN排引出带保护功能的PEN线到负载的外露导电部分（金属外壳）接线端子上。

这是基于国内的通用做法，相对于TN-S系统，TN-C系统少了一根线，可以降低安装成本。

【由TN-C系统引出TT系统】

图1-52左起第三个馈电回路是TT系统，我们看到用电设备引入了三条相线和一条N线，用电设备的外壳直接接地，构成了保护接地。

【由TN-C系统引出TN-C-S系统】

图1-52最右边的馈电回路是TN-C-S系统，我们看到用电设备引入了三条相线，其中PEN线在接入用电设备前再次接地，然后分开为N线和PE线。

一般地，在TN-C和TN-C-S系统中，在电气装置外的低压配电线路上需要将PEN线做重复接地。这样做的好处是：一旦PEN线发生断裂，或者不同级别低压配电系统中PEN线上出现中性线电压降后，重复接地可降低此电位。

从图1-52中看出，TT系统和TN-S系统内中性线是不允许做重复接地的，否则将产生非正规路径中性线电流引起不良后果。

图1-52 从TN-C的系统中引出不同接地系统的示意图

7.总等电位联结

IEC标准中强调在配电所内建立总等电位联结。总等电位联结是指在建筑物内电源进线处将可导电部分互相连通，如图1-53所示。

建立等电位联结是为了减少人体同时接触不同电位引起的电击危险，以及防止雷电危害和抗干扰的要求。

在低压配电所内，有时用接地扁钢环绕内墙一周，以实现各处等电位。

建立变电所、配电所内的接地系统和等电位联结是一件很复杂的工作，而且与实际条件密切相关。

图1-53 低压配电所内的等电位联结