接地故障保护及人体电击防护措施

1.带电导体间的短路与接地故障的区别

短路是指相线之间、相线与中性线之间的直接触碰，产生的电流就是短路故障电流。因为短路点的电阻很小，线路阻抗也很小，所以短路电流很大。

在IEC标准里，把带电导体与地间的短路称为“接地故障”。接地故障包括电气装置绝缘破损出现的故障现象，还包括电气设备外露导电部分发生相线碰壳事故时出现的故障现象。电气设备外露导电部分带对地故障电压时，人体接触此故障电压而遭受的电击，被称作间接接触电击。

图1-54 短路故障与接地故障的区别

我们来看图1-54。

从图1-54中我们能看到短路与接地故障的区别。其中的“地”指的是电气装置的外露导电部分，或者建筑物内金属结构、管道，也包括大地。接地故障引起的间接接触电击事故是最常见多发的电击事故。

间接接触电击是由接地故障引起的，其防护措施就因接地系统类型的不同而不同。间接接触电击防护措施中的一部分系在电气设备的产品设计和制造中予以配置，另一部分则是在电气装置的设计安装中予以补充，即间接接触电击的防护措施系由电气设备设计和电气装置设计相互组合来实现。

低压系统接地故障不仅会危害低压成套开关设备的安全，还会危害人身和环境安全，造成电击伤害或引发电气火灾，因此接地故障的保护要从电击防护和电气火灾防护的角度来考虑的。

2.电击防护的一般性措施

（1）人体阻抗与安全电压

人体阻抗是阻容性的非线性阻抗，阻抗值随电压幅值、接触面积和压力大小不同而不同，且与人体皮肤的潮湿程度密切相关。标准规定：人体阻抗值按R_M=1000Ω取值。

人体所能承受的最高电压称为安全电压U_L。正常环境条件下，安全电压等于50V。

（2）直接接触和间接接触

直接接触是指人体与正常带电的导体接触，间接接触是指人体与电气设备正常时不带电但在故障时带电的外露部分进行接触。

（3）电气设备电击防护方式分类

电气设备电击防护方式分为0、Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ四类，各类设备特征见表1-36。

表1-36 电气设备电击防护方式分类

3.直接接触的防护措施

直接接触的防护措施包括：

1）将带电部分用绝缘材料完善地覆盖起来的防护措施；

2）用遮拦和隔离等防护措施。

例如ABB公司的MNS3.0低压成套开关设备中为了防止固体物进入采取了IP3X或IP4X以上的防护措施，并且带电的主母线和电气设备均采用隔板隔离，且所有金属外壳和可移动的各种金属板材均使用保护接地线与地直接连接。

3）局部防护措施：采用阻挡物阻挡人的手臂伸向带电体。

4）特殊防护措施：采用超低电压的防护措施。

4.间接接触的防护措施

间接接触的防护措施包括：

（1）自动切断电源

为了保证能迅速而又有效地切断电源，必须根据接地通道的电压来决定和调整切断电源的速度，具体数值见表1-37。

表1-37 切断电源的时间与接地通道电压的关系表

（2）特殊防护措施

采用超低电压的防护措施或者隔离变压器实施电气隔离。

5.在TT系统中实现间接防护的方法

TT系统的特征就是电源接地极和用电设备的接地极是分开的，当用电设备发生接地故障时，接地电流的流通路径是，接地相→用电设备的外露导电部分→用电设备的接地导线→用电设备的接地极及接地电阻R_L→地线电流通道→电源接地极及接地电阻R_n→电源中性线N，如图1-55所示。

图1-55 TT系统接地故障电流的流通通道

从图1-55中可见，接地电流流经了用电设备接地极R_L和变电所电源接地极R_n的接地电阻，使得TT系统的接地故障电流相对较小，不足以驱动电流继电器等设备，所以TT系统必须采用剩余电流保护装置RCD来自动切断电源。

在TT系统中采用RCD行使自动切断电源的接地故障防护措施时，其动作灵敏度为

式中 I_Δn——RCD额定动作电流；

R_L——用电设备接地极的接地电阻。

【例1-13】 设配电所接地系统是TT，电源接地极的电阻R_n=4Ω，设用电设备接地极的电阻R_L=30Ω，接地环路电流I_O为4.5A，求接地故障的参数。

解：接地故障的参数为

显然，用电设备外露导电部分135V的间接接触电压为远大于50V的安全电压，对操作者来说相当危险，需要配置动作电流为300mA的RCD来及时地切除此接地故障。

因为配电所电源接地极的电阻是4Ω，接地环路电流在电源接地极电阻上产生的压降为4.5A×4Ω=18V。若相电压U_n=220V，于是发生接地故障的相线故障点上的电压是220V_-135V-18V=67V。这么高的电压有可能会造成导线发热甚至引发电气火灾。

6.在TN系统中实现间接防护的方法

TN系统的特征就是系统内的用电设备其外露导电部分通过保护线直接与电源的接地极相连。

显然，对于TN-C、TN-S和TN-C-S系统来说保护线的连接方法是不一样的，但对于所有的TN系统来说，接地故障均成为相线对中性线的短路故障，所以原则上均可以采用过电流保护电器（断路器或熔断器）来切断电源。我们来看TN-C系统接地故障电流的流通通道，如图1-56所示。

图1-56 TN-C系统接地故障电流的流通通道

需要注意的是，当发生接地故障而电源尚未切除之前，故障点处的接触电压U_O可能升高到超过50%的相电压。

在图1-56中，当TN-C系统中用电设备的中相对地发生了接地故障时，接地电流的流通路径是：接地相→用电设备的外露导电部分→用电设备的接地导线→PEN线→电源中发生接地故障的相线。

一般TN-C系统是多点接地的，因此TN-C系统能够尽量降低用电设备外露导电部分的接地故障接触电压。

因为TN系统的接地故障实质上是短路故障，为了能够准确地决定过电流保护装置的动作参数，所以需要给出计算主回路短路电流的方法。

方法一：环路阻抗法

式中 （ΣR）2——环路内所有电阻之和的二次方；

（ΣX）2——环路内所有感抗之和的二次方；

U——相电压。(www.xing528.com)

运用环路阻抗法时，首先要计算出接地故障短路电流的环路中所有元器件的阻抗，而这项工作本身就是比较困难的工作，需要查阅相关的工程图表和元器件参数等。

方法二：回路阻抗法

式中 I_SC——故障点上端的短路电流；

I_EC——环路末端的短路电流；

U——相电压；

Z_S——环路阻抗。

回路阻抗法可以用环路始端已知的短路电流来计算环路末端的短路电流，且环路阻抗为各元器件阻抗的代数和。

若认为I_SC与I_EC接近相等，则回路阻抗法可近似简化为

TN系统接地故障电流为

式中 I_d——接地故障电流；

U——相电压；

Z_S——接地故障电流环路阻抗，由故障点前的相线线路阻抗和故障点后保护线的线路

阻抗总和；

Z_C——故障回路的环路阻抗；

I_a——使保护电器在规定的时间内动作的电流。

说明：

1）从故障点接地极至电源接地极的阻抗远大于Z_S或Z_C，故在计算中予以忽略。

2）因为馈出回路的导线截面积远远小于电源和母线系统的导线截面积，因此可以用从母线到用电设备电缆或导线阻抗作为Z_S的近似值。

【例1-14】 若TN-C接地系统中某32A的馈电回路出口处发生了接地故障，且从母线至故障点再至PEN母线的阻抗为86mΩ，求故障电流。

解：

则故障电流为

采用ABB公司的Tmax T2N160TMD32A断路器就足以分断此接地故障电流了。查阅样本得知T2N160TMD是热磁式断路器，其瞬时短路磁脱扣电流是32×10=320A，接地故障电流是断路器壳体电流的2674A/320A≈8.4倍，断路器足以在不到30ms的时间内脱扣跳闸保护。

当低压电网采用TN-S系统时，在下列情况下必须使用RCD剩余电流保护电器：

1）不能确定环路阻抗；

2）故障电流特别小以至于过电流保护电器（例如断路器的过电流脱扣器）的动作时间不能满足系统要求。当馈电电缆截面较小；而长度又较长时会出现这种状况。

RCD剩余电流保护电器一般均为毫安至数安之间，比接地故障电流低得多，故RCD剩余电流保护电器非常适合上述两种状况。

7.在IT系统中实现间接防护的方法

IT系统的特征是：电源的中性点与地绝缘，或者经过高阻接地；所有用电设备的外露导电部分经过接地极接地。

当IT系统发生第一次接地故障的电流很小，能满足I_d≤50/R_a的要求而不出现危险的故障电压，既不会对人身产生电击伤害，也不会出现危害电气设备的现象，如图1-57所示。

由于系统存在潜在的危害，所以IT系统必须配备绝缘监测装置对第一次接地故障进行报警，同时要迅速地查清故障点及时予以排除。

图1-57 IT系统第一次发生接地故障时的接地故障电流流向

当系统中发生第二次不同相的接地故障时，IT系统的接地电流故障电流流向如图1-57所示。

在图1-58中，IT系统中左边的第一个用电设备L3相的接地故障尚未解除，而右边的第二个用电设备L1相又发生了接地故障。与第一次接地故障电流的流向不同的是第一个用电设备的接地故障电流不再流经地线电流通道进入电力变压器，而是流经地线通道进入第二个用电设备的故障相再流入电力变压器。显然，此时的接地故障电流已经变为相间的短路故障电流。

图1-58 IT系统第二次发生接地故障时的接地故障电流流向

IT系统第二次发生接地故障时的接地故障电流计算方法见式（1-72）

式中 I_d——接地故障电流；

U_O——相电压；

Z_C——故障回路的环路阻抗。

对于IT系统第二次发生的接地故障，利用断路器或熔断器的短路保护就足以切断电源了。

若IT系统中的用电设备单独接地，则当发生第二次接地故障时，接地电流要流经接地极的接触电阻，接地电流的强度将因此而受到限制。此时使用断路器或熔断器来行使保护就变得非常不可靠，需要采用更灵敏的RCD剩余电流保护电器来实现保护操作。

为了对IT系统的绝缘进行监测及线路保护，在IT系统的进线回路配套绝缘监测装置。绝缘监测装置的原理图如图1-59所示。

图1-59中，绝缘监测装置接在L1相和L2相之间。绝缘监测装置中经过降压变压器和整流器输出一个直流电压。绝缘监测装置中的R与PE的绝缘电阻R_a和L1相的绝缘电阻R₁相串联，同时R也与PE的绝缘电阻R_a和L2相的绝缘电阻R₂相串联。当线路绝缘正常时，R_a、R₁和R₂阻值很大，故测量电流I_d很小，R上的压降也很小；当L1相或者L2相的绝缘被破坏后，R₁或者R₂的阻值变小，测量电流I_d急剧变大，R上的压降也随之增大，绝缘监视装置由此产生对应的输出信息。

图1-59 IT系统的绝缘监测装置工作原理

绝缘监视装置能实现的功能包括：

1）监测IT系统的第一次接地故障，当IT系统的绝缘水平降至某一规定值以下时即发出告警信息；

2）可作为过电流侦测装置，当IT系统发生第二次接地故障时通过断路器按TN系统切断电源；

3）可作为剩余电流侦测装置，当IT系统发生第二次接地故障时通过断路器按TT或TN系统切断电源。

绝缘监测装置只能用来监测IT系统的对地绝缘，当不能用来监测TN系统和TT系统的对地绝缘。道理很简单：因为TN系统和TT系统的电源中性点是直接接地的，于是R_a和R就被仅仅数欧的系统接地电阻所短接，当然也就无法侦测出系统的绝缘水平了。

正因为如此，IEC标准中不提倡IT系统带中性线，避免破坏绝缘监视装置对IT系统绝缘状况的侦测能力。

值得注意的是：

如果用在一级配电且符合IT接地系统的低压成套开关设备（直接连接在电力变压器低压侧执行一级配电任务）与用电设备不在同一建筑物内，当发生第一次接地故障时，见图1-57，IT系统事实上成为TT系统；

如果用在一级配电且符合IT接地系统的低压成套开关设备（直接连接在电力变压器低压侧执行一级配电任务）与用电设备在同一建筑物内，当发生第一次接地故障时，见图1_-58，IT系统事实上成为TN系统。

如果再次发生异相的接地故障，则系统将按TT系统或TN系统的方式切断电源。