接地保护原理解析，必读电工手册

电气装置中正常情况下不带电，如果出现绝缘破损相线触及金属外壳（俗称碰壳故障），则会发生漏电，从而使得金属外壳带电。人无意触及带电部分时，如果没有任何安保措施就会发生触电事故。将设备的外露导电部分与大地做电气连接就称为接地保护。采用接地保护的目的是在设备出现漏电故障、外露的金属部分带电时，由于人体电阻远远大于接地体的电阻，几乎没有电流流过人体，从而保证了人身安全，大大减少了触电危险。

1.IT系统的接地保护原理

对于中性点不接地的IT系统，设备不采取接地保护时，一旦发生碰壳故障时其危险性示意图如图9-4所示。图例中假设电动机一相发生漏电，L3相碰壳。如果此时人员接触到漏电的电动机，如果设备没有接地保护，则情况如图9-4a所示。设电网绝缘电阻为R，人体电阻为R_e，导线对地分布电容为C，一相电压为U_ϕ，则根据电路中学过的知识可以画出如图9-4b中的等效电路，三相对称时可将电路进一步化简，其中对称电路一相阻抗Z等于R和C的并联。则可估算出接地电流：

式中 U_ϕ——系统相电压，单位为V；

I_e——接地故障电流，单位为A；

R_r——人体电阻，与环境条件等有关；

Z——线路复阻抗，。对于中性点不接地系统，C很小，X_C很大，可按电容开路处理，则Z≈R。

图9-4 设备不接地的危险性示意图

a）IT系统设备不接地情况 b）等效电路及化简

发生碰壳事故时，如果人触及带电外壳，则加在人体上的电压为

若电网绝缘良好（R＞0.5MΩ）、人体电阻按1700Ω计算，相电压为220V，则由上式可求出施加在人体上的电压为：2.23V＜36V安全电压，是不会发生触电事故的。但是，如果线路绝缘发生破损，假设绝缘电阻下降至600Ω，则接地电流和施加到人体的电压分别为

从计算结果看，无论是电流还是电压都超过了安全限值，是很容易造成触电危害的。

如果电气设备如图9-5a中所示的加装接地保护，接地电阻R_e按规范要求不大于4Ω，用与上面相同的分析方法可以得出如图9-5b所示的等效电路，由于接地电阻与人体电阻是并联关系，根据分流定律可知，流过人体的电流为

图9-5 接地保护工作原理示意图

a）IT系统接地保护情况 b）接地保护等效电路(www.xing528.com)

通过计算分析可知，大部分接地电流是通过接地体流入大地的，因为人体电阻远远大于接地电阻，流经人体的电流很小，可以限制在30mA之内，因此，保护接地可以有效地保障人身安全。对于中性点不接地的电力系统，电气设备的外露可导电部分安装接地保护装置是十分必要的。

2.TT系统接地保护原理

所谓TT系统是指电力系统中性点直接接地，电气设备的外露可导电部分也接地，但两个接地相互之间是独立的三相四线制低压供电系统。

那么是否所有金属外壳电气设备都可以通过接地保护实现安全生产呢？下面来看TT的情况。从前面的论述可知，如果电动机金属外壳不接地，当人触及漏电电动机外壳时，人体会通过电流发生触电事故。如果电动机发生一相碰壳，采用的是接地保护，如图9-6a中所示，由于电源中性点接地，当L1相发生碰壳事故时，由于设备接地电阻R_e很小，电力系统接地电阻R₀也很小，按规范要求，这两个电阻都应小于等于4Ω。也就是系统的相线和地之间是通过两个很小的电阻连通在一起的，故障相电路可化简为图9-6b所示的等效电路。

图9-6 TT系统接地保护问题

a）TT系统接地保护示意图 b）等效电路

若系统为380/220V低压电网，则可计算出发生接地短路时，其故障电流为

这是因为人体电阻远大于接地电阻，两者并联后总电阻基本等于R_e，而接地电阻要求不得大于4Ω。由计算结果可知，这种TT系统中，如果采用接地保护，发生故障时，短路电流是非常大的，漏电设备对地电压（也就是此时人体承受的电压）为

U_r≈I_kR_e=27.5×4V=110V＞36V

而流经人体的电流取决于人体电阻，如果取一般情况下的R_r=1700Ω，则流经人体的电流为

由结果可看到，漏电设备对地电压高于安全电压，对人身安全是有威胁的。而计算出的短路电流为27.5A，一般保护动作整定电流都比较大，保护设备如断路器不太可能跳闸，熔断器在这个电流值情况下也不会立即熔断，漏电电压将长时间存在，对人身很不安全；如果有人接触到碰壳的设备，流过人体的电流约为65mA，远大于安全电流限值，是有可能致命的。

只有通过减小接地电阻，使短路电流增大，才能使保护装置动作，但是从技术、经济角度来看都是不合理的，实现起来困难重重。因而在电气安全技术的规定中，中性点直接接地电网中不推荐使用接地保护，而提倡采用接零保护。

3.接地电阻的确定

综上所述，保护接地的原理就是在设备外露可导电部分并联一个远小于人体电阻的接地电阻，利用接地电阻小、分流作用强的原理，把漏电设备外壳的对地电压限制在安全电压范围内，达到保护人身安全的目的，由此可见，接地保护效果直接取决于接地电阻的数值。

对于380/220V中性点不接地的低压供电系统，电气设备应采用接地保护。由于电网电压较低，电网对地电容较小，单相接地电流一般很小。但是由于人体触及低压电气设备的机会较多，为了限制漏电设备外壳的对地电压在安全范围内，一般要求保护接地电阻R_e≤4Ω。

对于3～60kV的电源中性点不接地的高压供电系统，由于接地电流一般不超过500A，电力行业通常称之为小接地短路电流系统。该类系统，接地电阻的确定是根据高、低压设备的接地装置的不同敷设方式决定的。通常需要计算，但一般都规定R_e≤10Ω。

在我国，额定电压在110kV及以上的电网一般采用中性点直接接地方式运行，其接地短路电流很大，通常在500A以上，称为大接地短路电流系统。由于系统中接地短路电流很大，事实上已很难限制漏电设备对地电压不超过某一范围，因而要靠线路上的速断保护装置切除接地故障，保证安全。当接地短路电流大于4000A时，采用的接地电阻R_e要求不大于0.5Ω，在该高压系统中接地保护的目的在于促使继电保护装置可靠地动作，以切断电源的办法来消除接地过电压。