【电气学院】电气接地的原理和目的

首先，我们要知道接地的目的是什么！看下图：

仔细观察，我们会发现右图的电池负极线路有接地标识。这说明，电池负极为零电位，它为全电路定义了电压参考点。这种接地叫做工作接地，工作接地的目的就是为系统构建零电位点。

这张图中，T是电力变压器的低压侧绕组。低压绕组的中性线实施了工作接地，注意是接大地。我们把工作接地后的中性线引出，它就是大名鼎鼎的零线，符号是PEN，定义名称是保护中性线。注意：图中的配电系统，有了工作接地，线路中各处的对地电位就是明确的，不会发生偏移。

图中的负载电阻Ra、Rb和Rc不相等，如果零线没有工作接地，它的末端电位就会偏离零电位点。有了工作接地，零线的电位被强制性地限定为大地的零电位。这就是工作接地的目的。

这张图中，我们看到了变压器低压侧绕组的中性线N执行了工作接地，并且以PEN零线的形式引出。注意到在负载侧的引入端，零线再次重复接地，其目的是确保零线线路末端的电位依然为零。这样做的就能够防止零线过长引起零线末端的零电位偏离，防止因为零线断裂而引起的零电位偏离。

注意到一个重要事实：尽管零线电位为零，但零线电流丝毫不受影响。也就是：零线电流的大小与零线电位为零无关！为何如此？因为零线的电压是节点电压，不是欧姆定律定义的电压。零线电压遵循基尔霍夫第二定律KVL，不遵循欧姆定律。

这张图就是TN-C接地系统。图中左起第一个负载，我们看到零线首先引入到用电设备的金属外壳，然后再引入到零线接线端子，于是用电设备外壳的电位为零。这种接法叫做保护接零。

保护接零的目的是什么？

其一：若用电设备的内部发生火线碰壳事故，由于外壳接零，于是外壳的电位为零。此时，若有人正在触摸用电设备的外壳，由于外壳为零电位，以此保障了人身安全。

其二：注意到零线电流与零线电压无关。当上述碰壳事故发生后，接零电流相当于火线对零线短路，于是线路中的保护装置（断路器或者熔断器）就会执行线路保护切断故障线路。

这张图中，我们看到变压器低压侧绕组工作接地后，以中性线N的形式引出。也就是说，TT接地系统具有工作接地。

用电设备的外壳单独接地，与N线无关。这种接地叫做保护接地。

用电设备的外壳执行保护接地后，一旦发生碰壳事故，由于用电设备的外壳为零电位，确保了人身安全防护。同时，故障电流形成接地电流，经过地网再返回变压器中性点。由于地网的阻抗较大，因此故障电流较小，无法启动断路器或者熔断器执行线路保护。这时，就需要在系统中安装漏电保护器来执行线路保护。

一般地，漏电保护器的动作电流设定为30mA。

IEC提出了另外一种接地形式，以满足配电系统的接地需求，这就是TN-S接地系统。

注意看图中的变压器中性点，它工作接地后以中性线N和保护线PE的形式引出。

在负载侧，负载的外壳接到PE线上。由于PE线就是地线，所以用电设备的这种防护也叫做保护接地。

TN-S的保护接地与TT的保护接地有何不同？

当TN-S接地系统中用电设备的外壳发生碰壳事故，故障电流沿着PE地线返回电源，线路阻抗很小。又因为地线PE与中性线N在电源侧是接在一起的，接地电流相当于相线对N线的短路，故障电流较大，能够启动线路中的保护装置执行线路保护。同时，TN-S接地系统是可以安装漏电保护器的。TN-S接地系统中的人身安全防护相对其它接地系统要完善得多。

值得注意的是：IEC规定X相X线的线制中，“X线”指的是正常运行时有电流流过的线路。PE线在正常运行时没有电流流过，因此它不算线。故而，TN-S接地系统属于三相四线制。

IEC还把TN-C系统与TN-S接地系统联合起来，形成TN-C-S接地系统。

注意看图中的负载，靠左侧的用电设备属于保护接零，系统中存在零线PEN；靠右侧的用电设备属于保护接地（保护接PE地线），局部系统中没有零线，只有中性线N和地线PE。

一般地，在零线分开为中性线N和地线PE时，分开点需要配套重复接地。

下面看一张居家配电系统的TN-C-S接地系统图。

在图中，我们看到了电力变压器T，它的中性线接地，然后以PEN零线的形式引出。同时，三条相线引入到总断路器中。在总断路器下端的出线侧，三条相线（火线）和PEN线（零线）一起，经过电缆引入到居家配电的入口处。此处的接地系统符合TN-C接地系统。

在居家配电的入口处，零线PEN首先接到重复接地的扁钢LEB处，在这里一分为二，成为PE地线和N中性线。从这里开始，接地系统变成TN-S。由于它是经由TN-C改变接线而得到的，因此IEC把它叫做TN-C-S接地系统。

注意到图中的相线经过总开关QF0后，和中性线一起引入到电度表中。在电度表的出口处，系统中的相线L、中性线N和PE地线一起入户，到达我们居家的配电箱中。

居家配电箱中，安装了总进线开关，总漏电开关，还有若干馈电开关。图中的电冰箱就接在最右侧的馈电回路末端。我们看到，电冰箱的外壳是接PE地线的。

当电冰箱的外壳发生碰壳事故后，地线PE将流过故障电流，而相线中的电流也会增加，于是总进线开关处的漏电保护器会执行保护动作，驱动总开关跳闸；同时，电冰箱回路的馈电开关也会跳闸。由于我们设计总漏电开关的动作时间略微滞后于馈电开关，因此电冰箱回路所在的馈电开关会先跳闸，由此实现了上下级开关动作的选择性。

接地方式有哪几种?电气接地的几种方式？

接地的类型和作用不同的电路有不相同的接地方式，电子电力设备中常见的接地方式有以下几种：

1、安全接地

安全接地即将高压设备的外壳与大地连接。一是防止机壳上积累电荷，产生静电放电而危及设备和人身安全，例如电脑机箱的接地，油罐车那根拖在地上的尾巴，都是为了使积聚在一起的电荷释放，防止出现事故；二是当设备的绝缘损坏而使机壳带电时，促使电源的保护动作而切断电源，以便保护工作人员的安全，例如电冰箱、电饭煲的外壳。三是可以屏蔽设备巨大的电场，起到保护作用，例如民用变压器的防护栏。

2、防雷接地

当电力电子设备遇雷击时，不论是直接雷击还是感应雷击，如果缺乏相应的保护，电力电子设备都将受到很大损害甚至报废。为防止雷击，我们一般在高处（例如屋顶、烟囱顶部）设置避雷针与大地相连，以防雷击时危及设备和人员安全。安全接地与防雷接地都是为了给电子电力设备或者人员提供安全的防护措施，用来保护设备及人员的安全。

3、工作接地

工作接地是为电路正常工作而提供的一个基准电位。这个基准电位一般设定为零。该基准电位可以设为电路系统中的某一点、某一段或某一块等。当该基准电位不与大地连接时，视为相对的零电位。但这种相对的零电位是不稳定的，它会随着外界电磁场的变化而变化，使系统的参数发生变化，从而导致电路系统工作不稳定。当该基准电位与大地连接时，基准电位视为大地的零电位，而不会随着外界电磁场的变化而变化。但是不合理的工作接地反而会增加电路的干扰。

4、信号

信号地是各种物理量信号源零电位的公共基准地线。由于信号一般都较弱，易受干扰，不合理得接地会使电路产生干扰，因此对信号地的要求较高。

5、模拟地

模拟地是模拟电路零电位的公共基准地线。模拟电路中有小信号放大电路，多级放大，整流电路，稳压电路等等，不适当的接地会引起干扰，影响电路的正常工作。模拟电路中的接地对整个电路来说有很大的意义，它是整电路正常工作的基础之一。所以模拟电路中合理的接地对整个电路的作用不可忽视。

6、数字地

数字地是数字电路零电位的公共基准地线。由于数字电路工作在脉冲状态，特别是脉冲的前后沿较陡或频率较高时，会产生大量的电磁波干扰电路。如果接地不合理，会使干扰加剧，所以对数字地的接地点选择和接地线的敷设也要充分考虑。

7、电源地

电源地是电源零电位的公共基准地线。由于电源往往同时供电给系统中的各个单元，而各个单元要求的供电性质和参数可能有很大差别，因此既要保证电源稳定可靠的工作，又要保证其它单元稳定可靠的工作。电源地一般是电源的负极。

8、功率地

功率地是负载电路或功率驱动电路的零电位的公共基准地线。由于负载电路或功率驱动电路的电流较强、电压较高，如果接地的地线电阻较大，会产生显著的电压降而产生较大的干扰，所以功率地线上的干扰较大。因此功率地必须与其它弱电地分别设置，以保证整个系统稳定可靠的工作。