工厂低压供配电设计中接地系统及接地故障保护分析

1、引言

　　接地系统设计是工厂低压供配电设计中的一项重要内容，电源(如变压器)的接地型式有工作接地和非工作接地之分，用电设备的接地型式有保护接地和保护接零之分。相应地，由电源、供电线路、用电设备共同组成的供配电系统的接地系统则有多种。工厂低压供配线路发生接地故障时，其危害很大，因此应对接地故障进行保护[1]。

　　2、电源、用电设备的接地型式

　　2.1 工作接地

　　电源(如变压器)二次侧绕组采用Y形连接时，其中性点经导线与接地体相连接，这种接地型式称为工作接地，如图1所示。工作接地是电源的两种接地型式之一。

图1 工作接地

　　2.2 非工作接地

　　电源(如变压器)没有中性点或二次侧绕组有中性点，但经高阻抗与接地体相连接，这种接地型式称为非工作接地[2]，如图2所示。非工作接地是电源两种接地型式之一。

　图2 非工作接地

　　2.3 保护接地

　　在供配电系统中，用电设备的金属外壳部分经导线与接地体相连接，这种接地型式称为保护接地，如图3所示。保护接地是用电设备两种接地型式之一。

　　2.4 保护接零

　　在供配电系统中，用电设备的金属外壳部分经导线与供电线路中的零线相连接，这种接地型式称为保护接零[2]，如图4所示。保护接零是用电设备两种接地型式之一。

　　图3 保护接地

　图4 保护接零

　3、工厂低压供配电设计中的接地系统

　　目前有四种接地系统应用于工厂低压供配电设计中，即IT接地系统、TT接地系统、TN接地系统和重复接地系统。

　　3.1 IT接地系统

　　在IT接地系统中，电源非工作接地，用电设备保护接地，如图5所示。在这种接地系统的供电线路中既没有中性线N线，也没有保护线PE线，所以用电设备只能是三相对称用电设备或是额定电压为线电压的单相用电设备。当然，如果需要N线，也可以配出N线，但同时需要在N线上设置过电流保护装置，以便发生短路故障时切断供电线路。

　　图5 IT接地系统

　　IT系统具有两个方面的优点，一是发生单相短路时，三相电压保持不变，三相用电设备可正常运行，同时用电设备外壳不带电，不会发生触电事故;二是用电设备金属外壳经导线与接地体相连接，各用电设备间无电磁干扰[3]。IT接地系统目前在工厂低供配电设计中应用较少，只有在生产、储存和装卸易燃易爆危险物品的工厂供配电设计中用到。

　　3.2 TT接地系统

　　在TT接地系统中，电源工作接地，用电设备保护接地，如图6所示。在这种接地系统中，供电线路有中性线N线，但没有保护线PE线，用电设备既可以是三相用电设备又可以是单相用电设备。在TT接地系统中，由于所有用电设备的金属外壳经导线与接地体相连接，当用电设备比较多且分散时，会相应地增加接地成本。

　图6 TT接地系统

　　TT接地系统有三个方面的特点，一是采用这种接地系统后，如果用电设备漏电，用电设备中性点电位较高，则可能造成触电事故;二是由于供电线路中没有保护线PE线，当出现故障时，不会故障电压沿PE线窜入其他户内的情况;三是各用电设备有自己的PE线，各用电设备间无电磁干扰[3]。TT接地系统目前在工厂低压供配电设计中应用较少，但很有应用前景。

　　3.3 TN接地系统

　　在TN接地系统中，电源工作接地，用电设备保护接零，中性线N 线和保护线PE线统称为零线，根据N线和PE线的组合情况不同，TN接地系统又分为TN-C接地系统、TN-S接地系统和TN-C-S接地系统。

　　(1)TN-C接地系统。如图7所示，在TNC接地系统中，N线和PE线合二为一(即PEN线)，这种接地系统的供电线路上既可以接三相用电设备，又可以接单相用电设备，供电线路中PEN线一般有电流流过，会对供电线路上的用电设备造成电磁干扰。当PEN线断线时，PEN线断点后用电设备的金属外壳具有较高的接触电压，容易造成触电事故。当发生短路时，过电流保护装置会切断供电线路，从而保障用电设备和人安全。TN-C接地系统应用于用电容量不大、接地要求不高的工厂低压供配电设计中。

　　(2)TN-S接地系统。如图8所示，在TNS接地系统中，N线和PE线从电源中性点开始完全分开，这种接地系统的供电线路上既可以接三相用电设备，又可以接单相用电设备，供电线路中N线一般有较小的电流流过，PE线上没有电流流过，不会对供电线路上的用电设备造成电磁干扰。当N线断线时，断点后用电设备的金属外壳上的接触电压为零，不会造成触电事故。当发生短路时，过电流保护装置会自动切断供电线路，从而保障用电设备和人的安全。TN-S接地系统常用于各种工厂的低压供配电设计中。

　图7 TN-C接地系统

　　图8 TN-S接地系统

　　(3)TN-C-S接地系统。如图9所示，在TN-C-S接地系统中，N线和PE线前部分合用，后部分完全分开，N线和PE线分开后不能再合起来，N线和PE线分开时两线要同时都接地一次。这种接地系统前部分实际上是TN-C接地系统，后部分实际上是TN-S接地系统，在供电线路上无论是前部分还是后部分，都可以既接三相用电设备又接单相用电设备，因此这种接地系统前部分具有TN-C接地系统的特点，后部分具有TN-S接地系统的特点。TN-C-S接地系统常用于既有临时用电设备又有永久用电设备的工厂低压供配电设计中。

　图9 TN-C-S接发系统

　　3.4 重复接地系统

　　如图10所示，在三相四线制供电线路中，每当从主供电干线取电时将N线接地一次，同时从接地线上引出PE线，重复接地系统实际上是多个TN-C-S接地系统的串联组合。在重复接地系统中，供电干线不接用电设备，与用电设备相连接的N线上一般有电流流过，PE线上没有电流流过，所以不会对用电设备造成电磁干扰，也不会造成触电事故。当发生短路故障时，过电流装置切断供电次干线，从而保护用电设备和人的安全。重复接地系统主要用于用电量不大且车间分散的工厂低压供配电设计中。

图10 重复接地系统

　4、工厂低压供配电设计中的接地故障保护

　　工厂低压供配电系统的接地故障是指工厂低压供配电系统中相线对地或与地有联系的导体之间的短路，包括相线与大地、相线与PE线或PEN线以及相线与设备的金属外壳之间的短路[4]。接地故障有较大的危害性，在工厂低压供配电设计中必须进行接地故障保护设计。

　　4.1 IT接地系统中的接地故障保护

　　4.2 TT接地系统中的接地故障保护

　　在TT接地系统中，只需设置漏电开关进行保护即可，漏电开关过电流动作值按低压断路器反时限特性要求来整定，漏电电流动作值一般选择30mA。

　　4.3 TN接地系统中的接地故障保护

　　在TN接系统中，工厂低压供配电系统的接地故障可由低压断路器切断供电线路来保护，低压断路器的动作电流按其反时限特性要求来整定。但在TN-S接地系统和TN-C-S接系统后部分中用低压断路器不能达到保护要求时，则需装设漏电开关来进行故障保护。在TN-C接地系统中，由于没有PE线，若要用漏电开关进行故障保护，则需在TN-C接地系统中增加一条PE线，使其变为TN-S接地系统。

　　5、总结

　　在工厂低压供配电设计中，一定要根据环境条件、安全可靠性要求以及用电设备对电磁干扰要求慎重选择电气接地系统，并进行接地故障保护，使接地系统能有效地保护用电设备和人的安全。