关于接地故障保护问题的探讨

核心提示：照明线路接地故障是短路的一种，它包括相线与PE线、PEN线，或相线与灯柱、金属管线、水面等的短路。接地故障保护适用于Ｉ类电气设备，所在场所为正常环境。室外照明中带电的灯柱、外壳、管线等可能带有故障电压，当故障电压超过50V时，会对人造成伤害。接地故障会破坏缆线和开关等电气设施的热稳定，严重时能引起火灾，应引起足够重视。　　 1 概述

　　（1）必须对接地故障进行保护
　　照明线路接地故障是短路的一种，它包括相线与PE线、PEN线，或相线与灯柱、金属管线、水面等的短路。接地故障保护适用于Ｉ类 电气设备，所在场所为正常环境。室外照明中带电的灯柱、外壳、管线等可能带有故障电压，当故障电压超过50V时，会对人造成伤害。接地故障会破坏缆线和开关等电气设施的热稳定，严重时能引起火灾，应引起足够重视。
　　接地故障保护的设置应能防止人身间接电击以及电气火灾、线路损害等事故。
　　为防间接接触电击，把电气设备分为0、I、II、III、IV五类，详见“室外照明工程配电设计手册之”第20-3节“室外照明间接接触电击防护”中“表20-3-1”。

　　（2）消除接地故障的方法
　　利用配电线路所设置的短路保护兼作接地故障保护，但灵敏度要符合要求；
　　接地故障保护简便有效的方法是安装漏电 保护器RCD；
　　电气设备双重绝缘或加强绝缘；
　　采用超低安全电压≤50V，如喷泉、游泳池等水池照明的电源电压宜采用12V超低电压；
　　对照明灯具、线路金属护管、PE或PEN线等与所在建筑物金属构件、金属管道等进行接地和等电位联结。室外照明线路难于做到等电位联结，但室内配电房、控制室、灯柱内等应尽量做到；将电气设备安装在非导电场所内。

　　 2 TT系统单地故障保护

　　2.1 满足安全的单相接地电流计算公式

Pphg3Ia≤50V（1）
　　式中：Pphg—相地短路阻抗：Ω。包括灯柱接地电阻RA、箱变电阻RB、相线电阻RL等。可简化为RA、RB；
　　Ia—保证保护电器切断故障电路的动作电流：A.
　　“JGJ16-2008民用建筑电气设计规范”12.4.6条规定：“TT系统中……当未进行总等电位联结时，电气装置外露可导电部分应设保护接地的接地网，其接地电阻应符合下式要求:
　　R≤50/Ia (12.4.6—1)
　　当采用剩余动作电流保护器时，接地电阻应符合下式要求：
　　R≤25/IΔn(12.4.6—2)”
　　室外照明线路自然条件恶劣，且不能进行等电位联结，接地电阻应符合R≤25/IΔn，或可理解为：
Pphg3Ia≤25V（2）
　　式中：Ia为保护动作电流（A）.

　　2.2 关于保护动作电流Ia

　　①采用具有反时限特性的过电流保护器时，Ia为保证5s内自动切断的动作电流；
　　②采用具有瞬时动作特性的过电流保护器时，Ia为保证瞬时动作的最小电流。
　　③采用RCD保护时，Ia为漏电保护动作电流值IΔ。

　　2.3 靠短路电流切断接地故障回路电源并不可靠

　　当短路电流Id≥150A时，靠短路电流切断故障回路电源的保护设备是 低压断路器或熔断器。接地电阻RA与RB有如下关系：
RA=1/(K3RB)（3）
　　式中：RA—电气设备外露可导电部分接地电阻：Ω；
　　RB—电源系统接地电阻和连接导体电阻：Ω；
　　K—计算系数：
　　低压配电电压为380/220V时，K=3.4；
　　低压配电电压为400/230V时，K=3.6.

　　从表1可看出：随着RA、RB阻值的减小，故障短路电流Id和断路器的脱扣电流、熔断器的熔体电流In在增加。当Id=150A时，对Id=5In的断路器和在5s内熔断的熔断器，最大脱扣电流、熔体电流In才只有30A；而对Id=10In时断路器的 脱扣器和在0.4s内切断电源的熔断器的熔体电流更小，也只有15A和16A.断路器和熔断器最大的额定电流只有30A和15A及以下者甚少。RB和RA只有1.13Ω和0.333Ω也较难以达到。

　　根据目前接地技术，利用自然条件、建筑物等以常规或特种方法在工程上能够较容易达到的接地电阻值为0.35～1Ω，不能再设计用调整RA、RB方法加大TT系统短路电流。

　　因此，采用低压断路器和熔断器保护接地故障受到很大限制。

　　2.4 采用RCD保护接地故障时的电气装置的接地接地电阻RA

　　TT系统受到其系统结构限制不可能产生大的故障电流。TT系统就只能靠剩余电流动作断路器切断电源。发生单相接地故障时，设RA=RB=4Ω，故障电流：220/(4+4)=27.5(A)，一般RCD动作电流为6mA～1A，所以采用漏电保护器能可靠地消除单相接地故障。

　　又根据“式(1)”和“式(2)”，RCD满足安全的单相接地电流计算公式为：
　　一般条件：Pphg=50/Ia=50/IΔn；
　　室外照明：Pphg=25/Ia=25/IΔn.
　　从表2可以看出，在满足安全电压的情况下，对于RCD动作电流要求的电气装置的接地电阻RA值很容易做到。

　　 3 TN系统接地故障保护

　　3.1 要求

　　TN系统发生单相接地时，短路回路电阻小，故障电流大，一般过电流保护电器可快速切断故障线路。
　　TN系统接地故障保护的动作特性应满足下式：
Zphp×Id≤220(V)（4）
　　式中：Zphp—相保阻抗：Ω.包括故障回路相线阻抗、保护线阻抗和变压器阻抗等；
　　Id—在规定时间内自动切断的接地故障电流：A；
　　220V—相线对地标称电压；
　　TN系统配电线路的接地故障保护，切断故障回路的时间应符合下列要求。

　　3.2 用低压断路器保护接地故障

　　当接地故障电流Id与瞬时或短延时整定电流Iset2的比值≥1.3时,接地故障可得到保护，即：
Id≥1.3Iset2（5）
　　式中：Id—接地故障电流：A；
　　Iset2—短延时(或瞬时)过电流脱扣器整定电流：A.
　　满足式（4），即认为满足表4中的时间要求。
　　单相接地保护的断路器主要是针对配电线路的干线、主干线和近变压器端的单相对地短路保护，在线路的末端，通常都装漏电电流保护电器（RCD），动作时间为0.1s.

　　3.3 用熔断器作接地故障保护

　　①当要求切断故障回路的时间小于或等于5s 时，短路电流Id与熔断器熔体额定电流In的比值不应小于表4的时间规定；
　　②当要求切断故障回路的时间小于或等于0.4s 时，短路电流Id与熔断器熔体额定电流In的比值不应小于表7的规定。

　　3.4 用RCD作接地故障保护

　　TN系统接地故障多为金属性短路，短路电流较大，可利用作过负荷保护和短路保护的过电流保护电器(低压断路器和熔断器)兼作接地故障保护。如果线路长或导线截面小，过电流保护电器不能满足“表-4”切断接地故障的时间要求，则应采用RCD保护线路接地故障。
　　另外，发生接地故障时，若PE线接触不良或断线，将使接触不良或断线处以远线路带故障电压。所以，TN系统也应设置漏电保护。
　　TN系统有PEN线的回路内RCD将不能动作。如需装用RCD，则必须在RCD的电源侧将PE线自PEN线引出接设备外壳，以使RCD能有效动作。就是说，必须采用TN—C-S系统。

　　 4 IT系统接地故障保护

　　4.1 隔离电源

　　电源端的带电部分不接地或经高阻抗(约1000Ω)接地。电器装置外露可导电部分单独接地，或成组(集合)接地。

　　IT系统接有绝缘监测器，实时监测系统的绝缘状态，还检测系统的过负荷和变压器的温升状态，一旦出现异常立即报警。因此IT系统能够减少因系统发热、漏电等原因引起的电气火灾事故，大大提高了系统的防火安全性。

　　IT系统不引出N线，线路标称电压为220/380V时，发生第二次异相接地故障时，保护电器应在0.4s内切断故障回路。
　　IT系统实际应用中的显著特点是不引出中性线，不能提供220V电源。
　　关于隔离变压器参见“第20-3节 室外照明间接接触电击防护”。

　　4.2 第一次接地故障

　　①电源系统不接地，设备外壳作保护接地：发生第一次接地故障时故障电流Id没有返回电源的通路，只有通过非故障回路的导体对地电容返回电源，其动作电流应符合下式：
RA3Id≤50V（18-4-5）
　　式中：RA—外露可导电部分的PE线电阻和：Ω；
　　Id—相线和外露可导电部分间第一次短路故障的故障电流：A；它包括泄漏电流和电气装置接地阻抗值的影响；50V—安全电压，室外照明采用IT系统时，安全电压取25V.
　　如线路不长，故障电容电流小，不会发生人体被电击或其它事故，不需要中断供电，一般不装设漏电保护装置。但应由绝缘监测器发出信号，以便及时排除故障，防止再次发生第二次短路故障使供电中断。
　　如供电线路较长，应考虑故障电压的安全性。
　　②电源系统经高电阻(1000Ω)接地：为避免可能出现的谐振和过电压，IT电源系统也可经高电阻(1000Ω)接地。高电阻主要用来限制接地故障电流，以保证人身安全。

　　4.3 第二次接地故障

　　IT系统不引出中性线，线路发生不同相短路，形成第二次接地故障。
　　IT系统引出中性线，线路发生不同相接地或相线与中性线短路，形成第二次接地故障。形成第二次接地故障。
　　①设备外壳单独(或分组)接地：故障电流流经两个接地极电阻，故障回路的切断应符合TT系统接地故障保护的要求。
　　采用空气断路器或熔断器作为保护电器时，此种接线方式的IT系统只能供给小容量的负荷。当负荷量较大时，则必须采用漏电保护。
　　②设备外壳共用一个接地：故障电流将流经PE线形成的金属短路，故障回路的切断应符合TN系统接地故障保护的要求。
　　IT系统用电设备外壳共用一个接地，发生二次接地故障转变为TN系统时，短路电流很大，为防止间接电击，应由过电流保护电器或漏电电流动作保护电器切断故障回路。
　　③由过电流保护电器或漏电电流动作保护器切断故障电路，并应符合：
　　a.IT系统不引出中性线，线路标称电压为380/220V时:Zs(Ia≤1.5Uo。Zs为包括相线和PE线在内的故障回路阻抗(Ω)，Ia为保护电器切断故障回路的动作电流(A)，Uo为相线对地标称电压(V)。RCD保护电器应在0.4s内切断故障回路；
　　b.IT系统引出中性线，线路标称电压为380/220V时:Z’s(Ia≤0.5Uo。Z’s为包括相线、中性线和保护线在内的故障回路阻抗(Ω)。保护电器应在0.8s内切断故障回路。
　　IT系统对地是绝缘的，设备发生接地故障时其外壳对地电压值小于安全电压限值，一般不必安装RCD。