1、众说纷纭 话电气安全与接地6 | 建筑电气专刊2 0 0 6 年第3 期/ 总第7期建筑电气设计与设备专刊浅论市政电气设计中与接地有关的几个问题笔者在审查图样过程中，发现市政工程电气设计中一些与接地有关的问题，基本上都是因对现行规范和标准的掌握和理解不够充分、全面，或因规范本身的某些不足，而造成一些不当做法和错误，现将具体情况分述如下。T N系统出线保护灵敏度及最大配电距离的校验问题在低压配电系统中，接地故障发生的几率远大于带电导体间的短路。由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，接地故障引起的电弧、电火花也是最常见多发的电气火灾起火源。而对接地故障引起的间接接触电击的防护则远
2、比直接接触电击复杂，不同的接地系统要求不同接地故障保护方式。但现实的状况是对接地故障及其防护措施的重视程度仍远不能令人满意，安全事故很多。反映在工程设计中，对于最常用的T N 系统，当采用过电流保护兼作接地故障保护时，往往忽视对低压配电线路保护灵敏度及其所对应的最大配电距离的校验。这也是当前市政电气设计中最为常见的问题。我国本文针对目前市政电气设计中出现的与接地有关的一些问题，进行了分析和讨论，并提出了解决问题的方法。南京市市政设计研究院有限责任公司 郭凤文关键词/ K e y w o r d s低电阻接地接地故障等电位联结构筑物防雷低压配电设计规范 ( G B 5 0 0 5 4 1 9 9
3、 5 ) ( 以下简称低规 ) 中的相关条文见于第4 . 2 . 3条和第4 . 4 . 7 条， 且第4 . 4 . 7 条为强制性条文，因此，该问题的重要性不容置疑。这个问题在市政电气设计中最容易出现的场所主要包括：一是用电负荷呈带状特征的，如道路、高架桥的路灯线路及隧道电气设计中的基本照明干线和检修电源干线回路；二是负荷呈分散、点状特征的，如垃圾填埋场的地下水或渗透液提升泵站的链接式配电干线。这些场所低压配电的一个共同特点是供电半径大而且从经济角度也希望配电距离尽可能延长，但问题是配电距离的大小必须服从以下两个条件，即满足电压损失要求和过电流保护灵敏度要求。这两个条件分别对应了一个最大的
4、配电距离，若实际线路长度小于这两个最大配电距离则满足要求。通过分析和计算可以知道在单级配电的情况下，配电线路若能满足接地故障保护灵敏度条件则一定能满足电压损失条件；在二级配电情况下，大多数仍能满足上述关系。由于接地故障电流求取较为麻烦，往往不对保护灵敏度进行校验，而只考虑线路是否满足允许电压损失条件。在工程设计中，当出线接地故障采用过电流保护方式时，需要根据变压器及其低压侧母线、出线电缆等参数验算出线电缆末端接地故障电流值，以判断低压断路器或低压熔断器能否可靠分断。由于低压系统单相短路电流的计算涉及到系统元件2 0 0 6 年8月建筑电气专刊 | 7特别策划零序阻抗值，求取虽然麻烦，但作为一项
5、基础性工作，求出几种常用电缆或导线在不同变压器容量及不同保护电器规格下的最大供电半径并加以表格化以便查取，使其成为一项统一技术措施，这对提高设计效率和质量不无裨益。鉴于供电系统可看成无穷大容量电源单端供电系统，且1 0 / 0 . 4 k V 变压器一般采用D y n 1 1 联结组别，系统阻抗很小，可以忽略不计，且变压器容量的变化对计算结果影响也不大，可仅依配电线路的接地故障回路阻抗计算接地故障电流，笔者在审图时以此作为保护灵敏度校验的判断方法，通常也很有效。对过电流保护灵敏度进行校验时，还有以下问题需加以注意：1 . 在计算单相短路（包括单相接地故障）电流时导体电阻温度的取值目前有两种观点
6、和方法，其一是以满足绝缘材料热稳定要求，即近似于绝缘导体在短路时所允许的最高温度（P V C 电缆其值为1 6 0 ，X L P E 电缆其值为2 5 0 ）作为短路时电阻的计算温度。导体电阻R ( m ) 此时为随温度变化的函数，即 R = 1 + d ( - 2 0 ) r2 0l （1 ）式中，d 电阻温度系数，取d = 0 . 0 0 4 ； 导线实际温度，； r2 02 0 时导线单位长度电阻 （m / m ） ； l 线路长度， m 。对于P V C 铜芯电缆的电阻值R 1 . 5 r2 0l （ 工厂配电设计手册第2版） 。其二是以导体允许最高工作温度作为短路时电阻的计算温度，对
7、P V C铜芯电缆按= 7 0 作为计算短路时的电阻温度，其电阻值R = 1 . 2 r2 0l ，要比用方法一时阻值小2 5 。无论哪一种方法，都可根据不同类型的电缆，按上式求出与r2 0的近似折算关系。以设计手册线路电压损失数据表中导体温度所对应的电阻值（通过的是负荷电流）取而代之的方法不足取。2 . 当利用低压断路器兼作接地故障保护时，保护灵敏度的验算此时应按下式进行保护灵敏度验算式中，Id单相短路电流，k A ；Kn脱扣器的短延时或瞬时动作电流倍数；In脱扣器长延时动作值，A 。选取动作电流倍数Kn时应注意，低压配电用塑壳式断路器（M C C B ） ，其短延时和长延时分断由热脱扣器完
8、成，瞬时分断由电磁脱扣器完成。其过载特性是1 . 0 5 In长期不动作， 当1 . 3 In时在1 h 内动作 （In6 3 A ） ，或在2 h 内动作（In6 3 A ） ；短路特性为1 0 In时瞬时动作，如C M 1 ，T M 3 0 和H S M 1 等系列配电型M C C B 。而有的产品会给出5 1 0倍In的误差范围，为可靠起见Kn仍应取为1 0 In（制造厂一般也整定为1 0 In） 。而某些配电型M C C B ，其Kn常标定有5倍和1 0倍两种，可任选其一，一般由用户提出、制造厂整定。而对于具有电子脱扣器的断路器，Kn值人为选择性更大。总之，应注意分别情况正确选择Kn值
9、，同时还应在图样上将其标注清楚。3 T N系统接地故障过电流保护电器为低压断路器和熔断器时应注意的问题就防电击而言，断路器和熔断器其切断电源的时间需满足t = 5 s 和t = 0 . 4 s 的要求， 如果采用断路器作防电击电器，不应仅用单相短路电流值在断路器动作特性曲线上找出与之对应的切断电源时间来判断其灵敏度是否满足要求，或者用切断时间的直线与动作特性曲线的交点所对应的In的倍数作为整定倍数。 因为对于断路器而言， 不论要求t = 5 s 或t = 0 . 4 s都需要借助其瞬时动作的电磁脱扣器来切断电源，即也必须满足低规 第4 . 2 . 3 条的灵敏度系数不应小于1 . 3 的要求，
10、以确保电击防护的有效性。1 0 k V 系统经低电阻接地后，1 0 / 0 . 4 k V 配变电所电气设计应注意的问题我国1 0 k V 配电网一直采用中性点不接地或经消弧线圈接地系统，其主要优点是在单相接地后可带故障继续运行1 2 h ，不致立即中断供电，相对提高了供电可靠性。随着我国城市1 0 k V 网络电缆的增多，对地电容电流大大超过2 0 A 的限值。发生单相接地故障时由于电弧能量的增大而使其自熄的概率极小，从而转化成相间短路，反而扩大了事故，使原有的优点不复存在。因此，近年来一些城市电网根据电网电缆不断增多的趋势开始改变 1 0 k V 不接地系统而采用经低电阻接地的系统，这对于
11、系统K = 1 . 3 （2 ）Id 1 03KnIn浅 论 市 政 电 气 设 计 中 与 接 地 有 关 的 几 个 问 题众说纷纭 话电气安全与接地8 | 建筑电气专刊2 0 0 6 年第3 期/ 总第7期建筑电气设计与设备专刊单相接地时降低异常过电压、改善电气设备运行条件十分有利，但此系统发生接地故障时的接地电流可达数百或上千安培，这将给1 0 / 0 . 4 k V 配变电所的设计造成一定影响。在1 0 k V 中性点不接地系统条件下，1 0 / 0 . 4 k V 配变电所的高压保护接地与低压的系统接地共用接地极，其接地电阻不大于4 ，1 0 k V系统发生单相接地故障时，只发出故
12、障报警信号等等，这些做法我们都已很熟悉。但对1 0 k V 系统经低电阻接地后会产生什么问题目前重视不够，在工程设计中很少去关注和了解作为供电电源的 1 0 k V 系统采用的是何种接地方式。笔者在审查某大型污水处理厂施工图设计时，发现该工程3 5 / 1 0 k V 总降是由供电局设计的，其1 0 k V 侧利用兼作所用变的接地变压器中性点经1 5 小电阻接地， 而厂内1 0 / 0 . 4 k V配变电所的设计仍沿用了1 0 k V 不接地系统时的做法，设计者完全没有注意到作为电源端的1 0 k V 系统这一设计情况的改变。1 0 / 0 . 4 k V 配变电所作为建筑物配电装置（有关标
13、准简称为B类电气装置） ，既是1 0 k V 系统的负荷端，同时也是低压系统的电源端，当其高压侧工作于低电阻接地系统时，配电设计会有较大的变化。1 1 0 k V 配电系统的电气设计在中性点经低电阻接地后应注意的问题此时发生接地故障，故障信号应作用于跳闸而非只作用于信号；接地故障保护采用零序电流保护，且由于接地故障电流与故障点所在位置无关，仅与接地点的过渡电阻、线路的分布电容和中性点接地电阻有关，故只能采用带阶梯时限的零序电流保护来保证上、下级保护动作的选择性；电压互感器的接线由于不再检测零序电压作用于信号，而改为VV接线；1 0 k V 系统经低电阻接地后，可降低谐振过电压的幅值，抑制了弧光
14、接地过电压，且由于电源的迅速切断，对系统元件的绝缘水平可大为降低，如电力电缆的电压等级U0/ U 可由8 . 7 / 1 0 k V 降为选择6 / 1 0 k V 等，可见一、二次线的设计都要有所改变。2 对于低压系统要加强对1 0 k V 侧接地故障过电压对人身和设备危害的防范在变电所高压侧发生接地故障时，如图1 所示，接地故障电流 Id在变电所接地电阻RB上产生的故障电压Uf= IdRB, 随Id的增大而增大， 由于低压系统中性点接地与高压保护接地共用同一接地极 RB，对于T N 系统，此一上千伏的故障电压Uf将沿P E （P E N ）线传导至低压系统引起工频暂态过电压，从而引发人身电
15、击事故。对于T T系统，故障过电压 Uf虽不会传导到低压电气装置的外露导电部分上而引起电击事故，但却存在对电气设备和线路对地绝缘产生Uf+ U0（相电压）的工频过电压，造成短路或接地火灾等危害。在设计上应采取的防范措施主要有：（1 ） 按 交流电气装置的接地（D L / T 6 2 1 1 9 9 7 ）标准的要求，当变电所和低压用户不在同一建筑物内时，低压系统不得与电源配电变压器的保护接地共用接地装置，即分设两个接地，低压系统电源接地点应在距该配电变压器适当的地点设置专用接地装置，其接地电阻不大于4。建筑物户外不具备总等电位联结条件的电气装置则改为局部 T T系统，以防人身电击事故。（2 ）
16、当变电所和低压用户在同一建筑物内时，由于具有总等电位联结的作用，可以共用接地装置。（3）当变电所和低压用户不在同一建筑物内时， T T 系统应注意降低1 0 / 0 . 4 k V 变电所接地电阻RB，使Id和RB的乘积小于1 2 0 0 V ，以防发生低压装置内绝缘击穿事故。水处理构筑物电气装置的接地、 等电位联结问题在市政工程水处理厂的电气设计中，另一个常见的问题是每一个工艺构筑物（如各种类型的钢筋混凝土结构的池子）都设有人工接地极，其接地电阻有的要求不大于4 ，有的要求不大于1 0 。在图样的设计说明中有的称其为“重复接地” ，有的称其为“等电位接地” ，甚至于有的设计还将整个图1 配电
17、变压器1 0 k V 侧接地故障2 0 0 6 年8月建筑电气专刊 | 9特别策划厂区若干个构筑物的这些接地与向其供电的配变电所的接地通过镀锌扁钢相互连在一起。那么，这样的做法是否正确？有无必要呢？这其中就涉及到对“重复接地”和“等电位联结”作用的理解及对两者防电击效果有何不同的认识问题，也反映出在接地与等电位联结关系上存在的一些模糊认识。正如不少人认为等电位联结就必须接地，还有的认为等电位联结就是接地，实际上这两种观点是既有区别又有联系的。按照我国的习惯做法，T N系统在进线处设置接地极作重复接地似乎是必不可少的，规范中规定在电气装置距低压系统电源接地点的距离超过 5 0 m时，P E 或P
18、 E N 线应重复接地。重复接地的作用是降低P E或P E N 线的对地电位，从而降低漏电设备的接触电压；对于三相四线制供电线路中P E N 线的重复接地还可减轻因“断零”而烧坏单相用电设备的程度。但I E C 标准则更强调等电位联结在电气安全上的作用，因其在防人身电击、防雷、防火以及信息设备防干扰等方面都比接地（指接大地）有更好的效果。现以水处理构筑物上的末端回路用电设备（一般均为三相电力设备）且由M C C采用电缆放射式供电为例，当发生图2 a 所示的（其中虚线所示为重复接地，点画线所示为局部等电位联结）接地故障时，如仅做重复接地，其接地电阻为RA，则其等效图如图 2 b所示。由图可知施加
19、于人体的预期接触电压为 P E线压降在 RA上的分压，其值为Id ZP E 。 试举例如下 ：假设该用电回路为4 芯等截面1 6 m m2P V C 铜芯电缆，长度1 0 0 m ，ZL= ZP E= 0 . 1 3 （线芯温度= 7 0 ） ， Id= = A = 8 4 6 A （3 ） Ut= IdZP E （4 ） = 8 4 6 0 . 1 3 V = 7 8 . 6 V 5 0 V（接触电压限值）公式（4 ）中，如取RA= 4 ，则Ut= 5 5 V 5 0 V 。可见仅做重复接地时，无论其接地电阻是1 0 或4 均存在电击危险的可能。如果不做重复接地，而只将电气装置外露可导电部分
20、与伸手可及范围（2 . 5 m ）的装置外导电部分（如金属栏杆等）以及人站立处的构筑物钢筋这三者之间做辅助或局部等电位联结，则漏电设备与人体之间不存在电位差，因而也就不会发生人身电击危险。我国的接地规范推荐充分利用自然接地体做接地极，不但可节省土石方工作量和钢材，而且寿命长、电阻低。在利用构筑物的结构钢筋实施等电位联结的同时，也达到了重复接地的目的。可见，采用等电位联结是消除电击危险最为经济有效的办法。I E C标准认为，类设备的外露导电部分如没有做接地或者等电位联结，仅仅自动切断电源不能单独成为一个防电击措施。因此对处于总等电位联结作用区以外尤其是户外场所的电气装置，在有条件时实施辅助等电位
21、联结或局部等电位联结是作为防电击综合措施中不可或缺的部分。水处理厂厂区内的工艺构筑物大多数具备等电位联结的条件，而对于无等电位联结场所的户外电气装置，则需采用如前所述的局部T T系统。此外，就电击防护而言，做等电位联结的目的是使人体可同时触及的各导电部分的电位相等或接近，以消除或减少电击危险。实际上，人体不可能RARB+ RAU0ZL+ ZP E2 2 02 0 . 1 3RARB+ RA1 04 + 1 0图2 T N 系统单相接地故障浅 论 市 政 电 气 设 计 中 与 接 地 有 关 的 几 个 问 题众说纷纭 话电气安全与接地10 | 建筑电气专刊2 0 0 6 年第3 期/ 总第7
22、期建筑电气设计与设备专刊同时触及相距甚远的导电物体，包括将变电所的接地极和各用电单元的接地极在地中用扁钢相接在一起，也不过是对电源和末端用电设备之间的P E 线并联成一个阻抗大许多的导体而已，并无实际意义。市政工程构筑物的防雷接地问题我国 建筑物防雷设计规范（G B 5 0 0 5 7 1 9 9 4 /2 0 0 0 版） （以下简称防雷规范 ）在其第一章总则中的第1 . 0 . 1 条中指出“为使建筑物（含构筑物，下同）防雷设计因地制宜地采取防雷措施，防止或减少雷击建筑物发生的伤亡和文物、财产损失，做到安全可靠、技术先进、经济合理，制定本规范” ，其第1 . 0 . 2 条“本规范适用于新
23、建建筑物的防雷设计。不适用于天线塔化工户外装置的防雷设计。 ”显然这前后两条对于是否含构筑物在文字上多少存有瑕疵，且防雷规范对“构筑物”也未作出界定，因而在执行中存在一定困惑，设计人也只能依各自的理解去做。市政工程水处理厂中各种钢筋混凝土结构的池子和城市高架桥属于构筑物应不会错，因此在有些污水处理厂电气设计中，将占地面积很大的氧化沟，依防雷规范计算出年预计雷击次数，进行防雷分类并采取某些防直击雷措施；又如有的高架桥设计也采用相同的方法进行防雷分类，作为第二或第三类防雷对象采取相应防雷及接地措施。但审图时发现设计中的一些具体做法如接闪器的网格尺寸、防雷引下线的间距等又无法满足防雷规范的相应要求。
24、以高架桥的设计为例，高架桥利用桥墩内钢筋作为引下线，但其间距大于对引下线的要求，因为桥墩的间距是由结构设计的合理性来确定的而不可能去服从某类防雷建筑物的防雷引下线对间距的要求。同理，污水处理厂氧化沟的结构形式及尺寸决定于处理工艺的要求，而不可能考虑防雷接闪器的网格尺寸。为此，笔者曾请教防雷规范的起草人林维勇先生，林老的回答是防雷规范不适用于上述构筑物。这就是为什么构筑物的防雷措施无法与防雷规范相对应的原因。据说某大桥勘测设计院过去曾拟编制一个桥梁的防雷设计规范，但终因技术或其他缘故而未能取得最终结果。笔者认为这其间的主要区别在于建筑物防雷设计规范的防雷技术是建立在法拉第笼原理之上的，正如其第3
25、 .2 . 4 第2 款的条文解释所说： “从法拉第笼的观点看，网格尺寸和引下线间距越小，对雷电感应的屏蔽越好，局部区域电位分布较均匀” 。法拉第笼的基本作用之一就是对磁场、电磁场的屏蔽作用，对于其屏蔽层所感应很大的雷电流还可起分流和均流作用，并利用其屏蔽金属的对称性，削弱电磁脉冲的干扰。当雷击击中建筑物的接闪器时，其雷击电磁过电压，也即雷电流沿引下线全长的电压降为 UL= IR+ L （5 ）式中，UL引下线全长电压降，k V ； I 雷电流幅值， k A ； R 引下线的有效电阻，； L 引下线的电感，H ； 雷电陡度， k A / s 。这一地面上空间的雷击电磁过电压，则通常用法拉第笼或
26、建筑物的六面空间等电位联结来解决。因此法拉第笼既可用于雷击电磁脉冲（L E M P ）的防护，又可用来代替避雷针作直击雷防护。但对于上述市政工程的一些构筑物，一方面其本身难以形成法拉第笼，另一方面其防护目的主要不是防L E M P而是直击雷以及雷电流进入接地装置时所引起的地电位升高时反击过电压的防护（当然不是所有的情况都如此） 。因此从现实的情况出发, 对上述构筑物而言是如何做好低阻抗接地和等电位联结的问题。水处理厂的工艺构筑物，尤其是占地很大的氧化沟，其结构钢筋和基础钢筋本身已形成良好的等电位联结并联通路和较低的接地电阻，无须再做其他处理；构筑物上的线路应穿钢管或在金属桥架内敷设，钢管或桥架
27、须接地，以利用其良好的屏蔽作用；设备的外露导电部分按人身电击防护已与结构钢筋实施了局部等电位联结；对于重要仪表的信号线路，应经现场仪表箱内的电涌保护器（S P D ）与接地实行等电位联结。d id td id t（下转第1 7页）2 0 0 6 年8 月建筑电气专刊 | 17特别策划（2 0 0 5 ）第9 . 5 . 1 条和民用建筑设计防火规范 （报批稿）第1 1 . 2 . 7 条提到的都是“设置漏电火灾报警系统， ”以往有关规范提到设置的“漏电保护”多是指漏电保护开关，此处的“系统”是如何构成的呢， 笔者认为应按G B 5 0 0 4 5 1 9 9 5（2 0 0 5 ） 第9 .
28、5 . 2 条的要求实施，在该条文中，要求漏电火灾报警系统具有许多功能，即探测漏电电流，发出报警信号，确定故障点位置，存储故障和试验信号（时间不少于1 2 个月） ，切断漏电线路的电源并显示其状态， 显示系统电源状态等。显然，要完成这些功能只用一个元件是不可能的，需要多个元件和设备组合而成，有的漏电报警装置就是按此要求制造的。是否每个建筑物都需要构成一个独立的漏电火灾报警系统呢，在该规范中规定不明确，笔者认为，漏电火灾报警和火灾自动报警都属于消防系统，组合在一起为好，因此在设有消防控制室和火灾自动报警系统的建筑物，可充分利用火灾自动报警系统的设备和功能，这样只需在漏电火灾报警处设置一个带有地址
29、编码的多功能模块，就可完成上述的各种功能要求，在没有设火灾自动报警系统时则可根据需要确定功能完善单独设置的漏电火灾报警系统，在新建的住宅小区，也可将漏电报警信号发往小区的物业管理中心。2漏电电流保护器安装和运行时应注意的几个问题以往漏电电流保护器拒动或误动的情况时有发生，有的用户怕麻烦，干脆将漏电电流保护器退出运行，这种因噎废食的作法显然不可取，造成漏电电流保护器据动或误动的原因很多，有设计选型不当、安装接线错误、运行检查不到位以及产品质量问题等等，应该有针对性地解决。前面已简述了设计时应注意的问题，下面再简要地说明一下安装和运行时应注意的几个问题。（1 ）漏电电流保护器是对被保护线路相线和中
30、性线电流瞬时相量值的测定，以判定对地泄漏电流，因此在T NCS系统中，P E N线不能接入漏电保护器。（2 ) T N S系统中，N线断裂，漏电保护器检测不到泄漏电流，保护装置不会动作。( 3 ) T T 系统中变压器中性点接地线断裂时漏电保护器也会拒跳。( 4 ) I T 系统中用于切断第二次接地故障的漏电保护装置动作电流应大于第一次接地故障时相线内流过的接地故障电流。( 5 ) 漏电电流保护器保护的电气设备的外露可导电部分应经 P E线接地。( 6 ) 接线时应分清电子式漏电保护器的电源侧和负荷侧，不得接反。( 7 ) 对漏电电流保护器的质量应严格把关，并应对其定期检查试跳，作好记录备查。
31、( 8 ) 还有一些原因会造成漏电电流保护器的误动作，应尽量避免。如T NS系统中，P E线和N线接反；将漏电电流保护器负荷侧的N线和P E线有意或无意地连接；漏电电流保护器附近有大功率的电器，开合时会产生电磁干扰；经过三相漏电电流保护器的三相电源线未按同一方向通过零序电流互感器；还有相线与N线之间的电阻太低，使部分电流经漏电处泄漏，而漏电电流保护器检测不准以及安装调整时灵敏度选择过低等。浅 谈 接 地 故 障 及 漏 电 保 护对于高架桥而言，主要也是做好低阻抗接地和等电位联结，如桥墩内作为引下线的钢筋应与上部桥面的结构钢筋、金属栏杆（包括灯杆）和基础钢筋做好连接，形成良好的低阻抗电气通路；
32、桥上的路灯线路应穿钢管并接地；桥下箱式变的接地装置应与防雷引下线接地共用接地装置，其接地电阻主要取决于电气装置对人身安全的合理要求值；如果分为两个接地系统，往往难以满足隔离间距的要求，则两者应实施等电位联结，以消除雷电流在两接地体之间土壤阻抗Ze a r t h上的共模电位差对电气装置的危害。变压器的高、低压侧应安装避雷器和S P D ，进出线电缆也应穿钢管敷设并将钢管与接地装置连接。总之，对这些构筑物不宜硬性按防雷规范进行防雷分类和生搬其某些做法，而应重点做好低阻抗接地和等电位联结。上述是市政电气设计中一些较有共性或易被忽视且都关乎人身和设备安全的问题，但限于水平，尤其对市政工程构筑物的防雷接地问题，尚需作进一步的探讨，也期待规范对此做出必要的补充和完善。（上接第1 0页）
