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水泥廠低壓電氣裝置的安全接地和接地故障保護

文檔作者：應浩文檔來源：中國新型建筑材料杭州設計研究院		點擊數(shù)：	更新時間： 2021年03月04日
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中圖分類號：TQl72．6 文獻標識碼：B 文章編號：1∞7—0389(2011)03-53_舛
水泥廠低壓電氣裝置的安全接地
和接地故障保護
應浩(中國新型建筑材料杭州設計研究院，浙江杭州310003)
摘要：簡要介紹了二類電擊的概念及一般的防控措施和I類設備的自動切斷接地故障措施；詳細分析了TN’，I-I’，IrI’三種接地
系統(tǒng)的接地保護特性和等電位聯(lián)接的作用。在此基礎上介紹了水泥廠接地系統(tǒng)的基本情況，并對等電位聯(lián)接的若干問題進行
了逐一分析；同時介紹了PE線、PEN線和等電位聯(lián)接線的選擇要求。
關鍵詞：電擊；安全接地；故障保護；等電位聯(lián)接；PE線；PEN線
Safety grounding and ground fault protection of low voltage electric apparatus in cement plant
Ying Hao(CNBM Hangzhou Design and Research Institute，Hangzhou，Zhejiang，3 10003)
Abstract：The conception of two kinds of eletric shock．the normal prevention and control technology and automatic-shut-off ground
protection of the I type equipment were introduced in brief．And the protection characteristic and equipotential connection of the three
grounding systems_—TN，TT，IT were analysed in detail．On that base the basic state of grounding system in cement plant Was introduced
as well as the problems of equipotential connection．Fianlly，the selecting requirements of PE cable，PEN cable and equipoten—
tim connection cable were introduced．
Keywords：electric shock；safety grounding；ground fault protection；PE cable；PEN cable
1電擊和電擊保護
大量電氣設備的使用，給現(xiàn)代社會帶來便利的
同時，也帶來了電擊和電氣火災的危險。其中電擊
可分為直接接觸的電擊和間接接觸的電擊二類，即：
人體因直接接觸電氣設備或電氣線路的帶電部分而
遭受的電擊稱作直接接觸的電擊；當電氣設備或電
氣線路的絕緣損壞發(fā)生接地故障時，其外露導電部
分對地帶故障電壓，人體接觸此帶故障電壓的外露
導電部分而遭受的電擊稱作間接接觸的電擊。這二
種電擊危害，一般可采用以下相關措施予以預防和
控制。
(1)直接接觸的電擊的保護措施有：將帶電部
分包以絕緣；用遮攔或外護物防止人體接觸；用阻擋
防止人體無意的接觸；將裸露帶電部分置于伸臂范
圍以外；用漏電保護器作后備保護，但它不能代替以
上措施作為主要保護措施。
(2)間接接觸的電擊保護措施有：自動切斷接
地故障電路——這是最常用的保護措施；采用Ⅱ類
電氣設備；電氣隔離—二-一常見的是采用隔離變壓器；
用隔離特低電壓供電；設置絕緣的場所；采用不接地
的局部等電位聯(lián)結(jié)。
如何防范和限制故障電壓，避免電擊和電氣火
災危險，涉及到電氣裝置的接地故障保護。這首先
在電氣產(chǎn)品設計和工程設計時都要考慮防電擊要
求，且二者應互相配合來完善防電擊措施。例如水
泥廠的電氣設備基本為I類防電擊絕緣等級設備，
帶有連接PE線的接地端子，其防電擊保護措施為：
與接地的PE線連接+自動切斷接地故障電路。
2安全接地和接地故障保護
2．1接地型式
接地型式主要有以下幾種：
(1)工作接地。電氣裝置的電源(變壓器或發(fā)
電機)中性點的接地稱作工作接地。
(2)保護接地。電氣裝置外露導電部分的接地
稱作保護接地，其作用：～是減低外露導電部分在發(fā)
生接地故障時的對地電壓，即降低接觸電壓；二是為
接地故障電流提供通路，使保護電器動作切斷電路。
電器裝置的接地系統(tǒng)分TN、TY、IT三種型式，目前水
泥廠低壓系統(tǒng)基本采用的是TN接地系統(tǒng)(具體為
TN—S或TN—C—S)，部分設備為rITI’接地型式；中壓系
統(tǒng)基本采用IT接地型式。
2．2 I類設備的自動切斷接地故障措施
I類設備的自動切斷接地故障措施有盡量降低
接觸電壓值和限制故障電壓對人體的作用時間二方
面的措施，介紹如下。
(1)盡量降低接觸電壓值。接地和等電位聯(lián)結(jié)
都是降低建筑物電氣裝置接觸電壓的基本措施，而
等電位聯(lián)結(jié)又可分為總等電位聯(lián)結(jié)和局部等電位聯(lián)
求徒工程型塑一53—
萬方數(shù)據(jù)
結(jié)。所謂總等電位聯(lián)結(jié)即是將建筑物內(nèi)的導電部
分，包括：進線配電箱的PE母排；自接地極引來的接
地干線；建筑物內(nèi)的公用設施金屬管道(如煤氣、上
下水、暖氣及空調(diào)管道)；建筑物的金屬結(jié)構(gòu)等。這
些都匯接到進線配電箱近旁的接地母排(總接地端
子板)上互相聯(lián)接。其中自戶外引入的上述中的管
道應盡量在建筑物內(nèi)靠近入口處進行聯(lián)結(jié)。所謂局
部等電位聯(lián)結(jié)即是將上述導電部分在局部場所范圍
內(nèi)再作一次聯(lián)接，其作用是在局部范圍內(nèi)進一步減
少接觸壓降。
(2)限制故障電壓對人體的作用時間。按IEC
標準，一般環(huán)境條件下預期接觸電壓的安全限值取
為50V，人體不小心接觸此電壓可不受傷害；但在發(fā)
生接地故障后，即使接觸電壓不超過50V，也應盡量
在盡早時間內(nèi)切斷電路(IrI'系統(tǒng)通常選擇不切斷電
路，只發(fā)出信號)，以免故障持續(xù)過久，引起電氣火災
或其它電氣事故。
2．3各種型式接地系統(tǒng)的接地保護特性和等電位
聯(lián)結(jié)的作用
2．3．1 TN系統(tǒng)
(1)保護特性。TN系統(tǒng)接地故障保護的要求
是當發(fā)生接地故障時，保護電器必須在規(guī)定時間內(nèi)
切斷故障電路。接地故障條件必須滿足下式：
①，d≥L，即故障電流Id(A)要大于等于保護電
器在規(guī)定時間內(nèi)自動切斷電源的動作電流L(A)。
②LxZ,≤Uo，式中zB為接地故障回路總阻抗，
包括故障電流所流經(jīng)的相線、PE線和變壓器的阻
抗，Q；Uo為相線對地標稱電壓，在我國為220V。
TN系統(tǒng)內(nèi)因絕緣損壞發(fā)生接地故障后有三種
可能情況：一是故障點相接觸的兩金屬部分因數(shù)百
以至數(shù)千安的電流通過，融化成團而脫離接觸，接地
故障自然消失；二是兩金屬部分融化成團脫離接觸
后引燃電弧，形成大故障點阻抗的電弧性接地故障，
它的后果是火災而非人生電擊(鑒于水泥工廠的特
點，此非主要問題)；三是兩金屬部分融化后互相焊
牢，使故障繼續(xù)存在，其故障點阻抗可忽略不計，這
將是本文討論問題。
(2)總等電位聯(lián)結(jié)在TN系統(tǒng)中有四方面的作
用：其一，能夠大幅度地減少預期接觸電壓，其壓降
僅為聯(lián)結(jié)區(qū)域內(nèi)PE線上的壓降。其二，能夠消除自
建筑物外沿PEN線或盹線竄人的危險電壓(即實現(xiàn)
等電位)。外部竄入的故障電壓有多種原因，比如同
二變壓器范圍內(nèi)混用的TN和rIfI'系統(tǒng)，TT系統(tǒng)用戶
故障狀態(tài)下未能及時切斷即可產(chǎn)生上述情況。其
一54一
三，減少保護電器動作不可靠帶來的危險，即使保護
電器失靈，發(fā)生電擊時由于接觸電壓降低，其危險也
可大大減少。因總等電位聯(lián)結(jié)本身只是一些簡單的
導線連接，不存在保護電氣動作失靈的種種隱患，它
是可靠的安全措施；IEC標準將它規(guī)定為自動切斷
故障電路電擊保護措施的基本要求。其四，有利于
消除外界電磁場引起的干擾，改善裝置的電磁兼容
性能。
(3)TN系統(tǒng)中切斷接地故障的時間要求。IEC
標準(我國規(guī)范等同)將切斷配電干線和固定設備供
電線路的允許最大時間規(guī)定為5 s；而手握或移動設
備存在可能無法擺脫帶故障電壓設備和絕緣容易破
損等危險因素，要求更高，規(guī)范取0．4s。據(jù)此可確定
保護整定值的選擇。
如采用熔斷器作接地故障保護，規(guī)范規(guī)定接地
故障電流，d與熔體額定電流，n的比值不應小于表1
值；如采用低壓斷路器，接地故障電流，d與斷路器瞬
動作或短延時動作整定電流，n比值饑不應小于
1．3。
表1故障電流Jd與熔體額定電流L的比值
(4)局部等電位聯(lián)結(jié)在TN系統(tǒng)中的作用。當
建筑物內(nèi)配電線路較長且截面較細時，由于回路阻
抗大，，d小，線路末端的局部范圍內(nèi)觚常難滿足要
求，為此需放大線路截面或裝設漏電保護器。如果
在此局部范圍內(nèi)設置局部等電位聯(lián)結(jié)，則可不需采
取這些措施即能簡單可靠地解決過流保護靈敏度不
夠的問題。
2．3．2 Tr系統(tǒng)
(1)保護特性。TT系統(tǒng)對接地故障的保護特陛
是當發(fā)生接地故障時，如電氣裝置的外露導電部分
故障電壓I>50V，保護電器應在規(guī)定時間內(nèi)切斷電
路。此規(guī)定時間對固定設備時間為5 s，對手握式設
備具體見表2。但TT系統(tǒng)的接地故障電流較小，往
往不足以使保護電器動作，所以除非負荷甚小，rITI'
系統(tǒng)應采用漏電保護器作接地故障保護。如采用漏
電保護器，則可降低對接地電阻的要求，有時用一根
短的角鋼即可滿足要求。
求淀工程墜型萬方數(shù)據(jù)
表2 TT系統(tǒng)對手握式設備發(fā)生接地故障時切斷電路時間
預期接觸電壓廠v 50 75 90 110 150 220
切斷電路最大時間／s 5 0．6 0．45 O．36 0．27 0．18
(2)總等電位聯(lián)結(jié)在TT系統(tǒng)中的作用。在rITI’
系統(tǒng)中采用總等電位聯(lián)結(jié)后，其預期接觸電壓將比
TN系統(tǒng)更大幅度的下降。
2．3．3 IT系統(tǒng)
IT系統(tǒng)對第一次接地故障保護的基本要求是
故障電壓不超過安全限值50V。IT系統(tǒng)僅為對地電
容電流其值很小，故障電壓一般達不到50 V，所以能
保證電氣安全、不中斷對裝置的供電，這是IT系統(tǒng)
的主要優(yōu)點。IT系統(tǒng)對第二次接地故障的保護要
求比較復雜，但水泥廠低壓IT系統(tǒng)應用甚少，本文
不贅敘。
2．4水泥工廠接地系統(tǒng)的選擇及實施等電位聯(lián)結(jié)
的若干問題
2．4．1我國水泥工廠接地系統(tǒng)的基本情況
(1)中高壓系統(tǒng)采用IT系統(tǒng)，主要是考慮故障
電流僅為非故障相的對地電容電流，對地故障電壓
很低，發(fā)生故障時可不切斷電源而繼續(xù)供電。
(2)低壓系統(tǒng)大多采用TN—S或TN—C—S系統(tǒng)，
但室外照明(如路燈系統(tǒng))應采用TT系統(tǒng)，并必須安
裝靈敏可靠的RCD作接地故障保護，額定剩余電流
的動作值不應大于30 mA。若路燈系統(tǒng)采用TN系
統(tǒng)，則戶外因無等電位聯(lián)結(jié)，故障電壓可沿PE或
PEN線傳導容易導致電擊危險。
2．4．2等電位聯(lián)結(jié)的若干問題．
(1)水泥廠的等電位聯(lián)結(jié)情況。水泥廠電氣室
由于大量電氣設備集中，總等電位聯(lián)結(jié)基本都能做
到位，但生產(chǎn)車間建筑物的總等電位聯(lián)結(jié)往往不重
視。其實生產(chǎn)車間由于工況復雜，更易發(fā)生電擊危
險，總等電位聯(lián)結(jié)只是一些簡單的導線聯(lián)結(jié)，成本不
高，但所起的作用卻是十分重要的，應該加以高度重
視。因水泥廠生產(chǎn)車間進出建筑物往往有大量的工
藝管道，其與工藝風機等聯(lián)為一體，屬于用電設備
(自有PE線聯(lián)結(jié))；另進出建筑物的公用設施(如上
下水、暖氣、空調(diào)管道等)為金屬管道，同時建筑物中
有大量的金屬結(jié)構(gòu)，因此必須做好總等電位聯(lián)結(jié)。
如建筑物的基礎鋼筋就是總等電位聯(lián)結(jié)的組成部
分。對獨立設置電氣室的生產(chǎn)車間，其電氣室與生
產(chǎn)車間的總等電位箱或接地裝置應互為連通，以使
其等電位。
(2)地下等電位聯(lián)結(jié)導體的密度要求。IEC標
準未規(guī)定地下金屬管線和基礎鋼筋多大密度才滿足
地下等電位聯(lián)結(jié)的要求。查德國資料，如果地下沒
有管道但有基礎接地極，則地面任一點距基礎接地
不超過10m即已滿足電氣安全要求。就是說，如利
用一般建筑物的基礎鋼筋作接地極就能滿足地下等
電位聯(lián)結(jié)密度要求；如不利用基礎鋼筋作接地極，則
在基礎槽內(nèi)預埋25 mmx4mm扁鋼作接地極也可滿
足地下等電位聯(lián)結(jié)密度要求；如全無基礎鋼筋和管
道，在地面下鋪20mx20m金屬網(wǎng)格也可。另對于現(xiàn)
澆樓板，應接入等電位聯(lián)結(jié)范圍；對于預制樓板，也
可不接入，但如考慮信息網(wǎng)絡的屏蔽問題，則接入較
好。
(3)防雷和等電位聯(lián)結(jié)。為保證建筑物受雷擊
時的人身和設備安全，必須實施等電位聯(lián)結(jié)，這在國
家防雷設計規(guī)范中有要求。當防雷裝置采用專門的
引下線和接地極時，應就近和電氣裝置的接地母排
(等電位聯(lián)結(jié)端子板)或電氣裝置的接地板連接；當
利用柱子和基礎鋼筋作引下線和接地極時，不需另
連接。
2．5接地極、接地線和接地母排的設置
對工頻交流電氣裝置而言，接地極和接地線的
設置應滿足：接地電阻值應能始終滿足工作接地和
保護接地規(guī)定值的要求；應能安全地通過正常泄露
電流和接地故障電流；選用的材質(zhì)及其規(guī)格在其所
在環(huán)境內(nèi)應具備相當?shù)目箼C械損傷、腐蝕和其它有
害影響的能力。
國家接地規(guī)范推薦要充分利用自然接地體(如
自來水管、基礎鋼筋、電纜金屬外皮等)進行自然接
地體。因人工接地體并不是經(jīng)濟合理的方式。
接地母排宜靠近進線配電箱裝設，它應單獨設
置而不應與配電箱的PE或PEN母排合用，以便在近
旁無帶電導體條件下安全地進行定期檢驗。
3 PE線、PEN線和等電位聯(lián)結(jié)線的選擇要求
3．1 PE線、PEN線的選擇和敷設
PE(PEN)線的選擇應同時滿足機械強度和熱穩(wěn)
定兩個要求。
(1)機械強度要求。單根電線(不論銅芯或鋁
芯)，用作PE(PEN)線的截面不應小于4mm2；當采
用保護套管或線槽敷設或等效的機械保護措施時不
應小于2．5 mm2。對全電氣裝置供電的干線回路的
PEN線，銅線不應小于10 mm2，鋁線不應小于
16 mm2；但采用多芯電纜的芯線作PEN線時按機械
強度最小截面為4mm2。采用電纜或護套電線的芯
水淀工輊墜堂一55—
萬方數(shù)據(jù)
線、金屬外皮作PE線時，在機械強度上沒有限制。
(2)熱穩(wěn)定性要求。單相接地故障也是一種短
路，因此必須檢驗其熱穩(wěn)定。實際應用往往采用表
3所列的最小截面，可不需再根據(jù)熱穩(wěn)定公式驗算；
而且表3數(shù)據(jù)不僅適用于TN系統(tǒng)，它也適用于1TI'
系統(tǒng)和IT系統(tǒng)。
表3滿足熱穩(wěn)定性要求的最小截面
相線截面(S)／mm2 PE(PEN)線的最小截面S。／mm2
．s≤16
1635
St_S
16
Sl=舵
(3)PE線的代用體。除常用的電線、電纜芯線
以及各類裸導體外，可利用如下代用體作PE線：
①電纜、護套電線的金屬護套、屏蔽層、鎧裝等金屬
外皮；②固定安裝的鋼管和金屬線槽、托盤、梯架；
③某些非電氣裝置的固定安裝的金屬管道和構(gòu)架。
但利用這些代用體應注意：其一，其電導不應低于專
用PE線的電導，從而不降低自動切斷故障電路保護
措施的靈敏度；其二，應保證它不受機械損傷、化學
或電化學的腐蝕，以保證電路的導通；其三，線槽、托
盤、梯架等應便于引出PE分支線；其四，如利用金屬
水管，應保證在修理水管時采取措施保證PE線的不
中斷；其五，煤氣管嚴禁用作PE線。
(4)PE(PEN)線的敷設。為提高TN系統(tǒng)中過
流保護電器的接地故障保護靈敏度，應盡量降低故
障回路阻抗。線路越長，其線路感抗和阻抗越大，因
此對單獨的PE(PEN)線，應緊靠相線敷設。
3．2總等電位聯(lián)結(jié)線的截面選擇和連接方式
總等電位聯(lián)結(jié)線的截面選擇，見表4。
表4總等電位聯(lián)結(jié)線的截面選擇
項目
一般值
最小值
最大值
截面選擇要求
0．5×電源進線保護線截面
6mm2銅線或相同電導的導線
25ram2銅線或相同電導的導線
PE(PEN)線和等電位聯(lián)結(jié)線以及引至接地極的
接地干線在施工完畢后均應檢測其導電是否良好，
不允許有松動的連接；且此線全長應有黃、綠相間顏
色標志，以便辨別。
4漏電保護器的應用
TN和rIfI'系統(tǒng)內(nèi)，末端插座回路上都應裝設漏
電保護器，其額定動作電流不大于30mA，5倍額定
動作電流時動作時間不大于0．04s。水泥廠生產(chǎn)車
間的檢修電源箱難免接用手握式、移動式設備，最易
一56一
發(fā)生接地故障，電擊危險也最大，為保證用電安全，
其回路應裝設漏電保護器。固定式設備的過流保護
如果不能滿足在5 s內(nèi)切斷接地故障的要求也應裝
設此漏電保護器。，ITI'系統(tǒng)的接地故障電流小，必須
裝設漏電保護器來防止接地故障引起的電擊和火災
事故。
但漏電保護器的作用有其局限性，如：漏電保護
器只能對保護范圍內(nèi)的接地故障起作用，不能防止
從別處傳導來的故障電壓引起的電擊事故；漏電保
護器動作的可靠性會受到電網(wǎng)中高次諧波的影響；
供電回路中感應的雷電壓和操作過電壓，其波頭也
是高頻波，也可引起漏電保護器的誤動作。而且有
的地方是不適宜安裝漏電保護器的，如：一些供電給
數(shù)據(jù)處理設備的線路，其電源線路常安裝有抗干擾
的大容量濾波電容器，其正常的電容電流將超過漏
電保護器的動作電流；負荷電流中有過量直流分量
的用電設備也不適宜安裝。
因此現(xiàn)時的漏電保護器并非完美，不應過分強
調(diào)其作用。而等電位聯(lián)結(jié)的作用則在于降低接觸電
壓，兩者應結(jié)合使用，相輔相成，從而獲得最好的保
護效果。
5結(jié)語
做好安全接地和接地故障保護，對工廠的正常
生產(chǎn)運行將起到積極的作用，應引起我們的重視，不
能存僥幸或麻痹的思想，設計、施工、維護管理各方
面措施要落實到位，只有這樣，才能杜絕隱患、防止
安全事故的發(fā)生。
參考文獻
【1】IEC60364-4—41—2005，建筑物的電氣裝置【S】，第4-41部
分：安全防護．電擊防護．
【2】IEC60364-4-473—1999，建筑物的電氣裝置[S】，第4部分：
安全防護．第47章：安全防護措施的應用．第473節(jié)：過電流防
護措施．
【3】IEC60364-5—54—2002，建筑物的電氣i殳施[Sl，第5-54部
分：電氣設備的選擇和安裝．接地措施、保護導體和保護跨接
線．
[41 IEC61 140—2001，電擊防護【S】．裝置和設備的通用概念．
【5】中國航空工業(yè)規(guī)劃設計研究院．工業(yè)與民用配電設計手冊
【M】．北京：中國電力出版社，2005．
(編輯：劉翠榮)I收稿日期：2010--04—13)
求淀工程墜型
萬方數(shù)據(jù)

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