交流低压配电系统中性点接地方式探讨

　　交流低压配电系统中性点接地方式的选择是交流低压配电系统设计的主要环节。交流低压配电系统主要由交流电源、输配电线、用电设备组成。交流发电机、变压器的输出绕组接成星型,并将星型中性点引出,此即为交流电源的中性点(以下简称中性点) ,下面介绍该中性点的各种接地方式。需要说明的是,将绕组接成△型,并将其一个相线接地的配电方式,在国内并不采用,因而不讨论该方式。

　　1　交流低压配电系统中性点接地方式

　　1. 1　概念定义

　　接地:通过导线与埋入地中的接地体作金属连接,称为接地。

　　零点:如果中性点直接接地,则中性点称为零点。

　　中性线:由中性点引出的工作导线称为中性线。

　　零线:由零点引出的导线称为零线。

　　工作接地:将电力系统中的某一点,通常是中性点,直接或经特殊设备(如消弧线圈、电抗器、电阻、击穿熔断器等)与地作金属连接,称为工作接地。

　　保护接地:将电气设备在正常情况下不带电的金属部分与接地体之间作良好的金属连接,以保护人身安全。

　　保护接零:在交流低压配电系统中,将电气设备在正常情况下不带电的金属部分与系统中的零线相连接,以免人体遭受触电的危险。

　　1. 2　交流低压配电系统中性点接地方式

　　1. 2. 1　TN - S系统:如图1所示,中性点直接接地,三相五线制,整个系统的中性线(N线)与保护接地线( PE线)是分开的,采用保护接零。

　　1. 2. 2　TN - C系统:如图2所示,中性点直接接地,三相四线制,整个系统的中性线(N线)与保护接地线( PE线)是合一的,采用保护接零。

　　1. 2. 3　TN - C - S系统:如图3所示,中性点直接接地,三相四线结合三相五线制,系统有一部分中性线(N线)与保护接地线( PE线)是合一的,采用保护接零。

　　1. 2. 4　TT系统:如图4所示,中性点直接接地,三相四线制,整个系统采用保护接地。

　　1. 2. 5　IT系统:如图5所示,中性点采用经高电阻接地,三相三线制,整个系统采用保护接地。

　　以上定义的五种系统,第一位字母表示配电系统接地点对地的关系,第二位字母表示用电设备的外露电部分与地的关系,后续字母表示中性线与保护线之间的关系。

　　第一位字母: T—直接接地; I—不接地。第二位字母: T—与独立于配电系统的接地点直接接地; N—直接与配电系统接地点或与该点引出的导体相连接;后续字母: C—表示中性线与保护线合并为PEN 线; S—表示中性线与保护线分开;C - S—表示在电源侧为PEN线,从某点分开为N线及PE线。

　　2　特性及应用分析

　　2. 1　TN - S系统

　　采用三相五线制,整个系统的中性线(N线)与保护接地线( PE线)在电源端是连接的并直接接地,在负载端是分开的;将电气设备在正常情况下不带电的金属部分与系统中的PE线相接实现保护接零。

　　TN - S制式的优越性: PE线在正常情况下不通过电流,也就是PE线不带电,与PE线连接的设备金属外壳也就不会带电,对人身十分安全。不论是断N线,或是断PE线,电气设备外壳都不会带电;断N线仅使单相负载不工作,断PE线仅使电气设备外壳失去接地保护而已,即使N线和PE线同时中断,外壳也不会带电,安全性很高。在发生相线碰壳对地短路时,短路电流通过PE线流回电源中性点,由于PE线是低阻抗通道,短路电流足够大到可以使过电流保护动作而切断故障,从而保护了设备和人身安全。

　　TN - S制式由于有以上诸多优越性,已经成为交流低压配电系统的主要制式,应用十分广泛,也是我国交流低压配电系统的主要发展方向。

　　TN - S制式可以重复接地,通常是对PE线进行重复接地,也可以对N线重复接地。在必要的时候,也可以对PE线和N线同时进行重复接地,但这两个接地极不准合用,而且要相隔一定的距离。由于可以重复接地,接地的可靠性进一步提高,安全性也进一步提高。

　　但TN - S制式也有其缺陷,就是保护接地线( PE线)采用专用电缆芯线(或一根专用电线) ,且保护接地线采用辐射式(终端电气设备都采用独立PE线引至配电盘) ,保护接地线投资较大,但相对于整个配电系统,此部分投资比重并不大,但整个系统的可靠性和安全性明显提高,适于推广应用。

　　2. 2　TN - C系统

　　采用三相四线制;系统的中性线(N线)在电源端直接接地;将电气设备在正常情况下带电的金属部分与系统中的N线相连接实现保护接零,此时N线兼作保护零线,称为PEN线。

　　TN - C制式是我国应用十分广泛的交流低压配电制式。在一定的历史时期,其优点也是非常明显的:设备接地接线型式简单易于操作,需要接地的部分直接接到N线上即可;由于低压用电设备通常要引入N线, TN - C制式可以节约大量的接地导线,对于我国经济落后时期确实可以节约投资;而且由于操作简单,在我国民用电基层电工水平普遍不高的情况下,统一采用通过N线接零保护,可以使接地保护型式统一,减少安全隐患,具有积极的意义。另外,我国现有终端配电设备、用电设备所在位置往往由于设计原因或施工原因没有完善的接地体,采用保护接地(需要接地的部分直接与接地体作金属性连接)往往不具备条件,而电源侧(变配电所)都具有完善的接地网,中性线在此处良好接地。因此, TN - C制式在一定的历史时期,也不失为适合我国国情的方法。
　　但TN - C制式,其缺点也是很明显的,由于N线上正常流过工作电流, N线上就存在线路压降,相对于电源侧的中性点,用电设备处的N 线就带有电压,而用电设备的金属外壳是与N线连接的,也就带上与N 线相同的电压,给人身安全带来一定稳患,这就是绝缘良好并未发生漏电但也会发生麻电现象的原因。PEN线不能断线,一旦PEN线断线,那么电气设备金属外壳将先失去接地保护;并且单相负荷的N线由于与电源零点隔断而带上相电压(我国标准为220 V) ,而用电设备的金属外壳是与N线连接的,也就带上与N线相同的220 V 电压,远远超过50 V 的安全电压,而且断线故障不易及时发现而不能及时消除,危险电压可能长期存在,这对人身安全十分危险。

　　由于没有独立PE线, TN - C制式相对TN -S制式安全性降低很多。因此,对于人员相对密集、人身和电气设备接触较多的场合和对人身安全要求严格的场合,不能采用TN - C制式,应该采用TN - S制式。由于我国经济发展很快,经济状况已经明显改善,以人为本、安全至上的原则也成为电气设计的指导思想,考虑设计要有前瞻性和持久性,因此,对于新建交流低压配电工程设计来说,应该采用TN - S制式,淘汰TN - C制式。

　　2. 3　TN - C - S系统

　　2. 3. 1　采用TN - C与TN - S制式相结合的形式。

　　a. TN - C制式部分: 从电源到终端配电盘(箱)采用三相四线制,系统的中性线(N经)在电源端直接接地; 此时N 线兼作保护零线, 称为PEN线。个别终端配电盘(箱)到负载端是采用三相四线制的TN - C制式;终端用电设备采用接PEN线接零保护。

　　b.“TN - S”制式部分:全部或个别终端配电盘(箱)到负载端是采用三相五线制; 中性线(N线)与保护接地线( PE线)在终端配电盘(箱)内在进线处连接,从终端配电盘(箱)到负载端是分开的;负载电气设备采用接PE线接零保护。

　　2. 3. 2　兼具TN - C和TN - S制式的优缺点。优缺点参见上面关于TN - C和TN - S制式的叙述。

　　通过前面对TN - C制式的论述, TN - C - S制式仍保留TN - C制式的缺点,安全性仍显不足。因此,不适合新建交流低压配电工程设计采用,但可以作为TN - C系统改造采用。作为我国现阶段大量存在的TN - C系统来说,对人身安全要求严格的场合改造为TN - C - S系统(采用“TN - S”制式) ,具有投资少,效果好的优点。因此,现阶段应积极推广TN - C系统改造为TN - C- S系统,尽量保障人身安全。

　　2. 4　TT系统

　　电源端的中性线(N线)直接接地,采用三相四线制,电气设备采用保护接地的方式,即将电气设备在正常情况下不带电的金属部分与设备就地的埋地接地体作金属连接实现保护接地。

　　TT制式的优越性:设备的金属外壳在正常情况下处于地电位,也就是不带电。即使设备接地线断掉,所连接的设备金属外壳也不会带电,对人身十分安全。系统采用三相四线制,无专用PE电缆线芯(或电线) ,可节约一定电缆电线投资。N线断线仅仅使单相负荷不能工作,对人身安全没有威胁。TT系统中,电气设备的金属外壳用单独的接地极接地,与电源在接地上可以无电气联系。

　　TT制式的缺点是:在任何用电设备附近都要求有埋于地中且接地良好(接地电阻不大于4Ω)的接地体(或接地网) ,这样才能保证用电设备保护接地的安全。现今我国大量采用在地中易腐蚀而失效的钢接地体,一旦接地体失效, TT制式的安全性也就无法保证。再者TT系统如果电源端和负荷端采用各自独立的接地体(接地网) ,则相线碰壳故障时,短路电流通过大地流回电源端中性点。此时如果电源端和负载端的接地电阻都是4Ω,忽略设备内阻和线路阻抗,则短路电流I =220 V / (4Ω + 4 Ω ) = 27. 5 A,如此小的短路电流,往往无法使断路器保护跳闸或熔断器熔断,故障无法切除而长期存在。短路时,电流流经大地,把大地视为导体,其电阻较大,压降也较大;如果电源端和负载端的接地电阻都是4 Ω,忽略设备内阻和线路阻抗,负载端故障点分得的对地电压为27. 5 A ×4Ω = 110 V,远远大于50 V安全电压,对人身安全十分危险。如果馈线自身过电流保护无法切除接地故障,就需要装设具有足够灵敏度的接地保护或漏电保护,以此及时切除故障,以避免威胁人身安全;而实现灵敏的接地保护或漏电保护都需要增加相对较贵的设备投资。

　　TT制式适用于整个配电系统都具有可靠接地极的各种配电场合, TT配电系统尤其适用于给灵敏电子设备供电。对于设计、建设水平都比较高的工业配电工程,可靠的接地极是很容易满足的,增加接地漏电保护对整个工程造价影响不大,而且工业工程由于控制自动化水平的提高,往往采用大量灵敏的电子设备,此时TT配电系统就比较适用。

　　2. 5　IT系统

　　电源端的中性点经高电阻接地,采用三相三线制,电气设备采用保护接地的方式(接地电阻不大于4Ω) 。电源端的中性点也可以不接地,但接地检测复杂,已经很少采用。

　　IT制式的优点: 由于采用保护接地,设备的金属外壳在正常情况下处于地电位,也就是不带电。即使设备接地线断掉,所连接的设备金属外壳也不会带电,对人身十分安全。当出现单相接地故障时,由于中性点高电阻的限制,故障电流很小,限制在10 A以下,电气设备的金属外壳相对地电位压降很小,最大为U = 10 A ×4Ω = 40 V,小于安全电压50 V。因此,可以不切断电源,电气设备尚能继续运行。此时,报警设备动作,通过灵敏的小电流接地选线装置可以确定发生接地故障的回路,可以选择将该回路跳闸或继续运行。如选择继续运行,可以为在线检查并消除故障赢得时间。

　　IT制式的缺点:在任何用电设备附近都要求有埋于地中且接地良好(接地电阻不大于4Ω)的接地体(或接地网) ,这样才能保证用电设备保护接地的安全。现今我国大量采用在地中易腐蚀而失效的钢接地体,一旦接地体失效, IT制式的安全性也就无法保证。由于采用三相三线制,无法直接接单相负荷,只适用于接三相平衡的负荷(例如电机类) 。如果接单相负荷,必须加隔离变压器供电,采用二次变压,损耗增大,故障点增加。由于单相接地故障电流很小,如果不加漏电保护,就不能快速切除故障,只能带故障点运行;如果在故障排除之前发生另一相接地故障,则故障发展为异地两点接地相间短路,短路电流很大,对IT配电系统是危险的。

　　通过以上的分析, IT制式是一种安全性很高的配电制式。由于单相接地故障占电气故障的多数, IT制式可以保证单相接地故障时继续运行一段时间,通过在线检查并消除故障可以减少或消除停电时间。特别适用于需要连续供电的工业生产系统和生产线等,如冶金、化工等行业的重要工艺车间、医院、重要的实验室等。同时,由于单相接地故障电流很小,因此也适用于有爆炸危险的环境,如矿山等。由于采用三相三线制,无法直接接单相负荷(需加隔离变压器解决) ,只适用于接三相平衡的电机类负荷,因此适用于电动机占主要用电负荷的工业车间配电场合,不适合以照明、空调、家电、检修为主的配电场合。

　　3　结束语

　　通过以上对5种交流低压配电制式的分析,各种制式都有各自的优缺点和适用场合,这些优缺点和适用场合既相互区别又互有重合,且不同的行业也有不同的行业规定。因此,交流低压配电制式的选择既有针对性又有灵活性,作为工程设计人员应该充分理解各种制式的特点,在满足自身行业的规定前提下,选择最适合自身工程的配电制式,做到既满足用电设备供电要求,又满足人身安全要求。