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論接地技術與等電位聯結

作者:由 資深乾飯人 發表于 體育時間:2018-05-10

引言

一晃快三年了,本來當初寫等電位聯結是自己記的筆記,那個時候自己對低壓配電認知非常模糊,就像國內的專家,會抄IEC標準,但是具體對IEC標準條文後面的來歷知道的不多,最早接觸等電位聯結概念是作者在大學的時候,那時候學生宿舍的浴室牆壁上嵌有區域性等電位端子箱,離地大概三十公分,只是個接線箱嘛!當時只是覺得奇怪,為什麼牆壁裡面要嵌入接線箱,這個端子箱這麼矮不會漏電嗎?這個端子箱不可以接到宿舍外面的弱電箱嗎?不過自己也沒多留神,漸漸的就忘了,畢業後自己租房,在租房的衛生間卻沒有看到浴室嵌有區域性等電位端子箱。這個箱子一會有一會又沒有這就讓很迷,到底是什麼情況?

文獻

[1]

在Earthing schemes(接地系統)一章有這樣插圖:

論接地技術與等電位聯結

Fig-1-1。1 接地系統示意圖 圖片來源:施耐德電氣安裝手冊,侵權請聯絡作者刪除

注:

Earth electrode————————————-接地極:接地極與大地緊密接觸;

Earthing conductor——————————-接地線:連線主接地母排與接地極的保護性導線;

Branched protective conductors to individual consumers——保護線:通向各個分支的保護線;

Extraneous conductive parts ——————外界可導電部分

Bonding conductor ——————————-等電位導體:用以實現等電位聯結的保護線。

Main earthing BusBar——————————主接地母排:用以將保護線與接地極連線的端子或母排,此等保護線包括等電位聯結線以及功能性接地線。

Breakout clip——————————————斷接卡子(用於測試接地電阻的,一般在建築物外面)。

圖 Fig-1-1。1大致反應了主接地母排(Main earthing BusBar)與外界導電建築或者導電結構之間的連線關係,也就是我們常說的等電位聯結系統(Main Epuipotential Bonding System),做了主接地母排(Main earthing BusBar)這種的建築可以有效的消除外界導電物體傳遞過來的危險電位。雖然看上去我講述了主等電位聯結的作用,但是這些內容科普都算不上,這樣的內容不足以你在同行裡面跨天,更遠遠不夠你能在工作中使用等電位聯結技術。

另外圖 Fig-1-1。1圖主要描述的主接地母排(Main earthing BusBar)與建築物內導電裝置之間的聯結關係和我在浴室見到的區域性等電位聯結(Local Equipotential Bonding)關係不大,區域性等電位聯結(Local Equipotential Bonding)後面簡記為LEB,後面主接地母排(Main earthing BusBar)簡記為MEB。

知識是需要一步一步積累的,人們對事物的認識也隨著知識的不斷增長而發生改變,現在更新的這篇文章和兩年前相比講述等電位內容肯定不一樣,我並不打算對每一種技術進行非常詳細講解,因為對於行業裡面身經百戰的電氣專家來說,我還是還要學習一個,但是又不想像安裝手冊一樣蜻蜓點水講個大概,後面的內容我主要討論接地及接地電阻的計算,等電位聯結和區域性等電位聯結的安全性,寫這篇文章的目的大概是對我之前學的知識的一個總結。

關鍵詞:

接地系統,接地電阻,等電位聯結,接觸電壓。

1。接地

先從接地開始介紹,接地的歷史老有年頭了,我並不想像教科書一樣從富蘭克林的閃電實驗的接地措施一直講到現在,這樣堆字太划水了,有賺稿費的嫌疑。

1.1 接地系統概念

IEC60364-312。2介紹了電源的帶電導體與大地的連線關係和電氣裝置的外露導體與大地的關係,大致將低壓配電系統分為三類:TN,TT,IT。其中第一個字母表示電源的帶電導體與大地的連線,第二個字母表示電氣裝置的外露導體與大地的關係,第三個字母則是用來描述TN系統的PEN導體的連線狀態,文獻

[2]

詳細的解釋了低壓供電系統代號的含義。

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Fig-1-1。2 接地系統代號的解釋

PE導體和N導體未被分離的TN-C系統和全程將PE導體和N導體分開的TN-S系統(饋電端PE與N導體的分離未表示)以及在consumer‘s installation分離PEN導體的TN-C-S系統:

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Fig-1-1。3 TN-C接地系統與TN-S接地系統示例圖

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Fig-1-1。4 TN-C-S接地系統示例圖

1.3 接地系統的TN-C-S與TN-S系統的區分

如果單獨看IEC60364-312。2(DIN VDE 0100-100[9])圖例,還以為從變壓器只能引出一種接地系統,而現實中往往是混合供電網路,文獻

[3]

介紹了TN供電網路示意圖,PEN導體在Incoming feeder採取不同的策略而分離繼而得到:TN-C接地系統,TN-C-S接地系統,TN-S接地系統。

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Fig-1-1。5 沒有安裝過流保護的TN供電網路示意圖,圖片來源:Schutz in elektrischen Anlagen band3

IEC60364-312。2介紹饋電系統用的是示意圖,標準往往為了具有普適性就故作抽象,Fig-1-1。2 的接地系統與實際的電氣原理圖和施工圖還有所差異,關於單饋電TN-C-S接地系統和TN-S系統的劃分主要是是從EMC的角度出發,文獻

[4]

的比較好的詮釋了TN接地系統的EMC相容問題,圖中TN-S系統的PEN導體在Incoming feeder分離,而TN-C-S系統的EMC問題在於PEN導體在Consumer’s installation內被分離,在Consumer‘s installation裡面PEN導體與等電位聯結系統連線在一起,N導體承載的電流就有一部分沒有經過工程師預想的路徑回到電源,而是在具有等電位系統的建築物大樓內四處亂竄。

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Fig-1-1。6 TN供電系統的EMC質量 圖片來源:Planning Guide for Power Distribution Plants,侵權請聯絡作者刪除

07年的時候中國建築電氣裝置委員會把IEC/TC64的秘書長Reinhard Pelta請過來參加“IEC TC64 標準技術交流會”,大會上Reinhard Pelta先生介紹了符合EMC安裝的TN-S饋電系統,後面賀湘琨先生整理成Paper發表在《建築電氣》上,參考文獻

[5]

指出單饋電TN-S系統的PEN導體在Incoming feeder的被分離的兩種示例:

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Fig-1-1。7 單饋電TN-S系統變壓器的PEN導體在變壓器接線柱被分離,圖片來源:變電所電氣接地結線形式,侵權請聯絡作者刪除

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Fig-1-1。8 單饋電TN-S系統變壓器的PEN導體在總配電盤被分離,並且PEN導體全程絕緣,圖片來源:變電所電氣接地結線形式,侵權請聯絡作者刪除

1.3接地電阻概念

電流透過接地極向周圍大地無窮遠處流散時大地土壤所呈現的總電阻就是我們常說的接地電阻。

接地電阻包含三個因素:

接地線及接地電極本身的導體電阻: 一般金屬,例如一般純銅的電導率為

\sigma=59.6 × 10^6 \mathrm{S·m^{-1}}

,而不含岩石的土壤的平均電導率為

(6-15)\times10^{-3} \mathrm{S·m^{-1}}

,這兩者完全不在一個數量級上,所以計算接地極接地電阻會忽略金屬接地極自身的電阻;

接地電極的表面和與接地電極接觸的土壤之間的接觸電阻: 接地電極接觸電阻計算比較頭疼,一般接觸電阻所佔接地電阻不是很大,所以一般不會討論接觸電阻;

接地電極周圍土壤所具有的電阻: 電流在電極周圍土壤散時所引起的土壤電阻成為大地電阻,大地電阻佔接地電阻比例非常大。

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Fig-1-1。9 接地電阻示意圖 圖片來源:圖解接地技術,侵權請聯絡作者刪除

文獻

[6]

介紹了接地電阻的概念,接地電阻的計算要基於這樣的前提條件:

要讓接地電流穩定形成 ,必須構造閉合迴路,必須向大地打入另一個接地電極,然後將電源接入兩個電極之間才能產生接地電流,另一個電極稱為輔助電極,定義接地電阻時,輔助電極要離主電極足夠遠,這樣才能忽略主電極產生的影響。

接地電極的電位上升必須以大地的無限遠點作為基準,這裡說的無限遠點指的是,即使有接地電流,該點的電位也不發生明顯變化。

假設在接地電極上流入接地電流

I

,則接地極的電位比周圍大地“無窮遠”處高出

U

時則接地電極的電位

U

對接地電流

I

比值

U/I

則稱為接地電阻。

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Fig-1-1。10 接地迴路 圖片來源:圖解接地技術,侵權請聯絡作者刪除

1.4 接地電阻計算示例

介紹最平凡的接地電阻計算內容,Fig-1-1。11裡面的模型是與地面齊平與土壤接觸的半球接地電極,近似認為電流密度向量垂直於接地電極和土壤的邊界,假設土壤均勻,土壤的電導率為

\sigma

,對導體通入電流強度為

I

的直流電,討論接地極關於接地電阻的問題,另外一個電極在無限遠處圖中未給出。

論接地技術與等電位聯結

Fig-1-1。11 半球電極示意圖 侵權請聯絡作者刪除

以導體和半球的連線點為節點,由基爾霍夫電流方程得到透過Conductor流入接地極的電流和流出接地極的電流相等。那麼那麼距離球心

x

處的電流密度有

J(x)=\dfrac{I}{2{\pi}x^2}

該處的電場強度用

E(x)

那麼根據歐姆定律的微分形式

J(x)=\sigma{{E(x)}}

,該點的電場強度可以表示為

E(x)=\dfrac{I}{2\sigma{\pi}x^2}

而電場強度對路徑積分就是電勢,即

\varphi(x)=\int E(x)\mathrm{d}x

,在大地上任取兩點

x_{0},l

那麼

x_0

點到

l

點的電勢差可以寫成

U_{x_0l}=-\int_{x_0}^{l}E(x)\mathrm{d}x=-\dfrac{I}{2{\pi}\sigma}\left[ \frac{1}{x} \right]^{l}_{x_0}

假設

l

是另一個接地極——負極的位置,而此時負極相對於正極在無限遠處,以負極為參考點,那麼正負兩極的電勢差可以看成

U_{xl}=\lim_{l \rightarrow \infty}[\varphi(x_{0})-\varphi(l)]=\dfrac{I}{2\sigma{\pi}x_0}

由於金屬的電導率跟土壤等介質的電導率不在一個數量級上,所以近似可以看成從注入電流的導體到接地極這一段的基本上沒有電勢的分佈,那麼從無窮遠處到接地極和土壤邊界上的電勢差可以表示成

U_{rl}=\lim_{l \rightarrow \infty}[\varphi(r)-\varphi(l)]=\dfrac{I}{2\sigma{\pi}r}

那麼兩點接地極之間大地的電阻可以表示為

R=\dfrac{U_{rl}}{I}=\dfrac{1}{2\sigma{\pi}r}

經過各種合理的假設和近似計算現在的接地電阻大小現在只和土壤電導率,接地極的半徑有關。

1.5 接地極示例計算

假設某使用者裝修房子,要打接地樁,使用者所居住下面的土壤電導率為

(6-15)\times10^{-3} S/m

,埋入一個半徑為

1.5m

的半球接地極形,折中取個

10\times10^{-3}S/m

,那麼該接地極到無限遠處,比如到變壓器接地極的接地電阻也才

16\Omega

,也就是說這兩個接地極接地電阻的阻值並不是無窮大,甚至比我們想象的還要小,不過實際上建築物是存在多個接地極的,而且接地電阻計算是非常複雜的,一般負責接地電阻計算的任務是建築設計院,對於選型及安裝的電氣工程師來說只需要查閱GB50057-2010標準,對於獨立的安全保護接地電阻應小於等於

4\Omega

,所以TT接地系統憑藉接地大地能提供一條低阻抗(相對而言)的迴路讓發生接地故障的故障電流順利的回到電源。

接地網架設可以參考下面圖片:

論接地技術與等電位聯結

Fig-1-1。12 接地系統型別 圖片來源:接地產品和系統。 艾力高 侵權請聯絡作者刪除

1.7 故障接觸電壓的計算

兩年前摘抄的文獻內容

[7]

關於故障電流計算方法在我這裡就不重新再寫了。有興趣可以去施耐德電氣官網下載。

不過文獻

[7]

介紹通用計算方法故障電流的部分時,施耐德給出了這樣一個結論:

U_f=\frac{U_0}{2}

當TN迴路發生接地故障的時候,故障電壓是變壓器線電壓的一半,不過施耐德並沒有給出計算過程,這個問題讓我迷惑良久,另外施耐德給的圖也太坑爹了吧,看了老半天總感覺哪裡不對勁,我去!變壓器示意圖畫的也太抽象了吧!

論接地技術與等電位聯結

Fig-1-1。13 TN 系統內的自動切斷電源 侵權請聯絡作者刪除

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論接地技術與等電位聯結-續

問答篇-

論接地技術與等電位聯結-問答篇

參考

^

Schneider, Groupe。 “Electrical Installation Guide。” According to IEC International Standard, Technical series, France (2018)。

^

Rudnik, Siegfried AND Luber, Georg AND Pelta, Schutzmanahmen gegen elektrischen Schlag。 VDE-Verlag, 2013。

^

Biegelmeier, Gottfried, Gerhard Kiefer, and Karl-Heinz Krefter。 Schutz in elektrischen Anlagen band 3。 VDE-Verlag, 1999。

^

Kiank, Hartmut, and Wolfgang Fruth。 Planning Guide for Power Distribution Plants: Design, Implementation and Operation of Industrial Networks。 John Wiley & Sons, 2012。

^

賀湘琨 。 變電所的系統接地和雜散電流。 建築電氣, (2014 年 NO。4), 3-9。

^

科學出版社, OHM新電工技術系列 “圖解接地技術。” ,(日)川瀨太郎;(日)高橋健彥;馬傑, (2003)。

^

a

b

Schneider, Groupe。 “Electrical Installation Guide。” According to IEC International Standard, Technical series, France (2016)。

標簽: 接地  TN  電阻  電位  導體