【word】 保护接地和保护接零原理理论
分析
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保护接地和保护接零原理理论分析
理论研究
保护接地和保护接零原理理论分析
张涵铃
(义乌国际商贸学校,浙江义乌322008)
摘要:随着社会的不断进步,电能已经成为人们生产生活中最基本和
不可替代的能源.然而,当电能失去控
制时,就会引发各类电气事故,其中包括对人体的伤害,即触电事故.
为了保证安全,防止触电事故,必须在落实
好组织措施的前提下,采取相应的技术措施.间接接触触电的安全防
护技术措施很多,其中保护接地和保护
接零是防止人体间接接触触电最基本最有效的措施.
关键词:保护接地;保护接零;原理理论分析
TheoryAnalysisontheProtectionEarthingandProtectionZeroLineConnect
ion
//ZhangHanling
Abstract:Withthegradualdevelopmentofthesociety.theelectricityhasbeco
methemostbasicand
indispensableenergyinourlifeandproduction.However.allkindsofelectrica
ccidentswouldoccur
includingthedamageonhumanbeingwhentheelectricityisoutofcontro1.Inordertoguaranteethesafety
andpreventfromtheelectrocution,thetechnicalmeasuresconcernedshouldbeadoptedunderthepremise
thattheorganizationmeansarewellsettled.Therearemanysafetypreventionmeasuresoftheindirect
electricshock,thereintotheprotectionearthingandprotectionzerolineconnectionareboththemostbasic
andeffectivewaystopreventhumanbodyfromindirectlycontactingelectricshock.
Keywords:Protectionearthing;zerolineconnectionprotection;principletheoryanalysis
中图分类号:TM08文献标识码:A文章编
号:1673.8241(2007)08.0056.08
一
引言
保护接地和保护接零是防止人体间接接触触电
最基本最有效的措施,但很多书籍和文章中,保护
接地和保护接零原理的分析往往是定性地分析.本
文结合交流电路,根据电工学规律,通过数学计算
的方法,详细地分析保护接地和保护接零的基本原
理.以帮助人们理解保护接地和保护接零的作用,
功能;同时也可以指导工程技术人员进行保护接地
和保护接零工作,正确安装插座等.
为了分析保护接地和保护接零的原理,首先需
要理解和掌握安全电流,安全电压和电力配电系统
等一些知识.
收稿日期:2007-07—30
作者简介:张涵铃(1964-),男,中学一级教师,维修电
工技师.
56200T8
1.安全电流和安全电压.
保护接地和保护接零都是通过接地使流过人
体的电流和加在人体两端的电压限制在一定范围
内.人体是具有一定电阻值的导体,在电气安全工
程计算中,通常取人体电阻值为1700Q.在一般情
况下,取30mA为安全电流,即以30mA为人体所能
忍受而无致命危险的最大电流;在我国
规定
关于下班后关闭电源的规定党章中关于入党时间的规定公务员考核规定下载规定办法文件下载宁波关于闷顶的规定
一般
环境下的安全电压为36V.即通过人体的电流小于
30mA,承受的电压小于36V,可认为人身是安全的,
不会对人体产生生理,病理的伤害.
2.三种电力配电系统.
(1)IT系统:所谓IT系统是指电源中性点不接
地或经阻抗接地(I),电气设备的外露可导电部分
(如设备的金属外壳)经各自的保护线PE分别直接
接地(T)的三相三线制低压配电系统.
(2)TT系统:电源中性点直接接地(T),而设
备的外露可导电部分则对地直接做电气连接(T).
此接地点与电力系统的接地点无直接关联.这种系
统叫做TT系统.
(3)TN系统:电源中性点直接接地(T),电
气装置的外露可导电部分通过保护线(PE)与电源
中性点的接地点直接做电气连接(N)的配电系统.
?————一
图11T系统
图2TT系统
图5TN系统
二,保护接地原理分析
保护接地,就是将电气设备在正常运行时不带
电而绝缘损坏时可能带电的金属部分(例如各种电气
设备的金属外壳,配电装置的金属构架等)用导线与
大地直接做电气连接.此接地点与电力系统的接地
点无直接关联.
1.电源中性点不接地电网中,电气设备不接地
时,有很大的危险性.
以电动机为例,设电动机不接地.如图4(a).
当电动机正常运行时,其外壳不带电,触及外
研究II:l:[rl0Ith
壳的人并无危害.
而当电动机外壳绝缘击穿时,其外壳便带有电
压.这时若有人触及电动机外壳,将有电流经人体
电阻Rb和线路对地绝缘阻抗Z(电网对地分布电容
C和绝缘电阻R的并联组合)构成回路.如图4(a).
画出等效电路如图4(b)
根据电工学规律,可求得流经人体的电流:
?————一
(a)
N
躅
(b)
图4中性点不接地电网发生单相碰壳故障
=3U/(Z+3Rb)其有效值为=3lZ+61
人体承受的电压为Ub=IbRb=3RbU~IzR6I
式中:U——电网相电压(V);Rb—-人体电
阻(Q);Z——电网每相导线对地的复阻抗Z=R+I/
jcoc(~)
(1)低压电网:如在采矿,石油化工部门及某些发
电厂中,采用中性点不接地的380/220V电网.
第一,当电网对地绝缘电阻较低,同时对地分
布电容又很小时:由于容抗Zc=I/o~cl:L电阻R的数
值要大得多(1/coc>>R),因此可以不考虑分布电
容的作用.只考虑电阻R,Z=R.于是流过人体的电
流为:Ib=3U/(R+姐,人体承受的电压为:Ub=IbRb
:3URb/(R+3R.晴天时,设测得各相对地取绝缘
电阻R=O.5×l00,人体电阻Rb=1700O.则流过
2001.651
论研
人体的电流为:
,6=3U/(R+3R6)=(3×220)/0.5×l0.+3×
1700~1.31(mA)
人体承受的电压:U6:IbR6=1.3l×l0×
1700=2.23(V)
这时Ib=1.3lmA<<30mA,Ub<36Vo人体是
安全的,不会有触电的危险.
阴雨天时,如果电网绝缘不良,设R=5000f2,则
流过人体的电流为,6=3+36)=(3×220)/5000+3
×l700=65i11A>30i11A.加于人体的电压:
Ub=IbRb=65×10×1700=lll(V)>36V这时对触
电者是相当危险的.
第二,对于对地分布电容较大,同时对地绝缘
电阻又很高时,由于R>>1/?c,所以可以不考虑电
阻的作用.
只考虑容抗,Zc=1/j?c
根据电工学理论,可求得流过人体的电流和人
体承受的电压:
===!
Z+3Rb一—
1
—-
t-3Rb1+j3Rb~c
jc
=6:垒
1+3Rb~c
其有效值为:
3?cU
?1+9尺6?c
=Rb=3R6?cU
例如,~U=220V,各相对地电容C=0.55F,
人体电阻Rb=2000fl时,通过人体的电流为:
肋=3o~cU
3×(2rrx50)×0.55×10一.×220
?1+9×2000×4×n×50×O.55×10一’
=79.2mA>30mA
人体承受的电压为:Ub=IbRb=79.2×10×
2【】(】0=l58.4V>36V对人体有较大的危害.
(2)高压电网.
582007.8
3,60kV电网的中性点是不接地运行的.这类
电网电压较高,绝缘电阻R一般都在数百兆欧以上.
但由于电网分布广,线路长,对地电容较大(尤其是
电缆电路).这时,R>>l/?c;Zl/?c,流过人体
的电流为:
/b=3
设有一6KV电缆电网,线路总长为1500米,全
部采用l6的铜芯电缆敷设.馈电给高压电动机,每
千米电缆的对地电容Co-’O.22F,当人触及”碰壳”
的电动机外壳时,流过人体的电流为:
/b=3
..
6000
j×一
,/3
=950mA>>30mA
人体承受的电压为:6=IbR6=950×10×
1700=1615V>>36V
显然,这是十分危险的.
所以,中性点不接地电网中,电气设备不接地
时,如果电气设备漏电,当人体接触时,通过人体的
电流大于30mA,人体承受的电压大于36Vo即会发
(b)
图5】T系统发生”碰壳”故障时保护接地的作用
生严重的触电事故.
2.电源中性点不接地电网中,采用保护接地可
以防止人身触电
如图5(a)中,电动机外壳通过保护线(PE),
接地体Rel~f接接地.
在示意图(a)中,当设备的外壳漏电带电时,
保护接地电阻R与人体电阻R处于并联状态.因为
RE<<R所以RffRR.同样可求得设备金属外壳
对地电压(即人体可能承受的电压)和流过人体的电
流分别是:
0==0
3RE+z
==
RbRb{3R,+Z)
(1)当R,C很大时,可不考虑电阻的作用.
0
Rb(j3RFcoC+1)
通过人体的电流有效值为:
=一
Rb,Jl+9R2Ec0C
人体承受的电压为:
0一:=:墨0
,3RcoC+l
对IT系统,当U--220V,各相对地电容
C=0.55uF,人体电阻Rb--2000f)时,如果设备采用
保护接地时,若R.-4Q,其它条件不变,则可求得
流过人体的电流为:
Ib
3x4x27Tx50x0,55xl0一x220
200041+9x4x(2;rx50)x(o.55x10i)
=0.23A<<30mA
人体承受的电压为:
Ub--IbRb--0.23x10,x2000.-0.46V<<36V
人体比较安全,没有触电的危险.
(2)当电网对地绝缘电阻较低,同时对地分布电
容又很小时:在380V/220V中性点不接地电网中,仍
假设电网的绝缘电阻R--5000C2,忽略对地电容的影
论研
响,人体电阻Rb--1700f),当保护接地电阻R=4Q
时,根据以上电路和电工学公式可求得人体的接触
电压:
Ub=
3尺+尺
=兰×22o
3x4+5000
=0.53V<<36V
通过人体的电流为:
l一-b===0一.3一lmA<<30一mA=——=——=.I<<j
Rbl700
这时人体很安全,没有触电的危险.
所以,当设备金属外壳意外带电时,只要适当
地控制RE的大小,就可将故障电压限制在安全范围
(一般为36V)之内,流过人体的电流限制在某一范围
(30mA)内,以消除或减小电击的危险.这就是保
护接地的工作原理.
由此可见,在IT系统中,采用保护接地是很有
效的安全技术措施.
3.在电源中性点直接接地的电网中,保护接地
的有效性分析.
在电源中性点直接接地的电网中,无保护接地
时,有很大的触电危险性;当采用保护接地时,降低
了触电的危险性,如果再加装漏电保护器,可保证人
身安全.
(1)无保护接地时,有很大的触电危险性.
在示意图6(a)中,电源中性点直接接地,而设
备的外露可导电部分没有保护接地.
在图6(a)中,电动机的金属外壳不接地.当
人体触及”碰壳”的电动机外壳时,接地电流I经
人体电阻Rb;~n变压器的工作接地电阻R构成回
路.根据图6(b)等效电路,可求出流经人体的电流
Ib为:
=J,==129mA>30mA
.尺6+1700+4
此电流远大于安全电流,触电者是很危险的.
(2)有保护接地时:降低了触电的危险性,如果
再加装漏电保护器,可保证人身安全.
2007.859
Il理论研究
No=42
图6中性点直接接地电网中不采用保护接地的危险
电动机采取保护接地:即外壳通过保护线
(PE),接地体Re直接接地.
第一,当电动机发生碰壳短路时,等效电路如图
(b)所示.故障电流U/R.+/懈
分析:Ib=65mA大于安全电流(30mA).且故
障电流只有27.5A,在大多数情况下,是不足以使电
路的过电流保护装置(如熔断器,自动开关的脱扣
器等)动作的.电动机的外壳将长时间带电,这对人
是很危险的.
第二,另外,观察分析电路图7,根据等效电路,
由电工学原理,可求得零线对地电压:
D,懈u[4/(4+4)]X220=110V>36V
<<6,R<<
即零线上产生了对地电压己,n.人触及漏电设备
或触及零线即可能受到危险的电击.
根据以上两点分析可知,一般情况下,供电电力
系统不采用TT系统.
第三,当不得不采用TT系统时:
一
个是要减少保护接地电阻值:人体(R)
与接地电阻RE并联,为保证人身安全,要使人体
上的电压Ub=UE=36V,所以U0=U—U----220—
36=184V,
,一==46A
Ro4
,6===0.0212
Rb1700
=,一=46—0.0212=45.9788A
尺一==0,783Q
lE45.9788
即要使保护接地电阻降至0.783f~.这样做将增
大接地装置的费用和工程难度.从技术和经济的角
度来看,这样做是不合理的.
另外,当不得不采用TT系统时,还必须加装高
灵敏度漏电保护器.
三,保护接零原理分析
在我国,遍布城乡的低压配电网多是中性点直
接接地的380V/220V三相四线制系统.这种电网防
止间接接触触电有效的安全技术措施是保护接零.
所谓保护接零,就是在电源中性点直接接地的
三相四线制(380V/220V)低压电网中,把电气设备
在正常情况下不带电的金属外壳与电网的零线(中
性线)可靠地连接起来.如图8(a)所示,图(b)是
等效电路.
ZT
(a)
ZEZL
ZT
(b)
ZEZL
电路(c)
图8等效电路图
N
1.保护接零原理.
(1)保护接零具有过电流速断作用:借助接零线
路,使设备在绝缘损坏后碰壳形成单相短路,利用
短路电流促使线路上的保护装置迅速动作,切断电
源,保证人身安全.保护装置一般是熔断器FU或低
压断路器.
当电动机正常运行时,零线(保护中性线PEN)
不带电.由于电动机的外壳是与零线(中性线)相连
的,人体摸触设备外壳等于摸触保护中性线PEN,
并无触电危险.
当某相带电部分碰到设备外壳(即外露导电部
分)时,通过设备外壳使该相与零线(保护中性线)
论研究lI{日:l1【l】【II1
形成单相短路.因为该相短路时的短路电流I很
大,在大多数情况下,只要短路保护装置选得合适,
就能促使线路上的短路保护装置(如熔断器FU)迅
速动作,把故障部分很快地与电源断开,从而消除电
击的危险.
因为R>>Z所以电路(b)可以转化为(C)
单相短路电流:=U/ZE+ZL+Z~E+Z己,/Z
(/__一一配电网的相电压(V)
Z——回路中电器元件阻抗(Q)
Z——相线阻抗(Q)
Z——保护零线阻抗(Q)
Z——变压器计算阻抗(Q)
Z——相零线回路阻抗(Q),即Z=Z+Z+
ZPE+ZT
注意:接零的保护作用不是由单独的接零来实
现的,而是要与其他线路保护装置(如熔断器,断路
器)配合使用才能完成.显然,相零线回路总阻抗Z
不能太大,以保证发生漏电时有足够的单相短路电
流,迫使线路上的保护装置动作.另外,还要注意短
路保护装置的参数:对低压断路器:单相短路电流
大于其整定电流的1.5倍,即?1.5Iqf;对熔断器:
单相短路电流大于其额定电流的4倍,I]11~>4Ifu.
在低压380V/220V系统中单相接零时的短路电
流远小于三相短路电流,在进行保护装置的选择时
应给予充分注意.
(2)保护接零可以降低漏电设备对地电压.
根据保护接零等效电路,由电工学理论,可求出
漏电设备对地电压的有效值:
I71
Uf———L—一Ilz
,+z,+z+zr1显然uF<u
上式中各阻抗难以确定,人体接触漏电设备时,
可由下式求出预期接触电压:U:Km/(1+m)U
式中m——保护零线与相线之比,l[1m=R/
R,对于电缆和绝缘导线m=l,3
K——计算系数,有总等电位联结时,取
K=0.6,l
例如,当在相电压U=220V的条件下,K=0.8,
当m=0.7426时,U-’75,,o
2007.861
论研
这时U:75V<U:220V,人体接触漏电设备的
危险性大大减少了.
从以上分析可知,保护接零的基本原理是借助
接零线路(中性线)使漏电设备形成单相短路,促使
线路上保护装置迅速动作,切断电源,保证人身安
全;其次,保护接零系统中的保护接零线和重复接
地也有一定降压作用.
2.TN配电系统中插座安装示意图(图9).
(1)插头,插座的正确接法(以单相用电器为例).
第一,随着人们生活水平的提高,家用电器逐
渐增多,为了保证人身安全,需要正确安装插座.正
确的接法如下图中所示:单相用电设备外壳与插头
粗脚相接,插座粗孔与PEN线直接相接.在我国,家
用电器的外壳与插头的粗脚之间是用黄绿双色线连
接的;但目前,许多建筑物墙上的插座粗孔上没有安
装导线.为了发挥保护接零的作用,插座上的粗孔应
该用导线连接到保护中性线PEN上.
第二,三孔插座的正确接法进一步说明(见图
l0):安装时要求标有接地符号的大插孔在正上方.
大孔接保护零线,右下小孔接相线,左下小孔接工作
图9丁N配电系统中插座安装示意图
S
图10三孔插座的正确接法图
2007.8
零线.
(2)错误接法
图ll几种接法中,保护零线借用工作零线,是错
误的.
错误的原因在于:一旦零线上熔断器或零线断
线,或插座上的火线和工作零线接反,电器设备的
外壳同电源火线相连,使外壳带电,对地有220V的
相电压,反而可能引起触电事故,十分危险.
L
L
S
S
图11插厘的错误接法图
3.保护接零应注意的问
题
快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题
.
为了充分发挥保护接零的作用,需注意以下几
个问题:
(1)在由同一台变压器供电的电力配电系统中,
不宜将一部分设备保护接零,而另一部分设备保护
接地.即在同一系统中,不宜将保护接地和保护接
零混用.
图l2(a)中电动机M采用保护接零,电动机M,
采用保护接地.当采用保护接地的电动机M,发生碰
壳故障时,该供电系统的等效电路如图12(b)所示.
如果电动机M,的功率较大,熔体的熔断电流也较大
时;同时短路电流受(R+R)的限制,这样短路电
流不足以使熔断器熔断,因此电源也不能被切断.
这时碰壳的~}JLM外壳和保护零线PEN都会产
生对地电压:
磐
Rb2
Rbl
图12MI采用保护接零,M2采用保护接地
碰壳电动机M对地电压:
‰=耻X4=110V36V
保护零线PEN对地电压:
==x4=l10V36V
见+R”4+4
也就是说,不仅采用保护接地的电动机M2%
壳带有危险的电压,而且所有接零的设备的外壳全
都带有危险的电压.在线路保护装置(如熔断器)未
动作的情况下,设备外壳将长时间带电,这对于接
触电气设备的人是很危险的.所以,在同一系统中,
不宜将保护接地和保护接零混用.
(2)严防零线断线.在零线上不允许单独装设
开关或熔断器.
(3)保护零线的截面积不得小于相应线路相线
截面积的二分之一.
(4)保护接零的零线应装设足够的重复接地.重
复接地对于保证保护接零的有效性具有重要意义.
四,结束语
通过以上计算分析可知:
1.电源中性点不接地电网中,电气设备不接地
时,如果发生漏电事故,人体接触时,通过人体的
电流大于30mA,承受的电压大于36V,有很大的危
论研究II{日【1]IIII
险性;采用保护接地后,可使通过人体的电流小于
30mA,承受的电压小于36V,能有效地防止人身触
电.
在电源中性点直接接地的电网中,无保护接地
时,如果发生漏电事故,人体接触时,通过人体的电
流也大于30mA,承受的电压也大于36V,同样具有
很大的触电危险性;当采用保护接地时,降低了触电
的危险性,如果再加装漏电保护器,可保证人身安
全.
2.在我国,遍布城乡的低压配电网多是中性点
直接接地的380V/220V三相四线制系统.这种电网
防止间接接触触电有效的安全技术措施是保护接
零.保护接零的基本原理是借助接零线路(中性线)
使漏电设备形成单相短路,促使线路上保护装置迅
速动作,切断电源,保证人身安全;其次,保护接零
系统中的保护接零线和重复接地也有一定降压作
用.
所以,保护接地和保护接零是防止人体间接接
触触电最基本最有效的技术措施.@
参考文献:
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