低壓電氣接地故障及其防護措施

王丹丹

（上海市市政規劃設計研究院有限公司，上海 200031）

1 引言

市政工程中的低壓配電系統，在運行期間如果遭受線路絕緣破損、異物入侵，或者因外力破壞引發的短路問題，被統稱為接地故障。低壓電氣接地故障發生之后，原本系統中不帶電的外露可導電部分會形成電壓，若與人體接觸，便會引發觸電事故。所以，根據配電系統接地的基本形式、采用的電氣設備型號，做好低壓接地故障防護非常重要。

2 低壓電氣接地故障的形成與消除思路

市政工程施工期間，接地與黏接是輸送安全電能的重要前提，也是保證工程項目電能質量的關鍵內容。接地系統是故障電流低阻抗的主要獲取路徑，也對配電系統非載流金屬元件電壓有限制作用。如果發生低壓電氣接地故障，低阻抗會使得高故障電流發生流動，同時開啟過流保護裝置，將故障消除[1]。此外，接地系統支持瞬變轉移，使其安全抵達地面。黏合則是原來不帶載電流金屬部件相連，構成導電路徑，保證連接的金屬部件在相同電位中，以免危險電壓之間出現差異。

可以安裝接地系統，保證市政工程電力系統的安全運行。通過采用導線大小一致的設備接地導線可以有效降低電路阻抗，將過流保護裝置清除故障的時間縮短。所有帶有金屬外殼的裝置全部在電連續系統內黏合，期間需要對設備接地導線的類型進行考慮，用以完善敏感的設備接地導線。

3 低壓電氣接地的基本形式

3.1 TN系統

TN系統內部的電源端往往會有直接接地的一點，一般以中性點為主，電氣裝置外露的可導電部分對中性導體進行保護，或者實現導體和該點的連接，IEC標準根據N線、PE線連接的要求重新組合，主要有3種組合形式，即TN-S系統、TNC系統、TN-C-S系統。TN-S系統內的N線、PE線分別獨立運行，在正常運行期間，專用PE線中不會有電流流過，N線會有不平衡電流流過[2]。PE線和地面之間不存在電勢差，所以，主要是利用專用PE線實現電氣設備外殼的保護接地操作，如此一來也為系統賦予安全性，在獨立運行的變配電所內應用。

TN-C系統內的N線、PE線結合，如果三相負荷平衡性差，那么N線上將會有不平衡電流流過，并且形成電位差，電氣設備金屬外殼對地帶電位，從而限制了該系統的運用范圍，只能夠在三相負荷平衡、管理全封戶能力強的工業廠房建筑中使用。

TN-C-S系統內只有部分N線與PE線整合，雙方分開之后便不會再合并，主要是在建筑物電源為區域變電所的前提下采用。

3.2 TT系統

TT系統內的電源端中性點具有直接接地的優勢，電氣裝置外露可導電的部位連接接地極和電源中性點接地的電氣，彼此之間相互獨立。TT系統內的N線、PE線之間沒有與電相關的聯系，處于正常運行的狀態下，如果中性線帶電，那么PE線與之相反，即不帶電。所以，TT系統更適合在無等電位聯結的環境下應用[3]。

3.3 IT系統

IT系統的電源端帶電不接地，或者僅有一點阻抗接地，相關電氣裝置外露部位則直接接地。IT系統在運行中有極高的安全性，適合在供電持續性強、防電擊要求嚴格的環境中使用。

4 低壓電氣接地故障與影響

市政工作中的供配電系統在運行期間，主要是負載端電氣裝置的外露導電接地，這種接地形式被稱為保護接地。接地故障的形成，是相線與中性線這種帶電導體和地面連接導致短路，或者是和大地電氣裝置內的導電部分連接導致的短路。如果電氣裝置絕緣破損，會直接出現接地故障，這時不帶電金屬外殼會有電壓存在，人體在間接接觸之后會受到電擊。

市政建筑電力系統施工期間，如果防護不到位會導致電氣火災，這在所有火災中是最為常見的一種。接地故障引起電氣火災，結合實際分析可以確定電氣短路的火源，即對地電弧、電火花，這2點引起電氣火災的概率非常高。組織電氣線路施工的過程中，帶電導線絕緣外皮長期受到摩擦，必然會出現破損，或者在雷雨天氣下遭受雷擊，電纜梯架內部線路絕緣在瞬態過電壓的沖擊下也會出現絕緣損壞的問題。因此，站在機械與電路的角度分析，接地故障發生的概率大于帶電導體短路故障。同時，線路對地絕緣能力也超過帶電導體，如果發生接地故障，那么由此導致的電弧相比帶電體形成的電弧更大，是引起火災的重要因素，對市政工程質量與人們的人身安全都有極大的威脅。

5 低壓電氣接地故障的防護舉措

5.1 未接地系統故障的防護

市政工程電力施工中的未接地系統，可以在產生接地故障時維持系統的正常運行。低壓電氣接地故障的形成，會導致接地系統跳閘的現象，但若缺少電氣系統接地，那么故障電流值過低，只能支持電容通過，所以也不會影響設備正常運行以及工作人員安全。未接地系統在運行過程中出現第二次故障，會停止供電運行，隨后引發相間故障，開啟過流保護運行。該系統在運行過程中存在的不足是，未接地操作初始故障可能會帶來線路電壓，并且作用于相電壓設計，如若故障系統長期維持在運行狀態下，便會引發相應的故障。

固體接地是工作中比較常見的系統之一，主電源變電站中性線與地下低電阻樁、埋入式分布式網、MEN系統內部供電公用設施中性導體相連接，順延電力線路，間隔若干個極點與地樁連接。在一般地球質量條件下，通過對比接地樁、接地電流，可以發現額外接地路徑獲得的總接地電阻耕地，且可靠性較高。該類型的低接地電阻MEN連接為系統提供運行需要的高故障電流，提高保護作業效率。除此之外，低電阻接地對地電位上升有一定的限制作用，有利于規避觸摸電位、階躍電位故障，因此固體接地在低壓、超過1 000V的中壓系統中是比較常用的防護手段。電阻接地過低，符合漏電保護規定，若故障電流也較低，會阻礙早期漏電檢測工作的順利進行，按照新時期市政工程電氣施工要求，核心平衡剩余電流裝置在漏電檢測中應用，不僅是滿足現代檢測要求的重要手段，也是憑借其靈敏度高的特點符合極低接地阻抗施工要求。

另外，工作人員也可以在變電站主電源中性點、電網接地樁2個裝置中間連接電阻，達到電阻接地的效果。電阻接地有高電阻、低電阻2種選擇，其中低壓系統主要是以高電阻接地為準，高壓系統則優先采用低電阻。通過電阻接地可以控制故障電流，為電氣設備提供保護，以免設備損壞擴大低壓電氣接地故障的影響范圍。其中需要注意，采用低電阻接地限制電流，可以將其控制在幾百安培，而工作人員則務必要保證漏電保護操作的靈敏性。

5.2 接地變壓器故障的防護

接地變壓器是三角形連接繞組系統內部不可缺少的接地裝置，該設備內部的中性點不能以接地的形式完成接地連接。接地變壓器可以作為三角形變壓器，其中帶有一接地中性線、短路三角形，使未接地三角形繞組故障電流有對應的接地路徑。此外，保護接地主要用于市政工程現場工作人員人身安全保護，通過觸摸、步進電位大小的限制達到這一要求，如果施工現場出現電氣故障，且工作人員在該電位范圍內接觸接地導體，或是接地導體周圍接觸暴露金屬，那么該工作人員的身體受到接觸電壓與階躍電壓的沖擊，會轉移到其他接地點。為此，工作人員需要做好接地電路阻抗的設計優化工作，確保電位低于發生故障時暴露帶電部件接觸人員受到的電擊數值。

為了能夠有效降低電位，建議采用阻抗低的電位連接接地電路，使接地電路系統內部電壓差能夠控制在安全范圍內，不會對現場工作人員帶來電擊攻擊。另外，要展開接地電極系統的測量工作，通過可行性高的對地電阻故障防護方案，降低典型負載對地電阻。在市政工程施工中，如果現場存在電子負載，典型負載對地電阻值會因此降低。針對這一問題，可以制定敏感電子負載防護方案，定期測量接地電阻，并且積極使用接地電阻表，測量初期建議每隔半年測量1次，后期測量時間可調整至一年測量1次，詳細記錄測量結果。根據記錄數據的對比與分析，判斷接地電阻與接地系統是否存在問題，如果確定有故障可以先通知電氣設計人員分析原因，再結合實際情況決定是否需要降低接地電阻。

5.3 接地棒故障的防護

NEC對于接地棒間隔有明確要求，其中還需要對棒邊緣可能造成的影響予以考慮。那么在防護接地棒相關故障時，需要將接地桿分開大約桿長的2倍。如果是山區與巖石等地形，可以考慮采用具有深度驅動、化學增強功能的接地棒，優化現場的土壤條件。結合市政工程施工規范，現場的金屬水管道、鋼筋材料、混凝土包裹電極等的外部連接銅接地環，同時以驅動接地棒作為輔助，這是市政建筑比較常用的解決方法。地面環的位置一般設置在建筑物、建筑結構附近以及現場溝槽內部霜線以下，可以發揮出最佳效果。

如果施工現場必須要配備低接地阻抗，可以在建筑、建筑結構所有角落的中點配置補充接地環、驅動接地棒。其中，接地環尺寸要滿足規范。導體尺寸與導體的長度為正比例關系，地面接觸表面積與對地抵抗力則為反比例關系。此外，施工人員要將現場所有接地電極黏結起來，例如，金屬地下水管與結構建筑鋼、板電極等。市政工程內的所有接地電極也要全部連接，組成完善的接地電極系統。施工現場的銅防雷系統也是低壓電氣接地故障防護的有效手段，在腐蝕、維護相關因素的影響下，防雷系統的性能更優，但問題在于該系統對接地電極系統要求比較高，只能連接質量高、阻抗低、耐用性強的接地電極系統。

5.4 配電裝置故障的防護

1）配電板作為市政工程配電系統中的一個裝置，負責劃分電力饋送，以此獲得分支電路，也可以有效地保護熔斷器與斷路器，維持公共外殼內電路正常運行。其實配電板在市政工程與相關設施當中應用，在分配電力環節，也可以規避電氣過載、短路等故障。

2）配電盤內部包括外殼、電路保護裝置與填充板等部件，其中外殼是所有配電板組件必不可少的殼體，主要材料為鍍鋅、涂漆鋼，在電氣工程施工中可以保護工作人員與內部設備的安全。

3）可拆卸端板也是配電系統中的重要元件，負責導管安裝。安裝工作人員按照實際需求進行定位、切割孔等操作。

4）安裝斷路器電路保護裝置，與總線連接器連接，可以起到防護低壓電氣接地故障的作用?？偩€連接器中的母線是電路連接點導體，一般設置在內部導軌絕緣體中。

5）工作人員在現場安裝中性桿，通常安裝位置在系統內與天溝這2處，與系統內部的距離越近，獲得的低壓電氣接地故障防護效果越明顯，同時也可以作為來電服務、負載電路中性線的終端點。

6）面板上方設置標簽，并標明額定電壓、部件更新、載流量、中斷額定值等信息，工作人員通過了解標簽上的信息判斷電氣設備是否安全。

6 結語

綜上所述，低壓電氣接地故障的解決，首先需要工作人員明確故障影響范圍，提出針對性的防范舉措。一方面需要做好故障預防，最大程度地降低低壓電氣接地故障的危害；另一方面則要明確相關責任人，提高故障解決效率，保證市政工程電氣施工質量。