电气工程基础之设备工作接地与保护接地

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,电力工程基础,合肥工业大学,电气与自动化工程学院,第四章 设备工作接地与保护接地,4.1,概述,合肥工业大学,.,电气与自动化工程学院,4.2,工作接地,4.3,保护接地,4.4,保护接零,第四章 设备工作接地与保护接地,4.1,概述,合肥工业大学,.,电气与自动化工程学院,地中电流呈半球形流散,接地电流电位分布曲线,大地,接地体,20m,可以认为在远离接地点,20m,以外时，土壤中便不会再产生电压降了，即到达零电位。,距离接地点越近的电阻越大，反之则距离越远则电阻越小。,为了保证电力网或电气设备的正常运行和工作人员的人身安全，人为地使电力网及其电气设备的某一特定地点通过导体与大地作良好的连接，称为接地。,合肥工业大学,.,电气与自动化工程学院,1,、工作接地,为了保证电气设备,在正常或发生故障情况下,可靠工作而采取的接地，称为工作接地。,工作接地一般都通过电气设备的中性点来实现，所以称为,电力系统中性点接地,。,例如，电力变压器或电压互感器的中性点接地就属于工作接地。工作接地要求的接地电阻为,0.5,10,欧姆。,为了保证工作人员,接触时,的人身安全,，将一切正常工作时不带电而绝缘损坏时可能带电的金属部分接地，称为保护接地。,保护接地是防止触电事故的基本技术措施。要求其接地电阻为,1,10,欧姆。,在中性点直接接地的低压电力网中，把,电气设备的外壳与接地中性线,（也称零线）,直接连接,，以实现对人身安全的保护作用，称为保护接零（或简称接零）。它与保护接地相比，能在更多的情况下保证人身安全，防止触电事故。,2,、保护接地,3,、保护接零,合肥工业大学,.,电气与自动化工程学院,4,、防雷接地,为了防止雷击和过电压对电气设备及人身造成危害，必须将强大的雷电流安全导入大地，以此为目的的接地称为防雷接地，也称为过电压保护接地。 防雷接地所需要的接地电阻值通常为,1,30,欧姆。,为消除生产过程中产生的静电积累，而设置的接地称为防静电接地。,5,、防静电接地,4.2,工作接地,合肥工业大学,.,电气与自动化工程学院,一、中性点不接地的电力系统,二、中性点经消弧线圈接地的电力系统,三、中性点直接接地的电力系统,四、中性点经电阻接地的电力系统,五、中性点接地方式的比较与选择,4.2,工作接地,合肥工业大学,.,电气与自动化工程学院,中性点不接地（中性点绝缘）,工作接地也称为电力系统中性点接地。,大电流接地系统,小电流接地系统,星形连接的三相变压器绕组或发电机绕组的公共点。,中性点经消弧线圈接地,中性点直接接地,中性点经电阻接地,依据是发生单相接地故障时接地故障电流的大小,合肥工业大学,.,电气与自动化工程学院,一、中性点不接地的电力系统,输电线路与大地之间存在着分布电容，各相有对地电容电流通过，,其大小决定于线路对地的电压和电容,。一般各相电容用集中电容,C,来表示。,C,a,1,、中性点不接地系统的正常运行,C,b,C,c,电网不对称度,当三相电容值相等时，电网不对称度为零，中性点电压值也为零。,合肥工业大学,.,电气与自动化工程学院,一、中性点不接地的电力系统,输电线路与大地之间存在着分布电容，各相有对地电容电流通过，其大小决定于线路对地的电压和电容。一般各相电容用集中电容,C,来表示。,由于正常运行时三相电压是对称的，故三相导线对地电容电流是对称的，其相量和为零，中性点对地电位为零。,C,a,1,、中性点不接地系统的正常运行,C,b,C,c,若三相电容不对称时，中性点电压不等于零，会发生中性点位移。,单相故障时？,合肥工业大学,.,电气与自动化工程学院,C,a,2,、中性点不接地系统的单相接地故障,C,b,C,c,中性点电压升高为相电压；另外两正常相的对地电压的相位差为,60,度，其幅值都等于正常运行时的线电压，即升高到相电压的 倍。,若是发生单相非金属接地（经过一定的接触电阻接地）时，故障相与非故障相的电压会发生一些变化。,当系统发生单相接地故障时，三相之间的线电压仍然对称，用户的三相用电设备仍能照常运行。因此系统可以带单相接地故障继续运行（一般不超过,2h,），做好停电准备之后再停电排除故障。,单相故障时？,合肥工业大学,.,电气与自动化工程学院,C,a,2,、中性点不接地系统的单相接地故障,C,b,C,c,中性点不接地系统发生单相接地时的故障电流等于正常运行时每相导线对地电容电流的三倍。,单相故障时？,电力网的额定线电压,同级电压电缆线路总长度,同级电压架空线路总长度,合肥工业大学,.,电气与自动化工程学院,C,a,2,、中性点不接地系统的单相接地故障,C,b,C,c,在中性点不接地的三相系统中，当发生单相接地故障时：,故障相电压等于零，中性点电压升高为相电压，非故障相电压升高到相电压的 倍。,各相间的电压大小和相位仍然不变，三相系统的平衡没有遭到破坏，可以继续运行一段时间，但不允许长期接地运行。规定不超过,2h,。,接地点通过的电流为容性,的，其大小等于正常运行时单相对地电容电流的,3,倍。,我国,3,60kV,的电力系统通常采用中性点不接地方式。,最大优点,容性电流容易形成电弧,提高绝缘水平,合肥工业大学,.,电气与自动化工程学院,二、中性点经消弧线圈接地的电力系统,中性点不接地系统发生单相故障时，其接地电流可能大到使接地电弧不能自行熄灭的程度，产生间歇性电弧而引起弧光接地过电压，甚至发展成为多相短路，造成严重事故。为克服这一缺点，可将系统的中性点经消弧线圈接地。,C,a,C,b,C,c,就是具有气隙铁心的电抗器，安装在变压器或发电机中性点与大地之间。,合肥工业大学,.,电气与自动化工程学院,二、中性点经消弧线圈接地的电力系统,C,a,C,b,C,c,全补偿方式：,欠补偿方式：,此时的容抗等于感抗，系统会发生串联谐振，产生很大的谐振电流，在消弧线圈中形成很高的电压降，使中性点电压大为升高。一般系统不采用全补偿方式。,当电力网运行方式改变而切除部分线路时，容性电流会减少，可能导致全补偿。,过补偿方式：,消弧线圈一般有一定的裕度，实际多采用过补偿方式。,合肥工业大学,.,电气与自动化工程学院,二、中性点经消弧线圈接地的电力系统,全补偿方式：,欠补偿方式：,此时的容抗等于感抗，系统会发生串联谐振，产生很大的谐振电流，在消弧线圈中形成很高的电压降，使中性点电压大为升高。一般系统不采用全补偿方式。,当电力网运行方式改变而切除部分线路时，容性电流会减少，可能导致全补偿。,过补偿方式：,消弧线圈一般有一定的裕度，实际多采用过补偿方式。,消弧线圈容量的估算公式：,在,3,60kV,电力网中，,电容电流超过下列值时,，电力系统中性点应装设消弧线圈：,3,6kV,电网，,30A,；,10kV,电网，,20A,；,35,60kV,电网，,10A,；,合肥工业大学,.,电气与自动化工程学院,三、中性点直接接地的电力系统,在中性点直接接地系统中，发生单相接地故障后，其短路电流很大，会使线路上安装的继电保护装置迅速动作，切除故障部分。因此中性点直接接地系统的,供电可靠性不如电力系统中性点不接地和经消弧线圈接地方式,。,发生单相接地故障时，,中性点电位仍然接近于零，非故障相对地电压接近于相电压,。故,电气设备的绝缘水平只需要按电力网的相电压考虑,。,我国,110kV,及以上的电力系统基本上都采用中性点直接接地方式。,为了弥补单相供电可靠性低的缺点，在线路上装设自动重合闸装置。,380/220V,系统中，为保护人身安全，也采用中性点直接接地系统。,有什么优点呢？,怎么保护人身安全呢,?,合肥工业大学,.,电气与自动化工程学院,四、中性点经电阻接地的电力系统,中性点经电阻接地方式主要用于配网系统中。,可以减少电弧过电压的危险性，并可实现灵敏而又有选择性的接地保护。,其接地电流小于直接接地系统，故对邻近通信线路的干扰也就较弱。,1,、大电阻接地,中性点经大电阻接地，既可以保持不接地系统发生单相接地故障时仍能保持短时供电的优点，又解决了不接地系统存在电弧接地过电压的问题。适用于接地故障电流小于,10A,的系统。,合肥工业大学,.,电气与自动化工程学院,四、中性点经电阻接地的电力系统,2,、小电阻接地,既要降低电阻值以,增加短路电流提高快速选择性,，又要控制短路电流防止设备过大。一般将单相接地故障电流控制在,100,1000A,的范围。,中性点经小电阻接地既可以,消除电弧接地过电压,，又可,避免,不接地系统中经常出现的由电磁式电压互感器引起的,铁磁谐振现象,。适合于系统规模大，特别是要求迅速切除故障的线路。,我国城市配电网系统中性点运行方式的规定：,全电缆出线变电站的单相接地故障电容电流超过,30A,时：中性点经电阻接地；,全架空线路出线变电站的单相接地故障电流超过,10A,时：中性点经消弧线圈接地；,电缆与架空线混合线路的单相接地故障电流超过,10A,时：根据具体情况选择；,合肥工业大学,.,电气与自动化工程学院,五、中性点接地方式的比较与选择,接地方式,不接地,经消弧线圈接地,直接接地,经电阻接地,接地电流,小，为对地电容电流，一般只允许运行在,10,30A,以下,最小，等于残流,最大，可能达到系统三相电流或更大,中等，本表讨论小电阻接地情况,单相接地时健全相电压,大，等于线电压,大，等于线电压,最小，,80%,线电压,一般处于,80%,100%,线电压,避雷器工作条件,非有效接地系统用,非有效接地系统用,有效接地系统用,非有效接地系统用，但避雷器选用条件可放宽,变压器设备的绝缘水平,最高，全绝缘,高，与不接地系统同,最低，变压器可采用分级绝缘,低于不接地系统，当采用不接地绝缘水平时，寿命延长,想双重接地故障发展的可能性,最大,中,最小,小,接地故障的继电保护,普通接地继电器不适应，需要专门技术，不够可靠,需要专门技术，通常只动作于信号,简单可靠,简单可靠,断路器工作条件,切断容量由三相短路电流决定,切断容量由三相短路电流决定，动作次数少,单相接地电流有时比三相短路电流大，动作次数多,切断容量由三相短路电流决定，动作次数多,接地故障时的供电中断情况,在能够自然熄弧情况下供电不被中断,自然熄弧，但永久性故障时仍需跳闸,立即跳闸，但通过重合闸弥补此缺点,立即跳闸，但通过重合闸弥补此缺点,地网和接地设备的费用,最少,地网费用少，但接地设备价格较高,无接地设备，但地网建设费用大,中,合肥工业大学,.,电气与自动化工程学院,五、中性点接地方式的比较与选择,220kV,及以上电压等级的电力网，采用中性点直接接地方式；,110kV,电力网，大部分采用中性点直接接地方式，小部分采用消弧线圈接地的方式，原有的,154kV,电力网采用中性点经消弧线圈的接地方式；,20,60kV,电力网，采用中性点不接地或经消弧线圈接地方式（单相接地电容电流大于,10A,时）；,3,10kV,电力网，采用中性点不接地或经消弧线圈（电阻）接地方式（单相接地电容电流大于,30A,时）；,1000V,及以下低压配电网，即,380/220V,三相四线制电力网，,采用中性点直接接地方式,；,发电机,中性点一般均采用,中性点不接地或经消弧线圈接地,的运行方式，特殊的特大容量机组，可考虑中性点直接接地或经小电阻接地的运行方式。,4.3,保护接地,合肥工业大学,.,电气与自动化工程学院,一、保护接地的作用,二、保护接地装置接地电阻的允许值,三、保护接地的分类（,IT,、,TT,、,TN,）,四、发电厂和变电站的接地装置,4.3,保护接地,合肥工业大学,.,电气与自动化工程学院,与带电部分直接接触,，包括带感应电、带静电和由于绝缘损坏使金属部件带电等；,1,、安全电流与安全电压,发生故障时，,人处于接触电压和跨步电压的危险区,；,与带电部分间隔,在安全距离之内,。,感知电流；摆脱电流；致命电流；安全电流；安全电压,一、保护接地的作用,发生触电的方式有下面几类：,0.7mA,、,1.1mA,10mA,、,16mA,100mA,30mA,额定供电电压,42V,、设备空载电压,50V,合肥工业大学,.,电气与自动化工程学院,2,、保护接地的作用,一、保护接地的作用,单相接地电流,保护接地电阻,脚与地的接触电阻,人体电阻,增加脚与地面的接触电阻，减少保护接地电阻，都可在一定范围内减少流过人体的电流。,合肥工业大学,.,电气与自动化工程学院,二、保护接地装置接地电阻的允许值,接地线,接地体,电流场,接触电势,跨步电势,大电流接地系统,小电流接地系统,故障设备附近的对地电压,接地电压,电流大于,4000A,高压设备,高低压设备共用,合肥工业大学,.,电气与自动化工程学院,1,、,IT,接地方式（,I:,中性点不接地或经高阻接地；,T,：设备的金属外壳接地）,三、保护接地的分类（,IT,、,TT,、,TN,）,IT,系统电源的中性点不接地或经高阻抗（约,1000,欧姆）接地，系统中电气设备的外露可导电部分经,各自的,保护接地线直接接地。,此系统中各设备之间不会产生电磁干扰，而且当发生单相接地故障时，所有三相用电设备仍可以暂时继续运行，但需装设绝缘监视装置或发出单相接地报警信号。,三相设备,单相设备,通过降低接地电阻（,10,欧姆）来限制接地电压,电网每相对地绝缘复阻抗,合肥工业大学,.,电气与自动化工程学院,2,、,TT,接地方式（,T:,中性点直接接地；,T:,设备金属外壳接地。）,三、保护接地的分类,在高电压电力网中，接地电流大，故障会快速切除，被普遍采用。,三相设备,在中、低压电网中，若设备发生单相接地故障时，往往短路电流较小，不能可靠切断故障回路，使设备外壳长期带上危险电压，增加触电危险，因此必须装设灵敏的漏电保护装置。,通过接地电流使回路的过电流装置动作而切断故障电路,在我国,1,60kV,电网通常采用,IT,接地方式，,1kV,以下配电系统采用,TN,接地方式（即保护接零）。,合肥工业大学,.,电气与自动化工程学院,四、发电厂和变电站的接地装置,由接地体和连接导体组成，接地体可分为自然接地体和人工接地体。,接地装置主要分为外引式和环路式两种。,包括埋在地下的金属管道、建筑物的金属结构等，但可燃性气体和液体的金属管道除外。,分水平接地体和垂直接地体,将接地体集中布置在电气装置外的某一地点称为外引式。,优点是可选择土壤电阻率和土方工程都最小的地点来敷设接地体，造价较低，钢材消耗量也较少。缺点是电位分布不均匀。,接地体,把接地体环绕电气装置布置，形成环状，并在其中装设若干均压带，则称为环路式。,4.4,保护接零,合肥工业大学,.,电气与自动化工程学院,一、保护接零的作用,二、保护接零方式,三、保护接地与接零混用的危害及中性线重复接地的必要性,四、保护接地与接零的适用范围,4.4,保护接零,合肥工业大学,.,电气与自动化工程学院,正常供电时，可供应三相,380V,和单相,220V,两种电压；,1,、低压配电网,（,380/220V,）采用中性点直接接地方式,的优点,发生单相,故障时,，非故障相电压维持为相电压，,减少人体的接触电压,，而且降低电气设备的绝缘要求；,可以,避免高压窜到低压侧,的危险。,一、保护接零的作用,三相设备,低压配电系统采用,TT,接线时，若电气设备容量较大，则发生单相故障时，,不易切除故障,，仍将发生触电危险。,为什么？,合肥工业大学,.,电气与自动化工程学院,假设电源相电压为,220V,、工作接地电阻为,4,欧姆、保护接地电阻为,4,欧姆：,则接地电压为,110V,、接地电流为,27.5A,，一般情况下将会使熔断器或自动开关跳闸，保障人身安全。,但一般规定故障电流必须分别大于,熔丝或开关额定电流的,2.5,倍或,1.25,倍,。,三相设备,中性点直接接地的,380/220V,低压配电网中，不宜采用保护接地的,TT,接地方式，而应该采用保护接零的,TN,接地方式，即将电气设备的外壳与零线连接。,低压配电系统采用,TT,接线时，若电气设备容量较大，则发生单相故障时，不易切除故障，仍将发生触电危险。,因此,27.5A,的接地电流便只能保证使额定电流为,11A,的熔丝或,22A,的开关动作，若电气设备容量较大，所选用的熔丝与开关的额定电流超过上述值时，则熔断器或自动开关便不能保证动作切断电源。,为什么？,合肥工业大学,.,电气与自动化工程学院,TN-S,系统。,S,表示,N,与,PE,分开，设备外壳与,PE,相连接，设备中性点与,N,连接，即采用五线制供电方式；,保护接零是保护接地的一种，即,TN,接地方式。,T,表示电源中性点接地，,N,表示中性线，,PE,表示保护线。保护接零方式包括,TN-S,、,TCN-C,、,TN-C-S,。,二、保护接零方式,TN-C,系统。,C,表示,N,与,PE,合并成为,PEN,，即采用三相四线制供电方式；,TN-C-S,系统。一部分,N,与,PE,分开，一部分,N,与,PE,合并，即采用四线半制供电方式；,在低压三相四线制系统中，由于电源中性点接地，引出的中性线就处于零电位，也称为零线，相应的电源相线称为火线。,用于数据处理、精密检测及高层建筑的供电系统,通常用于一般供电场所,应用于环境较差的场所,合肥工业大学,.,电气与自动化工程学院,（,1,）电源中性点必须良好接地，工作接地电阻值应符合要求；,低压配电网（,380/220V,）采用保护接零方式的注意事项,（,2,）应装设足够的重复接地装置；,（,3,）同一台配电变压器供电的低压电网中，不允许混用保护接地与保护接零方式；,（,4,）中性线上不准装设开关和熔断器；,（,5,）中性线截面应保证一定的短路电流；,（,6,）所有电气设备的保护接零线，应以“并联”方式连接到中性线上；,合肥工业大学,.,电气与自动化工程学院,在中性点有良好接地的低压配电网中，应优先选用保护接零方式；,两者混用时，若保护接地的设备发生碰壳故障，则,中性线的对地电压会升高到电源相电压的一半或更高,。此时由于保护接零的所有设备上便会有同样高的电压，使设备外客呈现较高的对地电压，从而危及操作人员安全。,三、保护接地与接零混用的危害及中性线重复接地的必要性,城市公用电网供电的，应采用同一种保护方式，且常用保护接地；农村电网中也一般都采用保护接地方式。,为了确保接零保护方式的安全可靠，防止中性线断线所造成的危害，系统中除了工作接地外，还必须在整个中性线的其他部位再行接地，称为重复接地。,1,、,保护接地与接零方式混用的危害,2,、,中性线重复接地的必要性,当中性点直接接地的低压配电系统实行重复接地后，可保证在万一出现中性线断线的情况下，配电系统的保护方式可以从保护接零的,TN,方式转化为保护接地的,TT,方式，从而减轻触电的危险程度。,合肥工业大学,.,电气与自动化工程学院,四、保护接地与接零的适用范围,1,、保护接地与接零的适用范围（表,4-3,）（,注意其注意事项！,）,2,、应该实行保护接地或接零的设备,3,、可不实行保护接地或接零的设备,合肥工业大学,.,电气与自动化工程学院,课后思考题,课本：,4-1,，,4-2,，,4-3,，,4-4,，,4-5,，,4-6,