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建筑电气设计|建筑电气工程设计中等电位联结系统的作用

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建筑电气设计|建筑电气工程设计中等电位联结系统的作用

“等电位联结”“总等电位联结”“功能接地”“保护接地”“重复接地”等等名词定义广大电气专业设计人员都很清楚,在这里就不再多讲。建筑电气工程设计中这些“联结”系统的作用就是均衡电位,保护人身财产安全和配电系统的正常运行。但是如何才能做好设计,真正起到作用还真是有必要认真讨论、深入研究。

TN接地系统

用电设备存在危险电位的情况

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图1 TN系统低压用电设备一处接地故障电压传导示意图

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图2 高压侧接地故障电压传导到低压侧示意图

如图1、图2所示,用电设备的金属外壳是通过PE(或PEN)导体连接在一起的,当某一台低压用电设备或配电设备发生外壳与相线接触的接地故障,就会造成PE导体带电位(此接触若不是金属性的连接将会形成间断性的接地故障电压),若电位超过50 V将会对人员造成危害,在变电所若与高压配电设备共用接地装置则高压系统的单相接地故障电压会通过PE导体传导到低压用电设备金属外壳上,这时若不进行设备外壳就地接地形成等电位联结可能会产生设备外壳对地的危险电位,因此须要做等电位联结。在国家建筑标准设计图集15D502《等电位联结安装》中提出了在相关就地配电箱处进行PE导体的重复接地的要求,通过PE导体重复与配电箱附近的预留钢板与建筑钢筋或预埋专用等电位用钢筋形成等电位联结钢筋网,以期减少用电设备外壳与地之间的电位差来保证人员的安全。

PE导体

重复接地的作用及重要性

目前采用TN – S接地型式的设计中很少再提出PE导体进行重复接地的要求和施工做法了,只提出总等电位联结即可,而PE导体是可以随时接地的,在接地处与就近的钢筋或专设等电位联结金属网格连接就可达到与“地”同电位,这就是重复接地,其作用就是使PE导体保持地电位。如图3所示。

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图3 TN接地系统重复接地限制故障电压和等电位联结示意图

为了保证发生用电设备“碰壳”的单相接地故障时的回路阻抗相对小、增大故障电流,使保护电器可靠动作,通常采用PE导体随相导体与中性导体靠近的方法敷设。一般是同一根电缆,三相回路是5芯电缆,单相回路是3芯电缆。PE导体是电缆中的一根芯,其对相导体、中性导体是绝缘的只在变电所内可靠接地,接至配电箱处只是和其外壳联结,而没有与配电箱处就地接地,这可能形成外壳与“地”不是等电位,如果电位差超过50 V有可能造成人身安全的危险。笔者认为做好等电位联结是非常必要的。

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辅助等电位联结

与局部等电位联结的关系

由于IEC标准在近期的修改文件中取消了“局部等电位联结”的名词,保留了“辅助等电位联结”,是否就是认为“局部等电位联结”的型式不能设计和应用了?实际上辅助等电位联结与局部等电位联结均为故障防护的附加防护措施,作为故障防护的附加防护措施,局部等电位联结和辅助等电位联结应该都是有效的,其有效性可通过相关公式验证,两者在工程中使用都没有问题。

局部等电位联结存在的前提是,配电箱引出的多个回路有不同的切断电源时间,例如,对TN系统的手持式或便携式设备是0. 4 s,固定设备来说是5 s。在发生接地故障时,为了使预期接触电压不大于50 V,就要求该配电箱的PE线到MET之间的电压不大于50 V或该PE线所连接的配电及用电设备外壳对所在区域的“地”之间的电位不大于50 V,于是对保护导体的阻抗提出限值的要求(限制保护导体阻抗的方法相对复杂和难以控制,工程实践困难);或者设置局部等电位联结,将局部区域内的限制电压降低到不大于50 V(比较容易实现)。然而,情况发生了变化,IEC标准对32 A及以下的终端回路不分固定式和手持式、便携式,都按0. 4 s的故障切断时间考虑;对于大于32 A的终端回路,只要采用断路器作为保护电器,保护电器固有的动作切断时间也能得到保证。

于是,局部等电位联结显得不是太有必要。在这个基础上,IEC进行了术语重建,以自动切断电源的防护和附加防护建立了两个层次,辅助等电位联结和局部等电位联结实现了融合。辅助等电位联结涵盖电气装置的全部或一部分,或涵盖一台电气设备或一个场所,是一个广义的范畴,实际上包括了局部区域等电位联结的应用(即电气装置的一部分)。对于配电箱供电的回路中不能满足切断时间要求的情况,采用局部区域的辅助等电位联结是有效的措施;对于特殊场所的特殊要求(即一个场所),采取特殊场所的辅助等电位联结有更好的安全性。

1、降低预期接触电压

以接地形式TN-C-S系统为例加以说明,图11.4.20为常用的TN-C-S系统,在电源进线处PEN线分成PE线和N线(N线从此处开始与PE线绝缘),设有重复接地,不安装总 等电位联结,如果设备发生接地故障,忽略接地故障点的阻抗,RA与RB串联后再与Z PEN并联,RA+RB〉〉ZPEN;人体阻抗Zh与鞋袜和地板电阻Rp串联后再与ZPE并联,Zh+Rp〉〉ZPE,接地故障电流犐 Id流经相线和PE线、PEN线,返回变压器低压绕组, 即

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从图11. 4.20可知,做了总等电位联结后,在总等电位联结区内,作为总等电位联结组 成部分的建筑物基础钢筋、金属结构件、金属管道、金属电缆桥架、电缆金属护套、敷设电缆或导线金属管等自然接地体,接地电阻值较小,已起到重复接地的作用。IEC标准没有规定必须为重复接地做人工接地体, 也没有明确规定重复接地的电阻值。 电源线路中PEN线上的电压降虽不在建筑物内产生接触电压, 但它能使接地母排对地电位升高。 由于在总等电位联结范围内电气装置外露可导电部分和装置外可导电部分都和接地母排相连通, 其电位都同样升高而基本处于同一电位上, 人体接触这些导电部分时, 没有接触不同电位, 自然不存在电击危险的。

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2、消除自建筑物外沿PEN线或PE线窜入的危险故障电压

TN系统内因绝缘损坏发生接地故障后有三种可能情况: 一是故障点相接触的两金属部 分因数百以至数千安的电流通过,熔化成团而脱离接触,接地故障自然消失; 二是两金属部分熔化成团脱离接触后引燃电弧,形成大故障点阻抗的电弧性接地故障,由于相当大一部分的线路电压降落在电弧上,接触电压相对减少,它的后果大多是火灾而非人身电击;三是两金属部分熔化后互相焊牢,使故障继续存在,其故障点阻抗可忽略不计,其后果大多是人身电击,这就是接地故障。正是由于接地故障电压存在,沿PEN线或PE线窜入的危险故障电压易引起的电击。

(1) 保护装置未动作而引起的接地故障电压。

(2) PEN线折断而引起的接地故障电压。

(3) 当电源干线中的PEN线折断时(俗称断零),由于三相负荷不均衡,负荷侧中性点漂移,也能使PEN线和设备外壳对地带电位。如果建筑物内有总等电位联结,使外露可导电部分都处于该电位,同样也可消除由此引起的电击危险。

(4) 高压系统中性点不接地或经消弧线圈接地发生接地故障引起的低压系统接地故障 电压。

(5) 高压系统中性点经低电阻接地系统发生接地故障引起的低压系统接地故障电压。 虽然PEN线或PE线上存在危险故障电压,但由于PEN线或PE线在建筑物内均已等电位联结,在等电位联结范围内人体同时可触及的电气装置内、外露可导电部分基本上处于同一电位, 火灾及人身电击自然不会产生。

3、减少保护装置拒动带来的危害

保护装置拒动是由于:

(1) 保护装置内的电子元器件的老化、 温度漂移或干扰等。

(2) 保护装置的动作值改变, 装置投入运行后, 增加供电容量或串级保护需要, 电子脱扣器受环境温度的影响等。

(3) 增加供电的线路长度, 阻抗加大。

(4) 保护装置开断较大的短路电流, 触头表面被拉毛, 触头接触电阻加大。

(5) 保护装置脱扣器供电电源与发生接地故障同相序, 接地故障造成脱扣器供电电压低于要求值。

4、等电位联结是电磁兼容

(EMC) 主要措施之一

(1) 有利于消除雷击电磁脉冲干扰。等电位联结减小需要防雷空间内各金属部件和各系统之间的电位差。 穿过各防雷区界面的金属物和系统, 以及在一个防雷区内部的金属物及系统均应在界面处做符合要求的等电位联结。

(2) 信息技术设备的电磁兼容。信息技术装置或设备可能因为在设备中或互连的设备间感应产生的电流或电压而出错。干扰的原因包括雷电或负载的通断、静电放电、工频地电位差、磁场和射频场等导致的在电源和接地导体中带来的瞬变电涌。避免电磁干扰入侵的基本技术举例如下:

1) 采用电的或纠错的技术在信息技术装置或设备中提供内在的抗干扰性能。 2) 在干扰源与信息技术装置或设备间在电气上实施隔离。

3) 在相关频率范围的设备之间实施等电位联结。

4) 提供一个低阻抗的基准电位平面, 使电位差减小, 并提供屏蔽。

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