任务三 安全技术
一、教学目标
1）掌握正常接地与故障接地的概念；
2）掌握低压配电系统的分类；
3）掌握接地保护和接零保护。
二、相关实践性知识介绍
（一）接地的种类
1.正常接地与故障接地
（1）正常接地
一般可分为功能性接地和保护性接地。保护性接地又可分为保护接地和保护接零。
1）功能性接地：为了保护电气设备在正常或事故情况下能可靠地工作，并使其达到某种预期的固有功能效果。
2）保护接地：电力系统有一点直接接地或电力系统中没有接地点，受电设备外露可导电部分通过保护线与电力系统无关的接地极进行电气连接，叫保护接地。
3）保护接零：电力系统有一点直接接地，受电设备外露可导电部分通过保护线与接地点连接，叫保护接零。
（2）故障接地
电气系统在运行中，带电部分与大地之间发生的电气连接，叫做故障接地。故障接地可能造成人身触电事故和电气设备损坏事故。
2.电气设备的接地
（1）电力系统的接地
1）系统接地：工作接地，属于功能性接地。
2）防雷接地。
（2）电子设备的接地
1）信号接地：保证信号具有稳定的基准电位。
2）逻辑地：获得稳定的参考电位。
3）屏蔽接地：抗干扰。
4）功率接地：除电子设备系统以外的其他交、直流电路的工作接地。
5）保护接地。
（3）电子计算机的接地
（4）医疗电气设备的接地
（5）危险的工艺管道、容器接地：防静电接地
（二）低压配电系统
低压配电系统是电力系统的末端，分布广泛，几乎遍及建筑的每一个角落，平常使用最多的是380/220V的低压配电系统。
从安全用电等方面考虑，低压配电系统有三种接地形式：IT系统、TT系统、TN系统。TN系统又分为TN-S系统、TN-C系统、TN-C-S系统三种形式。
各字母代表含义如下：
第一个字母表示电源侧中性点（电力系统）与大地的关系：
“I”表示电源侧中性点不接地或经高阻抗接地；
“T”表示电源侧中性点直接接地。
第二个字母表示电气装置的外露可导电部分与大地的关系：
“T”表示电气装置的外露可导电部分通过接地体与大地直接连接，而此接地点在电气上独立于电源端的接地点。
“N”表示电气装置的外露可导电部分与电源端接地点有直接电气连接。
其他字母表示中性线和保护线的组合情况：
“C”表示在同一配电系统中，中性导体和保护导体是合一的，用PEN表示；
“S”表示在同一配电系统中，中性导体和保护导体从电源端接地点开始就完全分开，中性导体用N表示，保护导体用PE表示；
“C-S”表示在同一配电系统中，在靠近电源侧中性导体和保护导体是合一的。在靠近负载侧，中性导体和保护导体是分开的。由合一变为分开时，在分开处应作一组重复接地。
1.IT系统（保护接地）
IT系统就是电源中性点不接地、用电设备外壳直接接地的系统，如图1-3-1所示。IT系统中，连接设备外壳可导电部分和接地体的导线，就是PE线。
图1-3-1 IT系统
IT系统主要用于10kV及35kV的高压系统和矿山、井下、大型医院的低压配电系统。
2.TT系统（保护接地）
TT系统就是电源中性点直接接地、用电设备外壳也直接接地的系统，如图1-3-2所示。通常将电源中性点的接地叫做工作接地，而设备外壳接地叫做保护接地。TT系统中，这两个接地必须是相互独立的。设备接地可以是每一台设备都有各自独立的接地装置，也可以若干台设备共用一个接地装置，图1-3-2中单相设备和单相插座就是共用接地装置的。
TT系统主要用于低压公用变压器配电系统和110kV及以上的高压供电系统。
这种系统的接地装置耗用钢材多，难以回收，费工时。
3.TN系统
TN系统即电源中性点直接接地、设备外壳等可导电部分与电源中性点有直接电气连接的系统，它有三种形式，分述如下。
（1）TN-S系统
图1-3-2 TT系统
TN-S系统如图1-3-3所示。图中中性线N与TT系统相同，在电源中性点工作接地，而用电设备外壳等可导电部分通过专门设置的保护线PE连接到电源中性点上。在这种系统中，中性线N和保护线PE是分开的。TN-S系统的最大特征是N线与PE线在系统中性点分开后，不能再有任何电气连接。TN-S系统是我国现在应用最为广泛的一种系统（又称三相五线制）。新楼宇大多采用此系统。
图1-3-3 TN-S系统
应用TN-S系统时注意事项：
1）在该系统中，中性线导体应视为带电体，单相电路由中性线导体构成电气通路。三相电路内中性线导体流过不平衡电流。
2）保护导体在正常情况下是不带电的，只有当外露可导电部分故障带电后，保护导体才短时带电，在该系统中，电气装置的外露可导电部分和装置外导电部分只能和保护导体作电气连接。
（2）TN-C系统
TN-C系统如图1-3-4所示，它将PE线和N线的功能综合起来，由一根称为保护中性线PEN，同时承担保护和中性线两者的功能。在用电设备处，PEN线既连接到负载中性点上，又连接到设备外壳等可导电部分。此时应注意相线（L）与零线（N）要接对，否则外壳会带电。
图1-3-4 TN-C系统
TN-C系统现在已很少采用，尤其是在民用配电中已基本上不允许采用TN-C系统。
图1-3-5 TN-C-S系统
（3）TN-C-S系统
TN-C-S系统是TN-C系统和TN-S系统结合的形式，如图1-3-5所示。TN-C-S系统中，从电源出来的那一段采用TN-C系统只起电能的传输作用，到用电负载附近某一点处，将PEN线分开成单独的N线和PE线，从这一点开始，系统相当于TN-S系统。TN-C-S系统也是现在应用比较广泛的一种系统。这里采用了重复接地这一技术。此系统在旧楼改造中适用。
（4）建筑施工现场配电系统的确定
1）凡架设专用施工变压器的施工现场：按照《施工现场临时用电安全技术规范》规定，采用TN-S系统。
2）架空线路的导线排列顺序为面向负载侧，从左到右：L1、N、L2、L3、PE。
3）电缆线路：最好采用五芯电缆供电；当采用四芯电缆时，可随电缆敷设一根与PEN线等截面积的保护导体；或随电缆敷设一根40mm×4mm的镀锌扁钢作为保护导体。
4）当施工现场不设专用施工变压器，而是借用甲方或外单位电源时：
①若原配电系统为TN-S系统，符合JGJ46—2005《施工现场临时用电安全技术规范》规定的，采用TN-S系统。
②若原配电系统为TN-C系统，应在施工现场用电总配电箱处，作一组重复接地装置与PEN线相连接，再从零线上引出两条线，一条作为中性线导体，一条作为保护导体。即总配电箱之前之后系统不一样。
③若原配电系统为TT系统，应在施工现场用电总配电箱处，做一组保护接地，从该接地装置引出一个保护导体作为接地干线至施工现场，保护导体可以采用单芯电缆，也可以采用40mm×4mm的镀锌扁钢。
④在同一配电系统中，严禁将一部分外露可导电部分进行保护接地，而将另一部分外露可导电部分进行保护接零。
（三）接地和接零保护
为了人身安全和电力系统工作的需要，要求电气设备采取接地措施。按接地目的的不同，主要分为工作接地、保护接地和保护接零、重复接地，如图1-3-6所示。
图1-3-6 保护接地、工作接地、重复接地及保护接零示意图
1.保护接地
按功能分，接地可分为工作接地和保护接地。工作接地是指电气设备（如变压器中性点）为保证其正常工作而进行的接地；保护接地是指为保证人身安全，防止人体接触设备外露可导电部分而触电的一种接地形式。在中性点不接地系统中，设备外露可导电部分（金属外壳或金属构架），必须与大地进行可靠电气连接，即保护接地。
接地装置由接地体和接地线组成，埋入地下直接与大地接触的金属导体称为接地体，连接接地体和电气设备接地螺栓的金属导体称为接地线。接地体的对地电阻和接地线电阻的总和，称为接地装置的接地电阻。
保护接地常用在IT系统和TT系统中。
（1）IT系统中的保护接地
在中性点不接地系统中，当电气设备内部绝缘损坏发生一相碰壳时，由于外壳带电，当人触及外壳，接地电流Ie将经过人体入地后，再经其他两相对地绝缘电阻R及分布电容C回到电源。当R值较低、C较大时，Ib将达到或超过危险值，如图1-3-7所示。
图1-3-7 未装保护接地的IT系统
如果将外壳接地，人体与接地体相当于电阻并联，流过每一通路的电流值将与其电阻的大小成反比。人体电阻通常为600～1000Ω，而接地体的接地电阻通常小于4Ω，因此流过人体的电流很小，这样就完全能保证人体的安全，如图1-3-8所示。
（2）TT系统中的保护接地
如电气设备金属外壳未采取任何安全措施，则当外壳故障带电时，工作接地电阻和人体电阻相串联，流过人体的接地电流足以使人致命。
图1-3-8 装保护接地的IT系统
这时人体处于相电压下，危险较大。
通过人体电流：
式中 Up——电源相电压（220V）；
R0——接地电阻≤4Ω；
Rb——人体电阻1000Ω。
图1-3-9 装保护接地的TT系统
进行保护接地时，人体电阻与保护接地电阻相并联再与工作电阻相串联，流过人体的接地电流仍大于致命电流，尽管危险性变小，但仍属于不安全范畴，如图1-3-9所示。
（3）保护接地原理
总结：保护接地的原理是给人体并联一个小电阻，以保证发生故障时，减小通过人体的电流。
在IT系统和TT系统中，应附加装设剩余电流动作保护器，或者将外露可导电部分采取保护接零方式。
2.保护接零
在TN系统中，为防止电气设备绝缘损坏或带电部分碰及外露可导电部分，使人身遭受触电危险，将电气设备外露可导电部分，通过保护导体与电力系统的接地点进行电气连接，叫保护接零。
（1）保护接零原理
保护接零的原理是借助接零线路，使设备在绝缘损坏后碰壳形成单相金属性短路时，利用短路电流促使线路上的短路保护装置迅速动作，在规定时间内将故障设备的电源断开，以消除电击危险，如图1-3-10所示。
保护接零适用于TN系统。
（2）保护接地和保护接零不能同时使用
通常，将金属外壳用保护接地线（PE）与接地极直接连接成为接地保护；而将金属外壳用保护线（PE）与保护中性线（PEN）相连接的，则称之为接零保护。
保护接地和保护接零同时使用时
当A相绝缘损坏碰壳时，接地电流
式中 R0——保护接地电阻，R0=4Ω；
R0′——工作接地电阻，R0′=4Ω。
图1-3-10 保护接零原理图
图1-3-11 保护接零与保护接地在一个系统中
设备外壳对地电压为
U=IeR0=27.5A×4Ω=110V
此电流不足以使大容量的保护装置动作，而使设备外壳长期带电，其对地电压为110V。
（3）采用保护接零时应注意事项
1）同一台变压器供电系统的电气设备不宜将保护接地和保护接零混用，而且中性点工作接地必须可靠。
2）保护零线上不准装设熔断器。
3.重复接地
在电源中性线做了工作接地的系统中，为确保保护接零的可靠，还需相隔一定距离将中性线或接地线重新接地，称为重复接地。
从图1-3-12a可以看出，一旦中性线断线，设备外露可导电部分带电，人体触及设备外露可导电部分同样会有触电的可能。而在重复接地的系统中，如图1-3-12b所示，即使出现中性线断线，但外露可导电部分因重复接地而使其对地电压大大降低，对人体的危害也就大大下降。不过应尽量避免中性线或接地线出现断线的现象。
图1-3-12 重复接地的作用
a）未进行重复接地的系统 b）进行重复接地的系统
（1）重复接地的作用
1）降低漏电设备外壳的对地电压；
2）减轻PEN线断线后可能出现的危险；
3）缩短故障持续时间。
由于重复接地在短路电流返回的途径上增加了一条并联支路，可增大单相短路电流，从而可缩短漏电故障持续时间。
4）改善防雷性能。
由于重复接地对雷电流起分流作用，可降低雷击过电压，改善架空线路的防雷性能。
（2）对重复接地的要求
对以下场合应装设重复接地：
1）架空线路干线和分支线的终端、沿线路每1km处、分支线长度超过200m分支处。
2）线路引入车间及大型建筑物的第1台配电装置处（进户处）。
3）采用金属管配线时，金属管与保护零线连接后做重复接地；采用塑料管配线时，另行敷设保护零线并做重复接地。
当工作接地电阻不超过4Ω时，每处重复接地电阻不得超过10Ω；当允许工作接地电阻不超过10Ω时，允许重复接地电阻不超过30Ω，但不得少于3处。
（3）对重复接地电阻的要求
独立的防雷保护接地电阻应≤10Ω；
独立的安全保护接地电阻应≤4Ω；
独立的交流工作接地电阻应≤4Ω；
独立的直流工作接地电阻应≤4Ω；
防静电接地电阻一般要求≤100Ω。
（四）一些常见的错误连接
在实际工作中，常有一些不规则的保护接地和接零，甚至是错误的保护接地和接零，起不到保护作用或作用不可靠，甚至导致相反作用使事故范围扩大。常见的错误连接如下：
1.将家用电器的金属外壳用导线和自来水管连接
这种保护措施是不可靠的，甚至是危险的。因为陆地低压电网采用的是系统中性点接地的供电方式，自来水管的接地电阻远达不到国家规定的要求，尤其采用屋顶水箱供水的自来水管，接地电阻更大。一旦用电器外壳带电，势必导致触电危险，也可能导致其他用电器带电。
2.同一系统中存在两种不同的保护方式
在同一段母线供电的线路中，一部分设备采用保护接地，另一部分采用保护接零，在这种状况下，一旦当某一接地设备的金属外壳漏电而导致零线电位上升，将会使外壳和零线相接的所有处于接零状态下的设备外壳带电。
（五）电气设备的接地范围
根据安全规程规定，下列电气设备的金属外壳应该接地或接零：
1）电机、变压器、电器、照明器具、携带式及移动式用电器具等的底座和外壳，如手电钻、电冰箱、电风扇、洗衣机等。
2）交流、直流电力电缆的接线盒，终端头的金属外壳，电线、电缆的金属外皮，控制电缆的金属外皮，穿线的钢管；电力设备的传动装置，互感器二次绕组的一个端子及铁心。
3）配电屏与控制屏的框架，室内、外配电装置的金属构架和钢筋混凝土构架，安装在配电线路杆上的开关设备、电容器等电力设备的金属外壳。
4）在非沥青路面的居民区中，高压架空线路的金属杆塔、钢筋混凝土杆，中性点非直接接地的低压电网中的铁杆、钢筋混凝土杆，装有避雷线的电力线路杆塔。
5）避雷针、避雷器、避雷线等。
三、习题
（一）判断题
1.接地是指带电部分与大地之间的任意处连接。（ ）
2.工作接地和故障接地都是设计中就有的接地。（ ）
3.接地电阻就是接地线的电阻与接地体（极）的电阻之和。（ ）
4.保护接地方式适用于电源中性点不接地的配电网。（ ）
5.在不接地电网中，带电部位对地绝缘电阻很高，因此人站在地面上触及带电部位不会受到致命伤害。（ ）
6.TT系统能将设备外壳任意处带电的对地电压限制在安全范围以内。（ ）
7.TT系统应装设剩余电流动作保护器。（ ）
8.保护接零的安全原理是将设备漏电时外壳对地电压限制在安全范围内。（ ）
9.保护接零适用于电源中性点直接接地的三相四线配电网中。（ ）
10.保护接零是将设备金属外壳与配电网的工作接零线紧密连接起来。（ ）
11.保护接零不能降低漏电设备对地电压。（ ）
12.正常情况下，TN-S系统中的PE线上有不平衡电流流过。（ ）
13.TN-S系统中，三相四孔插座的保护接地线孔应连接专用的PE线。（ ）
14.在保护接零系统中，单相三孔插座的工作零线（N）接线孔应与保护零线（PE）接线孔连接在一起。（ ）
15.在三相四线配电网中，PEN线表示工作与保护共用的零线。（ ）
16.在三相四线配电网中，PEN线表示专用的保护零线。（ ）
17.在保护接零系统中，N线和PE线是同一条线。（ ）
18.在同一接地的三相四线配电网中，根据施工条件，无条件允许一些设备采取接零方式，一些设备采取接地方式。（ ）
19.由专用变压器配电的建筑施工现场应采用TN-S系统。（ ）
20.重复接地的作用之一是减轻PEN线断线后可能出现的危险。（ ）
21.重复接地能进一步降低漏电设备外壳的对地电压。（ ）
22.重复接地与工作接地在电气上是相连接的。（ ）
23.即使PEN线断线，如果没有设备漏电，设备是不会带危险电压的。（ ）
24.重复接地的接地电阻不应超过0.5MΩ。（ ）
25.TN系统中，N线或PEN线断线有可能造成负载的三相电压不平衡。（ ）
26.配电变压器低压中性点的接地叫做工作接地，其接地电阻一般不应超过每伏工作电压1000Ω。（ ）
27.在带电作业中，人体与接地部位应保持安全距离。（ ）
28.因为绝缘电阻决定于绝缘结构及其状态，所以绝缘电阻可在停电后测量，也可在不停电的情况下测量。（ ）
29.不得利用电气设备的金属外壳串联在保护线中作为保护线的一部分。（ ）
30.采用单芯铝导线作PEN线时，其截面积不应小于10mm2。（ ）
31.采用单芯铜导线作PEN线时，其截面积不应小于6mm2。（ ）
32.当相线截面积S≤6mm2时，PE线截面积应与相线截面积相等。（ ）
33.若干台电气设备的金属外壳应当用一条保护线依次串联起来后再与保护干线连接。
（ ）
34.PE线和PEN线上都不得装设单极开关和熔断器。（ ）
35.低压三相四线系统中，可以只采用三芯裸铅包电缆的铅皮作为零线。（ ）
36.金属蛇皮管、管道保温层的金属外皮均可用作接地线。（ ）
37.接地体之间的连接必须采用焊接。（ ）
38.工作绝缘和保护绝缘的绝缘电阻都不得低于1MΩ，加强绝缘的绝缘电阻不得低于2MΩ。（ ）
39.雷电冲击波具有高频特征。（ ）
40.装设独立避雷针以后就可以避免发生雷击。（ ）
41.阀型避雷器是防止雷电侵入波的防雷装置。（ ）
42.避雷针是防止雷电侵入波的防雷装置。（ ）
43.在TN系统中，配电箱内应分别装有N线端子排和PE线端子排。（ ）
44.以气体放电灯为主的三相线路中，其中性线截面积不应小于相线截面积。（ ）
45.单相三孔插座的保护线应接在插孔的下方的左侧接线端子上。（ ）
46.施工现场采用TN-S系统的架空线路，面向电源侧的导线排列顺序为U、N、V、W、PE。（ ）
（二）选择题
1.保护接地系统属于（ ）系统。
A.TN-S B.TN-C C.TT D.IT
2.IT系统属于（ ）系统。
A.PE线和N线全部分开的保护接零
B.PE线和N线共用的保护接零
C.PE线和N线前段共用后段分开的保护接零
D.保护接地
3.TN-S系统属于（ ）系统。
A.PE线和N线全部分开的保护接零
B.PE线和N线共用的保护接零
C.PE线和N线前段共用、后段分开的保护接零
D.保护接地
4.TN-C-S系统属于（ ）系统。
A.PE线和N线全部分开的保护接零
B.PE线和N线共用的保护接零
C.PE线和N线前段共用、后段分开的保护接零
D.保护接地
5.TN-C系统属于（ ）系统。
A.PE线和N线全部分开的保护接零
B.PE线和N线共用的保护接零
C.PE线和N线前段共用后段分开的保护接零
D.保护接地
6.（ ）系统是不准许存在的。
A.TN-S-C B.TN-C C.TT D.IT
7.在TN-S系统中，N线表示（ ）。
A.相线 B.中性线 C.保护零线 D.保护地线
8.在TN-S系统中，PE线表示（ ）。
A.相线 B.中性线 C.工作零线 D.保护地线
9.在TN-C系统中，PEN线表示（ ）。
A.工作与保护共用的零线 B.中性线
C.保护零线 D.保护地线
10.TN系统分为（ ）种方式。
A.1 B.2 C.3 D.4
11.在TN-S系统中，用电设备的金属外壳应接（ ）干线。
A.PEN B.N C.PE D.接地
12.在TN-C系统中，用电设备的金属外壳应接（ ）干线。
A.PEN B.N C.PE D.接地
13.在同一保护接零系统中，如某设备接零确有困难而采用接地保护，则应采取（ ）作为补充安全措施。
A.电源主开关改用低压断路器 B.改用小容量熔断器
C.加装剩余电流动作保护器 D.降低接地电阻
14.重复接地的接地电阻值一般不应超过（ ）。
A.10Ω B.100Ω C.0.5MΩ D.1MΩ
15.低压配电系统的铜质PEN线的截面积不得小于（ ）mm2。
A.2.5 B.4 C.6 D.10
16.低压配电系统的铝质PEN线的截面积不得小于（ ）mm2。
A.4 B.6 C.10 D.16
17.利用低压配电系统的多芯电缆的芯线作为PE线或PEN线时，该芯线的截面积不得小于（ ）mm2。
A.1.5 B.2.5 C.4 D.6
18.低压配电系统的N线应为（ ）色线。
A.粉 B.淡蓝 C.黑 D.白
19.低压配电系统的PE线应为（ ）色线。
A.黄 B.蓝 C.黑 D.绿/黄双
20.插座回路保护线的颜色应当是（ ）色。
A.深蓝 B.浅蓝 C.绿/黄双 D.黑
21.单相三孔插座的（ ）应当接在保护线专用的接线端子上。
A.相线 B.工作零线 C.保护线