工作接地与保护接地原理及作用

接地原理及作用工作接地与保护接地电力系统和电气设备的接地按作用不同主要分为工作接地和保护接地两类。所谓工作接地是根据电力系统运行的需要，人为地将电力系统的中性点(例如发电机和变压器的中性点)及电气设备的某一部份(例如避雷针和避雷器的接地引下线)直接与大地进行金属性连接，或者通过特殊装置(例如消弧线圈、电阻、保护间隙等)与大地间接相连。其目的是使电力系统在正常工作或事故情况下，保证系统和电气设备可靠的运行，降低人体的接触电压以及有利于快速切断故障设备等。所谓保护接地主要指在10kV以下的供电系统，当电气设备的绝缘出现损坏时，有可能使设备的金属外壳带电，为防止这种电压危及人身安全而人为地将电气设备的金属外壳与大地进行金属性连接。电力系统的工作接地分为中性点直接接地(又称大电流接地系统)和中性点不接地或经消弧线圈接地(又称小电流接地系统)两种。在高压或超高压电力系统中，一般多采用中性点直接接地，它的优点是能防止系统发生接地故障后引起的过电压，并能避免由于单相接地后系统继续运行而形成的不对称性。工业企业供电系统，采用的电压一般都在35kV以下，接地方式情况较复杂。6～10kV及35kV系统均为中性点不接地系统；380/220V低压系统在多数企业采用中性点接地系统，但矿山企业均采用中性点不接地系统。保护接地按照中性点是否接地，其方式有所不同，例如保护接地和保护接零等。不论是那一类接地都必须在地下埋设接地体，由接地体和接地引线组成的装置称为接地装置。接地装置的接地电阻(Rd)值，报据作用(工作接地与保护接地)不同以及系统电压的不同而有不同的要求和规定。本节将着重讲述有关工作接地与保护接地的基本原则及基本知识，给读者建立一个基本概念。如需要深入学习，可参考有关专著，设计手册和资料。一、接地装置的散流效应为使现象直观清楚及分析结论清晰起见，假设接地装置为一半径为r的半球体(如图7－8)，并认为接地体周围的土质十分均匀，即土壤电阻率ρ是恒定值。当电流经接地装置(接地体)入地时，电流Id将从半球体表面均匀地散射出去。在接地半球体表面的电流密度(jr)为：而距半球体球心为xcm处的电流密度（jr）为：由上式可见，距球心的距离愈远，散流的电流密度愈小。不论入地电流Id有多大，当距离x超过20m时，则电流密度已很微小，基本上可视为零。在地中的电场强度为，故在x处的电场强度为。于是可用数学表达式写出散流方向，在dx段内的电压降落为：（V）将上式进行（由xA至∞）积分，既能求得对应于地表面任意点A处的电位UA：（V）（7－7）根据同理，可写出半球接地体表面处的电位：（V）（7－8）从公式(7—7)及公式(7－8)可以得出结论：当Id和ρ为定值时，距接地装置越远处的地表面电位越低，距接地装置越近处的地表电位越高，而以接地体表面处的电位为最高。电位和距离为双曲线函数关系，如图7－9所示。图中曲线称为对地电位分布曲线。当距离接地装置超过20m时，在该处的地表电位基本上等于零。根据欧姆定律，知土壤在散流时的散流电阻微分表达式为：故全部散流电阻为：（7－9）由式（7－8）及式（7－9）可以得出：（7－10）式中Ud称为对地电压，Rd又称为接地电阻。接地电阻与土壤电阻率成正比，与接地体的半径成反比。一般情况下，接地装置的结构型式均比较复杂，其接地电阻值还与结构型式有关。电气设备的外壳一般都和接地体连接，使设备外壳保持和大地同为零电位。例如电气设备内有一相绝缘遭到破坏，则有接地电流入地，在接地体附近地表有对地电位分布，而设备外壳上的对地电压最高(Ud)，见图7－9。假如此时人站在1处触摸设备外壳，由于手的电位为Ud，而脚的电位为U1，于是加于人体的电压为：(V)这个电压叫做接触电压。对地电位分布越陡，则接触电压越高。接触电压在任何情况下都不允许超过允许接触的安全电压。如果此时有人向设备走来，虽然人并未接触设备，但由于跨步过程两脚位置不同，前脚电位为U2，后脚电位为U1，因此加于人体的电压为(V)这个电压叫做跨步电压。跨步电压同样不允许超过允许接触的安全电压。欲减小接触电压和跨步电压，通常采取降低接地电阻和打接地均压网等措施，使电位分布曲线的陡度变平缓—些。二、对工频接地电阻值的规定十分明显，接地电阻Rd越小时，越安全。但接地电阻值要求越小，则工程投资费将增大，且有时在土壤电阻率很高的地区很难把电阻值降低。在有条件的地方虽然可以利用埋设于地下的各种金属管道(易燃液体，易燃气体或易爆炸气体的管道除外)，电缆的金属外皮以及建筑物和构筑物的地下金属结构等作为自然接地体，但在绝大多数情况下，主要还是依靠人工接地装置来满足接地电阻所要求的规定值。下面将接地电阻值的要求简要说明一下。1.电压为1000V以上的中性点接地系统中的电气设备这种系统通常称为大接地电流系统。在这种系统中线路电压高，接地电流很大。当发生单相碰壳对地短路时，在接地装置上及接地装置附近所产生的接触电压和跨步电压较高。为了确保安全，这种系统的接地电阻Rd允许等于或小于0.5Ω。2.电压为1000V以上的中性点不接地系统中的电气设备这种系统通常称为小接地电流系统。这种系统中电气设备的对地安全电压值应该定为多少，要根据高压侧设备和低压侧设备是否采用共同接地装置而定。如果高低压侧电气设备采用共同接地，由于考虑接地的并联回路很多，对地电压只要不超过安全电压(65V)的一倍就可以了，一般采用125V。如果接地装置只用于1000V以上高压侧设备，则对地电压可以比共同接地情况再提高一倍，即采用250V，原因是这种电气设备分布的范围不如低压设备广，而且一般只有熟练人员才能进行操作和维护。如果经过计算已知单相接地短路电流为I安，当接地装置与1000V以下的电气设备共用时，其接地电阻Rd应为：（7－11）如接地装置只用于1000V以上的电气设备时，则（7－12）根据以上两式计算Rd值时，故障电流I的计算方法如下：（7－13）式中Ue—网路的线电压(kV)；lk—电缆网路的总长度(km)；lB－架空网路的总长度(km)。如果网路仅为架空网路或仅为电缆网路，则不考虑另一种网路的长度。按照这个故障电流I计算接地装置的接地电阻时，其值不应大于10Ω。另外，尚应考虑季节变化对接地电阻的影响。上面规定的数值是指在最不利情况下应该具有的接地电阻值。3.电压在1000V以下的中性点不接地系统中的电气设备在1000V以下的中性点不接地系统中，当发生单相接地短路时，短路电流(系统对地电容电流)最多不超过十几安培。如果以15A作为计算电流，并将接地电阻限制在4Ω以内，则对地电压不应超过4×15＝60V。因此，对于一般电气设备的接地电阻均规定不得超过4Ω。当由单台容量或并联容量不超过100kV·A的变压器(或发电机)供电时，由于变压器内阻抗较大，且供电网路也不会很长，所以不可能产生较大的单相接地短路电流，因此接地装置的接地电阻值允昨不大干10Ω。根据同理，对于1kW以下的小型电气设备，其接地电阻值电可为10Ω。如果低压和高压侧(1000V以上)电气设备共用接地装置，则按式（7－11）考虑Rd值。4.电压在1000V以下的中性点直接接地系统中的电气设备在这种系统中电气设备的接地电阻不应超过4Ω。三、人工接地装置的工频接地电阻计算人工接地装置的类型很多，常用的有垂直埋设的接地体和水平埋设的接地体，它们的接地电阻计算公式分别如下。1.垂直埋设接地体的接地电阻垂直埋设的接地体多采用直径为50mm，长度为2～2.5m的铁管制成，其接地电阻值为（7－14）式中ρ—土壤电阻率(Ω·cm)；l—接地体的陡度(cm)；d—接地铁管的直径(cm)。为了尽量防止气候或自然条件对接地电阻值的影响，一般将铁管顶端埋设在地下0.5～0.7m深处(见图7－10)。垂直接地体有时也采用角钢或扁钢，此时，它们的等效直径如下：等边角钢：d=0.84b扁钢：d＝0.5b如果用单根垂直接地体接地电阻太大时，则必须打多根垂直接地体(排列成行或排列成环形)并以钢带将它们并联起来。此时多极并联垂直接地体的总接地电阻值为：（7－15）式中Rcz－单根垂直接地体的接地电阻（Ω），由公式（7－14）求得；n－并联的垂直接地体数目；－接地体的利用系数，它与相邻接地体之间的距离a和接地体的长度l的比值有关。a/l的值越小时，接地体散流时互相屏蔽使散流效应降低得越厉害，这相当于散流电阻增大，于是利用系数减小。如果时，则屏蔽现象消失，＝1。值可由图7－11查得。2.水平埋设接地体的接地电阻水平埋设的接地体一般可用扁钢、角钢或圆钢等制成，其接地电阻为：（7－16）式中L－水平接地体总长度（cm）；h－接地体埋深（cm），一般为0.5以下；ρ、d－同上；A－水平接地体的结构型式修正系数。四、防雷接地及冲击接地电阻值一切防雷设备的接地装置，在结构型式上和计算方法上均与工频接地时相同。但由于雷电冲击电流数值很大。这个冲击电流在几个μs到几十μs瞬间通过接地装置向大地中散流时，使接地装置表面的电流密度、周围土壤内的电场强度（）显著增大，因此接地装置周围的土壤中形成强烈火花放电，火花放电范围内土壤的压降显著降低接近于零。这个效应在工程计算上用冲击系数ac来表达。于是冲击接地电阻Rch和工颊接地电阻Rd之间的关系式可以表达为（7－17）冲击系数ac的大小与接地装置的型式、总长度、冲击电流的大小以及土壤电阻率等因素有密切关系。当雷电流幅值愈大，土壤电阻率愈高时，则冲击系数ac值愈小，ac一般小于1(多在0.3至0.9范围内)，也就是说冲击接地电阻—般都比工频接地电阻小。但也有特殊情况，当接地体很长时，由于电感的作用，电流向接地体较远地段流动时将受到阻碍，从而使雷电流不能沿接地体全长均匀扩散，因此有可能引起冲击接地电阻Rch大于工频接地电阻Rd，这时冲击系数ac大于1。总之，冲击接地电阻与工频接地电阻是有区别的，但是只要知道接地装置的工频接地电阻值Rd及相应的冲击系数ac，就能求出冲击接地电阻值Rch。例7—1某工厂变电站的独立避雷针要求冲击接地电阻Rch为10Ω。已知雷电流的特征为100kA，4/40μs；该地区的土壤为砂质土，土壤电阻率ρ＝5×104Ω·cm。今初步考虑采用三向放射式的复式接地装置(图7—12)，每支水平射线长10m，射线用40×4mm2的扁钢；每支水平射线上焊三支垂直接地体，垂直接地体用外径为50mm，长为2m的铁管。试验证此接地装置能否满足要求。解：单根垂直接地体的工频电阻按式(7—14)计算：水平接地体的工频接地电阻按式（7—16）计算：式中埋深h=50cm，扁钢等值直径d＝2cm。已知Im＝100kA，故每支路水平射线泄流约33kA，每支垂直接地体最多泄流11A(水平连线尚有泄流效应)。冲击系数，水平射线的冲击系数，因而可求得：单支垂直接地体的冲击接地电阻：水平接地体的冲击接地电阻：此接地装置的冲击利用系数＝0.65，求得其接地电阻：