低压电气装置接地的几个问题

1 暂时过电压

1.1 高压系统接地故障和低压系统故障引起的低压装置暂时过电压

电路图如图1-1所示。

图1-1 变电所和低压装置可能对地的连接及故障时出现过电压的典型示意图

引起的低压装置暂时过电压列入表1-1。

表1-1 低压系统内的工频应力电压和工频故障电压 系统接地类型 TT 对地连接类型 RE与RB连接 RE与RB分隔 RE与RB连接 RE与RB分隔 RE与Z连接 RE与RA分隔 U1 U0*) U2 Uf 0*) 0*) REIEU0 U0*) U0*) U0*) REIEU0 U0*) TN REIE**) 0*) 0*) RAIh REIE REIE REIEU0 U0*) REIEU0 U03 U0*) REIEU03 U0*) IT RE与Z连接 RE与RA互连 RE与Z分隔 RE与RA分隔 U03 REIEU0 U03 U0*) 0*) RAId REIEU03 U03 *) 不需考虑。 )通常，低压系统的PEN导体为多点接地。在这种情况下，总并联接地电阻降低。 装置内有接地故障。 **

低压系统绝缘配合要求见表1-2。

表1-2 允许的工频应力电压 高压系统接地故障持续时间 s ＞5 ≤5 注：对于无中性导体的系统，U0应是相对相的电压。 注1：表中第1行数值适用于接地故障切断时间较长的高压系统，例如中性点绝缘和谐振接地的高压系统；表中第2行数值适用于接地故障切断时间较短的高压系统，例如中性点低阻抗接地的高压系统。两行数值是低压设备对于暂时工频过电压绝缘的相关设计准则，（见IEC60664-1）。 注2：对于中性点与变电所接地装置连接的系统，此暂时工频过电压也出现在处于建筑物外的设备外壳不接地的绝缘上。 低压装置中的设备允许的工频应力电压 V U0+250 U0+1200

为防止发生人身电击和火灾事故，应限制工频故障电压Uf。图1-2所示允许接触电压UTp值，工频故障电压Uf与允许接触电压UTp之间关系，与是否设置总等电位联结有关，未设置总等电位联结，两者其值近似。可依据过电流保护装置的总动作时间，查图1-2得出允许接触电压UTp值，再依据系统电流限值，可计算出接地电阻值。

图1-2 变电所内高压侧发生接地故障时允许接触电压UTp值

1.2 TN和TT系统中性导体中断时的工频应力电压

应注意，当多相系统中的中性导体中断时，额定电压为线导体对中性导体之间电压的基

本绝缘、双重绝缘、加强绝缘以及器件可能暂时承受线电压。此应力电压能高达U3U0。

图1-3 中性导体中断时电路图

三相供电线路发生中性导体中断故障，线电压将加在星形连接负载上，当负载不相等时，负载大（阻抗低）分压低，而负载小（阻抗高）分压高。负载非常非常小（阻抗趋于无穷大），负载上的电压为3U0。

1）中性导体的截面选择

在以下情况下，中性导体至少应和相线导体具有相同的截面： —单相两线制线路；

—相导体截面小于等于16mm2（铜导体）或25mm2（铝导体）的多相回路； —可能带有三及三的奇数倍次谐波电流，其总谐波畸变率介于15%～33%的三相回路； 当相电流中的总谐波畸变率（包括三及三次的奇数倍次谐波）高于33%时，应增大中性导体截面（见表1-3）

表1-3 四芯或五芯电缆存在谐波电流时的降低系数 相导体的三次谐波分量 降低系数 % 基于相电流选择截面 基于中性线电流选择截面 0-15 15-33 33-45 >45 1.0 0.86 - - - - 0.86 1.0 注：相导体的三次谐波分量是三次谐波与基波(一次谐波)的比值，用%表示。

a) 对于多芯电缆，相导体的截面等于中性导体的截面，这时应按照相电流（IB）的1.45倍

来选择中性导体截面。

b) 对于单芯电缆，相导体的截面允许小于中性导体，应由下面原则来确定：

—对于相导体： 按照相电流IB选择。

—对于中性导体： 按照相电流IB的1.45倍选择。

2）在多相回路中，每一相导体截面大于16mm2（铜）或25mm2（铝）且满足以下全部条件，中性导体截面可小于相导体截面。

—在正常工作时，负荷分配较均衡且谐波电流（包括三及三的奇数倍次谐波）不超过相

电流的15%；

注： 一般说来，中性导体截面的减少值不超过相导体截面的50%。

—中性导体按《GB 16895.5-2012 低压电气装置 第4-43 部分安全防护过电流保护》中431.2规定进行过电流保护。

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—中性导体截面不小于16mm（铜）或25mm（铝）。

1.3 配出中性导体的IT系统发生接地故障时的工频应力电压

应注意，IT系统中某一线导体非正常地接地，额定电压为线导体对中性导体之间电压的绝缘或器件可能暂时承受线电压。此应力电压能高达U3U0。

图1-4 IT系统接地故障时电路图

1.4 线导体与中性导体之间发生短路时的工频应力电压

应注意，低压装置中发生某一线导体与中性导体之间短路时，其它线导体与中性导体之间电压在5s内能高达1.45×U0。

线导体与中性导体短路故障如下图所示。故障电流如下式：

图1-5 线导体与中性导体短路故障时电路图

If式中 U0－相线对地电压，V；

Z0－变压器零序阻抗，Ω； ZL－相导体阻抗，Ω；

ZN－中性线导体阻抗，Ω；

If－相线与中性线短路故障电流，A.

U0

Z0ZLZN变压器的零序阻抗与相导体阻抗、中性导体阻抗相比，可以忽略，Z00。低压导体忽略相导体阻抗和中性导体阻抗中的电抗，则ZLRL，ZNRN。上式则变为：

IfU0 RLRN低压配电中性导体的截面一般为相导体截面的一半，即2RLRN。上式则变为：

IfU0U0U0

RLRNRL2RL3RLU0U2RN02RLU0 3RL3RL3相导体与中性导体短路故障后，过电流保护器未动作前，故障电压Uf为：

UfIfRN故障点处的三相相量关系如图1-6所示。

图1-6 相线与中性线短路故障时相量图

故障点处非故障相工频电压升高，其升高数值可由Uf和UL2相量和求出。用余弦定理解

出：

2222022UL2UL3ULU2UUcos120U(U)2UU0cos12002fL2f00033

4221946192U0U02U0U0()U0U01.45U0

9329999同理，当低压配电中性线导体的截面与相线导体截面的相等时，即RLRN；故障电压Uf1U0，上式则变为： 21141272UL2UL3U0(U0)22U0U0cos1200U0U01.32U0224444

1.5 保护电器拒动引起的暂时过电压

架空线路的导体折断且接地或绝缘子闪络接地，埋地敷设的电缆绝缘性能老化或局部击穿，发生带电导体经电阻RE接地，当电阻RE值足够高时，保护电器不动作，此接地故障长

期存在。带电导体对地电压U0经电阻RB与电阻RE分压，PEN导体长期带电压。

图1-7 TN系统发生接地电阻不可忽略接地故障时电路图

1）采用总等电位联结降低PEN导体传导故障电压

图1-8 TN系统等电位联结作用

以接地型式TN－C－S系统为例加以说明，图1-8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，不安装主等电位联结,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ZPEN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Id流经相线和PE线、PEN

IdU0

ZTZLZPENZPE式中－U0相对地标称电压，V ；

－ZT变压器零序阻抗，Ω ； －ZL相线阻抗，Ω ；

－ZPE电气装置内部PE线阻抗，Ω ； －ZPEN电气装置外部PEN线阻抗，Ω 。 预期故障电压UT1可用下式计算：

UT1IdZPENRAIdZPE

RARB做了总等电位联结后预期接触电压为

UT2IdZPE

从以上两式可知，做了总

UUT1UT2IdZPENRA

RARB从图1-8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。

户外照明装置自动切断电源

（1）保护等电位联接

在户外照明装置附近不是外露可导电部分并且不是户外照明装置的一部分的金属结构（例如栅栏、网等），不需要接到接地端子上。

（2）附加保护

在电话亭、公共汽车候车亭、广告牌、城市地图牌和类似场所的照明设备，应采用额定动作电流不大于30mA的剩余电流保护器作为附加保护。

总等电位联结范围外低压配电应采用TT接地型式供电，但仍有采用TN-S接地型式供电，有产生电击的可能。TN-S供电系统如图1-9所示。

图1-9 T N-S供电电路图

在每基电杆处做重复接地，重复接地的主要作用在于降低保护接地的接地电阻值。由于TN-S系统不能消除PE导体带故障电压，总等电位联结范围外低压配电应采用TT接地型式供电，如图1-10所示。

图1-10 TT供电电路图

供电线路的泄漏电流超过时：

—采用三相供电（线路的泄漏电流估算：1/2000负载电流（三相）；1/1000负载电流（单相）；

—每基电杆处设置额定动作电流不大于30mA剩余电流动作保护器； —双重绝缘或加强绝缘； —特低电压。

2）局部等电位联接降低PE导体传导故障电压

—对于不超过32 A的终端回路，其最长的切断电源的时间见表1-4。

表1-4 最长的切断时间 系统 TN TT 50 V400 V/s a.c. 0.8 0.3 d.c. 注1 注1 a.c. 0.4 0.2 d.c. 5 0.4 a.c. 0.2 0.07 d.c. 0.4 0.2 a.c. d.c. 0.1 0.04 0.1 0.1 当TT系统内采用过电流保护电器切断电源，且其保护等电位联结连接到电气装置内的所有装置外可导电部分时，该TT系统可以采用表中TN系统最长的切断电源时间。 U0：交流或直流线对地的标称电压。 注1：切断电源的时间要求可能是为了电击防护之外的原因。 注2：采用剩余电流保护器 （RCD）切断电源的时间预期剩余故障电流通常为5IΔn确定。

—TN系统内＞32A配电回路，其切断电源的时间不允许超过5 s。 —TT系统内＞32A配电回路，其切断电源的时间不允许超过1 s。

如图1- 11所示，如果发生＞32A设备接地故障，接地故障电流Id则为：

IdU0ZTZLZPENZPE1ZPE2

式中 Id－接地故障电流，A； ZT－变压器零序阻抗，Ω； ZL－相线阻抗，Ω； ZPEN－PEN线阻抗，Ω；

ZPE1－进线配电箱至终端配电箱PE线等值阻抗，Ω； ZPE2－固定式设备至配电箱PE线等值阻抗，Ω；

U0－相线对地的标称电压，V。

≤32A供电回路设备的预期接触电压UT为：

UT1IdZPE1

电源系统接地的电阻值RB与保护导体接地电阻值RA之和远远大于PEN线阻抗ZPEN，故在以上的接地故障电流的计算中，忽略了接地极的分流。

采用如图1-12 所示的局部等电位联结时，其接地故障电流为：

IdZTZLZPEN式中ZPEZPE3ZPE4ZPE5ZPE6

接地故障电流Id的分流Id2为:

U0

ZPE1ZPEZPE2ZPE1ZPEIdId2ZPE1ZPEZPE1ZPEZPE1 IdZPEZPE1ZPE≤32A供电回路设备的预期接触电压UT2为：

UT2Id2(ZPE3ZPE4)

通过UT1与UT2的比较可发现，局部等电位联结消除自总等电位联结后沿PE线的危险

故障电压，即使保护电器切断时间超过5s，≤32A供电回路设备的预期接触电压UT2仅为接地故障电流的分流Id2在ZPE3和ZPE42的电压降，ZPE3和ZPE42的值甚小，不致于发生电击事故。

图1-11 TN系统未有局部等电位联结

图1-12 TN系统有局部等电位联结

2 金属接地极的电化学腐蚀

2.1 敷设在土壤内或混凝土内常用金属电极电位

金属接地极一般敷设在土壤内或混凝土内，常用金属接地极极电位见表2-1。

表2-1 在土壤内或混凝土内常用金属电极电位表 金属名称 铅 铁（钢） 铁（生锈的） 铸铁（生锈的） 锌（包括镀锌铁） 铜 混凝土内铁 电解液 土层湿度 土层湿度 土层湿度 土层湿度 土层湿度 土层湿度 水泥湿度 对铜/硫酸铜的电位/V） -0.5~-0.7 -0.5~-0.8 -0.4~-0.6 -0.2~-0.4 -0.7~-1.0 ±0.0~-0.2 -0.1~-0.3 (摘自《DIN 57100∕VDE 0100 等电位联结和基础接地》 附录1中的表6)

产生电化学腐蚀电池的条件：有阴极和阳极、 阴极和阳极之间有电位差、 阴极和阳极之间有连接及阴极和阳极在同一电解质中。

2.2 不形成阴极和阳极措施

通常的接地系统设计中，在建筑物外设置人工接地极，材料为镀锌扁钢，同时利用混凝土内钢筋作为接地极，二者通过接地线联结为电气通路。从表2-1可以看出混凝土内的钢筋电极电位为－0.1～－0.3V，而在土壤中敷设的镀锌铁电极电位为－0.7～－1.0V，如果将两处的接地极连接起来，形成原电池，其电位差为－0.4～－0.9V之间。土壤中敷设的镀锌铁接地极的镀锌层被腐蚀掉，变成生锈铁，其电极电位为－0.4～－0.6V，两部分接地极间电位差为－0.1～－0.5V之间。继续不断腐蚀土壤中的接地极，腐蚀程度取决与两部分接地极面积的比例，利用混凝土内的钢筋面积越大，土壤中敷设的接地极被腐蚀越块。

为了减小电化学腐蚀，可采取：

—在土壤中敷设的接地极应该用混凝土包围，使接地极完全敷设在相同的敷设环境内，使两部分接地极具有同一电极电位，不产生电化学腐蚀。

—从表2-1还看出：混凝土内的钢筋电极电位为－0.1～－0.3V，而在土壤中敷设的铜电极电位±0.0~-0.2V，是非常接近的，这就给利用混凝土内钢筋作为接地装置提供了一个良好的工程解决办法。如《GB 16895.3-201X 低压电气装置 第5-54部分 接地配置和保护导体》中的“C.4埋入混凝土基础内接地极以外的其它接地装置部分可能出现的腐蚀的问题

应注意到埋入混凝土内的普通钢材(裸露或热浸镀锌)与埋入土壤内铜材的电化学电位相等。因此，对埋入基础附近土壤内的钢材与埋入混凝土基础内的接地极钢材的不同接地装置部分出现电化学腐蚀危险。此作用也可在大的建筑物钢筋基础内产生。”所述，混凝土内钢筋与埋入土壤内铜材连接时，不发生电化学腐蚀。

—在总等电位联结中，户外埋地敷设的金属管道、电缆金属外护套等与总等电位联接端子连接，混凝土内的钢筋与总等电位联接端子连接，其户外埋地敷设的金属管道、电缆金属外护套应包绝缘或其它措施。

2.3 阴极和阳极之间不连接

敷设在土壤中的接地极同时采用铜和镀锌铁时，铜金属在土壤中的电极电位为±0.00～－0.2V，镀锌铁在土壤中的电极电位为－0.7～－1.0V，最大的电位差为－0.5～－1.0V，其电化学腐蚀过程与上述相同，不赘述。

为了提高高频接地效果，设计中通常使用使用铜金属作为接地极，此时，不应再与其它金属接地极相连接。而且，应与相邻的设备外壳构架基础、电缆金属外护套、设备、管道等保持一定距离，否则，二者之间形成原电池，对设备和电缆等造成腐蚀伤害。

2.4 阴极保护

根据电化学腐蚀电池阳极不被腐蚀的原理，可使被保护金属接地极作为电化学腐蚀电池阳极，以免受电化学腐蚀。也就是通常所说的牺牲阳极的阴极保护法。

在采用铁金属接地极系统中，可加入锌板也作为接地极，锌板在土壤中电极电位为－0.7～－1.0V，而铁在土壤中电极电位为－0.4～－0.6V，显然铁为电化学腐蚀电池的阳极，锌板为电化学腐蚀电池的阴极。锌板发生电化学腐蚀，定期更换锌板以保护铁金属接地极不受腐蚀。

3 TT系统与TN-S系统应用在同一建筑物

建筑物的底层或地下室部分，由城市公用电网供电，采用TT系统供电；而建筑物其它部分，属于业主自行管理，则采用TN-S系统供电。TT系统低压供电时，如图3-1所示。在一个建筑物内TT系统与TN-S系统供电，为了总等电位联结，保护接地在一个建筑物内只能有一个。当TT系统采用高压供电时，变压器低压侧的中性点要独立接地，该接地配置应与保护接地配置绝缘，如图3-2所示。

图3-1 TT系统低压供电与TN-S系统供电接地示意图

图3-2 TT系统高压供电与TN-S系统供电接地示意图

4加强屏蔽作用的旁路导体

以下摘自《GB/T 16895.10-2010 低压电气装置 第4-44部分：安全防护 电压骚扰和电磁骚扰防护》

“444.4.2降低电磁干扰(EMI)措施

i)使用信号和数据屏蔽电缆时，宜限制来自电源线路的通过信号电缆或数据电缆接地的屏蔽层或芯线故障电流。附加一根导体是需要的，例如，一根加强屏蔽作用的旁路等电位联结导体，见图44.R1；

图44.R1 加强屏蔽作用的旁路导体提供共用等电位联结系统

注1：信号或数据电缆护套附近旁路导体的措施，也降低与仅由一根保护导体接地的设备的环路面积。此作法极大地降低雷电电磁脉冲(LEMP)的电磁兼容(EMC)效应。

j)信号和数据屏蔽电缆为几座TT系统供电的建筑物共用时，宜采用旁路等电位联结导体，见图44.R2。旁路等电位联结导体的最小截面应为16mm2铜或等值。等值截面应根据 GB 16895.3-2004的541.1条确定；

图44.R2 TT系统中替代或旁路等电位联结导体的示例”

依据《GB/T 2900.73-2008 电工术语 接地与电击防护》 “195-02-29

平行接地导体 parallel-earthing-conductor;parallel-grounding-conductor (US) ； parallel earth continuity conductor (deprecated) 通常沿电缆线路敷设的导体，并能在电缆线路两端接地配置之间提供低阻抗连接。”的定义，

与《GB 16895.3-201X 低压电气装置 第5-54部分 接地配置和保护导体（报批稿）》 “541.3.8

接地导体 earthing conductor

在系统、装置或设备的给定点与接地网之间提供导电通路或部分导电通路的导体。

[GB/T 2900.71-2008, 826-13-12]

注：对于IEC 60364的本部分目的，接地导体就是将接地极连接到等电位联结系统的一个点的导体，

该点通常是总接地端子。”

不相符，因此采用“加强屏蔽作用的旁路导体”称呼较为贴切。

5 冲击接地电阻值

对于接地电阻值，有两个数值：一个是工频接地电阻值，即当接地装置通过工频电流时，所呈现出来的电阻值就是工频接地电阻值，另一个就是防雷接地装置的冲击接地电阻值，即当防雷接地装置承受雷电冲击电压和冲击电流时（非工频范围）所呈现出来的就是冲击接地电阻值。冲击接地阻抗：接地体电压峰值与接地体电流峰值之比，通常两者峰值不会同时发生。

一般地讲，冲击接地电阻并不等于工频接地电阻。这是因为强大的雷电流自接地体流入土壤时，会在接地体附近形成很强的电场，将其击穿并产生火花，这相当于增加了接地体的截面积，增加了泄流面积，减少了接地电阻。在强电场的作用下，土壤电阻率也有所降低，减小了接地电阻。另一方面，由于雷电流陡度很大，有高频脉冲特性，使接地体本身的电抗增大，接地电阻有可能增大。

雷电是很复杂的，其三个特性（陡度、幅值、持续时间）及作用次数，虽有了一定程度的了解，目前尚无法用仪器测得冲击接地电阻值。

5.1 共用接地极

基于如下理由：

-不同接地极间存有耦合并导致设备电压不可控地升高； -相互连接的设备可有不同的参考地电位； -存有电击的危险，特别是大气过电压的情况。

与建筑物有关的所有接地极，即保护、功能和雷电防护的接地极应相互连接，见图5-1。

图5-1 相互连接的接地极

保护和功能联结导体应各自连接到总接地端子上，这样当一根导体断开时，所有的其余导体仍保持固定的方式连接到总接地端子上。

5.2 防雷接地电阻值

（1）冲击接地阻抗与约定接地阻抗

在《GB/T 21714.1-2008 雷电防护 第1部分：总则》称“冲击接地阻抗”，其原文为

“conventional earthing impedance”；而在《GB/T 21714.3-2008 雷电防护 第3部分：建筑物的物理损坏和生命危险》称“常规接地阻抗”，其原文为“conventional earthing impedance”。

最新《GB/T 21714-3 雷电防护 第3部分：建筑物的物理损坏和生命危险（征求意见稿）》称“

约定接地阻抗 conventional earth impedance

接地体电压峰值与电流峰值的比值。通常两者峰值不会同时出现。”。 在工程设计中，采用“冲击接地阻抗”，还是采用“约定接地阻抗”，有待最后确定。 （2）接地电阻值

摘自《GB/T 21714-3 雷电防护 第3部分：建筑物的物理损坏和生命危险（征求意见稿）》 “5.4 接地装置 5.4.1 概述

将雷电流（高频特性）分散入地时，为使任何潜在的过电压降到最小，接地装置的形状和尺寸很重要。一般来说，建议采用较小的接地电阻（如果可能，低频测量时小于10Ω）。 从雷电防护观点来看，接地装置最好为单一、整体结构，可适用于任意场合（例如：雷电防护、电力系统和通信系统）。” 工频接地电阻值不大于10Ω 即可。

5.3 接地装置冲击接地电阻与工频接地电阻的换算

(1) 接地装置冲击接地电阻与工频接地电阻的换算应按下式确定：

R~ARi （5-1）

式中 R～－接地装置各支线的长度取值小于或等于接地体的有效长度le或者有支线大于le而

取其等于le时的工频接地电阻，Ω；

A－换算系数，其数值宜按图5-2确定； RI－所要求的接地装置冲击接地电阻，Ω。 (2) 接地体的有效长度应按下式确定：

le2

式中 le－接地体的有效长度，应按图5-3计量，m； ρ－敷设接地体处的土壤电阻率，Ω•m。

(3) 环绕建筑物的环形接地体应按以下方法确定冲击接地电阻：

1）当环形接地体周长的一半l大于或等于接地体的有效长度le时，引下线的冲击接地电阻应为从与该引下线的连接点起沿两侧接地体各取le长度算出的工频接地电阻（换算系数A等于1）。

2）当环形接地体周长的一半l小于le时，引下线的冲击接地电阻应为以接地体的实际长度算出的工频接地电阻再除以A值。

(4) 与引下线连接的基础接地体，当其钢筋从与引下线的连接点量起大于20 m时，其冲击接地电阻应为以换算系数A等于1和以该连接点为圆心、20 m为半径的半球体范围内的钢筋体的工频接地电阻。

图5-2 换算系数A

注：l为接地体最长支线的实际长度，其计量与le类同。当它大于le时，取其等于le。

图5-3 接地体有效长度的计量