电气接地的原理和目的

首先,我们要知道接地的目的是什么!看下图:
仔细观察,我们会发现右图的电池负极线路有接地标识。这说明,电池负极为零电位,它为全电路定义了电压参考点。这种接地叫做工作接地,工作接地的目的就是为系统构建零电位点。
这张图中,t是电力变压器的低压侧绕组。低压绕组的中性线实施了工作接地,注意是接大地。我们把工作接地后的中性线引出,它就是大名鼎鼎的零线,符号是pen,定义名称是保护中性线。注意:图中的配电系统,有了工作接地,线路中各处的对地电位就是明确的,不会发生偏移。
图中的负载电阻ra、rb和rc不相等,如果零线没有工作接地,它的末端电位就会偏离零电位点。有了工作接地,零线的电位被强制性地限定为大地的零电位。这就是工作接地的目的。
这张图中,我们看到了变压器低压侧绕组的中性线n执行了工作接地,并且以pen零线的形式引出。注意到在负载侧的引入端,零线再次重复接地,其目的是确保零线线路末端的电位依然为零。这样做的就能够防止零线过长引起零线末端的零电位偏离,防止因为零线断裂而引起的零电位偏离。
注意到一个重要事实:尽管零线电位为零,但零线电流丝毫不受影响。也就是:零线电流的大小与零线电位为零无关!为何如此?因为零线的电压是节点电压,不是欧姆定律定义的电压。零线电压遵循基尔霍夫第二定律kvl,不遵循欧姆定律。
这张图就是tn-c接地系统。图中左起第一个负载,我们看到零线首先引入到用电设备的金属外壳,然后再引入到零线接线端子,于是用电设备外壳的电位为零。这种接法叫做保护接零。
保护接零的目的是什么?
其一:若用电设备的内部发生火线碰壳事故,由于外壳接零,于是外壳的电位为零。此时,若有人正在触摸用电设备的外壳,由于外壳为零电位,以此保障了人身安全。
其二:注意到零线电流与零线电压无关。当上述碰壳事故发生后,接零电流相当于火线对零线短路,于是线路中的保护装置(断路器或者熔断器)就会执行线路保护切断故障线路。
这张图中,我们看到变压器低压侧绕组工作接地后,以中性线n的形式引出。也就是说,tt接地系统具有工作接地。
用电设备的外壳单独接地,与n线无关。这种接地叫做保护接地。
用电设备的外壳执行保护接地后,一旦发生碰壳事故,由于用电设备的外壳为零电位,确保了人身安全防护。同时,故障电流形成接地电流,经过地网再返回变压器中性点。由于地网的阻抗较大,因此故障电流较小,无法启动断路器或者熔断器执行线路保护。这时,就需要在系统中安装漏电保护器来执行线路保护。
一般地,漏电保护器的动作电流设定为30ma。
iec提出了另外一种接地形式,以满足配电系统的接地需求,这就是tn-s接地系统。
注意看图中的变压器中性点,它工作接地后以中性线n和保护线pe的形式引出。在负载侧,负载的外壳接到pe线上。由于pe线就是地线,所以用电设备的这种防护也叫做保护接地。
tn-s的保护接地与tt的保护接地有何不同?当tn-s接地系统中用电设备的外壳发生碰壳事故,故障电流沿着pe地线返回电源,线路阻抗很小。又因为地线pe与中性线n在电源侧是接在一起的,接地电流相当于相线对n线的短路,故障电流较大,能够启动线路中的保护装置执行线路保护。同时,tn-s接地系统是可以安装漏电保护器的。)tn-s接地系统中的人身安全防护相对其它接地系统要完善得多。
值得注意的是:iec规定x相x线的线制中,“x线”指的是正常运行时有电流流过的线路。pe线在正常运行时没有电流流过,因此它不算线。故而,tn-s接地系统属于三相四线制。
iec还把tn-c系统与tn-s接地系统联合起来,形成tn-c-s接地系统。
注意看图中的负载,靠左侧的用电设备属于保护接零,系统中存在零线pen;靠右侧的用电设备属于保护接地(保护接pe地线),局部系统中没有零线,只有中性线n和地线pe。
一般地,在零线分开为中性线n和地线pe时,分开点需要配套重复接地。
下面看一张居家配电系统的tn-c-s接地系统图。
在图中,我们看到了电力变压器t,它的中性线接地,然后以pen零线的形式引出。同时,三条相线引入到总断路器中。在总断路器下端的出线侧,三条相线(火线)和pen线(零线)一起,经过电缆引入到居家配电的入口处。此处的接地系统符合tn-c接地系统。
在居家配电的入口处,零线pen首先接到重复接地的扁钢leb处,在这里一分为二,成为pe地线和n中性线。从这里开始,接地系统变成tn-s。由于它是经由tn-c改变接线而得到的,因此iec把它叫做tn-c-s接地系统。
注意到图中的相线经过总开关qf0后,和中性线一起引入到电度表中。在电度表的出口处,系统中的相线l、中性线n和pe地线一起入户,到达我们居家的配电箱中。
居家配电箱中,安装了总进线开关,总漏电开关,还有若干馈电开关。图中的电冰箱就接在最右侧的馈电回路末端。我们看到,电冰箱的外壳是接pe地线的。
当电冰箱的外壳发生碰壳事故后,地线pe将流过故障电流,而相线中的电流也会增加,于是总进线开关处的漏电保护器会执行保护动作,驱动总开关跳闸;同时,电冰箱回路的馈电开关也会跳闸。由于我们设计总漏电开关的动作时间略微滞后于馈电开关,因此电冰箱回路所在的馈电开关会先跳闸,由此实现了上下级开关动作的选择性。