在供电系统中,接地系统决定了电极对地球表面的电势。对接地系统的选择直接影响安全和电源的电磁兼容性,不同国家的标准和管理规定可以相差很大。大部分的接地系统都会将其中一个电源电极与大地直接相接,如果一个电器设备发生故障,使得火线(未接地的电源电极)接触到设备裸露的導電表面,那么任何一个与大地在电气上相连的人(比如站在地球表面或触碰接地池)触碰该设备表面将形成一个回路,电流返回到那个已接地的电源电极,造成触电。
保护接地,在美国国家电气代号NEC中称为设备接地极(equipment grounding conductor),将裸露的导電表面保持在与地相同的电势,从而避免这种危害。为了避免可能产生压降的压降,正常情况下,该极是不允许有电流流过的,但故障电流通常可以熔断保险丝或触发空气开关动作,从而保护电路。不足以触发过流保护的高阻抗的相-地故障还是有可能触发剩余电流(零序电流,漏电电流)装置。
相反,功能性的接地目的不是为了防止触电,而且可能通常会有电流通过。使用功能性接地的设备包括浪涌电流抑制器,电磁干扰滤波器,某些天线和测量仪器,但功能性接地的最重要的例子还是供电系统的中性点,该带电流的电极被接地,为了防止地电流,通常是单点接地。在NEC中称之为接地的电源极(GroundED supply conductor),以此来区分设备接地极(equipment grounding conductor)。
在大多数的发达国家,带接地触头的230V电源插座都是在二战前后开用应用的,虽然各国流行的变种差别很大。在美国和加拿大,60年代中期(1960s)以前安装的120V插座通常是不带接地插孔的。在发展中国家,就地的接线施工可能没有连接插座上的接地孔。在没有提供电源地的时候,需要接地的设备通常会使用电源的中性点,有些使用接地棒。很多110V用电器的插头是分极性的,以区分相线和中性线,但用电源中性线作为设备接地线是有很大隐患的,插座或插头上的相线和中性线可能意外地弄反了,或者中性线与地没有连接上或者没有很好地安装好。中性线中正常的负载电流都有可能产生危险的压降。由于这些原因,多数国家已经强制使用现在已经很普遍的专用保护接地连接。
歷史沿革
電報發明後,最早的接地導體出現在1820年代。1923年在法國。通過制定電氣安裝的“標準”,制定了特定的接地標準。1973年,決定使用TN網絡。
北美系統
美國國家電工標準(National Electrical Code)要求採用低電阻接地,以確保電力安全。接地極的電阻上限是25Ω。與国际电工委员会(IEC)不同,NEC沒有為接地系統作出分類。較低的電阻有助提升安全性,並可確保訊號和控制線路正常運作。
在ANSI/TIA-607中,電訊工業協會(TIA)規定關鍵設施(如數據中心)的接地電阻上限為10Ω,並建議設計成少於5Ω。
IEC分類
由国际电工委员会所制定的IEC 60364-1把低壓電的接地系统分為三大类別,並使用两个字母代号表示。IEC分類也適用於直流電。
第一个字母表示供电设备(发电机或变压器)与地的连接,第二个字母表示用电设备的与地连接。
:T: 将一点直接与地相接(terra)
:I: 中線与地隔離(isolation)或通过高阻抗接地
:N: 在安装位置直接与接地的中性点相接
第三、四個字母表示保護導體(PE)及中性導體(N)是否共用同一導體。
:C: 保護導體及中性導體是混合的(Combine)
:S: 保護導體及中性導體是分開的(Separate)
不過,IEC未有為「低電阻」定義上限值或建議值。對於「T」的要求,不同國家和生產商都有各自的法規和建議。
TN系統
在TN接地系统中,发电机或变压器的其中一点与地相接,通常是三相系统中的星点。用电设备的外壳通过变压器的这个接地点与地相接。
:TN-S系統中,由變壓器到最終電路均設有獨立的保護導體(PE)及中性導體(N)
:TN-C系統中,保護導體及中性導體混合在一起(PEN)
:TN-C-S系統中,由變壓器到總電掣櫃,保護導體及中性導體混合在一起(PEN),之後分開獨立的PE及N
對於一般使用者而言,TN-C是「不安全」的接地系統。它的最大缺點是令漏電保護裝置(RCD)失效,即使發生漏電,相線L和回路PEN的電流總和依然保持為零。此外,在三相電力系統中不可使用四極開關,否則PE與N一同中斷。換言之,使用者無法斷開所有帶電導體。
基於安全因素,英國在2002年禁用TN-C系統。在俄羅斯,大批蘇聯時期興建的住宅採用TN-C接地。新建的樓宇已改用TN-C-S系統。
TT系統
在TT系統中,发电机/变压器與客戶端各自接地,兩者沒有使用保護導體(PE)相連。兩個接地極均屬於接地故障環路(Earth fault loop)的一部份,令環路阻抗變得很高。由於故障電流很小,所有電路都需要漏電斷路器(RCD)保護。
由於客戶端擁有自己的接地極,所以沒有PEN線斷開所產生的安全問題。
IT系統
在IT系統中,发电机/变压器沒有接地或以高阻抗接地,客戶端則擁有自己的接地極。若採用高阻抗接地,RCD在單一接地故障(single earth fault)時即會脫扣,相當於TT系統。若選擇不接地,RCD只在發生雙重接地故障(double earth fault)時才脫扣。不接地的IT系統出現相-地短路(line-to-ground fault)時仍可正常運作,但其餘兩個相的對地電壓會由VLN變成VLL。
IT接地系統主要在以下的地方使用:
- 對供電可靠度有特殊要求(高可用性)
- 限制故障電流
限制故障電流(高阻抗接地)的地方包括存有大量易燃物和危險品的建築物,如天然氣和石油處理設施。若即時中斷電力供應會導致更大損失或造成人命傷亡,則會選擇在首次故障時維持供電,例如是醫院的手術室。
用於醫療場所的不接地電源稱為醫療IT系統(Medical IT System)。歐亞地區的醫療IT接地系統一般遵從IEC 60364-7-710及IEC 61558-2-15。每間手術室由各自的「醫療隔離變壓器」供電。此外,醫療場所屬於濕的高風險地點,IEC標準所容許的接觸電壓由50V下調到25V。
各地規例
;中國
中國採用TN-S和TN-C-S接地系統。GB/T50065-2011《交流电气装置的接地设计规范》第7.2.2条要求「采用TN系统时,低压线路在引入建筑物处,PE或PEN应重复接地,接地电阻不宜超过10Ω」。
;英國
英國主要採用TN-C-S系統,也採用TT和TN-S系統。接地系統由當地的電力公司選擇。根據BS 7430,在採用TN系統的低壓電系統中,接地極的電阻少於20Ω。此數值不適用於高壓及低壓共用的接地系統。其中一個典型的例子是將11kV變壓器的外殼連接到230/400V低壓電的接地匯流排。
;法國
法國採用TT系統。NF C 15-100要求住宅單位的總開關附帶不超過500mA的漏电保护装置,接地電阻少於100Ω。
此數值是根據IEC標準所允許的接觸電壓(50V交流電或120V直流電)計算出來的。
:R = \frac {V}{I} = \frac {50V}{0.5A} = 100 \Omega
;印度
在印度,礦場必須在中線加入電阻接地,確保故障電流不大於750mA,防止巨大的故障電流點燃可燃氣體。同理,也可以確保地底下的供電系統不會因小事故而中斷。
接地導體的類型
*單接地
*組接地導體
*接地網
*接地板
土壤的电导率
地質材料的抵抗力取決於幾個組成部分:金屬礦石的存在,地質層的溫度,考古或結構特徵的存在,溶解的鹽和污染物(孔隙度和滲透率)的存在。
接地電阻的測量是接地設備設計中的重要方面。 從其電阻取決於接地裝置的電阻。 有兩種測量土壤阻力的方法:斯倫貝謝方法和維納斯方法。
參見
*接地
*中性導體
參考資料
外部連結
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