低压电气接地故障及其防护措施

王丹丹（上海市市政规划设计研究院有限公司）

【摘 要】

以保证市政工程施工安全为前提，从低压电气接地故障的形成和消除思路、低压电气接地的基本形式、故障以及可能带来的危害、防护举措 4 方面展开论述，介绍低压电气接地故障对于市政工程质量存在的影响，以期为今后现场施工与管理提供保障。

市政工程中的低压配电系统，在运行期间如果遭受线路绝缘破损、异物入侵，或者因外力破坏引发的短路问题，被统称为接地故障。低压电气接地故障发生之后，原本系统中不带电的外露可导电部分会形成电压，若与人体接触，便会引发触电事故。所以，根据配电系统接地的基本形式、采用的电气设备型号，做好低压接地故障防护非常重要。

市政工程施工期间，接地与黏接是输送安全电能的重要前提，也是保证工程项目电能质量的关键内容。接地系统是故障电流低阻抗的主要获取路径，也对配电系统非载流金属元件电压有限制作用。如果发生低压电气接地故障，低阻抗会使得高故障电流发生流动，同时开启过流保护装置，将故障消除[1]。此外，接地系统支持瞬变转移，使其安全抵达地面。黏合则是原来不带载电流金属部件相连，构成导电路径，保证连接的金属部件在相同电位中，以免危险电压之间出现差异。可以安装接地系统，保证市政工程电力系统的安全运行。通过采用导线大小一致的设备接地导线可以有效降低电路阻抗，将过流保护装置清除故障的时间缩短。所有带有金属外壳的装置全部在电连续系统内黏合，期间需要对设备接地导线的类型进行考虑，用以完善敏感的设备接地导线。

3.1 TN 系统

TN 系统内部的电源端往往会有直接接地的一点，一般以中性点为主，电气装置外露的可导电部分对中性导体进行保护，或者实现导体和该点的连接，IEC 标准根据 N 线、PE 线连接的要求重新组合，主要有 3 种组合形式，即 TN-S 系统、TN-C 系统、TN-C-S 系统。TN-S 系统内的 N 线、PE 线分别独立运行，在正常运行期间，专用 PE 线中不会有电流流过，N 线会有不平衡电流流过[2]。PE 线和地面之间不存在电势差，所以，主要是利用专用 PE 线实现电气设备外壳的保护接地操作，如此一来也为系统赋予安全性，在独立运行的变配电所内应用。

TN-C 系统内的 N 线、PE 线结合，如果三相负荷平衡性差，那么 N 线上将会有不平衡电流流过，并且形成电位差，电气设备金属外壳对地带电位，从而限制了该系统的运用范围，只能够在三相负荷平衡、管理全封户能力强的工业厂房建筑中使用。

TN-C-S 系统内只有部分 N 线与 PE 线整合，双方分开之后便不会再合并，主要是在建筑物电源为区域变电所的前提下采用。

3.2 TT 系统

TT 系统内的电源端中性点具有直接接地的优势，电气装置外露可导电的部位连接接地极和电源中性点接地的电气，彼此之间相互独立。TT 系统内的 N 线、PE 线之间没有与电相关的联系，处于正常运行的状态下，如果中性线带电，那么 PE线与之相反，即不带电。所以，TT 系统更适合在无等电位联结的环境下应用[3]。

3.3 IT 系统

IT 系统的电源端带电不接地，或者仅有一点阻抗接地，相关电气装置外露部位则直接接地。IT 系统在运行中有极高的安全性，适合在供电持续性强、防电击要求严格的环境中使用。

市政工作中的供配电系统在运行期间，主要是负载端电气装置的外露导电接地，这种接地形式被称为保护接地。接地故障的形成，是相线与中性线这种带电导体和地面连接导致短路，或者是和大地电气装置内的导电部分连接导致的短路。如果电气装置绝缘破损，会直接出现接地故障，这时不带电金属外壳会有电压存在，人体在间接接触之后会受到电击。

市政建筑电力系统施工期间，如果防护不到位会导致电气火灾，这在所有火灾中是最为常见的一种。接地故障引起电气火灾，结合实际分析可以确定电气短路的火源，即对地电弧、电火花，这 2 点引起电气火灾的概率非常高。组织电气线路施工的过程中，带电导线绝缘外皮长期受到摩擦，必然会出现破损，或者在雷雨天气下遭受雷击，电缆梯架内部线路绝缘在瞬态过电压的冲击下也会出现绝缘损坏的问题。因此，站在机械与电路的角度分析，接地故障发生的概率大于带电导体短路故障。同时，线路对地绝缘能力也超过带电导体，如果发生接地故障，那么由此导致的电弧相比带电体形成的电弧更大，是引起火灾的重要因素，对市政工程质量与人们的人身安全都有极大的威胁。

5.1 未接地系统故障的防护

市政工程电力施工中的未接地系统，可以在产生接地故障时维持系统的正常运行。低压电气接地故障的形成，会导致接地系统跳闸的现象，但若缺少电气系统接地，那么故障电流值过低，只能支持电容通过，所以也不会影响设备正常运行以及工作人员安全。未接地系统在运行过程中出现第二次故障，会停止供电运行，随后引发相间故障，开启过流保护运行。该系统在运行过程中存在的不足是，未接地操作初始故障可能会带来线路电压，并且作用于相电压设计，如若故障系统长期维持在运行状态下，便会引发相应的故障。

固体接地是工作中比较常见的系统之一，主电源变电站中性线与地下低电阻桩、埋入式分布式网、MEN 系统内部供电公用设施中性导体相连接，顺延电力线路，间隔若干个极点与地桩连接。在一般地球质量条件下，通过对比接地桩、接地电流，可以发现额外接地路径获得的总接地电阻耕地，且可靠性较高。该类型的低接地电阻 MEN 连接为系统提供运行需要的高故障电流，提高保护作业效率。除此之外，低电阻接地对地电位上升有一定的限制作用，有利于规避触摸电位、阶跃电位故障，因此固体接地在低压、超过 1 000V 的中压系统中是比较常用的防护手段。电阻接地过低，符合漏电保护规定，若故障电流也较低，会阻碍早期漏电检测工作的顺利进行，按照新时期市政工程电气施工要求，核心平衡剩余电流装置在漏电检测中应用，不仅是满足现代检测要求的重要手段，也是凭借其灵敏度高的特点符合极低接地阻抗施工要求。

另外，工作人员也可以在变电站主电源中性点、电网接地桩 2 个装置中间连接电阻，达到电阻接地的效果。电阻接地有高电阻、低电阻 2 种选择，其中低压系统主要是以高电阻接地为准，高压系统则优先采用低电阻。通过电阻接地可以控制故障电流，为电气设备提供保护，以免设备损坏扩大低压电气接地故障的影响范围。其中需要注意，采用低电阻接地限制电流，可以将其控制在几百安培，而工作人员则务必要保证漏电保护操作的灵敏性。

5.2 接地变压器故障的防护

接地变压器是三角形连接绕组系统内部不可缺少的接地装置，该设备内部的中性点不能以接地的形式完成接地连接。

接地变压器可以作为三角形变压器，其中带有一接地中性线、短路三角形，使未接地三角形绕组故障电流有对应的接地路径。此外，保护接地主要用于市政工程现场工作人员人身安全保护，通过触摸、步进电位大小的限制达到这一要求，如果施工现场出现电气故障，且工作人员在该电位范围内接触接地导体，或是接地导体周围接触暴露金属，那么该工作人员的身体受到接触电压与阶跃电压的冲击，会转移到其他接地点。为此，工作人员需要做好接地电路阻抗的设计优化工作，确保电位低于发生故障时暴露带电部件接触人员受到的电击数值。

为了能够有效降低电位，建议采用阻抗低的电位连接接地电路，使接地电路系统内部电压差能够控制在安全范围内，不会对现场工作人员带来电击攻击。另外，要展开接地电极系统的测量工作，通过可行性高的对地电阻故障防护方案，降低典型负载对地电阻。在市政工程施工中，如果现场存在电子负载，典型负载对地电阻值会因此降低。针对这一问题，可以制定敏感电子负载防护方案，定期测量接地电阻，并且积极使用接地电阻表，测量初期建议每隔半年测量 1 次，后期测量时间可调整至一年测量 1 次，详细记录测量结果。根据记录数据的对比与分析，判断接地电阻与接地系统是否存在问题，如果确定有故障可以先通知电气设计人员分析原因，再结合实际情况决定是否需要降低接地电阻。

5.3 接地棒故障的防护

NEC 对于接地棒间隔有明确要求，其中还需要对棒边缘可能造成的影响予以考虑。那么在防护接地棒相关故障时，需要将接地杆分开大约杆长的 2 倍。如果是山区与岩石等地形，可以考虑采用具有深度驱动、化学增强功能的接地棒，优化现场的土壤条件。结合市政工程施工规范，现场的金属水管道、钢筋材料、混凝土包裹电极等的外部连接铜接地环，同时以驱动接地棒作为辅助，这是市政建筑比较常用的解决方法。地面环的位置一般设置在建筑物、建筑结构附近以及现场沟槽内部霜线以下，可以发挥出最佳效果。

如果施工现场必须要配备低接地阻抗，可以在建筑、建筑结构所有角落的中点配置补充接地环、驱动接地棒。其中，接地环尺寸要满足规范。导体尺寸与导体的长度为正比例关系，地面接触表面积与对地抵抗力则为反比例关系。此外，施工人员要将现场所有接地电极黏结起来，例如，金属地下水管与结构建筑钢、板电极等。市政工程内的所有接地电极也要全部连接，组成完善的接地电极系统。施工现场的铜防雷系统也是低压电气接地故障防护的有效手段，在腐蚀、维护相关因素的影响下，防雷系统的性能更优，但问题在于该系统对接地电极系统要求比较高，只能连接质量高、阻抗低、耐用性强的接地电极系统。

5.4 配电装置故障的防护

1）配电板作为市政工程配电系统中的一个装置，负责划分电力馈送，以此获得分支电路，也可以有效地保护熔断器与断路器，维持公共外壳内电路正常运行。其实配电板在市政工程与相关设施当中应用，在分配电力环节，也可以规避电气过载、短路等故障。

2）配电盘内部包括外壳、电路保护装置与填充板等部件，其中外壳是所有配电板组件必不可少的壳体，主要材料为镀锌、涂漆钢，在电气工程施工中可以保护工作人员与内部设备的安全。

3）可拆卸端板也是配电系统中的重要元件，负责导管安装。安装工作人员按照实际需求进行定位、切割孔等操作。

4）安装断路器电路保护装置，与总线连接器连接，可以起到防护低压电气接地故障的作用。总线连接器中的母线是电路连接点导体，一般设置在内部导轨绝缘体中。

5）工作人员在现场安装中性杆，通常安装位置在系统内与天沟这 2 处，与系统内部的距离越近，获得的低压电气接地故障防护效果越明显，同时也可以作为来电服务、负载电路中性线的终端点。

6）面板上方设置标签，并标明额定电压、部件更新、载流量、中断额定值等信息，工作人员通过了解标签上的信息判断电气设备是否安全。

综上所述，低压电气接地故障的解决，首先需要工作人员明确故障影响范围，提出针对性的防范举措。一方面需要做好故障预防，最大程度地降低低压电气接地故障的危害；另一方面则要明确相关责任人，提高故障解决效率，保证市政工程电气施工质量。

【参考文献】

【1】王成.防雷接地技术在建筑电气安装中的应用[J].建材与装饰,2019(35):3-4.

【2】罗联耀,黄美莲.电气接地工程腐蚀机理及大型炼化项目接地材料选型比较[J].化工管理,2019(34):182-184.

【3】吴洪鹏.建筑电气安装中防雷接地施工技术的应用[J].居业,2019(11):58-59.

本文发表在《工程建设与设计》