建筑施工用电采用TN—S接地、接零保护系统的原理

来源：本站时间：2015-01-22 19:31:00

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对于施工现场临时用电安全的特殊性，建设部制定了“施工现场临时用电安全技术规范”（JGJ46—2005）标准（以下简称标准），它是1988年所颁标准的延伸。不同于别的行业所采用的安全用电保护系统，该标准要求施工现场临时用电必须采用TN—S接地、接零保护系统；三级配电和二级漏电保护系统。虽说施工现场对该套安全用电系统的宣传与推广时间也有20多年了，其中许多要领的理解与贯彻也得到落实。但是不得不说明存在一个事实：由于标准本身的文字编辑逻辑性不够及其他理解方面的原因，就工地现场装设地线的问题，使人们头脑中产生有许多误区，至施工现场的用电系统设置存有许多混乱现象。下面就此问题谈一谈我们的认识。<?XML:NAMESPACE PREFIX = O /> 一） 关于必须采用TN—S接地、接零保护系统的原理 1. 传统安全用电的保护接地和保护接零的作用 ①保护接地的作用：在电力系统中，各种使用的电气装置的外壳无论它们的绝缘多么良好，其阻值R总是有限的。故在正常情况下就有漏电电流，不过该值很小，可忽略不计。但当电器设备的绝缘损坏时，电气装置中绕组的任一相线与外壳短路，使外壳带电，即呈现出对地电压。这时人体接融外壳时就会产生触电危险。为保护人体免遭电击伤害，具体作法是将电器设备的金属外壳，用导线和接地装置相接，叫保护接地，如图1a所示； <?XML:NAMESPACE PREFIX = V /> 建筑施工用电采用TN—S接地、接零保护系统的原理

图1 保护接地和保护接零 ②保护接零的作用：保护接零的技术安全原理与保护接地不同，它是用于1000V以下三相四线制中性点直接接地电网中电气设备的安全措施。其作法是将电气设备在正常情况下不带电的金属部分与系统中的零线相连接，即采取保护接零，如图1b所示。其原理是，当电气设备的绝缘损坏，发生碰壳或接地短路时，短路电流经零线而成闭合电路，使成单相短路故障，此短路的电流极大，它将迅速烧断该相所设熔断器的熔丝，使电气设备脱离电源。应当着重指出，在中性点绝缘系统中，决不容许采用保护接零的措施，因为系统中任一相接地或碰壳时，都会使所有接在零线上的电气设备外壳呈现出近于相电压的对地电压，这对人体是十分危险的。 2. 关于哪种保护措施适合于建筑工地的理论现在一般城市供电电网均是1000V以下的变压器，中性点接地的三相四线制供电系统，因此应当采用保护接零，并应重复接地。而为什么不采用保护接地的措施呢，回答是不能起到安全保护作用，分析几点如下： ①存在危险电压为电流。在变压器中性点接地系统中，工作接地电阻≤4Ω，若保护接地电阻也计为4Ω，当电气设备绝缘损坏碰壳时，两接地装置间有短路电流，I_地=220÷(4＋4) ＝27.5A,则机壳所带电压为U_壳=27.5×4＝110V。若人接融机壳，按人体电阻约1000Ω计，则通过人体的电流I_人=110÷1000 ＝0.11A，即110mA，此大于20mA的工频电流，足以使人丧命。 ②熔断保护装置不会动作。按接地短路电流应小于自动开关电流的1.25倍或熔断器额定电流的2～4倍（一般计算取3）。按事故短路电流仅为27.5A计，此仅能保证断开整定电流不超过27.5÷3 ＝9.2A的熔断器。而工地上所使用的电气设备均大于此值，因此该熔断保护装置不会动作，使事故设备外壳长期存在对地电压，威胁人身安全。（此也是现在在工地上推行不用熔断器而用漏电保护器的原因。） ③工地上接地电阻值很难降低。是否可采用降低保护接地电阻能降低事故机壳电压的方法，按计算，取安全电压值为42V，工作接地电阻为4Ω，则要求保护接地电阻值R=[42÷（220-42）]×4＝0.942Ω，这样低的电阻值在工地上很难到。另外，它还会发生三相电压的不对称，只计事故机壳对地电压取为65V时，其它两相会升至327V，此会给该两相上的用电设备带来危险。并且同时，中性点的对地电压上升为155V，有人触及会产生电击。综上所述，在中性点接地的1000V以下的供电系统中，采用保护接地是不合适的。由于建筑施工情况的特殊性，在施工现场，各种设备、各个工种都需要用电，为了作到要保护设备又要保护到人身不受到电伤害，以前的安全用电保护系统也越来越体现其在工地临时用电系统中的不足，因此，国家制定（JGJ46—2005）规范，强调必须采用TN-S接地接零保护系统。二） 关于TN—S系统相关解释及标准中文字记叙 1. 相关资料的解释所谓TN-S接地、接零保护系统，是指在施工现场临时用电工程的电源是中性点直接接地的220/380V、三相四线制的低压电力系统中增加一条专用保护零线（PE线），称为TN-S接零保护系统或称三相五线系统，该系统主要技术特点是： ①电力变压器低压侧或自备发电机组的中性点直接接地，接地电阻值一般不大于4Ω。 ②电力变压器低压侧或自备发电机组共引出5条线，其中除引出三条相线L₁、L₂、L₃外，尚须于变压器二次侧或自备发电机组的中性点（N）接地处同时引出二条零线。一条叫做工作零线（N线），另一条叫做保护零线（PE线），其中工作零线（N线）与相线（L₁、L₂、L₃）一起作为三相四线制电源线路使用；保护零线（PE线）只作电气设备接地保护使用，即只用于连接电气设备正常情况下不带电的外露可导电部分（金属外壳、基座等）。二种零线（N与PE）不得混用。同时，为保证接地、接零保护系统可靠，在整个施工现场的PE线上还应作不少于3处的重复接地，且每处接地电阻值不得大于10Ω。 ③在施工现场采用TN—S系统时，由于设置了一条专用保护零线（PE线），所以在任何正常情况下，不论三相负荷是否平衡，PE线上都不会有电流通过，不会成为带电体，因此与其相连接的电气设备的外露可导电部分（金属外壳、基座等）始终与大地保持等电位，成为完好的接地保护，此即为TN-S系统的一个突出优点；但是对于防止因为电气设备因绝缘损坏漏电而发生的间接接触触电来说还不可靠，这是当电气设备漏电时，PE线上就有电流，与其相连接的金属外壳、基座等就会变成带电部分，这时就靠二级漏电保护系统来控制，当漏电电流值达到一定值时，漏电保护器就会在其额定漏电动作时间内分闸断电，从而防止可能发生的间接接触触电事故，保障人身安全。（此为其接地、接零保护原理。） 2.在该标准中有相关条文如下 ①条文<?XML:NAMESPACE PREFIX = ST1 />5.1.1 在施工现场专用变压器的供电的TN—S接零保护系统中，电气设备的金属外壳必须与保护零线连接。保护零线应由工作接地线、配电室（总配电箱）电源侧零线或总漏电保护器电源侧零线引出（图2）。（注：红叉原图没有，是我的改动，为后面叙述用。）建筑施工用电采用TN—S接地、接零保护系统的原理

图2 专用变压器供电时TN-S接零保护系统示意图 1-工作接地；2-PE线重复接；3-电气设备金属外壳 ②条文5.1.2 当施工现场与外电线路共用同一供电系统时，电气设备的接地、接零保护应与原系统保持一致。不得一部分设备做保护接零，另一部分设备做保护接地。采用TN系统做保护接零时，工作零线（N线）必须通过总漏电保护器，保护零线（PE线）必须由电源进线零线重复接地处或总漏电保护器电源侧零线处，引出形成局部TN-S接零保护系统（图3）。（此二条均是强制性条文。）（注：红叉及红字原图没有，是我的改动，为后面叙述用。）建筑施工用电采用TN—S接地、接零保护系统的原理

图3 三相四线供电时局部TN-S接零保护系统零线引了示意图 1-NPE线重复接地；2-PE线重复接地； 三）关于标准中文字编辑逻辑不当的质疑与解答 1.上述标准条文中易使人们误解的地方 ①在条文5.1.1中图2示左边，有相线、零线（N）、保护零线（PE）连通后以1点入地，这样的图示应是有问题的，因为它给人们的认识是零线（N）、保护零线（PE）连通后以（PEN）线入地的概念；其文字叙述有“保护零线”应由工作接地线配电室（总配电箱）电源侧零线或总漏电保护器电源侧零线引出。这样的叙述使人们有在配电箱处，零线（N）与保护零线（PE）有接通之感。 ②在条文5.1.2中后面文字处理叙述有“保护零线（PE）必须由电源进线零线重复接地处或总漏电保护器电源侧零线处，引出….”这也是有它们是接通之感；特别是图3的示意图中，零线（N）与保护零线（PE）在1处连通入地，完全说明其是连通的。实际上的情况是：若在配电室（总配电箱）处零线（N）与保护零线（PE）连通后入地，一旦三相线路中输电不平衡（如大型用电设备启动等），零线（N）中就产生电流并传给保护零线（PE），使配电室的漏电保护器会常跳闸，它无法保证正常的工作用电。 2.在这里研究讨论一下此种错误的根源目前我国的有关标准是参照国际标准和国外先进标准制定或修定而来，国际电工委员会（IEC）建筑电气设备委员会将电气基本安全保护措施分为五大保护系统，即TN系统、TT系统、IT系统、中性有效接地系统及中性点非有效接地系统。查阅国内翻译过来的与其相关资料如下。TN系统：电源系统有一点直接接地，负载设备的外露导电部分通过保护导体连接到此接地点的系统。根据中性导体和保护导体的布置，TN系统有TN—S、TN—C—S及TN—C三种系统。（后两种均介绍有PEN线概念。）关于TN—S系统。在整个系统中有分开的中性导体和保护导体，见图4示。建筑施工用电采用TN—S接地、接零保护系统的原理

图4 TN—S系统无疑图4中的（N）与（PE）连通入地与文字叙述中的分开相左。此即为我国所制定（JGJ46—1988）与后来的（JGJ46—2005）标准中图示所发生错误的根源。还有PEN线概念在现实中多引发混淆。此也是我国在推行建筑工地临时用电规范化所产生一定的混乱长达20多年的根源。现在国家正在制定GB《建设工程施工现场供用电安全规范》（代替GB50194—1993），它在文中已改为图5所示。建筑施工用电采用TN—S接地、接零保护系统的原理

图5 全系统将中性导体与保护导体分开的TN—S系统 3.关于地线入地后放电理论 TN—S系统中保护零线（PE）通过接地体入地，当短路向大地放电时，电流呈半球形散开，由于半球形的球面积与半径的平方成正比，因此在距接地体愈近的地方面积越小，越远的地方越大。而电阻与面积成反比，因而在距接地体越近的地方电阻越大，距接地体越远的地方电阻越小。有试验证明，在距单根接地体20m外的地方，呈半球形的球面已经很大，实际已没有什么电阻存在，不再有什么电压降。换句话说，其电位已近于零。因此，大地间距20m远以后，应视为不连通的。所以，在在配电室（总配电箱）处设置保护零线（PE）入地，应考虑到其位置要与原输入的市电网的变压器的中性线入地处距离约大于20m远，这样才能视它们不是连通入地。 4.我们对（JGJ46—2005）标准条文质疑问题的解答 ①在条文5.1.1与5.1.2中的文字叙述方面应有：在三级配电各个系统中，工作零线（N）与保护零线（PE）之间不得做任何电气连接；专设保护零线（PE）应在一级配电室（总配电箱）近处做接地体（≤4Ω）连总配电箱中的地排后引出。说明一点，现城市用电均是中性点接地的220/380V三相四线制供电系统，其零线已在其变压器旁接地，因此在设置一级配电室间（总配电箱）专设保护零线（PE）入地处，注意远离约20m即可。 ②在标准中的图示方面：应在上述图2、图3示意图中，按红叉处将其连线除掉，并注明>20m即可。 四）结束语 由于建筑施工用电的复杂性，施工现场采用俗称“三相五线制”的供电系统，确有一定的特殊性，从1988年制定该“施工现场临时用电安全技术规范”，至今也贯彻了有20多年时间，但施工现场的临时用电还是存在有相当的不规范的混乱现象，其中有一项也就是标准本身也解释得不够清析逻辑（甚至还有错误）的直接原因，我们在此提出的问题，仅供国内同仁参考，但国家编此标准也应科学严谨并一定要符合实用情况，上述情况希望能尽快改正，才能真正指导为实际服务。

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