關于起重設備觸電保護的探討

摘 要：通過對起重機械的電器設備分布，從三相交流電的基本原理出發，分析了IT、TT、TN接地保護系統工作原理，并對接地裝置、重復接地等概念進行了深入探討。

關鍵詞：電動勢；IT、TT、TN接地保護系統；接地裝置；重復接地

人體組織60%以上是含有導電物質的水分組成，因此人體屬于良導體。致人于傷害的因素不是電壓的高低，而是流過人體電流的大小，特別流過人體心臟時，危險性越大，當電流沿左手到前胸或雙手觸電時，致人于死命的危險最大。根據一般經驗大于10mA的交流電或大于50mA的直流電流過人體時，就有可能危及生命。為了防止觸電事故的發生，對電氣設備采取一定的安全措施是必要的，如帶電標識、帶電體隔離、絕緣電阻要求、隔離變壓器、耐壓實驗、零線的不可斷開等。由于電擊的不可見性及不可預見性，光有上述保護是遠遠不夠的，為此，在電氣工業設備中在上述安全措施的基礎上應采取保護接地或保護接零系統的安全措施。

為更好的理解交流用電設備的保護接地或保護接零系統，現對我國三相交流電基本知識作一下簡單地介紹，我國使用的交流電是頻率為50赫茲，三相交流電有效電壓為380V，單相交流電最大電壓380V，單相交流電有效電壓220V，交流電電勢和電流為正弦波形，相位差120°，用函數表示x，y，z各相瞬時電動勢表達式為：

Uix=380sina（ωt+α），Uiy=380sina（ωt+α+120°），Uiz=380sina（ωt+α+240°），其中Uix、Uiy、Uiz：各相隨時間變化的瞬時電動勢

ω：角頻率（ω=2πf f：頻率 50赫茲）

t：時間變量

α：初相

120°為x，y之間的相位差，240°為x，z之間的相位差。

電動勢是表征電源把其他形式的能轉化為電能的這種本領的物理量，發電機、變壓器、電池等各種電源能夠通過運動和磁、電和磁、化學物質反應等非靜電力做功在極間產生一定的電動勢，它是由非靜電力做功的大小、時間等因素決定，只在極間產生作用，等于電源兩極斷路時的電壓，與其他外界因素無關，不適用歐姆定律，這是電源所具有的特性。

在接地和接零保護中，必須要理解地球是一電勢為零的等勢體，同時是由無數個有一定電阻并聯的導體，又是一個具有無窮大容量的電容。

三相交流電在工業用電中使用廣泛，所以下面重點介紹三相交流電的接地和接零保護系統：

進入工廠的三相交流電是通過三相變壓器次級線圈來輸出，輸出時根據三相平衡原理，采用一個公用極，三相相位差為120°的三根相線輸出相間有效電壓為380V的電壓，公用極理論上電勢為零，根據共用極的接地情況，從公用極引出的可作為工作零線（N）和保護線（PE）。下面分析為什么公用極電勢理論上為零：

三個繞組在開路時瞬時極間電動勢用下面公式表達：

Uix=380sina（ωt+α）

Uiy=380sina（ωt+α+120°）

Uiz=380sina（ωt+α+240° ）

公用極連接在一起時瞬時電動勢為：

Uix+Uiy+Uiz=380sina（ωt+α）+380sina（ωt+α+120°）+380sina（ωt+α+240°）=0

所以，在三相發電機、三相變壓器輸出端公用極在開路或三相負載平衡情況下理論上電勢始終為零。

在上面分析的理論下，對IT、TT、TN系統進行分析：

1 IT接地保護系統

IT接地系統主要在高壓輸送線上較多，在低壓配電系統中很少使用，I表示電源端中性點不接地或通過大的阻抗接地，T表示用電設備或架空線柱等可能帶電的部位采用接地保護，一般用在發生單相漏電時不易發生觸電事故的情況，同時在漏電的同時切斷其他兩相供電會造成一定的損失、引發事故的情況下使用，由于受到接地樁接地電阻的限制，其單相對地故障電流相對于接零保護的故障電流要小，所以無法用熔斷器和斷路器來切斷故障電流，同時在不希望切斷其他兩相正常供電的電源下，采用三相漏電保護器也不適宜。因此在IT系統中配電房中必須設置值班電工，在中性點，通過大阻抗接地，并且通過檢測中性點的零序電流或電壓的異常來發現漏電故障，在高壓系統中是通過人為的切斷故障電流來起到保護作用。在起重機供電系統中一般情況不采用這種系統，如遇到這種系統應通過設置漏電保護裝置，短時間內切斷故障電流，接地電阻與漏電保護器的動作電流乘積應小于等于50V。

在滿足上述條件下，接地電阻Rd盡可能小，從而降低漏電時用電設備外殼對地的電壓，具體由下式計算分析：Iz=U/（Rd+Rx），Ud=Iz*Rd=U*Rd/（Rd+Rx）

Iz：單相漏電電流；U：單相電壓220V（相線對大地的有效電壓）；Rd：接地電阻；Rx：在用電設備以前到電源輸出端經過的所有導線的電阻之和。

Rx=ρL/S

Ρ：導線電阻率（銅線：約為0.017Ω·mm2/m、鋁線：約為0.028Ω·mm2、/m）

L：導線長度

S：導線截面積

同時接地電阻Rd盡可能小，也可以對用電設備漏電引起的觸電事故起到一定地保護作用，具體分析見保護接地段落。由于用電設備前一般導線電阻較小，且漏電不可預見性，無絕對的安全性，所以在起重機等用電設備上一旦發生漏電事故，必須使故障電流切斷，防止觸電事故的發生。在低壓配電系統中一般不采用IT接地保護系統。

2 TT接地保護系統

TT接地保護系統在用電設備不需要工作零線的三相電氣設備應用較多，第一個T表示電源端中性點小電阻接地，為變壓器次級線圈的工作接地，第二個T表示用電設備等可能帶電的部位采用接地保護。這種系統在過去的三相低壓用電設備上采用較多，其保護原理及要求同IT系統，在這兒不再詳細論述。

3 TN接零保護系統

TN接零保護系統分為三種，分別為TN-C系統、TN-C-S系統、TN-S系統，由于TN接零保護系統在其他資料介紹較多，在這兒不再論述。使用過程需要注意的是，在切斷漏電故障電流時，不能采用過流保護裝置如過電流繼電器、熱保護裝置等來替代熔斷器和斷路器，防止過電流保護裝置由于極限短路分斷能力不夠，導致觸點受熱粘連，不能斷開故障電流，而導致觸電事故的發生。同樣道理，由于現在很多工業廠房采用等電勢體，從而使重復接地電阻變的很小，短路電流很大，存在超過斷路器極限短路分斷能力的可能，所以在選擇斷路器不但要注意動作電流的選擇，還應注意分級保護，如起重機上一級無其他的斷路保護時，則盡量不只用斷路器來作為短路保護，應選用或加裝相應規格熔斷器來作為線路的過載保護。

接地裝置的要求：接地裝置按照使用地點不同可分為工作接地、保護接地、重復接地三種，按接地形式分為單根接地樁和接地網兩種。

工作接地是指三相電源端（一般為變壓器次級線圈端）中性點接地，要求是小于等于4Ω，目的是為消除由于發電機本身和負載不平衡而產生在中性點的零點漂移（即中性點電勢不為零），通過把中性點接地來達到變壓器中性點和大地成為等勢體，從而在一定程度上防止了用電設備對地電壓的過壓和欠壓的產生，在低壓配電系統中一般漂移電壓不大，人體由于意外接觸導致產生的觸電事故可能性不高，為保證變壓器中性點和大地成為等勢連接，此電阻值是越小越好，也說明了在這個位置的接地稱為工作接地。工作接地電阻不但阻值應符合要求，而且對接地樁的表面處理（如涂鋅）和埋深應達到和保護接地同樣的要求。

保護接地是指容易帶電的設備外殼通過接地樁或接地網接地，從而降低人接觸帶電設備時產生觸電事故的可能性，是起到對人體觸電的保護，一般稱為保護接地。下面重點就保護接地的工作原理進行分析：這里所說的接地樁是指人工接地體，采用圓鋼（直徑≥Ф16mm）、角鋼（截面≥40×40×4mm）、鋼管（壁厚≥2.5mm，內徑≥13mm）等鋼材，一般埋深不小于2米，表面采用涂鋅或涂銅的方法進行表面處理，不得埋在垃圾層及灰渣層等導電性能差的土層，總之應盡可能降低接地樁對大地的流散電阻（接地極的對地電壓與經過接地極流入地中的接地電流之比），假設大地導電性能是各向同性的，那么經過埋深2米后離接地體的等勢面為高度為2米圓柱體加球冠的組合表面（圖1），而不埋深的接地等勢面球冠（圖2），由圖中可知，經過埋深后的接地體比沒有埋深的接地體對地的接觸面大很多，在距離接地體同樣的距離位置與接地體之間的電勢差小很多，從而減少人員接觸帶電設備外殼產生的觸電及由于跨步電壓引起的觸電。保護接地的電阻值規定為不大于4Ω，測量時電壓極應設置在被測接地體和電流極接地體兩個對地電壓曲線的零電壓之外，被測接地體為單根接地體時，電壓極與被測接地體和電流極接地體距離超過20米時，視為被測接地體和電流極接地體兩個對地電壓曲線的零電壓之外，即220V單相對地電壓經過至少20米時，可視為電勢降為零（與大地成為等勢體），在此情況下測量接地電阻不大于4Ω。下面對設備外殼帶電和跨步電壓引起觸電進行分析：a、設備外殼帶電，一般易帶電設備外形不大，距離接地體不遠，現假定離接地體1米的距離人員與帶電設備外殼接觸，則離散電流為220÷4=55A，1米的距離的離散電阻為R1米=4×1÷20=0.2Ω（假定大地導電性能為各向同性，且為便于理解，假設離散電阻與接地體間距離為線性比例，且不計接地線的電阻），則帶電外殼與人員站立位置（1米距離）的電勢差為0.2×55=11V，為安全電壓，不會造成觸電事故，由上分析所知，如易帶電設備外形較大，則應通過多點接地或接地網來實現保護；b、跨步電壓觸電的分析和設備外殼帶電觸電的原理相同，只不過是形成電勢差的位置變成為人的兩腳之間的距離（一般不大于1米），只跟接地體的電阻大小和埋深有關，與易帶電設備無關。雖然通過接地能起到一定保護作用，但不能切斷故障電流，所以應采用漏電保護裝置切斷故障電流，形成IT或TT接地保護系統。

重復接地是指對接零保護中的零線或保護線在靠近用電設備的位置，利用車間接地網或單獨設置接地體對主零線再次進行接地，以達到降低漏電故障時的短路電阻，在埋深達到要求，接地電阻符合小于等于10Ω要求時，當重復接地點前零線或保護線斷路時，出現用電設備外殼帶電情況下，根據以上接地保護的分析，也能起到一定的保護作用。接地網是指利用建筑物在內部的鋼筋通過焊接連接與專用接地裝置進行組合成使形成接地電阻很小，整個網絡可是為等勢體，現在新造的廠房、住宅都采用這種形式。供電三相五線，其中PE線與接地網重復連接，由于接地網的接地電阻比4Ω小很多，根據接地保護和接零保護的工作原理與接地網的重復接地可起到保護效果更好的作用。在高度較高、新建的建筑物上，接地網同時作為防雷接地，以預防雷擊對建筑物的損壞，需要注意的是，由于雷電的高壓性，為保護重復接地的用電設備，在雷擊天氣對家用電器應拔掉插頭，其他設備在易招雷擊的情況下應停止使用，切斷電源并斷開保護線，正常工作時再恢復。由于接地網的接地電阻小，受土質變化，鋼筋生繡的變化，接地電阻的變化不大，在日常檢查中可注意網絡的連通性即可，而單獨接地體則易受到土質變化，接地金屬的銹蝕程度發生變化，平常應注意測量接地電阻。

觸電與預防的其他相關要求還有很多，本文只是對常用的工業設備用電中應注意的預防觸電的幾點理解。

參考文獻

[1]邱立功.電工手冊[M].上海科學技術出版社，2009.

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