接地的基本概念及原理

1、8.4 接地的基本概念及原理8.4.1 接地概念及分类8.4.2 接地电阻，接触电压和跨步电压8.4.3 接地和接零保护返回1 .“地”：电工中“地”是指地中不受入地电流的影响而保持着零电位的土地。2 .接地（earthing,grounding）:电气装置的某部分与大地（earth,ground）之间作良好的电气连接。将电力系统中电气装置和设施的某些导电部分，经接地线连接至接地极。接零：“零” 指多相系统的中性点，所谓接零就是与中性点相连接，故接零又可称为接中性点。 TN-S或TN-C-S 系统接地，在我国俗称接零，8.4.1 接地概念及分类概念在380V低压配电网中，按接地方式有三种五类：

2、TT、TN-C、TN-S、TN-C-S、IT。 TT系统：根据安全技术规范中，TT系统指：电源侧配电变压器中性点直接接地，负荷侧设备不带电的金属外壳直接与大地连接，但与电源侧配电变压器中性点没有直接电气连接。 TN系统：根据安全技术规范中，TN-S、TN-C、TN-C-S系统指：电源侧配电变压器中性点直接接地，负荷侧设备不带电的金属外壳与变压器中性点有直接电气连接。这三类系统中区别是：TN-S零线和保护零线（地线）是分开的。TN-C零线和保护零线是共用的。 TN-C-S零线和保护零线部分共用，部分分开。 IT系统是三相三线式接地系统，该系统变压器中性点不接地或经阻抗接地，无中性线N，只有线电压

3、（380V），无相电压（220V），保护接地线PE各自独立接地。该系统的优点是当一相接地时，不会使外壳带有较大的故障电流，系统可以照常运行。缺点是不能配出中性线N。因此它是不适用于拥有大量单相设备的智能化大楼的。 3 .接地体或接地极earthing body/pole：埋入地中并直接与大地接触的金属导体。 1）人工接地体manual earthing body：2）自然接地体natural earthing body：4 .接地线earthing wire连接接地体与设备、装置等的接地部分的金属导体。接地线在正常情况下是不带电的，在故障情况下要通过故障接地电流。5.接地装置earthing

4、device接地体、接地线及相连的金属结构物的总称。接地装置由接地线与接地体两部分组成。6.接地网earthing network由若干接地体在大地中相互用接地线连接起来的一个整体。 接地体接地干线接地支线电气设备1、工作接地（系统接地）working earthing： 根据系统正常运行的需要，将电网某一点接地，如三相交流系统的中性点直接接地、中性点经消弧线圈接地、电阻接地；工作接地一般要求接地电阻为0.55.接地按用途分类R0目的：(1)稳定电网的对地电位，降低触电电压(2)满足继电保护需要，迅速切断故障 在中性点接地的系统中，一相接地后的电流较大，保护装置迅速动作，断开故障点。(3) 降

5、低电气设备对地的绝缘水平2、保护接地： protection earthing 电气装置的金属外壳、配电装置的构架和线路杆塔等，由于绝缘损坏可能带电，为防止危及人身和设备安全而设的接地。为保障人身安全而将电气设备金属外壳等接地，它在故障条件下才发挥作用；如将电气设备的金属外壳接地,一旦设备绝缘损坏而使外壳带电,不致于有危险的电位升高.保护接地接地电阻:对高压设备约为1 10 ;对低压设备约为10 100 .RCIbIe 当电气设备内部绝缘损坏发生一相碰壳时：由于外壳带电 , 当人触及外壳,接地电流 Ie 将经过人体入地后, 再经其它两相对地绝缘电阻R 及分布电容C 回到电源。当R 值较低、C

6、较大时，Ib 将达到或超过危险值。对地绝缘电阻分布电容电气设备外壳未装保护接地时:电气设备外壳有保护接地时通过人体的电流： Rb与Ro并联，且 Rb Ro 通过人体的电流可减小到安全值以内。RCR0IbIeI0 利用接地装置的分流作用来减少通过人体的电流。 保护接地：将电气设备的金属外壳(正常情况下是不带电的)接地。 用于中性点不接地的低压系统 补充：保护接零（用于 380V / 220V 三相四线制系统） 将电气设备的外壳可靠地接到零线上。 当电气设备绝缘损坏造成一相碰壳，该相电源短路，其短路电流使保护设备动作，将故障设备从电源切除，防止人身触电。CABRoN(a) 把电源碰壳，变成单相短路

7、，使保护设备能迅速可靠地动作，切断电源。必须注意：同一低压配电系统中，不能有的采取保护接地，有的又采取保护接零，否则当采取保护接地的设备发生单相接地故障时，采取保护接零的设备外露可导电部分将带上危险的电压， 保护接地和保护接零同时使用时当A相绝缘损坏碰壳时，接地电流式中：R0：保护接地电阻4 R0：工作接地电阻4注：中性点接地系统 (1) 不允许采用保护接地，只能采用保护接零； (2) 不准保护接地和保护接零同时使用。 此电流不足以使大容量的保护装置动作，而使设备外壳长期带电，其对地电压为110V。CABR0N(b)R0Ie3、防雷接地：雷电保护装置（避雷针、避雷线和避雷器等）向大地泄放雷电流

8、而设的接地。作用是降低雷电流流过时避雷针(线)或避雷器顶部的电压，即用来将雷电流顺利泻入大地，以减小引起的过电压.如输电铁塔,避雷针下的接地装置.一般要求:在平原地区的冲击接地电阻7 ;山区15 .4、静电接地：为防止静电对易燃油、天然气储罐、氢气贮罐和管道等危险作用而设的接地。大地具有一定的电阻率，当电气设备发生接地故障时，电流就通过接地体注入，向大地作半球形扩散。用 IE表示。由于这半球形的球面，距离接地体越远，球面越大，其散流电阻越小，相对于接地点的电位来说，其电位越低；在距离接地故障点约20m 40m的地方，散流电阻实际上已接近于零。这电位为零的地方，称为电气上的“地”或“大地”。图8

9、-8 接地电流、对地电压及接地电流电位分布曲线1. 接地电流earthing current8.4.2 接地电阻，接触电压和跨步电压 大地具有一定的电阻率，如果有电流经过接地极注入，电流以电流场的形式向大地作半球形扩散，则大地就不再保持等电位，将沿大地产生电压降。 设土壤电阻率为 ,大地内的电流密度为 ,则大地中电场强度为 在靠近接地极处，电流密度 和电场强度 最大，离电流注入点愈远，地中电流密度和电场强度就愈小，因此可以认为在相当远（约2040m）处，为零电位。电位分布曲线如图8-42所示。 2. 对地电压 voltage to earth电气设备的接地部分，如接地的外壳和接地体等，与零电位

10、的“地”之间的电位差，就称为接地部分的对地电压图8-8 接地电流、对地电压及接地电流电位分布曲线3、接地电阻earthing resistance 接地电阻：接地装置对地电位u与通过接地极流入地中电流i的比值，接地体的流散电阻与接地线和接地体电阻的总和。由于接地线和接地体的电阻相对很小，因此接地电阻可认为就是接地体的流散电阻。 工频接地电阻：工频(50Hz)接地电流流经接地装置所呈现的接地电阻。冲击接地电阻：雷电流流经接地装置所呈现的接地电阻。人处于分布电位区域内，可能有两种方式触及不同电位点而受到电压的作用。4、接触电压和跨步电压（1）接触电压touch voltage电气设备的绝缘损坏时，

11、在身体可同时触及的两部分之间出现的电位差。（2）跨步电压step voltage在接地故障点附近行走时，两脚之间出现的电位差 ，即当人在分布电位区域内跨开一步，两脚间（水平距离0.8m）的电位差，称为跨步电位差，越靠近接地故障点或跨步越大，跨步电压越大。离接地故障点达20m时，跨步电压为零。 图8-42 接地装置的电位分布Ut接触电压 Us跨步电压垂直接地体水平接地体接地网5、几种典型接地极的接地电阻计算补充：按规定应满足的条件为：在接地电流通过保护接地时产生的对地电压不应高于安全特低电压50V。因此保护接地电阻应为 如果漏电保护断路器的动作电流取30mA(安全电流值)，则 500.03=16

12、67 ，一般取 100，以确保安全。(一). 人工接地体工频接地电阻的计算 1. 单根垂直管形或棒形接地体的接地电阻计算 理论计算公式为式中 为埋设地点的土壤电阻率（m）,其值实测确定，或查附录表27；为接地体长度(m)；d 为接地体直径或等效直径(m)。 3. 单根水平带形接地体的接地电阻计算 理论计算公式为 垂直接地体一般采用直径为50mm、长度为2.5m的钢管或圆钢。如果采用角钢，则其等效直径 ，b为角钢边宽。如果采用扁钢，则其等效直径 为扁钢宽度。 在工程设计中，常采用下列简化计算公式29： 2.多根垂直接地体的接地电阻计算 多根垂直接地体通过连接扁钢（或圆钢）并联时，入地的流散电流将

13、相互排挤，其电流分布如图8-28所示。这种影响入地电流流散的作用，称为屏蔽效应。由于这种屏蔽效应，而使接地装置的利用率有所下降，也就使得n根垂直接地体并联的总的接地电阻 实际总的接地电阻为式中 为接地体的利用系数，垂直管形接地体的利用系数如附录表28所列。利用管间距离 与管长 之比及管子数目 去查。由于该表所列 未列入连接扁钢的影响，因此实际的 值比表列数值略高。图8-28 多根接地体之间的流散电流屏蔽效应（8-11） 式中 为埋设地点的土壤电阻率（m）；为水平接地体的长度(m)； 为水平接地体埋设深度(m)； 为水平接地体的直径或等效直径(m)。 在工程设计中，常采用下列简化计算公式29：（

14、8-12） 2. 钢筋混凝土基础的接地电阻简化计算公式(二). 自然接地体工频接地电阻的计算 1. 电缆金属外皮和水管等的接地电阻简化计算公式 5. 以水平接地体为主的环形接地网的接地电阻计算理论计算公式为 4. 根放射形水平接地带（ ，每根长度 m）的接地电阻计算 在工程设计中，常采用下列简化计算公式：（8-13） （8-14）式中A为环形接地网所包围的面积(m2)； 环形接地体总长度(m)； 为水平接地体埋地深度(m)； 为水平接地体的直径或等效直径(m)。 在工程设计中，常采用下列简化计算公式29：（8-15）（8-16） （8-17）式中V为钢筋混凝土基础的体积(m3)。 3. 钢筋混

15、凝土电杆的接地电阻简化计算公式（1）单杆 （8-18）（2）双杆 （8-19）（3）带拉线的单、双杆 （8-20）（4）拉线底盘 （8-21） 图8-29中的为接地体的有效长度（m），按GB50057-1994规定，应按下式计算：式中 为土壤电阻率（m）。（8-23） (三).冲击接地电阻的计算 冲击接地电阻是指雷电流经接地装置泄放入地所呈现的电阻，包括接地线、接地体电阻和地中散流电阻。由于强大的雷电流泄放入地时，当地的土壤被雷电波击穿并产生火花，使散流电阻显著降低。当然，雷电波的陡度很大，具有高频特性，同时会使接地线的感抗增大；但接地线阻抗较之散流电阻毕竟小得多，因此冲击接地电阻一般是小于工

16、频接地电阻的。按GB50057-1994规定，冲击接地电阻按下式计算： 式中 为工频接地电阻； 为换算系数，为 与 的比值，由图8-29确定。（8-22） 图8-29 确定换算系数 的计算曲线图8-30 接地体的长度 和有效长度 a)单根水平接地体 b)末端接垂直接地体的单根水平接地体 c)多根水平接地体（ ） d)接多根垂直接地体 图8-29中的 ：对单根接地体，为其实际长度；对有分支线的接地体，为其最长分支线的长度（参看图8-30）；对环形接地网，为其周长的一半。如果 时，则取 ，即 ，亦即 。 (四).接地装置的计算及示例 接地装置的计算程序如下： (1).按设计规范的要求确定允许的接地

17、电阻 值。 (2).实测或估算可以利用的自然接地体的接地电阻 值。 (3).计算需要补充的人工接地体的接地电阻 （8-24）如果不考虑利用自然接地体，则 。 (4).在装设接地体的区域内初步安排接地体的布置，并按一般经验试选，初步确定接地体和接地线的尺寸。 (5).计算单根接地体的接地电阻 。 (6).用逐步渐近法计算接地体的数量： (7).校验短路热稳定度。对于大接地电流系统中的接地装置，可按式（3-65）进行单相短路热稳定度的校验。由于钢线的热稳定系数C =70，因此满足单相短路热稳定度的钢接地线的最小允许截面（mm2）为 式中 为单相接地短路电流（A），为计算简便，并使热稳定度更有保障，

18、可取为 ； 为短路电流持续时间(s)。（8-25）（8-26） 例8-2 某车间变电所的主变压器容量为500kVA,电压为10/0.4kV，Yyn0联结。试确定此变电所公共接地装置的垂直接地钢管和连接扁钢的尺寸。已知装设地点的土质为砂质粘土，10kV侧有电气联系的架空线路长150km，电缆线路长10km。 解：(1). 确定接地电阻 查附录表26知，确定此变电所公共接地装置的接地电阻应满足以下两个条件：（1）（2）式（1）中的 由式（1-6）计算为故式（1） （3） 比较式（2）与式（3）可知，此变电所公共接地装置的接地电阻值应为 。 四. 接地装置的装设与布置(一).自然接地体的利用 在设计

19、和装设接地装置时，首先应充分利用自然接地体，以节约投资，节约钢材。如果实地测量所利用的自然接地体接地电阻已满足要求，且这些自然接地体又满足短路热稳定度条件时，除变配电所外，一般不必再装设人工接地装置了。 可作为自然接地体的有： (1). 埋设在地下的金属管道，但不包括可燃和有爆炸物质的管道； (2). 金属井管； (3). 与大地有可靠连接的金属结构如建筑物的钢筋混凝土基础、行车的钢轨等； (4). 水工建筑物及其类似的构筑物的金属管、桩等。 对于变配电所来说，可利用其建筑物的钢筋混凝土基础作为自然接地体。 利用自然接地体时，一定要保证其良好的电气连接。在建、构筑物结构的结合处，除已焊接者外，

20、都要采用跨接焊接，而且跨接线不得小于规定值。 (2).接地装置的初步方案 现初步考虑围绕变电所建筑物四周，距变电所外墙23m,打入一圈直径50mm、长2.5m的钢管接地体，每隔5m打入一根（为减少接地电流的屏蔽效应，管距一般不宜小于管长的2倍）。管间用404mm2的扁钢焊接相连。 (3).计算单根钢管的接地电阻 查附录表27，得砂质粘土的 m。 按式（8-9）得单根钢管接地电阻为 (4).确定接地的钢管数和最后的接地方案 根据 ，并考虑到管间电流屏蔽效应的影响，因此初步选择15根管径50mm、长2.5m的钢管作接地体。以 和 去查附录表28-2（取n =1020在 时的 的中间值）得 。因此由

21、式（8-25）可得 考虑到接地体的均匀对称布置，选16根直径50mm、长2.5m的钢管作接地体，用 404mm2的扁钢连接，环形布置。因题目未给短路电流数据，短路热稳定度校验从略。 图8-31 人工接地体a)垂直埋设的管形或棒形接地体 b)水平埋设的带形接地体 最常用的垂直接地体为直径50mm、长2.5m的钢管。如果采用的钢管直径小于50mm，则因钢管的机械强度较小，易弯曲，不适于用机械方法打入土中；如果钢管直径大于50mm，则钢材耗用增大，而散流电阻减小甚微，很不经济（例如钢管直径由50mm增大到125mm时，散流电阻仅减小15%）。如果采用的钢管长度小于2.5m时，散流电阻增加很多；如果钢

22、管长度大于2.5m时，则难于打入土中，而散流电阻也减小不多。由此可见，采用直径为50mm、长度为2.5m的钢管作为垂直接地体是最为经济合理的。但是为了减少外界温度变化对散流电阻的影响，埋入地下的接地体，其顶端离地面不宜小于0.6m。(二). 人工接地体的装设 人工接地体有垂直埋设和水平埋设两种，如图8-31所示。 当土壤电阻率（参看附录表27）偏高时，例如土壤电阻率 时，为降低接地装置的接地电阻，可采取以下措施： (1).采用多支线外引接地装置，其外引长度不宜大于 ，这里的 为埋设地点的土壤电阻率。 (2).如果地下较深处土壤电阻率较低时，可采用深埋式接地体。 (3).局部进行土壤置换处理，换

23、以电阻率较低的粘土或黑土（见图8-32），或进行土壤化学处理，填充以炉渣、木炭、石灰、食盐、废电池等降阻剂（见图8-33）。 图8-32 土壤置换处理a)垂直接地体 b)水平接地体图8-33 土壤化学处理 1-扁钢 2-钢管 3-降阻剂 注: 电力线路杆塔的接地体引出线截面不应小于50mm2。引出线应热镀锌。 按GB50057-1994建筑物防雷设计规范规定：防雷的接地装置，圆钢直径不应小于10mm；扁钢截面不应小于100mm2，厚 度不应小于4mm；角钢厚度不应小于4mm；钢管壁厚不应小于3.5mm。作为引下线，圆钢直径不应小于8mm；扁钢截面不应 小于48mm2，厚度不应小于4mm。 本表

24、规格也符合GB50303-2002建筑电气工程施工质量验收规范的规定。 按GB50169-1992电气装置安装工程接地装置施工及验收规范规定，钢接地体和接地线的截面不应小于表8-6所列规格。对110kV及以上变电所或腐蚀性较强场所的接地装置，应采用热镀锌钢材，或适当加大截面。 表8-6 钢接地体和接地线的最小规格 （据GB50169-1992）4.53.52.52.5 钢管管壁厚度 /mm642.52角钢厚度 / 6443 厚度 /mm100100 100 60 截面 /mm2 扁 钢 121086圆钢直径 /mm 直 流 回 路 交 流 回 路 室 外 室 内 地 下 地 上 种 类、规 格

25、 及 单 位 由于多根接地体邻近时，会出现电流屏蔽效应（参看图8-27），使接地装置的利用率下降，因此垂直接地体之间的间距不宜小于接地体长度的2倍，而水平接地体之间的间距一般不宜小于5m。 接地网的布置，应尽量使地面的电位分布均匀，以降低接触电压和跨步电压。人工接地网的外缘应闭合。外缘各角应作成圆弧形。35110/610kV变电所的接地网内应敷设水平均压带，如图8-34所示。为保障人身安全，应在经常有人出入的走道处，采用高绝缘路面（如沥青路面），或加装帽檐式均压带。 为了减小建筑物的接触电压，接地体与建筑物的基础间应保持不小于1.5m的水平距离，通常取23m。 图8-34 加装均压带的接地网 图8-35 图4-62和图4-80所示高压配电所及其附设2号车间变电所的接地装置平面布置图(三). 接地装置的平面布置图 接地装置平面布置图，是表示接地体和接地线在一个平面上具体布置和安装要求的一种安装图。 图8-35是图4-62和图4-80