城市轨道交通供电

1、第5章 接地系统,易东,西南交通大学电气工程学院,城市轨道交通供电,第5章 接地系统,基本概念 安全用电知识 5.1 接地系统现状 5.2 综合接地系统 5.3 故障状态下地网电阻对其电位的影响 5.4 地网电位升高对弱电或低压设备的危害,基本概念,大地 接地体 土壤电阻率和对地电阻 结构接地、隧道接地和牵引系统接地 地电位和轨电位 接触电压 可接近电压,大地,从电气的角度来看，大地可被定义为导电的土壤，人们习惯认为它任一点的电位都等于零。通常还会使用参考大地，零点接地，分离大地或者遥远大地。 供电设备的接地装置和大地之间的距离可以是几十米甚至长达1km，它取决于接地装置的尺寸、土壤成分以及接

2、地电流的幅值。大地可作为决定轨电位大小的参考（即：钢轨对大地电位）。,【问大地地和电气地有什么区别? 答大地的“地”是指地球陆地的表面层，即地理地。 大地是一个电阻非常低，而且电容量非常大的物体，它拥有吸收无限电荷的能力，而且在吸收大量电荷后仍能保持电位不变，因此电气上把它作为一个系统的参考电位体，这种“地”称为电气地。 除了电气地外，在电子设备中，各级电路电流的传输、信号转换时，要求有一个参考的电位，防止外界信号的干扰，这个电位称为逻辑地或浮地，逻辑地可与大地接触，也可不接触。,【问大地地的电位和电气地的电位有什么区别? 【答】大地由于能吸收无限电荷，因此大地地的电位宏观上看为零电位。由于大

3、地中自然电场和人工电场的影响，大地各点的电位是不同的，工程上把离开人工电场(接地体)20m远处的地电位视为零电位。 电气地的电位和电气系统注入大地的电流大小有关，当有大电流流入电气地时，电气地的电位可能达到很高的电压，尤其是雷电流流入电气地时，电气地的瞬时电位可高达数十万伏，因此单独设置的防雷接地点，不能设在门口和人行道下。 在选择电气地时，还要远离人工电场，即和其他电气系统的地要远离，希望离开20m，若无法远离时，最小距离为5m。,接地体,接地体是一个或多个与土壤紧密连接的导电体，它们提供与大地的电气连接。使用金属和钢筋结构作为接地体比较好。这就要求早期设计时确保有足够的电气交叉连接和电气终

4、端预留。,【问何谓接地? 答将电力系统或电气装置的某一部分经接地线连接到接地极上，称为接地。电力系统中接地的部分一般是中性点，也可以是相线上的某一点。电气装置的接地部分则是正常情况下不带电的金属导体，一般为金属外壳。 为了安全保护的需要，把不属于电气装置的导体(也可称为电气装置外的导体)，例如水管、风管、输油管及建筑物的金属构件和接地极相连，称为接地;幕墙玻璃的金属立柱等和接地极相连，也称接地。,【问】接地按作用分为哪几类? 答一般分为两类:保护性接地和功能性接地。 1.保护性接地又分为如下四种: 保护接地 将设备的外露导体部分接地，称为保护接地，其目的是为了防止电气设备绝缘损坏或产生漏电时，

5、使平时不带电的外露导体部分带电，人触及而产生电击。 防雷接地 将雷电导入大地，防止雷电流使人受到电击或财产受到损坏。 防静电接地 将静电荷引入大地，防止由于静电积聚对人体和设备造成危害。 防电蚀接地 在地下埋设金属体作为牺牲阳极或牺牲阴极，保护与之连接的金属体，例如金属输油管。,2.功能性接地也可分为四种: 工作接地 为了保证电力系统的正常运行，在电力系统的适当地方进行接地，称为工作接地。交流系统中，此点一般为中性点。 逻辑接地 为了获得稳定的参考电位，将电子设备中的适当金属件作为参考零电位，需获得零电位的电子器件接在此金属件上，这种接法称为逻辑接地。 屏蔽接地 将金属壳或金属网接地，保护壳或

6、网内的电子设备不受外界的电气干扰，或者使壳内或网内的电子设备不对外部电子设备引起干扰。 信号接地 为保证信号具有稳定的基准电位而设置的接地，称为信号接地。,【问接地有什么作用? 【答】接地的作用主要是防止人身受到电击、保证电力系统的正常运行、保护线路和设备免遭损坏、预防电气火灾、防止雷击和防止静电损害。 问我国对安全电压有什么规定? 答为防止人身遭受电击，采用安全电压是一个很好的方法，我国安全电压的系列是:42V,36V,24V,12V和6V。当设备采用安全电压作直接接触防护时，只能采用额定值为24V以下(包括24V)的安全电压;当用作间接接触防护时，则可采用额定值为42V以下(包括42V)的

7、安全电压。 安全电压通常由隔离变压器输出，隔离变压器的铁心必须接地，但隔离变压器的低压输出端不准接地。安全电压若用插座供电，只能用二眼插座。,问安全电压和使用环境有什么关系? 答安全电压是为了防止人身遭受电击。电击的程度与人体阻抗有关，而人体的阻抗与接触状况有极大的关系，在不同的状况下，人体的阻抗是不同的。 人体阻抗与接触状况的关系，通常分为三类: 1.干燥的皮肤，干燥的环境，高电阻的地面:此时人体阻抗最大 2.潮湿的皮肤，潮湿的环境，低电阻的地面:此时人体阻抗很小。 3.人浸在水中:此时人体阻抗可忽略不计。,土壤电阻率和对地电阻,接地体的电气特性取决于它们的设计及周围土壤的导电性能。 土壤电

8、阻率是指土壤的导电性，通常用.m作单位。其数值代表边长为1m的正方体土壤的电阻。,结构接地、隧道接地和牵引系统接地,接地系统由几个接地体组成，这几个接地体之间用导线互相连接。预应力混凝土结构中互相连接的钢筋、金属元件或者其他结构被定义为结构接地。 这些结构包括车站和专用建筑物、桥梁、高架桥、混凝土路面的道路和隧道。隧道的结构接地也称做隧道接地。 电气化铁道的走形轨，被用作回流导体并特意与大地连接，它们形成了牵引系统接地。牵引系统接地还包括与之相连的导电部件。,结构接地、隧道接地和牵引系统接地,对于开放式牵引系统接地，在正常运行期间，通过限压装置将与大地相连接的导电部件和回路分开。这样的话，只有

9、在超过跳闸电压值的时候才有临时或连续接通。 虽然在直流系统中没有牵引系统接地，但还是使用了术语开放式牵引系统接地。它指在出现超过规定值的高电压时，导电部件和回路或者回路和结构接地通过限压装置的连接。,地电位和轨电位,地电位发生于接地体和远处大地之间。接地体的对地电阻和流经接地体的电流决定了地电位的大小。走行轨中的牵引回流引起地电位也称为轨电位。无论是在运行状态还是在故障状态下，轨电位都会在走行轨和与之相连的导电体上产生。,接触电压,接触电压指的是直接接触和间接接触电压。直接接触电压是指可能接触到带电部件而产生的电压。直接接触电压的保护措施包括是用绝缘外罩、绝缘外壳或绝缘网栅并充分加大到可接触表

10、面的距离。 根据标准定义，只有在故障状态下，才会在带电导体上产生间接接触电压。两个导电部件之间的电压有可能被人体跨接，这样的电压就是接触电压。开关柜的金属外壳、接地连接件和钢筋混凝土结构都可能产生接触电压，因而它们被归类于接触部件。可被人体跨接的部分对地电压也称之接触电压。 保护装置应能很快切断故障电路，使得接触电压在人体上作用的时间很短。标准EN50 1221 规定这个时间小于0.5s。,【问】何谓接触电压? 答】电气设备因绝缘损坏，发生碰壳短路时，人触及此电气设备就有遭到电击的危险。为了衡量危险程度，测出离电气设备水平方向0.8m(相当于跨步距离)的地电位和电气装置垂直方向0. 8m处(人

11、手触及的部位)的设备发生故障时所带的电位、两者的电位差称为接触电压。 如果设备未接地，220V的相线碰壳，这时产生的接触电压可达到相电压大小;如果设备接地，其接触电压与设备的接地电阻大小有关，当设备的接地电阻与电源的工作接地电阻相等时，接触电压可达到110V 设备的接地即使非常好，在故障电压未切断前，接触电压也是存在的。只有故障电压被断路器或熔丝切断后，才解除电击的危险。,可接近电压,在正常运行时，轨电位产生的电压所持续的时间会更长。 可被人体跨接的部分轨电位，由于其持续的时间长，在标准EN 50 1221 中也被定义为可接近电压。,【问】何谓跨步电压? 【答】当电气装置发生对地短路故障后，故

12、障电流从故障点的地通过大地到接地极，回到电源，于是在故障点的地和接地极周围产生一个电场，离故障点的地或接地极的地越近，电位越高，越远则电位越低，离开20m，则可视为零。 人两脚分开相距约为0.8m时，站在这个电场内，由于两脚处于不同的电位点，就有一个电位差，此电位差称为跨步电压。 当人处于电场内有麻电感觉时，不能奔跑逃离电场，而应该单脚跳或细步离开电场。,安全用电知识,电力的输配过程及低压供电系统简介 人体触电 保护接地与保护接零 安全用电基本常识 电火灾及其防止,一电力的输配过程及低压供电系统简介,（一）电力的传输和分配,（二）低压供电系统 市电（ 380/220V、工频50Hz）就是低压，

13、它由单位（地区）变电所中的三相变压器提供，其低压侧根据接线方式的不同可构成三相三线制、三相四线制等基本的低压供电（电源）系统。 变压器的三相绕组联接成Y形，各相绕组的始端引出三根相线（俗称火线），各相绕组的末端形成公共点称为中性点，由此引出的导线即中性线。,若变压器无中性线且中性点不接地，以I表示，所形成的供电系统（亦即中性点不接地的电网）为三相三线制。 若变压器有中性线且中性点接地，以T表示，此时中性点与大地等电位，可称为零点，而中性线则称为零线，所形成的供电系统（亦即中性点接地的电网）为三相四线制。,图中的接地体是埋入大地且与大地直接接触的金属导体。在这里，中性点接地称为系统的工作接地，它

14、是因电力系统正常工作需要而采取的保护措施。 三相四线制380/220V低压供电系统目前在我国广泛应用，其中动力配电线路采用三根相线和零线，照明配电线路采用一根相线和零线。,二人体触电及急救,人体触电是电气事故中最主要的事故之一，它指人体触及带电体后，电流对人体造成的伤害。 （一）触电的类型 触电是指人体触及带电体后，电流对人体造成的伤害。它 有两种类型，即电击和电伤。 1电击 人们通常所说的触电就是指电击，大部分触电死亡事故都 是由电击造成的。 2电伤 电伤是指电流的热效应、化学效应、机械效应及电流本身 作用造成的人体伤害。 电伤往往出现在高压触电事故中。 电击和电伤常会同时发生。,（二）影响

15、触电危险性的因素 触电的危险性即电流对人体的伤害程度取决于以下几个因素： 1.电流的大小 通过人体电流的大小对触电者的伤害程度起决定作用。对于工频交流电，按照通过人体的电流大小和人体呈现的不同状态，可将其划分为下列三种。 感知电流。它是指引起人体感知的最小电流。人体平均感知电流有效值约为0.7-1.1mA。感知电流一般不会对人体造成伤害。 摆脱电流。人触电后能自行摆脱的最大电流称为摆脱电流。人体的平均摆脱电流约为10-16mA。摆脱电流是人体可以忍受而一般不会造成危险的电流。 致命电流。指在短时间内危及生命的最小电流，当电流100mA以上，则足以致人于死亡；而直流50mA以下、工频30mA以下

16、电流通常不会有生命危险（可视为安全电流）。,2. 人体的电阻值 人体的电阻值通常在10k100k之间，基本上按表皮角质层电阻大小而定。但它会随时、随地、随人等因素而变化，存在相当地不确定性。 3. 加在人体上的电压 当人体电阻一定时，作用于人体的电压越高，通过人体的电流越大。目前，我国采用的安全电压以36伏和12V两个等级居多。 4. 通过人体电流的时间 电流对人体的伤害与电流通过人体时间的长短有关。通电时间越长，因人体发热出汗和电流对人体组织的电解作用，人体电阻逐渐降低，导致通过人体电流增大，触电的危险性亦随之增加。 5电源频率 常用的5OHz的工频交流电对人体的伤害程度最为严重。 当电源的

17、频率偏离工频越远，对人体的伤害程度越轻。不过，高压高频电流对人体依然是十分危险的。,6. 电流通过人体的途径 电流通过头部会使人昏迷而死亡；通过脊髓会导致截瘫及严重损伤；通过中枢神经或有关部位，会引起中枢神经系统强烈失调而导致残废；通过心脏会造成心跳停止而死亡；通过呼吸系统会造成窒息。 实践证明，从左手至脚是最危险的电流路径，从右手到脚、从手到手也是很危险的路径，从脚到脚是危险较小的路径。 另外，静电场以及雷电带来的冲击电流均会人体产生伤害。,（三）人体触电的方式 大体可分为直接接触触电和间接触电两大类。 1. 直接接触触电 人体任何部位直接接触处于电气设备的带电部分而形成的触电。这是各种触电

18、形式中后果最严重的一种。 直接接触触电分为单相触电和两相触电。,（1）单相触电（单线触电） 人体的一部分在接触一根带电相线（火线）的同时，另一部分又与大地接触。 在触电事故中，单相触电的事例最多，其中因接触漏电外壳所造成的单相触电较为常见。单相触电的危险程度取决于电网电压高低、中性点是否接地以及环境情况。 在高压系统中，人体虽未直接接触带电体，但因安全距离不够，高压系统经电弧对人体放电，也将形成单相触电。,（2）两相触电（两线触电） 人体同时接触两根带电相线（火线）。这是最危险的触电。,（1）接触电压触电 为保证安全，通常情况下电气设备的外壳都经过了接地处理。当设备因一相绝缘损坏碰壳漏电时，接

19、地电流将自设备外壳通过接地体向四周大地(20m为半径)成半球状流散，接地体周围产生不同电位。 此时若人体触及漏电设备外壳时，将视人体所处的位置与接地体的距离产生不同的接触电压。当人体离接地体越远，接触电压越大；当人体处于接地体附近，接触电压接近于零。 （2）跨步电压触电 带电体着地时，电流流过周围土壤，产生电压降，人体接近着地点时，两脚之间形成跨步电压，其大小决定于离着地点的远近及两脚正对着地点的跨步距离。通常情况下，距着地点20m外可不必考虑跨步电压，视为安全区。,三保护接地与保护接零,在我们日常生活和工作中，经常遇到电气设备因绝缘损坏或带电的导体碰壳而造成外壳带电，这样就可能发生人体触电事

20、故。为了防患于未然，应该按供电系统接地型式的不同，分别采取保护接地或保护接零的安全措施。 （一）保护接地 在中性点不接地的电网中，把故障情况下可能呈现危险的对地电压的金属部分与大地紧密连接起来即进行接地，构成IT系统。,（一）保护接地 一旦发生碰壳事故，利用接地体具有很小的电阻，将碰壳设备对地电压限制在安全电压以下。 但应该注意地是：保护接地只适合于中性点不接地的电网，在中性点接地的电网中使用不能完全保证安全。,（二）保护接零 在中性点接地的电网中，将电气设备正常情况下不带电的金属外壳与电网的零线紧密连接，构成TN系统。 一旦设备发生碰壳事故，借零线形成单相短路，漏电电流将上升为很大的短路电流

21、，迫使线路上的保护装置迅速动作而切断电源。,（三）重复接地 TN系统中，将零线上一处或多处通过接地装置与大地再次连接，称为重复接地。,重复接地的作用： （1）降低漏电设备的对地电压。 （2）减轻零线断线的危险。 （3）提高过流保护动作速度。,（四）接地装置 1接地装置的组成 接地装置由接地体和接地线组成。 接地体、接地线一般多选用扁钢或圆钢。 2接地装置的安全要求 接地装置本身就是安全装置，对于防止触电事故的发生有十分重要的意义，因此，接地装置必须具有足够的机械强度以及良好的导电能力和热稳定性。 安装时，要注意： （1）适当的埋入深度。 （2）防止机械损伤。 （3）联接可靠。 （4）防腐蚀处理

22、。,四安全用电基本常识,1.建立健全各项安全规章制度，经常加强安全教育和培训。 2.设立屏护，保证人与带电体的安全距离（间距），并及时悬挂标示牌。 室内的屏护一般用网状遮拦，以便检查。 高压设备必须加屏护。 室外变配电设备或高压危险区域，设不低于1.5m的栅栏；室内为不低于1.2m的栅栏。 操作中，与带电体较近时，操作者背后的物体与操作者背部的最小距离应不小于0.5mm。 标示所使用的手段有文字、图形、编号、颜色等等。 颜色（安全色）有统一的国际标准： 红色-禁止、停止、消防； 黄色-注意安全；兰色-强行执行； 绿色-安全； 黑色-警告。,3. 经常检查器具的绝缘状况。 定期检查工具及防护用具

23、的绝缘性能是否合格，使用时是否在鉴定有效期内。 另外，在电气工作中，要注意高、低压器具的区别。 4. 工作前必须检查工具、测量仪表和防护用具是否完好。 电气维修工作结束后，要清点工具及材料数量，清理现场。 5. 带电操作，必须一人操作，一人监护。 6. 电气设备的金属外壳必须接地（接零）保护。 7. 电气设备应防腐、防潮。 8. 不可用湿手接触带电的物体，更不可用湿布揩擦带电电器。如用手试验电器设备的温度，要用手背。,9. 搬运、移动电气设备时，必须先切断电源。 10. 拆除电气设备或线路后，对可能继续供电的线头必须立即用绝缘布包扎好。不准对运转中的电气设备进行拆卸修理。 11. 要尽可能使用

24、且正确应有安全电压。 12. 正确使用熔断器。 13. 严禁带负载操作动力配电箱中的刀开关。 14. 在电容器上操作时，必须在断电后使之放电。 15. 电气设备的防火、防爆措施要完善有效。电气设备发生火灾时，要立即切断电源，用沙土、二氧化碳或四氯化碳气体灭火机灭火。严禁用水或泡沫灭火机。 16. 采用联锁装置和继电保护装置，推广、使用触电保安器。 17. 正确选用和安装防雷装置，并经常性检查。 18正确使用各类插座。插座按其结构可分为三种：照明线路用单相二极（双眼）和单相三极（三眼）插座以及动力线路中供三相设备用的三相四极插座。各类插座的接线如图所示。,五电火灾及其防止,电（电气）火灾是由于电

25、器设备因故障产生过热或电火花而 引起的火灾。 （一）电火灾的原因 1. 过载。 2导线断裂或短路时的火花和电弧。 电火花是电极间的击穿放电现象，而电弧是大量电火花汇集 而成的。电火花的温度很高，可以引燃可燃物，而电弧的温度更 是高达3000-6000，甚至能使金属熔化飞溅，构成火源。 3. 设计不良或使用不当的电热器具。 4接触不良引起过热。 5散热不良。 此外，不属于电气设备的电气火灾原因有两个：雷电火灾； 静电火灾。,（二）电火灾的防护 1按场合的危险等级要求正确选择、安装、使用和维修电气设备及电气线路，并按规定正确采用各种保护措施。 2危险场合中的电气设备要有有高标准的接地、接零；设备附

26、近要有隔热措施等等。 3危险场合及其附近，用非可燃材料或耐火材料构筑。 4危险场合要采取防静电措施：将静电带电体接地（多处接地）-最有效的防护措施。 5危险场合要采用防雷措施：将雷电电流导引入大地。 （三）电火灾的紧急处理 一旦发生火灾，应立即采取正确的方法实施扑救工作。 1. 首先应尽快切断电源。 2. 正确使用灭火器材。 3. 迅速转移火灾现场内的可燃易爆物质，以避免造成更大地损失。,5.1 接地系统现状,对于设备工作接地和防雷接地，固然是接地电阻越小越好，我国电力部门早年的规范中也曾提出过0.5的标准 我国早期修建的城市轨道交通采用强电设备(供电系统等)和弱电设备(通信、信号) 分设接地

27、装置的方式 接地电阻的大小是影响实现接地系统功能的重要因素之一，并且直接影响接地系统的投资规模,5.2 综合接地系统,交流供电系统短路故障,在交流环网供电系统中，一般可发生3种短路故障：三相短路；两相接地短路；单相接地短路 三相短路无零序电流，对地网电位无影响。而两相接地短路发生故障的可能性很小且与单相短路故障相比，其零序电流较小，所以在交流供电系统一般只考虑单相发生短路故障产生的影响。 在发生单相短路故障时，流经电缆铠装的电流即使在中间有对地分流通路（地网），但因电缆互感原因，95%以上的短路电流还是经电缆铠装层回流，只有5%以下的短路电流沿途分流至接地网。,直流供电系统短路故障,1、 接触网对钢轨短路 当钢轨是悬浮系统时，99%的短路电流经钢轨流回牵引变电所负母排，地网与钢轨互相隔离，钢轨电位的升高（短路点）及降低（牵引变电所阴极区）对地网电位的影响很小，其关键是地网本身不是短路电流的回流通路。,在牵引变电所排流柜投入运行时钢轨处于接地状态，接触网对钢轨短路时将有部分故障电流泄漏至地下并通过接地网返回。,2、 接