电气等电位联结与接地电缆的应用分析

电气等电位联结与接地电缆的应用分析

王纺

王纺

河南黄河钢构有限公司453400

摘要：接地保护和等电位联结是互为补充的附加保护，在电气设计和施工中二者都是必须的。等电位是接地故障保护安全的基本前提，在建筑工程设计和施工中，做好建筑物总等电位联结并能合理安全的利用接地电缆，有效地节约材料资源是配电设计和施工的主要目标。

关键词：等电位联结；接地保护；接地电缆

一、接地与等电位联结概念及原理

将电力系统或建筑物中电气装置、设施的某些部分，经接地线连接至接地极，称为接地。电气装置的金属外壳、配电装置的构架和线路杆塔，由于绝缘损坏有可能带电，为防止其危及人身和设备的安全而设的接地，称为保护接地。接地保护是在基本绝缘失效后的附加防护，属自动切断供电的防护，它的实现方法是为故障电流提供一个返回电源的通路，在被保护装置电源端设置一个可切断供电的保护电器。保护接地有两种型式：电气装置的外露可导电部分通过保护中性导体或保护导体连接到电源端的接地点和电气装置的外露可导电部分直接接地。保护接地可防止人身间接电击以及电气火灾、线路损坏等事故。

等电位联结的概念源于电路的基本原理。电压即电位差，所谓“等电位”，就是电位差（电压）为零或很小接近为零。若在电路系统中做等电位联结，即被连的两点间电压为零或接近为零不会引起电击，从而起到防止人身触电和避免引发火灾的作用。建筑物内导电金属物做等电位联结，可降低建筑物的间接接触电压和不同金属物之间的电位差，避免自建筑物外经电气线路和各种管道引入的事故电压的危害，减少保护电器动作不可靠带来的危害。

二、配电设计保护线应用现状

在当今各类建筑电气工程中，选用低压配电导体的条件主要包含以下两点：1）敷设方式；2）环境条件。需要注意的是带电导体是看本身的载流量、电压损失及经济电流密度等方面，校验的前提条件主要是参照短路稳定性，但是，在选择保护线的时候，首要应该注意的问题是保护线的短路稳定性应满足要求，在规划施工过程中，依据GB50054—1995《低压配电设计规范》中第2.2.9条的规定为前提条件，规范主要内容为:当保护线(以下简称PE线)所用材质与相线相同时，PE线最小截面积应符合规范规定，如下表所示。另外，规范还对PE线的机械强度及保护中性线(PEN线)进行了相关的规定。

表PE线最小截面积

现存的主要问题低压配电设计比较常见的TN制系统中，如果在保护线故障时，配电系统的相线依然供电将使配电系统产生很大的风险，而存在故障的配电系统中出现单相接地、短路或较大的不平衡电流时，风险将转变为人身危险，并可能造成人身间接电击事故。所以，配电设计常选用5芯电缆，确保供电电缆的保护线不会先于相线发生故障。但是在实际工程中，通常配电系统有2、3级，只有终端配电设备放置在现场，而上一级配电设备大多数情况下放置在配电专用房间内，如配电间、电气竖井等，因为这样可以方便用电设备的管理。若一个配电间内有4、5个配电箱或配电柜，每个配电箱或配电柜均有一根保护线同带电导体一同敷设过来。根据电路的替代定理，如果将这个配电间等效为一个大的用电设备的话，那么，这个大设备就用了4、5根接地线。可以看出，这4、5根保护线的起点和终点都是一样的，相当于4、5根接地线并联使用，并与建筑等电位联结系统内的金属部件并联。而在建筑的竖井中，也有着类似的情况，尤其是有着放射式供电系统的竖井，情况则更为明显。一个6、7层的竖井，每层的配电箱将有一根保护线引至上级配电柜，相当于从上级配电柜引来了6、7根保护线。虽然，设置竖井的建筑内，配电方式以树干式配电居多，但是，当有多回路同时供电时，接地安全系数还是会被设计得过高，以至于出现了对铜的“技术性过度需求”。

三、解决方法及对策

通过对以上的情况分析，既然多根接地线过度放大了安全系数，能不能仅以一根截面积最大的保护线为基准设置接地电缆，而将其他的配电电缆由5芯电缆改为4芯呢?选择保护线主要需考虑其热稳定性，它是短路状态下导体发热对绝缘层破坏和热氧化等指标的衡量标准。由于保护线本身不需要和基准地电位绝缘，且正常情况下没有电流产生热量，故其热稳定校验的热稳定系数也大于导体的热稳定系数，所以保护线截面积可小于等于相线截面积。

因此，只要分析短路情况下，接地干线能不能正常工作就可以了。显然，由于接地电缆是所有保护线中截面积最大的，那么，任何一个回路出现接地故障时，其接地故障电流均不会对接地电缆造成破坏，接地电缆都可以正常工作。在2个及以上的回路同时出现同相接地短路时，接地电缆的截面积将不能满足《低压配电设计规范》2.2.9的要求，需重新进行热稳定校验。由于各回路均设置了断路器、熔断器等线路保护电器，一个回路出现接地短路时，会触发保护电器动作并退出工作。所以在正常运行过程中，2个回路同时出现接地短路的可能性是很小的，只有当接地线接线错误后，首次接通电路时会有多回路同时短路的情况。施工规范中要求，回路通电前开关电器应处在分断状态，再依据配电系统一路路接通，所以这种情况发生的概率也很小。最重要的是，如果建筑物的低压电气装置按要求进行了等电位联结，将相当于利用建筑结构内的钢筋以及接地干线为保护线提供了并联电路。

四、安全性分析

需要注意的是，当等电位联结线分流了接地短路电流的同时，也使整个接地体系带电，所以，系统的安全性需要进一步分析。从理论上说，即使PE线断线，也就是不敷设接地电缆，得益于等电位联结，在金属外壳带电时，在人能够触及的范围内各金属件之间电压差很小，人还是很安全的。但由于等电位联结线主要是裸导体，可能发生氧化、机械损坏等意外，所以，当配电电缆采用4芯电缆时，接地电缆还是有必要的。因为接地电缆可以和配电电缆一同敷设在桥架内，主要的冲击外力由桥架负担，如果出现故障，也是和配电电缆一同故障，这基本和5芯电缆的效果是一样的，更与单芯电缆配电时的保护线做法相一致。接地电缆的截面积可以套用表中关于PE线最小截面积的要求，只要将表中“相线芯线截面积S”改为“最大相线芯线截面积S”就可以了，或依据接地电缆分段情况适当放大电缆截面积。

五、结语

一些已有建筑的改造工程，一方面用电量相比改造前增大了很多，电缆必须增多；另一方面，受到建筑空间、结构空间和设备管线的限制，电缆桥架又不能同比例加大，这常使电气设计人员左右为难。通过接地电缆的使用，将使主干电缆的总截面积减小，进而使电缆桥架的总截面积减小，还可以使单根电缆的转弯半径有所减小，进而减小了在局促空间内的设计难度，更可以降低在局促空间内施工人员的施工难度和复杂性，降低施工人员的劳动强度和施工费用。由于保护线是关系到人身安全的重要配电设施，所以接地电缆仅宜在一般环境下的配电间或竖井内使用。对于公共场所的配电箱、未设置等电位联结的场所或重要的配电设备还是应该采用5芯电缆以保证电气安全。

参考文献

[1]徐永。关于配电系统接地保护技术介绍[J]。黑龙江科技信息，2012，(14).

[2]张莹，张东亮，黄定卫，刘现收。电缆屏蔽层接地方式及抗干扰分析[J]。国外电子测量技术，2010，(11).