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接地概念
接地的概念-专题讲座001
目录:
一、“地”和“接地”的概念
1.地
2.接地
3.接触电压
4.跨步电压
5.流散电阻、接地电阻和冲击接地电阻
二、接地的作用
(一)防止人身遭受电击
1.电击机理
2.电击效应
3.直接电击的防护措施
4.间接电击的防护措施
5.防止直接和间接电击两者的措施
6.防止电击的接地方法
(二)保障电气系统正常运行
(三)防止雷击和静电的危害
三、接地的分类
(一)接地的作用分类
1.保护性接地
2.功能性接地
(二)按接地形式分类
四、接地的范围
(一)直流系统
(二)交流系统
(三)移动式和车载发电机
(四)电气设备
五、按电击危险程度划分的环境分类
为了正确地进行接地工作,首先必须明确“地”和“接地”的概念以及有关的主要名词术语,并
了解接地在防止人身遭受电击、减少财产损失和保证电力系统正常运行中的作用。
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一、“地”和“接地”的概念
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1.地
2.接地
3.接触电压
4.跨步电压
5.流散电阻、接地电阻和冲击接地电阻
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1.地
(1)电气地 大地是一个电阻非常低、电容量非常大的物体,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,因此适合作为电气系统中的参考电位体。
这种“地”是
“电气地”,并不等干“地理地”,但却包含在“地理地”之中。
“电气地”的范围随着大地结
构的组成和大地与带电体接触的情况而定。
(2)地电位 与大地紧密接触并形成电气接触的一个或一组导电体称为接地极,通常采用圆
钢或角钢,也可采用铜棒或铜板。
图1示出圆钢接地极。
当流入地中的电流I通过接地极向大地作
半球形散开时,由于这半球形的球面,在距接地极越近的地方越小,越远的地方越大,所以在距
接地极越近的地方电阻越大,而在距接地极越远的地方电阻越小。
试验证明:
在距单根接地极或
碰地处20m以外的地方,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,该处的电位已近于零。
这电位等于零的“电气地”称为”地电位”。
若接地极不
是单根而为多根组成时,屏蔽系数增大,上述20m的距离可能会增大。
图1中的流散区是指电流
通过接地极向大地流散时产生明显电位梯度的土壤范围。
地电位是指流散区以外的土壤区域。
在
接地极分布很密的地方,很难存在电位等于零的电气地。
(3)逻辑地 电子设备中各级电路电流的传输、信息转换要求有一个参考的电位,这个电位
还可防止外界电磁场信号的侵入,常称这个电位为“逻辑地”。
这个“地”不一定是“地理
地”,可能是电子设备的金属机壳、底座、印刷电路板上的地线或建筑物内的总接地端子、接地
干线等;逻辑地可与大地接触,也可不接触,而“电气地”必须与大地接触。
2.接地
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称为“接地”。
“电气装置”是一
定空间中若干相互连接的电气设备的组合。
“电气设备”是发电、变电、输电、配电或用电的任
何设备,例如电机、变压器、电器、测量仪表、保护装置、布线材料等。
电力系统中接地的一点
一般是中性点,也可能是相线上某一点。
电气装置的接地部分则为外露导电部分。
“外露导电部
分”为电气装置中能被触及的导电部分,它在正常时不带电,但在故障情况下可能带电,一般指
金属外壳。
有时为了安全保护的需要,将装置外导电部分与接地线相连进行接地。
“装置外导电
部分”也可称为外部导电部分,不属于电气装置,一般是水、暖、煤气、空调的金属管道以及建
筑物的金属结构。
外部导电部分可能引入电位,一般是地电位。
接地线是连接到接地极的导线。
接地装置是接地极与接地线的总称。
超过额定电流的任何电流称为过电流。
在正常情况下的不同电位点间,由于阻抗可忽略不计
的故障产生的过电流称为短路电流,例如相线和中性线间产生金属性短路所产生的电流称为单相
短路电流。
由绝缘损坏而产生的电流称为故障电流,流入大地的故障电流称为接地故障电流。
当
电气设备的外壳接地,且其绝缘损坏,相线与金属外壳接触时称为“碰壳”,所产生的电流称为
“碰壳电流”。
3.接触电压
在图2中,当电气装置M绝缘损坏碰壳短路时,流经接地极的短路电流为Id。
如接地极的
接地电阻力Rd,则在接地极处产生的对地电压Ud=Id·Rd,通常称Ud为故障电压,相应的
电位分布曲线为图2中的曲线C。
一般情况下,接地线的阻抗可不计,则M上所呈现的电位即
为Ud。
当人在流散区内时,由曲线C可知人所处的地电位为Uφ。
此时如人接触M,由接触所
产生的故障电压Ut=Ud-Uφ。
人站立在地上,而一只脚的鞋、袜和地面电阻为Rp,当人接触M
时.两只脚为并联,其综合电阻为Rp/2。
在Ut的作用下,Rp/2与人体电阻RB串联,则流经
人体的电流IB=Uf/(RB+Rp/2),人体所承受的电压Ut=IB·RB=Uf·RB/(RB+Rp/
2)。
这种当电气装置绝缘损坏时,触及电气装置的手和触及地面的双
二、接地的作用
(一)防止人身遭受电击
1.电击机理
2.电击效应
3.直接电击的防护措施
4.间接电击的防护措施
5.防止直接和间接电击两者的措施
6.防止电击的接地方法
(二)保障电气系统正常运行
(三)防止雷击和静电的危害
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接地的作用主要是防止人身遭受电击、设备和线路遭受损坏、预防火灾和防止雷击、防止静
电损害和保障电力系统正常运行。
现分别说明如下。
(一)防止人身遭受电击
1.电击机理
电击所产生的电击电流通过人体或动物躯体将产生病理性生理效应,例如肌肉收缩、呼吸困
难、血压升高、形成心脏兴奋波、心房纤维性颤动及无心室纤维性颤动的短暂心脏停跳、心室纤
维性颤动,直至死亡,所以必须采取防护措施。
人或家畜触及电气设备的带电部分,称为直接接触。
人或家畜与故障下带电的金属外壳接
触,称为间接接触。
直接接触及间接接触所造成的电击称为直接电击和间接电击。
为了防止电
击,必须先了解电击机理,然后对直接电击、间接电击以及兼有该两者电击采取适当的防护措
施,以保证人、畜及设备的安全。
(1)人体阻抗的组成 电击电流大小由接触电压和人体阻抗所决定。
人体阻抗主要与电流路
径、皮肤潮湿程度、接触电压、电流持续时间、接触面积、接触压力、温度以及频率等有关。
人
体阻抗的组成如图4所示。
如将两个电极接触人体的两个部分,并将电极下的皮肤去掉,则该两
电极问的阻抗为人体内阻抗Zi。
皮肤上电极与皮肤下导电组织之间的阻抗即为皮肤阻抗ZPl和
ZP2。
Zi、ZP1、ZP2的矢量和为人体总阻抗ZT。
现将这些阻抗的特征说明如下:
①人体内阻抗Zi 根据IEC测定的结果,Zi主要是电阻,只有少量电容,如图4中虚线所
示,其数值主要决定于电流路径,一般与接触面积关系不大,但当接触面积小到几平方毫米数量
级时,内阻抗才增大。
②皮肤阻抗ZP1、ZP2 ZP1、ZP2是由半绝缘层和小的导电元件(如毛孔构成的电阻电容网
络)组成,见图4。
接触电压在50V及以下时,皮肤阻抗值随表面接触面积、温度、呼吸等显著
变化;50~100V时,皮肤阻抗降低很多;频率增高时,皮肤阻抗也随之降低;皮肤破损时,皮肤
阻抗可忽略不计。
③人体总阻抗ZT ZT由电阻分量及电容分量组成。
当接触电压在500V及以下时,ZT值主要
决定于皮肤阻抗值;接触电压越高,ZT与皮肤阻抗关系越少;当皮肤破损后,ZT值接近于人体内
阻抗。
④人体初始电阻Ri 在接触电压出现的瞬间,人体的电容还未充电,皮肤阻抗可忽略不计,
这时的电阻值称为人体初始电阻。
该值限制短时脉冲电流峰值。
当电流路径从手到手或手到脚而
且接触面积较大时,5%分布秩(即5%的人所呈现的最小初始电阻值)Z5%可认为等于500
Ω。
图4 人体阻抗的组成
(2)人体阻抗与接触状况的关系 通常划分为以下三类:
①状况1 干燥或湿润的区域、干燥的皮肤、高电阻的地面,此时人体阻抗值:
Z1=1000+0.5Z5% (Ω)
式中:
1000──鞋袜和地面两者电阻的随机值,Ω
0.5──考虑了双手至双脚的双重接触情况
Z5%──5%分布秩,即5%的人呈现此最小阻抗值,Ω
②状况2 潮湿的区域、潮湿的皮肤、低电阻的地面,此时人体阻抗值:
Z2=200=200+0.55% (Ω)
式中;200──较低的地面电阻值,不计鞋袜的电阻,Ω
③状况3 浸入水中的情况,此时皮肤电阻、环境介质的电阻可忽略不计。
在各种状况下的安全电压值,各国规定不尽相同,如表1所示。
表1为交流电流的安全电压,IEC规定直流(无纹波)的安全电压为:
在状况1,不大于
120V;在状况2,不大于60V。
安全电压包括接地系统的相对地或极对地电压,或不接地和非有
效接地的相间及极间电压。
2.电击效应
(1)交流电流的电击效应 IEC经过多年的试验研究,认为心室纤维性颤动是电击致死的主
要原因。
一个心动周期如图5所示,由产生兴奋期P、兴奋扩展期R和兴奋复原期T所组成。
图5
中的数字表示兴奋传播的顺序。
在兴奋复原期内有一个相对较小的部份称为易损期,在易损期
内,心肌纤维处于兴奋的不均匀状态,如果受到足够幅度电流的刺激,心室纤维发生颤动,如图
6中X点受电流刺
在工业企业和民用建筑中,有不少电气设备的使用频率超过100Hz,例如有些电动工具和电焊
机,可用到450Hz;电疗设备大多数使用4000~5000Hz;开关方式供电的设备则为20kHz~
1MHz;微波及无线电设备还有使用更高的频率的。
对于这些100Hz以上交流电流,人体皮肤的阻
抗,在数十伏数量级的接触电压下,大致与频率成反比,例如500Hz时皮肤阻抗,仅约为50Hz
时皮肤阻抗的1/10,在很多情况下,皮肤的阻抗可以忽略不计。
但因为是高频电流,对人体的
感觉和对心脏的影响都比100Hz以下交流电小。
为了与50Hz时阈值相比,常采用频率系数Ff
来衡量、频率系数Ff为
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