索晨楠

中鐵電氣化局集團(tuán)北京建筑工程有限公司 北京 100039

施工現(xiàn)場(chǎng)采用TN-S系統(tǒng)是JGJ 46—2005《施工現(xiàn)場(chǎng)臨時(shí)用電安全技術(shù)規(guī)范》要求的三項(xiàng)基本安全技術(shù)原則和主要技術(shù)措施之一，且規(guī)范中強(qiáng)調(diào)了禁止在施工現(xiàn)場(chǎng)采用TN-C系統(tǒng)，當(dāng)施工現(xiàn)場(chǎng)與外電線路共用同一供電系統(tǒng)時(shí)，施工現(xiàn)場(chǎng)采用的接地形式要與原系統(tǒng)保持一致，以防止TN與TT系統(tǒng)混用。對(duì)于在施工時(shí)如何選擇和設(shè)置接地保護(hù)系統(tǒng)，接地系統(tǒng)混用會(huì)帶來(lái)哪些危害等問(wèn)題，需要深入了解系統(tǒng)接地和保護(hù)接地設(shè)置的作用及TN系統(tǒng)和TT系統(tǒng)的保護(hù)原理及特點(diǎn)。

1 系統(tǒng)接地與保護(hù)接地的作用

對(duì)于配電系統(tǒng)接地的設(shè)置，一般要面臨2個(gè)問(wèn)題：電源（變壓器）中性點(diǎn)的接地，即系統(tǒng)接地；設(shè)備外露可導(dǎo)電部分的接地，即保護(hù)接地（圖1）。二者作用不同，不能混淆。

圖1 系統(tǒng)接地和保護(hù)接地

1.1 系統(tǒng)接地的作用

系統(tǒng)接地的作用是使系統(tǒng)取大地為參考電位，使配電系統(tǒng)的每相對(duì)地電壓保持不變，維持其值約為220 V，保證系統(tǒng)安全可靠地運(yùn)行。

但是，如果沒(méi)有系統(tǒng)接地，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生一相接地故障時(shí)，另外兩相的對(duì)地電壓就由220 V的相電壓升高為380 V的線電壓（圖2）。

圖2 一相接地故障，另外兩相對(duì)地電壓升高為線電壓

而且，由于不能構(gòu)成返回電源的導(dǎo)體通路，故障電流僅為L(zhǎng)2和L3兩相對(duì)地電容電流的相量和，它的值極小，無(wú)法使系統(tǒng)內(nèi)的保護(hù)裝置及時(shí)發(fā)揮作用，危險(xiǎn)電壓持續(xù)存在，如果人接觸到無(wú)故障的相線，將受到高達(dá)380 V電壓的電擊，危險(xiǎn)大大增加。

1.2 保護(hù)接地的作用

保護(hù)接地的作用是降低設(shè)備外露可導(dǎo)電部分在故障時(shí)的對(duì)地電壓或接觸電壓。當(dāng)設(shè)備發(fā)生碰殼短路接地故障時(shí)，如果沒(méi)有保護(hù)接地，設(shè)備金屬外殼的對(duì)地電壓Ud即為220 V，此時(shí)人體接觸設(shè)備外殼極易發(fā)生電擊傷害事故（圖3）。

圖3 無(wú)保護(hù)接地時(shí)，單相對(duì)地故障電壓達(dá)220 V

做了保護(hù)接地后，形成了故障電流Id返回電源的通路，此時(shí)故障電壓Ud=Id×(ZPE＋RA)，比未做保護(hù)接地時(shí)的故障電壓220 V小很多。同時(shí)，故障電流還能使系統(tǒng)內(nèi)的保護(hù)裝置及時(shí)發(fā)揮作用切斷電源，既能有效保護(hù)人身安全，又能防止電氣火災(zāi)的發(fā)生。

2 低壓系統(tǒng)的接地形式與分類(lèi)

在電源中性點(diǎn)直接接地的低壓電力系統(tǒng)中，接地系統(tǒng)按設(shè)備外露可導(dǎo)電部分與大地的關(guān)系，可分為T(mén)N系統(tǒng)和TT系統(tǒng)，其中TN系統(tǒng)又細(xì)分為T(mén)N-S、TN-C、TN-C-S系統(tǒng)。還有一類(lèi)電源中性點(diǎn)不接地的IT系統(tǒng)，這里不作討論。

2.1 TN系統(tǒng)的接地形式

TN系統(tǒng)是電源中性點(diǎn)直接接地，所有設(shè)備的外露可導(dǎo)電部分均接PE線或PEN線的系統(tǒng)。

1）TN-S系統(tǒng)：整個(gè)系統(tǒng)中N線和PE線是分開(kāi)的。

2）TN-C系統(tǒng)：整個(gè)系統(tǒng)中N線與PE線是合一的（PEN）。

3）TN-C-S系統(tǒng)：N線和PE線通常僅在電源進(jìn)線點(diǎn)前是合一的（PEN），電源進(jìn)線點(diǎn)后即分為2根線。

由于TN-C系統(tǒng)存在諸多缺點(diǎn)，比如PEN斷線后，系統(tǒng)斷點(diǎn)后的設(shè)備外殼會(huì)產(chǎn)生220 V的對(duì)地故障電壓；系統(tǒng)不能裝設(shè)漏電保護(hù)器RCD，較TN-S或TT系統(tǒng)少了一道保護(hù)；三相不平衡時(shí)，PEN線會(huì)通過(guò)不平衡電流，可使其所接設(shè)備的金屬外殼產(chǎn)生對(duì)地電位，從而引發(fā)電擊事故。因此，TN-C系統(tǒng)在施工現(xiàn)場(chǎng)已禁止使用。另外，一般施工現(xiàn)場(chǎng)臨時(shí)用電專用變壓器低壓側(cè)出線柜內(nèi)，已將N線與PE線嚴(yán)格分開(kāi)，TN-C-S系統(tǒng)在施工現(xiàn)場(chǎng)臨時(shí)用電中也極少采用。

2.2 TT系統(tǒng)的接地形式

TT系統(tǒng)是電源中性點(diǎn)直接接地，而系統(tǒng)內(nèi)設(shè)備外露可導(dǎo)電部分均接到獨(dú)立于電源系統(tǒng)接地的接地極上，這些接地極是分開(kāi)的，互無(wú)電氣關(guān)聯(lián)。TT系統(tǒng)配電線路內(nèi)由同一保護(hù)電器保護(hù)的設(shè)備外露可導(dǎo)電部分，應(yīng)采用PE線連接至共用接地極上。

3 TN-S系統(tǒng)與TT系統(tǒng)的對(duì)比分析

在發(fā)生接地故障時(shí)，TN-S系統(tǒng)在同等條件下較TT系統(tǒng)的保護(hù)性更加靈敏可靠，而TT系統(tǒng)單相對(duì)地短路故障電流較小，系統(tǒng)必須裝設(shè)靈敏度較高的漏電保護(hù)裝置。但是，TN-S系統(tǒng)的PE線都是連通的，系統(tǒng)內(nèi)任何一處發(fā)生碰殼接地故障時(shí)，可致所有PE線所連接的設(shè)備金屬外殼帶電。而TT系統(tǒng)設(shè)備外殼保護(hù)接地與電源中性點(diǎn)的系統(tǒng)接地?zé)o任何電氣關(guān)聯(lián)，可在施工現(xiàn)場(chǎng)分設(shè)幾個(gè)互不關(guān)聯(lián)的接地極，各用電設(shè)備組的PE線與就近的接地極相連，可防止某個(gè)設(shè)備的故障電壓在整個(gè)場(chǎng)區(qū)內(nèi)傳導(dǎo)，這是TT系統(tǒng)的一個(gè)優(yōu)勢(shì)。

另外，從成本角度考慮，TN-S系統(tǒng)需要從電源端通長(zhǎng)引出1根PE線，電纜能周轉(zhuǎn)重復(fù)利用，而TT系統(tǒng)可以就地打接地極引出PE線，但會(huì)增加型鋼等材料和人工的投入。因此，二者各有利弊，要根據(jù)實(shí)際情況去考慮。

通過(guò)分析這2個(gè)系統(tǒng)的保護(hù)原理，將二者在施工現(xiàn)場(chǎng)臨時(shí)用電系統(tǒng)中應(yīng)用的安全性進(jìn)行對(duì)比論證，研究施工現(xiàn)場(chǎng)采用TN-S系統(tǒng)的必要性。

3.1 故障點(diǎn)對(duì)地電壓Ud的比較

假設(shè)TN-S系統(tǒng)和TT系統(tǒng)中的電氣設(shè)備分別發(fā)生單相碰殼接地故障，如圖4、圖5所示。

圖4 TN-S系統(tǒng)保護(hù)回路

圖5 TT系統(tǒng)保護(hù)回路

采用TN-S系統(tǒng)接地保護(hù)時(shí)，故障電流經(jīng)PE線形成閉合回路。采用TN-S系統(tǒng)等效電路分壓公式進(jìn)行計(jì)算，則故障點(diǎn)對(duì)地電壓Ud為：

式中：ZPE——故障點(diǎn)電源側(cè)PE線的阻抗，Ω；

ZL——故障點(diǎn)電源側(cè)單相相線的阻抗，Ω；

U0——電源相電壓，V。

如果取U0=220 V，PE線與相線截面、材質(zhì)相同，則ZL=ZPE，Ud1=110 V；如果PE線為相線截面的50%且材質(zhì)相同，則ZPE=2ZL，Ud2=147 V。

采用TT系統(tǒng)接地保護(hù)時(shí)，通過(guò)設(shè)備端保護(hù)接地作用，降低人體接觸電壓。采用TT系統(tǒng)等效電路分壓公式進(jìn)行計(jì)算（通常ZL較RA、RB小得多，ZL可忽略不計(jì)），則故障點(diǎn)對(duì)地電壓Ud為：

式中：RA——電氣設(shè)備金屬外殼保護(hù)接地的接地電阻，Ω；

RB——系統(tǒng)中性點(diǎn)工作接地電阻，Ω；

ZL——故障點(diǎn)電源側(cè)單相相線的阻抗，Ω；

U0——電源相電壓，V。

如果取RA=4 Ω，RB=4 Ω，U0=220 V，則Ud=[4/(4＋4)]×220=110 V；如果取RA=10 Ω，RB=4 Ω，U0=220 V，則Ud=[10/(10＋4)]×220≈157 V。

通過(guò)論證對(duì)比不難看出，TN-S系統(tǒng)和TT系統(tǒng)發(fā)生單相碰殼接地故障時(shí)，故障點(diǎn)的對(duì)地電壓值差別不大，但都要比IEC（國(guó)際電工委員會(huì)）規(guī)定的最高安全電壓50 V高。在系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用的過(guò)程中，TT系統(tǒng)設(shè)備端保護(hù)接地的電阻值要受到季節(jié)變化、土壤土質(zhì)情況等各種因素的影響，TT系統(tǒng)的保護(hù)接地電阻值不穩(wěn)定、不可靠，設(shè)備故障點(diǎn)的對(duì)地電壓也將隨之發(fā)生變化，對(duì)于TT系統(tǒng)設(shè)備端接地電阻的不確定性，需要投入更多的時(shí)間、人力和物力來(lái)檢測(cè)和維護(hù)。而采用TN-S系統(tǒng)時(shí)，PE線導(dǎo)體阻抗則基本不受這些因素的影響，其接地故障點(diǎn)的對(duì)地電壓相對(duì)穩(wěn)定。

3.2 故障點(diǎn)電流Id的比較

當(dāng)電氣設(shè)備發(fā)生單相碰殼短路接地故障時(shí)，在故障點(diǎn)處既存在對(duì)地電壓，同時(shí)又流過(guò)故障電流，其大小與故障電壓和短路電流的阻抗有關(guān)（由于人體電阻和人與地面的接觸電阻比線路阻抗或RA和RB大很多，人體分流很小，因此流過(guò)人體的電流可忽略不計(jì)）。

當(dāng)采用TT系統(tǒng)接地保護(hù)時(shí)，故障電流Id為：Id=Ud/RA。

如果取RB=4 Ω，RA=4 Ω，根據(jù)TT系統(tǒng)等效電路分壓公式，Ud1=110 V，則Id1=27.5 A；如果取RB=4 Ω，RA=10 Ω，Ud2=157 V，則Id2=15.7 A。

當(dāng)采用TN系統(tǒng)接地保護(hù)時(shí)，故障電流Id為：Id=Ud/ZPE。

假設(shè)銅質(zhì)PE線截面面積為16 mm2，導(dǎo)線的阻抗ZPE約為1.4 Ω/km，如果按設(shè)備接地故障點(diǎn)與系統(tǒng)電源點(diǎn)的距離為500 m進(jìn)行計(jì)算，根據(jù)TN系統(tǒng)分壓公式，當(dāng)PE線與相線截面相同時(shí)，Ud1=110 V，Id1=157 A，當(dāng)PE線為相線截面的50%時(shí)，Ud2=147 V，Id2=210 A。可以看出，TN-S系統(tǒng)故障電流大小為T(mén)T系統(tǒng)的5.7～13.3倍。

從配電系統(tǒng)保護(hù)來(lái)看，故障電流越大，系統(tǒng)短路保護(hù)的靈敏度和可靠性越高。所以在相同的條件下，從系統(tǒng)切斷故障電流保護(hù)能力的方面來(lái)看，TN-S系統(tǒng)要遠(yuǎn)比TT系統(tǒng)優(yōu)越。在選擇保護(hù)電器時(shí)，由于TN-S系統(tǒng)單相短路電流較大，因此大容量設(shè)備所配置的斷路器也能更有效地切斷故障電流。

通過(guò)對(duì)TN-S系統(tǒng)和TT系統(tǒng)故障點(diǎn)的對(duì)地故障電壓和故障電流進(jìn)行對(duì)比分析，可知TN-S系統(tǒng)較TT系統(tǒng)更靈敏可靠，因此，TN-S系統(tǒng)更加適用于對(duì)用電環(huán)境要求較為嚴(yán)苛的施工場(chǎng)所。

4 TN-S系統(tǒng)與TT系統(tǒng)混用的潛在危害

JGJ 46—2005《施工現(xiàn)場(chǎng)臨時(shí)用電安全技術(shù)規(guī)范》中提到，當(dāng)施工現(xiàn)場(chǎng)與外電線路共用同一供電系統(tǒng)時(shí)，系統(tǒng)接地與設(shè)備保護(hù)接地要與原系統(tǒng)保持一致，并要防止TN-S系統(tǒng)與TT系統(tǒng)混用。

例如，施工現(xiàn)場(chǎng)由地區(qū)公用低壓電網(wǎng)（外電線路與施工現(xiàn)場(chǎng)共用1臺(tái)變壓器）供電時(shí)，當(dāng)外電線路供電系統(tǒng)采用TT系統(tǒng)時(shí)，施工現(xiàn)場(chǎng)要與外電系統(tǒng)保持一致，也須采用TT系統(tǒng)。但是，當(dāng)施工現(xiàn)場(chǎng)采用專用變壓器供電，且采用TN-S系統(tǒng)時(shí)，要防止現(xiàn)場(chǎng)部分設(shè)備再度混用TT系統(tǒng)與TN-S系統(tǒng)。當(dāng)系統(tǒng)混用時(shí)，如果TT系統(tǒng)保護(hù)設(shè)備發(fā)生碰殼接地故障，會(huì)使系統(tǒng)中所有做TN-S接地保護(hù)的設(shè)備金屬外殼帶電（圖6）。假設(shè)RB=4 Ω，RA=4 Ω，則TN-S系統(tǒng)內(nèi)的設(shè)備金屬外殼對(duì)地電壓約為110 V，情況十分危險(xiǎn)。

圖6 TN-S系統(tǒng)與TT系統(tǒng)混用時(shí)易造成電擊事故

5 臨時(shí)用電TN-S系統(tǒng)應(yīng)用時(shí)需注意的問(wèn)題

建筑工地環(huán)境惡劣，用電條件差，室外各種不利的氣候條件使電氣設(shè)備和線纜絕緣水平下降，各種施工車(chē)輛、機(jī)械、工器具的使用，及移動(dòng)配電箱和線纜的頻繁挪動(dòng)，非常容易使電氣設(shè)備和線路受到機(jī)械損傷。因此，施工場(chǎng)地較其他場(chǎng)所具有更大的電氣危險(xiǎn)性，需要在應(yīng)用TN-S系統(tǒng)時(shí)更加注意安全。

1）保護(hù)導(dǎo)體嚴(yán)禁斷開(kāi)，禁止在PE線上裝設(shè)開(kāi)關(guān)或熔斷器，防止系統(tǒng)PE線斷點(diǎn)或開(kāi)關(guān)后設(shè)備失去保護(hù)接地。

2）施工現(xiàn)場(chǎng)高壓設(shè)備及其接地通常由專業(yè)供電施工單位施工，往往是現(xiàn)場(chǎng)低壓臨電系統(tǒng)施工時(shí)容易忽略的部分，要注意高壓側(cè)設(shè)備外露導(dǎo)電部分的保護(hù)接地要與變壓器中性點(diǎn)系統(tǒng)接地分開(kāi)設(shè)置，避免高壓系統(tǒng)故障時(shí)將高電位傳至低壓系統(tǒng)內(nèi)部引起電擊事故，且2組接地極間距不應(yīng)小于10 m。

3）相關(guān)規(guī)范中要求總配電箱內(nèi)漏電保護(hù)器的額定動(dòng)作電流大于30 mA，動(dòng)作時(shí)間大于0.1 s，且兩者乘積不應(yīng)大于30 mA·s。由于施工現(xiàn)場(chǎng)屬戶外，不具備等電位聯(lián)結(jié)的場(chǎng)所，在相同故障條件下，施工現(xiàn)場(chǎng)的接觸電壓更高，危險(xiǎn)性更大。因此，施工現(xiàn)場(chǎng)的電氣保護(hù)裝置要能在更短的時(shí)間內(nèi)切斷故障電流，在一級(jí)配電箱中可選擇設(shè)置額定動(dòng)作時(shí)間為0.2 s的漏電保護(hù)器。

4）TN-S系統(tǒng)PE線必須在總配電箱處和系統(tǒng)的中間、末端處做重復(fù)接地。重復(fù)接地的目的是降低PE線斷線時(shí)系統(tǒng)的對(duì)地故障電壓。當(dāng)系統(tǒng)做了重復(fù)接地時(shí)，斷線點(diǎn)后面的所有設(shè)備金屬外殼對(duì)地故障電壓僅為故障電流在重復(fù)接地電阻上的壓降，假設(shè)取系統(tǒng)接地RB=4 Ω，重復(fù)接地電阻RA=10 Ω，故障電壓即降為157 V，而RA是系統(tǒng)內(nèi)所有重復(fù)接地點(diǎn)位電阻值的并聯(lián)計(jì)算數(shù)值，因此，單處重復(fù)接地電阻值越低，系統(tǒng)范圍內(nèi)重復(fù)接地點(diǎn)位數(shù)量越多，降壓效果越明顯（圖7）。但是，當(dāng)系統(tǒng)不做重復(fù)接地時(shí)，系統(tǒng)斷點(diǎn)后的任一設(shè)備發(fā)生碰殼短路接地故障時(shí)，都將呈現(xiàn)接近于220 V的對(duì)地電壓（圖8）。

圖7 已做重復(fù)接地的TN-S系統(tǒng)

圖8 未做重復(fù)接地的TN-S系統(tǒng)

另外，工地管理人員由于對(duì)重復(fù)接地的保護(hù)作用沒(méi)有深入了解，對(duì)鋼筋加工區(qū)等容易發(fā)生電擊事故的場(chǎng)所會(huì)額外增加一些接地保護(hù)措施，但是并沒(méi)有達(dá)到期望的效果。

1）加工區(qū)機(jī)械設(shè)備外殼與系統(tǒng)重復(fù)接地聯(lián)結(jié)。鋼筋加工區(qū)從其二級(jí)箱或三級(jí)箱重復(fù)接地引出通長(zhǎng)扁鋼，將所有機(jī)械設(shè)備外殼與之連接，以期降低故障電壓。實(shí)際上，由于PE線阻抗遠(yuǎn)比重復(fù)接地電阻小，設(shè)備發(fā)生碰殼接地故障時(shí)，分擔(dān)的故障電壓基本可忽略不計(jì)，而且設(shè)備外殼重復(fù)接地只是引出重復(fù)接地支線，僅能防止局部PE線斷線，對(duì)系統(tǒng)的保護(hù)作用不大。

2）加工區(qū)機(jī)械設(shè)備旁設(shè)置獨(dú)立接地極與設(shè)備金屬外殼聯(lián)結(jié)。加工區(qū)機(jī)械設(shè)備在TN-S系統(tǒng)保護(hù)的前提下，又在旁邊設(shè)置獨(dú)立接地極與設(shè)備金屬外殼聯(lián)結(jié)。這種做法相當(dāng)于設(shè)備金屬外殼做獨(dú)立的重復(fù)接地，與上面的做法類(lèi)似，但是這種做法增加的成本更大，卻收效甚微。

6 結(jié)語(yǔ)

施工現(xiàn)場(chǎng)臨時(shí)用電的電氣設(shè)備、電氣線路大多處于“臨時(shí)”狀態(tài)，而且各工地情況千差萬(wàn)別，現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)電工、用電人員素質(zhì)參差不齊，習(xí)慣性違章操作較多，管理難度很大。因此，要從接地保護(hù)系統(tǒng)安全運(yùn)行的源頭著手，選擇適合工地自身情況的接地系統(tǒng)，在系統(tǒng)安全應(yīng)用的前提下，強(qiáng)化施工現(xiàn)場(chǎng)安全用電管理，避免用電事故的發(fā)生。