刘屏周-变电所接地

-跨步电压和接触电压计算公式

变电所的高压系统的接地与低压系统的接地，可共用接地系统或分立接地系统。涉及人身与设备的安全。

1 10kV系统中性点接地可分为：

中性点非有效接地系统（小电流接地系统） -中性点不接地系统； -经消弧线圈接地系统； -高电阻接地系统。

中性点有效接地系统（大电流接地系统） -中性点直接接地系统； -经低电阻接地系统。

1.1 10kV系统中性点不接地系统 (1) 接地故障特点

配电系统在正常运行时，三相基本平衡电压作用下，各相对地电容电流ICL1、ICL2 、ICL3相等，分别超前相电压90°，ICL1＝ICL2＝ICL3＝UΦωC，其ICL1＋ICL2＋ICL3＝0，系统中性点与地有相同电位。

L1相发生接地故障，忽略接地过渡电阻，视为金属性接地，10kV系统各支路的电容电流的流向如图图1-1所示：

图1-1 10kV系统接地故障示意

1

从10kV系统接地故障示意图可以得出结论：

a)全系统所有非故障的各支路，故障相的电容电流均为零，非故障相均有电容电流； b)在故障支路，故障相流过所有各支路的电容电流的总和；

c)故障支路的电容电流其方向由负载流向电源，非故障各支路的电容电流其方向由电源流向负载；

d)故障支路检测的零序电流为各非故障支路电容电流总和；

e)接地故障电流大小与接地故障点的位置无关，只与接地故障点的过渡电阻有关。 10kV系统接地故障，电压与电流矢量关系如图1-2所示：

图1-2 10kV系统接地故障矢量图

L1相发生接地故障，相当于在L1相上加上U0＝－UL1，L2相L3相也加上U0＝－UL1，非故障相对地电压升高3倍，其夹角由120°变成60°，合成的电容电流增大3倍，接地故障电流为单相电容电流的3倍，Id＝3UΦωC。 (2) 优缺点

a)接地故障引起系统内部过电压可达3.5倍相电压，易使设备和线路绝缘被击穿。

b)油浸纸绝缘电力电缆达20A，聚乙烯绝缘电力电缆达15A，交联聚乙烯绝缘电力电缆达10A，接地故障电流引燃电弧则不能自熄，引起间歇性电弧，产生过电压易产生相间短路或火灾；

c)非故障相对地电压升高3倍。系统内设备或电缆绝缘等级相应提高，例如，10kV电力电缆应选用8.7/10kV而不是6/10kV；无间隙氧化锌避雷器，提高持续运行电压数值或加串联保护间隙等；

d)发生接地故障时，报警而不切断故障支路，保证供电的连续性；

e)接地故障在一段时间内存在，接地故障电压易使人遭受电击或引起火灾，如下图1-3 所示。

2

图1-3 高压接地故障电压传导到低压侧

系统内发生接地故障时的接地故障电流Id与接地故障点位置无关，不能采用零序电流速断保护来实现保护的选择性，而应采用不同时限的零序电流保护来实现保护的选择性。机械式继电器延时时限：出线为0.5s；母联为1.0s；主进线为1.5s～2.0s。采用电子式保护器延时时限选定为0.2s～0.3s，整定值范围大且整定精确，建议采用电子式保护器作为零序电流保护。

1.2 10kV系统中性点经消弧线圈接地系统

中性点不接地系统发生单相接地故障时，接地电流在故障处可能产生稳定的或间歇性的电弧，实践证明，当接地电流大于30A时，一般形成稳定电弧，成为持续性电弧接地，这将烧毁线路和可能引起多相相间短路。如果接地电流大于5A～10A，但小于30A，则有可能形成间歇性电弧，这是由于电网中电感和电容形成了谐振回路所致。间歇性电弧容易引起弧光接地过电压，从而危及整个电网的绝缘。如果接地电流在5A以下，当电流经过零值时，电弧就会自然熄灭。中性点经消弧线圈接地的电力系统, 所谓消弧线圈，其实就是具有气隙铁芯的电抗器，它装在变压器或发电机中性点与地之间，如图1-4 a)所示。由于装设了消弧线圈，构成了另一回路，接地点接地电流中增加了一个电感性电流分量，它和装设消弧线圈前的电容性电流分量相抵消，减小了接地点的电流，使电流易于自行熄灭，从而避免了由此引起的各种危害，提高了供电可靠性。

从图1-4 b)可看出，例如L1相接地时，中性点电压U0变为-UL1，消弧线圈在U0作用下产生电感电流IL(滞后于U090°)，其数值为

IL=

UUc=φ XarωLar

式中 Uφ—电网的相电压；

Lar、Xar—消弧线圈的电感和电抗。

3

a)示意图 b)相量图

图1-4 中性点经消弧线圈接地的系统单相接地故障示意图和相量图

中性点经消弧线圈接地，系统正常运行时，消弧线圈与系统相线对地的分布电容形成串联谐振回路，如图1-5所示。中性点位移电压U0为：

U0=

ρUϕν+d

2

2

CL1+a2CL2+aCL3

式中 ρ－电网不对称度，ρ= 其中a为复数算子

CL1+CL2+CL3

a=−

13132+J ，a=−−J ，CL1、CL2、CL3分别为L1相、L2相、L3 相 2222

对地分布电容，F。设CL1＋CL2＋CL3＝3C；

3ωC−1/ωL

；

3ωC3g+gL

d－电网阻尼度，d= ；

3ωC

υ－补偿脱谐度， υ= Uφ－电网相电压，V； g－电网每相对地漏电导，S； L－消弧线圈补偿电感，H；

gL－消弧线圈有功损耗等效电导，S。

图1-5中性点经消弧线圈接地系统正常运行时等效电路

4

图1-6中性点经消弧线圈接地系统接地故障时等效电路

中性点经消弧线圈接地系统发生接地故障时，消弧线圈与系统的分布电容组成并联谐振电路，如图1-6所示。补偿后的接地故障残余电流Id为：

Id=ρUϕ•(3g+gL)2+(3ωC−1/ωL)2

按消弧线圈对系统容性电流补偿大小可分为： a) b) c)

ωL=1/3ωC，称全补偿。 ωL>1/3ωC，称欠补偿； ωL<1/3ωC，称过补偿。

全补偿方式，接地故障残余电流Id最小，有利接地故障点电弧自熄；但补偿脱谐度υ为零，系统中性点位移电压U0最大，当电网不对称度ρ较大时，系统中性点有较高的电压，出现虚幻的接地现象。

欠补偿方式，接地故障残余电流Id较大，接地故障点电弧自熄较困难。因故障或运行需要切除部分回路，易产生串联谐振过电压。在实际运行中，欠补偿方式不被采用。 过补偿方式，接地故障残余电流Id较大，不利于接地故障点电弧自熄，但它不易产生串联谐振过电压。实际运行中，过补偿方式常被采用。

系统在运行中，经常接通或切除部分回路，系统中分布电容电流有较大的变化，满足脱谐度的要求，消弧线圈的电感也相应改变，需人工改变消弧线圈的抽头位置，接地故障残余电流Id小于5A～10A以下，系统出现谐振过电压可能性降低。发生接地故障时，非故障相对地电压升高3 倍。

图1-7 10kV 消弧线圈接地系统电路

5

经消弧线圈接地系统应满足：

(1)消弧线圈接地系统，在正常运行情况下，中性点的长时间电压位移不应超过系统标称相电压的15%。

(2)消弧线圈接地系统故障点的残余电流不宜超过10A，必要时可将系统分区运行。消弧线圈宜采用过补偿运行方式。

(3)消弧线圈的容量应根据系统5～10年的发展规划确定，并应按下式计算：

w=1.35IcUn　

3式中：W——消弧线圈的容量，kVA； IC——接地电容电流，A； Un——系统标称电压，kV。

(4)系统中消弧线圈装设地点应符合下列要求：

1)应保证系统在任何运行方式下，断开一、二回线路时，大部分不致失去补偿。 2)不宜将多台消弧线圈集中安装在系统中的一处。

3)如变压器无中性点或中性点未引出，应装设专用接地变压器，其容量应与消弧线圈的容量相配合。

当采用零序电流互感器时，首先要估算系统零序电流的大小，其估算方法如下： a）架空线的电容电流计算

IC=

Unl

350

； 式中：Un——电网的标称电压（单位:kV）

l——线路长度 （单位:km）； IC——接地电容电流(单位:A)。 b) 电缆线的电容电流计算

一般来讲，电缆要比同样长度的架空线的电容电流大25倍（三芯电缆）~50倍（单芯电缆），在近似计算中可采用

IC=0.1Unl

式中：Un——电网的标称电压（单位:kV）；

l——线路长度 （单位:km）； IC——接地电容电流(单位:A)。

上述电容电流的计算值只能用于某些对准确度要求不很高的场合.

通过上述估算,可知道系统的总的零序电流，然后进行电流互感器的选择，电流互感器选择的基本原则是：线路发生单相故障时，安装在该线路的零序电流电流互感器二次侧能提供大于10mA ,且小于800mA 的零序电流。

零序电流的检测，架空出线是采用三相电流组成滤过器来检测零序电流，接线如图1-8 所示；电缆出线是采用零序电流互感器，电缆穿过零序电流互感器内孔，电缆头的接地线务必穿过零序电流互感器后再接地，接线如图1-9所示。

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图1-8 三相电流组成滤过器(架空线路) 图1-9 零序电流互感器(电缆线路)

图1-10 消谐装置接线

如图1-10所示的消谐装置，如果发生的故障是间歇性电弧接地，微机控制器在判定接地的相别后，令故障相的高压真空接触器闭合，使系统由不稳定性的弧光接地快速转变成稳定的金属性直接接地，故障相电压降为零，电弧消失。数秒钟后，再令接地的高压真空接触器断开，若故障消失，说明这一电弧接地故障是因过电压冲击引起的瞬时性接地故障，系统恢复正常运行。如果接触器断开后，系统再次在原故障相出现稳定电弧接地，装置认定此故障为永久性的接地故障，于是再次闭合故障相的高压接触器、等待值班人员或微机选线处理。

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如果发生的故障是金属性的直接接故障，装置可根据用户要求将故障相母线直接接地，减少流过故障点的电流，发生指示信号，等待值班人员或微机选线处理。

如果发生的故障是TV断线故障，装置只发出指示信号，等待值班人员处理。

1.3 10kV系统中性点经低电阻接地系统

根据接地故障电流大小，划分低电阻或高电阻接地。当接地故障电流大于或等于100A而小于或等于1000A时，为低电阻接地方式；接地故障电流小于10A时，为高电阻接地方式。低电阻接地方式的接地故障电流一般情况下选择为300A～800A，10kV系统低电阻接地方式接地电阻不同地区选择为10Ω或16Ω。

中性点经低电阻接地方式，接地故障电流Id较大，切断故障回路时间内，有较大的接地故障电压Uf，低压系统接地型式为TN系统时，外露可导电部分与变压器低压中性点共用接地体，接地故障电压Uf传导到低压侧，易引起人身电击或火灾，如图2-11所示。低压系统接地型式为TT系统时，外露可导电部分与变压器低压中性点有相互的接地体，接地故障电压Uf传导到低压侧，易引起工频过电压如图1-12所示。IEC标准规定，一般低压电气设备允许工频过电压与故障电路切断时间要求：允许承受的工频过电压为U0＋250V时，切断故障电路时间大于5s；允许承受的工频过电压为U0＋1200V时，切断故障电路时间小于或等于5s。

图1-11 高压系统的接地故障电压传导到TN系统内

图1-12 高压系统的接地故障电压引起TT系统工频过电压

8

中性点经低电阻接地方式，系统内发生接地故障，立即切断故障电路，供电的连续性得不到保证。

根据以上的所述，10kV不接地系统中，发生接地故障时的故障电压幅值不高，但存在时间很长。低压采用TN系统供电时，故障电压沿PEN线或PE线传导，采取总等电位联结措施降低预期接触电压。

10kV经低电阻接地系统中，发生接地故障时的故障电压虽时间不长，但幅值很高。低压采用TN系统供电时，应采取以下措施：变电所内设置两组接地极；采用总等电位联结措施；在总等电位联结范围外供电时，采用局部TT系统供电。低压采用TT系统供电时，变电所的外露可导电部分的接地电阻不超过1Ω或带有已接地的合适的有金属护层的高压电缆和低压电缆总长度超过 1km。

1.4 10kV系统中性点经高电阻接地系统

图1-13 中性点经高电阻接地接地故障等值电路

中性点经高电阻接地接地故障等值电路，如图1-13所示。若忽略电源的零序阻抗，则接地故障电流Id为：

Id=E

1+J3ωCRn

Rn+Rg+J3ωCRnRg

1+J3ωCRn

Rn

对于金属性接地故障，可认为 Rg=0 ，上式变为：

Id=E

取 Rn=

1

，则Id=2•3ωC•Uφ=2•Ic 3ωC

中性点经高电阻接地系统，系统中容性电流达7.5A～10A时，则接地故障电流Id为10.6A～14.1A。低压系统接地电阻4Ω时，传导到低压侧接地故障电压Uf 为42.3V～56.4V。因接地故障长期存在，供电的连续性得到保证，但高电阻接地系统仅适用于系统容性电流小于7.5A系统。

举例说明中性点经高电阻接地系统应用：

1）发电机内部发生单相接地故障不要求瞬时切机时，宜采用高电阻接地方式。电阻器一般接在发电机中性点变压器的二次绕组上。接地电阻是通过接地变压器TV接入系统的，如图1-14 a)所示。U1为高压系统的相电压，I1 接地故障电流，选定为4A，接地变压器的容量ST＝U1•I1 （应考虑变压器容量的过载系数）。接地变压器付端电压U2选定为100V或220V，接地变压器付端电流I2＝U2/ U1·I1，则Rn＝U2 / I2。虽然Rn不到1Ω，但归算到一次侧，则有数百Ω，仍为中性点经高电阻接地系统。

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a)经接地变压器接地

b)经接地电阻接接地

图1-14 中性点经高电阻接地系统

2）发电机单相接地故障保护采用中性点经高电阻直接接地，如图1-14 b)所示。由电流互感器检测单相接地故障电流，作用与报警或跳闸。

中性点经高电阻接地系统中，安装绝缘监测装置。发生接地故障时，绝缘监测装置发出信号，运行管理人员找出接地故障回路，及时排除故障。

1.5 IT系统故障电压

以上仅设计TN、TT系统，对IT系统故障电压，摘自IEC 603-4-44:2007（编号为原规范）。 442.1.2符号

442节使用以下的符号（见图44.A1）：

ＩＥ 流过变电所接地装置的高压系统接地故障电流； ＲＥ 变电所接地装置的接地电阻；

10

ＲＡ 低压装置中的设备外露可导电部分接地装置接地电阻；

ＲＢ 变电所的接地装置与低压系统中性点接地装置在电气上相互的低压系统，低

压系统中性点接地装置接地电阻；

Ｕ０ TN和TT系统，线导体对地标称交流方均根电压；ＩT系统，线导体与中性导体

或适用的中心导体之间标称交流电压；

Ｕｆ 低压系统在故障存续期内外露可导电部分与地之间出现的工频故障电压； Ｕ１ 故障存续期内线导体与变电所低压设备外露可导电部分之间的工频应力电压。 Ｕ２ 故障存续期内线导体与低压装置的低压设备外露可导电部分之间的工频应力电

压。

注１：工频应力电压（Ｕ１和Ｕ２）是低压设备绝缘和接在低压系统的电涌保护器上呈现的电压。

低压装置的设备外露可导电部分的接地装置与变电所的接地装置在电气上相互的IT系统，使用以下的附加符号：

Ｉh 高压故障和低压装置第一次故障（见表44.A1）时，流过低压装置的设备外露可导

电部分接地装置的故障电流；

Ｉd 依据411.6.2，低压系统第一次故障（见表44.A1）时，流过低压装置外露可导电部

分接地装置的故障电流；

Z 低压系统与接地装置之间的阻抗（例如，IMD内阻抗，人工中性点阻抗）。

注2：若接地装置对地的电位升高不引起其它接地装置对地的电位不可接受升高，接地装置宜考虑与其

它接地装置在电气上。见IEC61936-1。

442.2高压接地故障时低压系统的过电压

若变电所高压侧有接地故障，以下类型过电压作用于低压系统： •工频故障电压（Uf）； •工频应力电压（U1和U2）。

表44.A1规定不同类型过电压相关计算方法。

注1：表44.A1仅涉及有中性点的IT系统。无中性点的IT系统，公式应相应地修正。

图44.A1-变电所和低压装置可能对地的连接及故障时出现过电压的典型示意图

若高、低压系统接地相互靠近，目前可采用以下两种措施： -所有的高压接地系统（RE）和低压接地系统（RB）相互连接； -高压接地系统（RE）和低压接地系统（RB）分隔。

相互连接是常采用的方式。若低压系统完全处在高压系统接地所包围的区域内，高、低

11

压系统接地应相互连接（见IEC61936-1）。

注2：低压系统接地不同类型（TN，TT，IT）详见IEC603-1。

表44.A1 低压系统的工频应力电压和工频故障电压 系统接地类型 TT 对地连接类型 RE与RB连接 RE与RB分隔 RE与RB连接 RE与RB分隔 RE与Z连接 RE与RA分隔 IT RE与Z连接 RE与RA互连 RE与Z分隔 RE与RA分隔 *U1 U2 Uf 0*) 0*) U0*) RE×IE+U0 U0*) RE×IE+U0 U0*) U0*) TN RE×IE**) 0*) 0*) RE×IE+U0 U0*) U0×3 U0*) U0×3 RE×IE+U0 RE×IE+U0×3U0*) RE×IE+U0 RE×IE+U0×3 U0*) U0×3 U0*) U0×3 RA×Ih RE×IE RE×IE 0*) RA×Id ) 不需考虑。 **) 见442.2.1第2段。 装置内有接地故障。

注3：U1和U2要求源于低压设备关于暂时过电压绝缘设计标准（可见表44.A2）。

注4：中性点与变电所接地装置连接的系统，此暂时工频过电压施加在位于建筑物外其外壳不接地设

备绝缘上。

注5：在TT和TN系统中，所述“连接”和“分隔”涉及RE和RB之间电气连接；对于IT系统，涉

及RE和Z之间电气连接和RE和RB之间连接。

表44.A1的内容参见附图1~附图5.

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附图1 TT系统RE与RB连接及RE与RB分隔

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附图2 TN系统RE与RB连接及RE与RB分隔

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附图3 IT系统RE与Z连接及RE与RB分隔

15

附图4 IT系统RE与Z连接及RE与RB互连

16

附图5 IT系统RE与Z分隔及RE与RB分隔

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442.2.1工频故障电压量值及持续时间

低压装置的外露可导电部分与地之间出现故障电压Uf的量值及持续时间（按表44.A1计算）不超过故障电压持续时间对应图44.A2曲线上Uf的值。

通常，低压系统的PEN导体对地多点连接。在这种情况下，总接地电阻值降低。对于PEN导体多点接地，Uf按下式计算：

Uf=0.5RF×IF

图44.A2-由于高压系统接地故障允许的故障电压值

注：图44.A2所示的曲线取自IEC61936-1。根据概率和统计的数据，该曲线对于低压系统中性导体仅

在变电所接地装置处接地的单一最不利情况，表明是低危险的。涉及其它情况的导则在IEC61936-1 给出。

1.5 接触电压限值UT

IEC61936-1：2001 附录B 接触电压限值UT

Z1曲线：人体阻抗Z5（超过95%被测对象），C1曲线（GB/T13870.1-2008 idt

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IEC(TS)60479-1:2005）发生心室纤维性颤动的概率远小于5%；

Z2曲线：人体阻抗Z50（超过50%被测对象），C2曲线（GB/T13870.1-2008 idt IEC(TS)60479-1:2005）发生心室纤维性颤动的概率增到大约5%；

Z3曲线： 同Z1曲线，赤足对地电阻为700Ω； Z4曲线： 人体电阻为1000Ω，并基于IEEE 80标准（体重50kg和土壤电阻率为100Ω·m）。

实际应用大多数采用Z2曲线。

GB/T13870.1-2008电流对人和家畜的效应 第1部分：通用部分（ idt IEC(TS)60479-1:2005）标准对C1、C2曲线的定义：

图20 电流路径为左手到双脚的交流电流（15Hz～100Hz）对人效应的

约定的时间/ 电流区域（说明见表11）

表11 一手到双脚的通路，交流15Hz至100Hz的时间/ 电流区域（图20区域的简要说明）

区域 AC—1 AC—2 AC—3

范围

0.5mA的曲线a的左侧

曲线a至曲线b

生 理 效 应

有感知的可能性，但通常没 有被“吓一跳”的反应 可能有感知和不自主地肌肉收缩但通常没有有害的电生理学效应

可强烈地不自主的肌肉收缩。呼吸困难。可逆性的心脏功能障碍。活动抑制可能出现。随着电流幅而加剧的效应。通常没有预期的器官破坏

曲线b至曲线c

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曲线C1以上

AC—4a

C1—C2 曲线C3的右侧

a

可能发生病理一生理学效应，如心博停止、呼吸停止以及烧伤或其它细胞的破坏。心室纤维性颤动的概率随着电流的幅度和时间增加。

AC—4.1心室纤维性颤动的概率增到大约5% AC—4.3心室纤维性颤动的概率超过50%以上

C2—C3 AC—4.2心室纤维性颤动的概率增到大约50%

电流的持续时间在200ms以下，如果相关的阈被超过，心室纤维性颤动只有在易损期内才能被激发。关于心室纤维性颤动,本图与在从左手到双脚的路径中流通的电流效应相关。对其它电流路径，应考虑心脏电流系数。

2 跨步电压和接触电压计算公式

2.1 定义摘自《GB/T2900.73-2008 电工术语 接地与电击防护》 预期接触电压 prospective touch voltage

人或动物尚未接触可导电部分时，这些可能同时触及的可导电部分之间的电压。

约定接触电压限值 conventional prospective touch voltage limit

在规定的外界影响条件下，允许无限定时间持续存在的预期接触电压的最大值。

[有效]接触电压 (effective) touch voltage

人或动物同时接触到两个可导电部分之间的电压。

注：有效接触电压值可能受到与这些可导电部分发生电接触的人或动物的阻抗明显的影响。

跨步电压 step voltage

大地表面相距1m（人的步距）的两点之间的电压。 注：在我国的有关跨步电压规范中，人的步距取0.8m。

图2-1 TT系统外露可导电部分在总等电位联结影响区域内

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图2-2 TT系统外露可导电部分在总等电位联结影响区域外

图2-3 TN系统外露可导电部分在总等电位联结影响区域内

图2-4 TN系统外露可导电部分在总等电位联结影响区域外

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2.2 跨步电压和接触电压计算公式

电力设备发生接地故障时，接地故障电流流过接地装置，由于土壤电阻的存在，电流自接地电极经周围土壤流散时，在大地表面形成分布电位，当人在电极附近走动时，人的两脚将处于大地表面的不同电位点上。两脚间的跨距T我国取0．8m，国外多用1m。地面上水平距离0.8 m 的两点间的电位差，称为跨步电位差；人体两脚接触该两点时承受的电压，称为跨步电压。地面上距设备水平距离0.8 m 处与沿设备外壳垂直距离1.8 m 处两点间的电位差，称为接触电位差；人体接触该两点时所承受的电压，称为接触电压。图2-5和图2-6分别给出了人遭受跨步电位差和接触电位差作用的示意图，显然，当跨步电位差或接触电位差超过某一安全数值时就会导致人体的触电事故。由于不同形状和不同埋深的电极会有不同形状的地表电位分布，因此最大跨步电位差和最大接触电位差，出现的位置将和电极的形式、尺寸以及埋深等因素有关，但一般均在电极附近。

图2-5 人体所遭受的跨步电位差

图2-6 人体所遭受的接触电位差

为了计算人脚与土壤的接触电阻RF，将人脚用一半径r=0.08m的金属圆盘近似代替，如图2-7所示。

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图2-7 圆盘接地极（半空间）

其接地电阻值为RF=

ρ4r

≈3ρ。

同样由简图可得出接触电压与预期接触电压的表达式

UB=

RTRT

UC=UC

RT+0.5RFRT+1.5ρ由简图可得出跨步电压的表达式

UB=

RTRT

US=US

RT+2RFRT+6ρ《IEEE Std 80 2000 guide for safety in AC substation grounding》电流持续时间t为

0.03s~3s，不发生心室纤维性颤动的电流IB，其给定人群的电击能量SB

SB=(IB)2×t

电击能量SB值为恒量，即SB=0.0135（对于体重50kg的99.5%人群），SB=0.0246（对于体重70kg的99.5%人群）。

IB50=

SBtSBt=

0.01350.116

= tt0.02460.157

= ttIB70=

=

人体电阻RT取1500Ω时，其跨步电压和接触电压的允许值为

UB=IB50×RT=

将此值带入上述的跨步电压表达式

0.116

×1500 t

UB=

0.1161500RT×1500=US=US

1500+6ρRT+6ρt0.1161500+6ρ174+0.7ρ×1500×=

1500ttUS=

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将此值带入上述的接触电压表达式，最后得出

UC=

0.1161500+1.5ρ174+0.174ρ×1500×=

1500tt

对中性点非有效接地系统，取50V作为跨步电压和接触电压的允许值，则有UB=50，将此值带入上述的跨步电压和接触电压的表达式，可得出

1500+6ρ=50+0.2ρ

15001500+1.5ρUC=50×=50+0.05ρ

1500US=50×

以上跨步电压与接触电压的计算公式与《 DL/T621-1997 交流电气装置的接地》相一致。 3.4确定发电厂、变电所接地装置的型式和布置时，考虑保护接地的要求，应降低接触电位差和跨步电位差，并应符合下列要求：

a) 在110kV及以上有效接地系统和6kV～35 kV低电阻接地系统发生单相接地或同点两相接地时，发电厂、变电所接地装置的接触电位差和跨步电位差不应超过下列数值：

Ut=

174+0.17ρf

t174+0.7ρf

t

Us=

式中Ut－接触电位差，V；

Us－跨步电位差，V；

ρf－人脚站立处地表面的土壤电阻率，Ω.ｍ； t－接地短路（故障）电流的持续时间，s。

b) 3kV～66 kV不接地、经消弧线圈接地和高电阻接地系统，发生单相接地故障后，当不迅速切除故障时，此时发电厂、变电所接地装置的接触电位差和跨步电位差不应超过下列数值：

Ut=50+0.05ρf Us=50+0.2ρf

2.3 跨步电压和接触电压计算新公式 2.3.1 人体的阻抗

以下摘自《GB/ T 13870.1-2008 电流对人和家畜的效应 第1部分：通用部分》标准。 4 人体的阻抗

人体的阻抗值取决于许多因素，而且尤其是电流的路径、接触电压、电流的持续时间、频率、皮肤的潮湿程度、接触的表面积、施加的压力和温度。

关于人体阻抗的示意如图1所示。

24

Zi-内阻抗 Zs1、Zs2-皮肤阻抗

ZT-总阻抗

图1 人体阻抗

4.5 人体总阻抗值（ZT）

在干燥、水湿润和盐水湿润条件下的大的、中等的和小的接触表面积（数量级分别为10000mm2、1000mm2和100mm2），活人50％被测对象的人体总阻抗，在交流接触电压UT从25V至200V时的关系曲线，如图7、图8和图9中所示。

1 -大的接触表面积，A型电极（数量级为10000 mm），根据表1数据。 2 -中等尺寸的接触表面积，B型电极（数量级为10000 mm2 ），根据表5数据。 3 -小的接触表面积，C型电极（数量级为100 mm2 ），根据表8数据。

2

图7 干燥条件，大的、中等的和小的接触表面积（数量级分别为10000mm、1000 mm和

2

100 mm），活人的50％被测对象的人体总阻抗ZT与50/60Hz交流接触电压UT从25V至200V的关系曲线

22

25

1 -大的接触表面积，A型电极（数量级为10000 mm ），根据表2数据。 2 -中等尺寸的接触表面积，B型电极（数量级为1000 mm2 ），根据表6数据。 3 -小的接触表面积，C型电极（数量极为100 mm2 ），根据表9数据。

2

图8 水湿润的条件，大的，中等的和小的接触表面积（数量级分别为10000 mm 、1000 mm

2

和100 mm ），活人的50％被测对象的人体总阻抗ZT与50/60Hz交流接触电压UT从25V至200V的关系曲线

22

1 -大的接触表面积，A型电极（数量级为10000 mm2），根据表3数据。 2 -中等尺寸的接触表面积，B型电极（数量级为1000 mm2 ），根据表7数据。 3 -小的接触表面积，C型电极（数量级为100 mm2 ），根据表10数据。

图9 盐水湿润条件，大的、中等的和小的接触表面积（数量级分别为10000 mm、1000 mm

26

22

和100 mm ），活人的50％被测对象的人体总阻抗ZT与50/60Hz交流接触电压UT从25V至200V的关系曲线

4.5.1 关于大接触表面积的50Hz/60Hz的正弦交流电流

在表1、表2和表3中的人体总阻抗值，适用于具备下列条件的活人，即在干燥（表1）、水湿润（表2）和盐水湿润（表3）条件下的大接触表面积（数量级为10000mm2），而且电流的路径为手到手。

在图4中所表示的是分别在干燥、水湿润和盐水湿润的条件下，对于大的接触表面积，接触电压一直到700V，50%被测对象的人体总阻抗的范围。

2

1 -干燥条件（表1） 2 -水湿润条件（表2） 3 -盐水湿润条件（表3）

图4 干燥，水湿润和盐水湿润条件，大的接触表面积，电流路径为手到手，50/60Hz

交流接触电压UT从25V至700V，50%被测对象的人体总阻抗ZT（50%）

表1、2和3所表示的是关于活着的成年人所知道的人体总阻抗ZT的数值。关于对儿童的人体总阻抗ZT，就目前所获得的知识，预期稍高于成年，但数量级相同。

表1 干燥条件，大的接触表面积，50Hz/60Hz交流电流路径为手到手的人体总阻抗ZT

接触电压（V）

25 50 75 100 125 150 175

不超过下列三项的人体阻抗ZT值（Ω）

被测对象的5%

1750 1375 1125 990 900 850 825

被测对象的50%

3250 2500 2000 1725 1550 1400 1325

被测对象的95%

6100 4600 3600 3125 2675 2350 2175

27

200 225 400 500 700 1000 800 775 700 625 575 575 1275 1225 950 850 775 775

775 2050 1900 1275 1150 1050 1050

1050 渐近值=内阻抗 575 抗（10%～30%）。

注1：有些测定表明，电流路径为一手到一脚的人体总阻抗，稍低于电流路径为手到手的人体总阻注2：对于活人的ZT值，相应于电流的持续时间约为0.1s。对于更长的持续时间，ZT值可能减少（约

10%～20%），而当皮肤完全破裂后，则ZT接近于内阻抗Zi。

注3：对于电压为230V的标准值（网络—系统3L﹢N—230/400V），可以假设人体的总阻抗值与接触

电压为225V时相同。 注4：ZT值被舍入到25Ω。

表2 水湿润条件，大的接触表面积，50Hz/60Hz交流电流路径为手到手的人体总阻抗ZT

接触电压（V）

25 50 75 100 125 150 175 200 225 400 500 700 1000

不超过下列三项的人体阻抗ZT值（Ω）

被测对象的5%

1175 1100 1025 975 900 850 825 800 775 700 625 575 575

被测对象的50%

2175 2000 1825 1675 1550 1400 1325 1275 1225 950 850 775 775

775 被测对象的95%

4100 3675 3275 2950 2675 2350 2175 2050 1900 1275 1150 1050 1050

1050 渐近值=内阻抗 575 注1：有些测定表明，电流路径为一手到一脚的人体总阻抗，稍低于电流路径为手到手的（10%～30%）。 注2：对于活人的ZT值，相应于电流的持续时间约为0.1s。对于更长的持续时间，ZT值可能减少（约

10%～20%），而当皮肤完全破裂后，则ZT接近于内阻抗Zi。

注3：对于电压为230V的标准值（网络—系统3L﹢N—230/400V），可以假设人体的总阻抗值与接触

电压为225V时相同。 注4：ZT值被舍入到25Ω。

表3 盐水润湿条件，大的接触表面积，50Hz/60Hz交流电流路径为手到手的人体总阻抗ZT

接触电压（V）

25

50 75

不超过下列三项的人体阻抗ZT值（Ω）

被测对象的5%

960 940 920

被测对象的50%

1300 1275 1250

被测对象的95%

1755 1720 1685

28

100 125 150 175 200 225 400 500 700 1000 880 850 830 810 790 770 700 625 575 575 1225 1200 1180 1155 1135 1115 950 850 775 775

775 1655 1620 1590 1560 1530 1505 1275 1150 1050 1050

1050 渐近值=内阻抗 575 抗（10%～30%）。

注1：有些测定表明，电流路径为一手到一脚的人体总阻抗，稍低于电流路径为手到手的人体总阻注2：对于活人的ZT值，相应于电流的持续时间约为0.1s。对于更长的持续时间，ZT值可能减少（约

10%～20%），而当皮肤完全破裂后，则ZT接近于内阻抗Zi。

注3：对于电压为230V的标准性（网络—系统3L﹢N—230/400V0，可以假设人体的总阻抗值与接触

电压上为225V时间的相同。 注4：ZT值被舍入到5Ω

如在附录A中说明的，在表1至表3中所给予的数值，是从对尸体和活人（成年人、

男人和女人）进行测定的结果推算出来的。

在电压高于125V的水湿润条件和电压高于400V盐水湿润条件下的人体总阻抗与干燥条件的数值相同（见图4）。

人体电阻RT取1000Ω时，其跨步电压和接触电压的允许值为

UB=IB50×RT=

将此值带入上述的跨步电压表达式

0.116

×1000 t

UB=

0.1161000RT

×1000=US=US

1000+6ρRT+6ρt0.1161000+6ρ116+0.7ρ×1000×=

1000ttUS=

UC=

0.1161000+1.5ρ116+0.174ρ×1000×=

1000tt1000+6ρ=50+0.2ρ

10001000+1.5ρUC=50×=50+0.05ρ

1000US=50×

加大地表土壤的电阻率可以增大人脚和土壤间的接触电阻，从而使跨步电压和接触电压

29

得到降低。最常采用的加大地表土壤电阻率的措施是在地表铺一层厚度为3cm～10cm的砾石或用沥青混凝土路面，因为砾石或沥青混凝土即使在下雨天仍能保持5000Ω·m的电阻率。铺设砾石或沥青混凝土后，人脚和地面间的接触电阻应按双层计算。

《GB50065-200× 交流电气装置的接地设计规范（送审稿）》 4.2.2 发电厂和变电站接地网的均压要求

确定发电厂和变电所接地网的型式和布置时，应考虑接地网的均压，以降低接触电位差和跨步电位差，应符合下列要求：

1 在110kV及以上有效接地系统和6kV～35 kV低电阻接地系统发生单相接地或同点两相接地时，发电厂和变电所接地网的接触电位差和跨步电位差不应超过由式（4.2.2-1）和（4.2.2-2）计算得到的数值：

Ut=

116+0.17ρsCs

t116+0.7ρsCsUs=

t

式中Ut－接触电位差允许值，V；

Us－跨步电位差允许值，V；

ρs－地表层的土壤电阻率，Ω.ｍ； Cs－表层衰减系数；

K=

ρ−ρs

ρ+ρs

ρ－下层的土壤电阻率，Ω.ｍ； hs－地表层的厚度，m。

按曲线查找。

地表层的厚度 hs

计算术精度要求不高（误差在5%以内），可采用以下近似公式计算

30

0.09(1−

Cs=1−

ρ)ρs

2hs+0.09

t－接地短路（故障）电流的持续时间，s。与接地装置热稳定校验的短路等效持续时间te取相同值

b) 6kV～66 kV不接地、经消弧线圈接地和高电阻接地系统，发生单相接地故障后，当不迅速切除故障时，此时发电厂和变电所接地装置的接触电位差和跨步电位差不应超过下列数值：

Ut=50+0.05ρsCs Us=50+0.2ρsCs

3 其它几个问题

3.1 TT系统与TN-S系统在一个建筑物的共存

建筑物的底层或地下室部分，由城市公用电网供电，采用TT系统供电；而建筑物其它部分，属于业主自行管理，则采用TN-S系统供电。TT系统低压供电时，如图3-1所示。在一个建筑物内TT系统与TN-S系统供电，为了总等电位联结，保护接地在一个建筑物内只能有一个。当TT系统采用高压供电时，变压器低压侧的中性点要接地，该接地配置应与保护接地配置绝缘，如图3-2所示。

图3-1 TT系统低压供电与TN-S系统供电接地示意图

31

图3-2 TT系统高压供电与TN-S系统供电接地示意图

3.2 同台变压器TN与TT系统供电

根据《工业与民用电力装置的接地设计规范（GBJ65－83）》第2.0.6条“……由同一台发电机、同一台变压器或同一段母线供电的低压线路，不宜采用接零、接地两种保护方式。……”的规定，“接零”保护为TN接地型式，而“接地”保护为TT接地型式,同台变压器供电不宜同时采用两种接地型式，如图3-3所示。当TT接地型式的用电设备发生接地故障时，忽略变压器的零序阻抗及导体的阻抗，接地故障电流Id为：

Id=

U0

RA+RB

式中U0－相线对地标称电压，V；

RB－变压器低压侧中性点接地电阻值，Ω； RA－外露可导电部分接地电阻值，Ω。

TN接地型式的用电设备外露可导电部分的预期的接触电压Uf为：

Uf=Id•RB=

设RB＝4Ω，RA＝1Ω,则上式为：

U0•RB

RA+RB

Uf=

220

•4=176V 1+4

预期的接触电压Uf远远大于50V安全电压，对人体产生危险的电击。因此，同台变压器供电的低压线路，不应采用“接零”、“接地”两种保护方式。

32

图3-3 同台变压器供电的采用“接零”、“接地”保护方式（保护电器未配置）

未采取总等电位联结措施，同台变压器供电的低压线路，不应采用TN、TT两种保护方式。采取总等电位联结措施后，在各建筑物内做总等电位联结，消除了沿PE导体传导故障电压，如图3-4所示，同台变压器供电的低压线路，可同时采用TN、TT两种保护方式。

图3-4 同台变压器供电的采用TN、TT接地型式

若在一个建筑物内同时采用TN、TT两种保护方式，应采用隔离变压器改变接地型式，即TN接地型式改变为TT接地型式，如图3-5所示，将隔离变压器付端中性点接地，并与总等电位联结的接地绝缘。

33

图3- 5 同台变压器供电的采用TN、TT、IT接地型式

以下是某标准中所述的同台变压器在一建筑物内TT系统和TN系统供电示意图，从图可看出，不是真正的TT系统，而是采用剩余电流动作保护器的TN-S系统。

图D1 – TT系统与TN系统之间兼容性的例子

34

MT 装置的PEN导体与建筑物的总等电位联结以及接地极之间的 TN 联结； L 如果外露可导电部分M1与M2同时可触及时，所建议的辅助等电位联结； DR 单独装置A的分路断路器； P 集中供暖装置的分路保护装置，该装置与单独装置 A 为同样的房屋提供服务； D 采用TN系统的集中装置的保护装置：该装置可以是三极的或者是四极的。

这些配置可以使公共配电网络的变压器进行以下供电： - 一方面，对按照TT系统进行连接的那些单独电气装置供电，这些装置由出自该变压器的分路装置进行供电； - 另一方面，对按照TN系统进行连接的同一建筑物的通用服务电气装置和集中电供暖装置供电，或者对直接出自公共配电网络变压站的特殊分路供电。

IT接地型式要求变压器低压侧电源中性点不接地（或经高阻抗接地），采用隔离变压器将电源接地型式由接地改为不接地，IT系统发生第一次接地故障时，过电流保护的器不脱扣，保证供电的连续性。绝缘检测器测量线路的绝缘电阻，当线路的绝缘电阻小于50kΩ时发出灯光及声响信号，通知维修人员及时修理，清理绝缘电阻降低的故障，保证供电的连续性。

3.3 变电所接地设置

以下资料摘自《IEC603-4-44 2007 Low-voltage electrical installations–Part4-44 Protection for safety–Protection against voltage disturbances and electromagnetic disturbances》：

444.4.6 多电源供电

对多电源供电，应采用444.4.6.1款和444.4.6.2款的措施。

注：多电源采用星形点多点接地时，中性导体电流可流回相应的星形点，不仅通过中性导体，而且通过保护导体，如图44.R7A所示。由于此原因，在装置中流过的部分电流之和不再为零，并存在杂散的磁场，与单芯电缆类似。

在承载交流电流的单芯电缆的情况下，芯线周围产生圆形电磁场，可干扰电子设备。谐波电流产生类似的电磁场，但比基波电流产生的电磁场更快地衰减。

图44.R7A PEN导体与地之间不当的多点连接的TN系统多电源供电

35

444.4.6.1 TN系统多电源供电

TN系统多电源为装置供电的情况下，由于电磁兼容(EMC)原因，各电源的星形点应采用绝缘导体集中在一点或同点相互连接，见图44.R7B。

a) 从变压器的中性点或发电机的星形点直接对地连接是不允许的。 b) 变压器的中性点或发电机的星形点之间相互连接的导体应是绝缘的，此导体的功能类似于PEN，然而，不应与用电设备连接内容的警示牌置于其附近。

c) 在多电源中性点间相互连接的导体与PE导体之间，只能在一点连接。此连接应设置在总配电屏内。 d）对装置的PE导体可重复接地。

图44.R7B TN系统多电源为星形点在一点或同一点与地连接的同一装置供电

444.4.6.2 TT系统多电源供电

TT系统多电源为装置供电的情况下，由于电磁兼容(EMC)原因，各电源的星形点应相互连接并集中在一点与地连接，见图44.R8。

a) 从变压器的中性点或发电机的星形点直接对地连接是不允许的。 36

b) 变压器的中性点或发电机的星形点之间相互连接的导体应是绝缘的，此导体的功能类似于PEN，然而，不应与用电设备连接内容的警示牌置于其附近。

c) 在多电源中性点间相互连接的导体与PE导体之间，只能在一点连接。此连接应设置在总配电屏内。

图44.R8 TT系统多电源为星形点在一点或同一点与地连接的同一装置供电

444.4.7 电源转换

若有时，TN系统中借助开关电器从一个电源装换到另一个电源，应装换线导体和中性导体，见图44.R9A、图44.R9B及图44.R9C。

注：此方法防止因装置总电源系统的杂散电流的电磁场。一根电缆内的电流之和必为零。保证中性电流仅在接通电路的中性导体内流动。线导体的3次谐波(150Hz)电流，以相同的相位添加到中性导体电流。

图44.R9A 装有四极开关的三相交流电源

注：装有不当的三极开关的三相交流电源引起不期望的环流，环流产生电磁场。

图44.R9B 在装有不当的三极开关的三相交流电源中中性电流流动

37

注：UPS次级回路与地连接不是强制性的。若不接地，UPS模式时将是IT系统型式；旁路模式时将与低压供电系统相同。

图44.R9C 装有二极开关的单相交流电源

建筑物内有多座变电所，每座变电所按上述要求精选接地配置，如图3-6所示。变电所间设置联络线，联络开关为三极。中性电流In在A处分为In1和In2, In1至B处；In2经本座变电所的N线母排、联络开关N线至另座变电所的N线母排，经接地母排返回B处，与In1至汇流In。因联络开关为三极，引起中性电流的分流，为了避免中性电流的分流，联络开关应为四极，如图3-7所示。

图3-6 TN-S系统联络开关三极转换开关引起中性电流环流

38

图3-7 TN-S系统四极联络开关不引起中性电流环流（同建筑物内本座变电所供电）

但是，由另本座变压器供电时，如图3-8所示，中性电流In在A处分为In1和In2, In1至经接地母排至另座变电所N线母排B处；In2经联络开关的N极至另座变电所N线母排B处，与In1汇流In。因在同一建筑物内，两座变电所低压中性点在配电屏处一点接地共用接地极，同建筑物内另座变电所供电时，引起中性电流的环流。不在同一建筑物内的两座变电所，由另座变电所供电，引起中性电流的环流如图3-9所示，不赘述。

图3-8 TN-S系统四极联络开关引起中性电流环流（同建筑物内另座变电所供电）

39

_1665e_CDV

IEC 603-5-53 A2 Ed.3: LOW-VOLTAGE ELECTRICAL INSTALLATIONS – Part 5-53: Selection and erection of electrical equipment –Protection, isolation, switching, control and monitoring

537 Isolation and switching 537.1 General

This clause provides requirements for non-automatic local and remote isolation and switching measures for the prevention or removal of dangers associated with electrical installations or electrically powered equipment and machines.

537.1.1 According to the intended function(s), every device provided for isolation or switching shall comply with the relevant requirements of this standard.

NOTE The Table of the Informative Annex K summarizes the functions provided by the devices for isolation and

switching, together with indication of the relevant product standards.

537.1.2 There shall be no isolating or switching device in a PEN conductor.

In TN-S and in TN-C-S systems, it is not necessary to isolate or switch the neutral conductor. (See part 5-)

537.1.3 Each installation shall have provisions for disconnection from the supply

537.1.4 A main switch intended for operation by ordinary persons, e.g. of a household or similar installation, shall interrupt all live conductors.

537.1.5 Where an installation is supplied from more than one source of energy, one of which requires a means of earthing independent of the means of earthing of other sources and it is necessary to ensure that not more than one means of earthing is applied at any time, a switch may be inserted in the connection between the neutral point and the means of

earthing, provided that the switch is a linked switch arranged to disconnect and connect the earthing conductor for the appropriate source.

The disconnection between the earthing conductor and the neutral point shall not occur before the disconnection of the related line conductors and the connection of such earthing conductor shall occur before the connection of the related line conductors.

当采用联络线供电时，为避免中性电流的环流，只有供电的变电所的变压器中性点经接地开关接地，而未供电变电所的变压器中性点接地开关断开，如图3-9所示。

40

图3-9 联络线供电，供电的变电所的变压器中性点经接地开关接地（同建筑物内另座变电所供电）

图3-10 TN-S系统四极联络开关引起中性电流环流（不同建筑物内另座变电所供电）

双电源变压器低压中性点在配电屏处一点接地，需讨论的问题如下：

1双电源变压器低压中性点在配电屏处一点接地， 根据《10kV 及以下变电所设计规范

41

（GB50053-94）》 第3.1.4条 “电气设备外露可导电部分，必须与接地装置有可靠的电气连接。成排的配电装置的两端均应与接地线相连。”的规定，双电源变压器低压中性点在配电屏处一点接地与规范要求有矛盾。

2转换开关均为四极。

3中性电流的环流引起的电磁干扰。

42

以上交流不当之处请斧正

祝北京市建筑设计研究院各位同仁身体健康！

43