关于B类电气装置接地电阻值的讨论[1]

关于B类电气装置接地电阻值的讨论
信息产业电子第十一设计研究院有限公司 杨天义
摘要：依据等同采用IEC相关标准的新的国家标准，对原电力行业标准中的B类电气装置（建筑物电气装置）的保护接地电阻值，按照不同的高、低压系统接地形式下的安全性要求，提出了新的建议，并就其确定原则作出了说明。

关键词：B类电气装置 保护接地电阻 故障接触电压 工频应力电压
电气装置的接地技术是关系到电气装置能否实现其功能性和安全性的基本技术之一，它包括电气装置的接地系统的设置，接地电阻值的确定、接地装置的安装、敷设、运行、检测和维护等诸多方面的技术。

原国家标准GBJ65-83《工业与民用电力装置的接地设计规范》颁布至今已逾二十多年，许多内容已落后于二十多年来接地技术的发展，现今供电力部门和设计单位遵循的电力行业标准DL/T621-1997《交流电气装置的接地》虽然既包括了对电力部门管理的发电、变电、送电和配电电气装置（简称为A类电气装置）的接地要求，也包括了由用户管理的“建筑物电气装置”（简称为B类电气装置）的接地要求，但仍有部分内容落后于当今科技的飞速发展，国内的一些资深电气专家已对此规范提出了许多很好的建议和意见[1]，中国电工技术学会的“工业与建筑应用专委会”还专门为之举办了专题研讨会[2]。

这反映出了电工技术学界对这本基础性的国家标准技术规范的热切期盼，对此，笔者也不揣冒昧，借参与审定修编“工业与民用配电设计手册”之第十四章“接地”的机会，仅就有关建筑物电气装置（B类电气装置）的接地电阻值的问题提出一点不成熟的个人看法来参与讨论，目的旨在对将于2006年修订出版的新的国家标准“交流电气装置的接地”规范能有所裨益。

关于建筑物电气装置的接地问题，当前业界最为关注的是关于接地系统的设置，即是否采用“联合接地系统”（或者称为“共用接地系统”），另一个就是接地电阻的取值问题，对前一个问题，已有许多专家发表了许多很好的意见，本文不拟讨论，仅就后者，即建筑物电气装置的接地电阻值，对不同的高、低压系统接地形式，究竟取多少较为合适，发表一点个人的浅见。

IEC60364-4-442：1993标准《低压电气装置对暂时过电压和高压系统与地之间的故障的防护》已等同采用为国家标准GB16895.11-2001，此标准规定了当变电所的高压侧系统发生相线与地之间的故障时，引起的低压侧系统中性点电位的升高从而在低压系统的绝缘上产生的工频应力电压以及电气装置外露可导电部分对地电位的升高所形成的故障接触电压时，对设备绝缘可能遭受的损害和对人员可能遭受间接电击所提供的保护措施。

因此，此标准是我们讨论建筑物电气装置的接地电阻值所依据的主要基础性标准之一。

在该标准的引言中，一开始就指出“本标准的规定不适用于全部或部分由公用电力公司管辖的系统”，因此，我们在讨论变电所的接地电阻时，就有必要将由电力公司管辖的高压变配电系统与由用户管理的建筑物电气装置（用户端的中、低压配电系统）分开讨论，即如DL/T621-1997标准那样，将适用范围的电气装置分为A类电气装置和B类电气装置分别加以讨论是有必要的，鉴于此，笔者在“配电手册”新版中，配合修编者提出了关于“电气装置保护接地的接地电阻”的确定原则，参见表一。

表一 电气装置保护接地的接地电阻
高压系统 接地方式 供电公司管理的发电、变电、配
电电气装置（A类电气装置）①
用户管理的建筑物电气装置 ① ③
（B类电气装置）
有效接地 (直接接地、低电阻接地) 发电厂、变电所电气装置保护接
地的接地电阻值应符合：
R≤2000/I k
但不应大于5Ω。

②
当配电变压器位于所供电建筑物外且建筑物电气装置未
作总等电位连接时，如变电所保护接地与低压系统中性
点接地相连接，则应符合：④
R≤1200/I k
但对于TN系统及低压用电设备外露导电部分与变电所
保护接地相连的IT系统，故障电压I k R应在规定时间内
（见图14-2）切断；对于TT系统及中性点阻抗接地且
用电设备外露可导电部分单独接地的IT系统，在低压用
户系统绝缘上产生的工频应力电压(I r rup t)应在5s内切
断。

当配电变压器设于由其供电的建筑物内并已作总等
电位联结时,则不存在上述电击和绝缘击穿危险。

此时变
压器低压侧宜采用TN-S系统, 高压电气装置保护接地
应与低压系统中性点接地共用接地装置。

不接地、
消弧线圈接地、高电阻接地 （1）高压电气装置保护接地与电
力生产用低压电气装置共用
接地装置时，接地电阻为：
R≤120/I k
但不应大于4Ω。

（2）仅用于高压电气装置的接地
装置时，接地电阻为：
R≤250/I k
但不宜大于10Ω。

（1）变电所保护接地与低压系统中性点接地共用接地装
置时，变电所保护接地装置的接地电阻应符合：
a．配电变压器设于由其供电的建筑外,且所供电
建筑物内未作总等电位联结时，对于TN系统，其
接地电阻为: R≤50/I k⑤
但建议以不大于2Ω为宜。

b．配电变压器设于由其供电的建筑物内,且已作总等
电位联结时:
a)低压侧应采用TN－S系统
此时不存在电击和绝缘击穿危险,就此而言，对
接地电阻值可无要求。

但宜尽可能采用低的自然接
地电阻值（例如4Ω）以抑制地电位升高并满足联
合接地系统的其他要求。

b)当低压侧为中性点不接地的IT系统，但低压用
电设备外露导电部分与变电所保护接地相连接
时，接地电阻应符合：
R≤250/I k
且在低压系统绝缘上产生的工频应力电压
(I k R+U ph)应在设备绝缘水平允许的时间内被切断。

（2）变电所保护接地不与低压系统中性点接地共用接地
装置时，变电所保护接地装置的接地电阻应符合：⑥
R≤250/I k
且在低压系统绝缘上产生的工频应力电压(I k R+U ph)应
在设备绝缘水平允许的时间内被切断。

注：① 表中R为接地电阻（Ω），I k为计算用的高压系统中流经变电所保护接地装置的接地故障电流（A），U ph为相电压（V）,对220/380V 系统U ph=220V, 低压系统的接地形式见本章第三节。

表中计算用的接地故障电流采用在
接地装置内、外短路时，经接地装置流入地中的最大短路电流对称分量最大值，该电流应按5~10年发展后的系统最大运行方式确定，并应考虑系统中各接地中性点间的短路电流分配，以及避雷线中分走的接地短路电流。

对消弧线圈接地系统，计算用的接地故障电流应采用下列数值：对于装有消弧线圈的发电厂、变电所电气装置的接地装置，计算电流等于接在同一接地装置中同一系统各消弧线圈额定电流总和的1.25倍；对于不装消弧线圈的发电厂、变电所电气装置的接地装置，计算电流等于系统中断开最大一台消弧线圈或系统中最长线路被切除时的最大可能残余电流值。

② 此时还应符合以下要求：
a）为防止变电所高压侧发生接地故障时转移电位引起的危害，应采取隔离措施（如对外通信设备加隔离变压器；
向外供电的低压线路采用架空线，使其电源中性点接地装置与所内接地装置相距20m以上；通向所外的金属管道采用绝缘段等）。

b）考虑短路电流非周期分量的影响，当接地网电位升高时，发电厂、变电所内的3-10kV阀式避雷器不应动作或动作后应能承受被赋与的能量。

c）设计接地网时，应验算接触电位差和跨步电位差。

当人工接地网局部地带的接触电位差、跨步电位差超过规定值，可采取局部增设水平均压带或垂直接地极，铺设砾石地面或沥青地面的措施。

③当与变电所接地装置相连的已接地的合适的有金属护层的高、低压电缆总长度超过1km, 或变电所接地装置的接地电阻小于1Ω时, 可认为已满足了表内所列条件。

(注：IEC60364-4-442新草案中已取消了此条款)
④ 当不能满足表列条件时，应将变电所低压系统中性导体及TT或IT系统低压用电设备外露可导电部分通过一个电气上独立于变电所保护接地的接地装置接地，此时变电所低压侧绝缘上的工频应力电压（I k R+U ph）仍应在其绝缘水平相对应的时间内被切断；TT或IT系统低压用电设备外露可导电部分单独接地的接地电阻应满足其接地故障时的防间接接触电击要求，参见第十五章[7]。

⑤还应考虑低压系统相线直接接大地故障在低压系统中性点接地装置上产生的故障电压的危害：对于TN系统，R
应满足R≤50R E/（U ph-50）(Ω),即当U ph =220V时，R≤0.29R E，R E为故障点的电阻(Ω)；对于TT系统，为避免爬电引起的电气危险，则应R≤0.31R E；在这两种情况下，都考虑到R E值的不确定性，R值宜尽量小，例如不大于2Ω。

⑥对于另行单独接地的低压系统中性导体及低压用电设备外露可导电部分, 其接地电阻值要求同注④及注⑤。

表中将供电公司管理的发电、变电、配电电气装置（即A类电气装置）与用户管理的建筑物电气装置（即B类电气装置）分别加以对照列出，A类电气装置的保护接地电阻的确定原则，按照现行DL/T621-1997标准规定，本文不对此讨论，只对用户管理的B类电气装置的接地电阻如何确定加以讨论。

用户管理的B类电气装置，其“高压”侧的电压一般系指超过交流电压区段Ⅱ上限即相间电压U>1000V的电压，在我国通常是指3~35KV“中压”配电电压，其低压侧电压为1000V
以下的低压配电电压。

而个别用户管理的66kV，110kV，甚至220kV的用户总降压变电所，因其主变压器二次侧电压一般不为1000V以下的低压配电电压，而多为6~35kV的“中压”配电电压，因此不适用于标准IEC60364-4-442：1993/GB16895.11-2001所适用的范围，因此66kV及以上的用户总降压变电所，其保护接地电阻值可按A类电气装置的规定确定。

B类电气装置的“高压侧（HV）”系统的接地方式，与A类电气装置一样仍分为有效接地（直接接地或低电阻接地）及非有效接地（不接地、消弧线圈接地、高电阻接地）两类。

我国的10~35kV配电系统，其系统接地方式一般均为低电阻接地或不接地/消弧线圈接地方式。

高压有效接地（低电阻接地）系统其接地故障电流较大（数百安至1000安左右），发生接地故障后要求保护装置迅速切除故障；而非有效接地系统（不接地、消弧线圈接地）的接地故障电流较小，仅表现为不接地系统的电容电流或消弧线圈补偿后的故障残余电流，一般不超过10~30安[3]，发生接地故障后可不立即跳闸，允许带故障运行约两小时，在此期间可寻找故障点并将其切除。

因此，两种高压系统接地方式其接地故障时所引起的地电位升高及故障切除时间是大不一样的，因此IEC60364-4-442标准中将这两种高压接地系统之接地要求分开来规定。

与两种高压系统接地方式相对应，B类电气装置的低压系统接地形式又分为TN、TT及IT系统三大类[4]；而TN系统又按照中性线（N）和保护线（PE）是否分开或合用而分为TN-C、TN-S、TN-C-S系统；IT系统则按照中性点是否经阻抗接地以及是否与变电所外露可导电部分（保护接地）相连接或是否引出PE线与低压用电设备的外露可导电部分相连接等各种不同的形式，当变电所高压侧对地故障时，对于上述各种类型的低压系统接地形式，在变电所低压侧的故障接触电压及出现在低压系统变电所端和/或用电设备端相线对地绝缘上的工频应力电压及持续时间的表现是不一样的，并且上述故障接触电压是否会引起间接电击事故又与变电所及建筑物内是否实施了总等电位联结有关。

此外，变电所的保护接地是否与低压侧系统中性点接地共用接地装置，也会影响高压侧对地故障电压向低压侧的传导。

还要考虑到配电变压器是否位于所供电的建筑物内，会对低压系统的接地形式的选择有所影响，比如当配电变压器（以下简称“配变”）位于所供电的建筑物内且实施了总等电位联结时，TT系统就不适用，此时就只能采用TN或IT系统[1]（在我国绝大多数场合下是采用TN系统，特别是用电安全性相对较高的TN-S系统）。

因此，面对两类不同的高压系统接地方式，B类电气装置的低压侧系统接地及其与变电所或用电设备的保护接地之间的关系，就要考虑上述各种不同情况下对接地装置及接地电阻的不同要求，按照上述各种不同接地形式及不同条件分类排列组合起来的形式就十分复杂。

笔者在制定表一的B类电气装置的保护接地电阻值的要求时，就反复研讨IEC60364-4-442标准以及相关的建筑物电气装置电击防护的有关标准（如IEC60364-4-41/GB14821.1，IEC60364-4-41/GB16895.21，IEC60364-5-54/GB16895.3等），深感IEC60364-4-442等基础性标准言简意赅，标准背后所包含的内容十分丰富，要想在表一中简明扼要的归纳综合出来以便于设计人员运用是有相当的难度的，在王厚余老先生及任元会主编、卞铠生副主编等资深电气专家的大力支持和协助下，笔者数易其稿，才算基本制定出了表一，但仍感未能全面准确地表达标准的内容，其中B类电气装置的保护接地电阻值的确定除了依据上述IEC及GB标准外，还参照了DL/T621-1997[4]等国家电力行业标准的有关内容，由于新修订的“交流电气装置的接地”国家标准还没有颁布，因此表一的内容不一定会符合将来的GB标准，接地技术也会随着电气科学技术的发展而“与时俱进”；这次修编的“设计手册”中的表一的内容就权当是抛砖引玉吧，如与现行或将来的GB/IEC新标准有不相符合之处则应以新的GB/IEC标准为准，并留待下一版“配电设计手册”再加以修正。

为便于表一的理解和应用，笔者在此对表一所列内容作如下简要说明：
一．高压侧系统为低电阻接地的B类电气装置
1.当配电变压器位于所供电的建筑物外，且建筑物内电气装置未做总等电位联结时，
（1）.低压侧为TN系统
比如对一个小区供电的独立式变电所，或室外露天箱式变电所或杆架式变压器，这种情况下如变电所保护接地与低压系统中性点接地相连接（大多数情况下均是如此）此时低压侧大多采用TN系统（TN-S或TN-C-S系统）；当配变发生高压接地故障时，流过变电所保护接地装置R上的接地故障电流I m（即表一中的I k，下同）在变压器外壳上形成了故障电压I m R，此故障电压将因低压系统中性点接地与变电所保护接地相连接而通过PEN线或PE线传导至所有用户低压设备的外露可导电部分（外壳）上，见图一。

从而可能引起在用户端人员遭受原因难查的间接电击伤害事故，由于变压器高压侧系统为小电阻接地时，其接地故障电流较大，多为数百至1000安，此时除应尽量降低变电所之接地电阻R，使RxI m≤1200V(按满足系统绝缘要求，见后述)外，还应按GB16895.11/IEC60364-4-442标准（以下简称“标准”）的要求应在图二所示的极短的时间内（约为10~40ms内）被切断才能保证人员不致发生人身电击事故。

但实际上此接地故障持续时间为变电所高压侧断路器和继电保护装置动作时间之和，约为数百毫秒，远大于图二所要求的切断时间，因此，为保证安全，需采取以下措施：一是在所供电的建筑物内采取总等电位联结措施。

由于总等电位联结的作用，使故障电压U f所产
生的接触电位差被消除，按GB16895.11标准的说法是此时“接触电压实际为0V”（严格说，接触电压不可能为0V而是下降为配电箱至用电设备的一小段PE支线上的电压降，其值很小，一般均大大低于安全电压限值[1]）对于户外电气装置（如路灯）等不便实施总等电位联结的场合，则可采用局部TT系统，用电设备外壳不接PE线而是单独打接地极接地，同时再辅以漏电保护器，则可有效地保证安全。

二是将低压系统的中性导体通过一个电气上独立于变电所保护接地的接地装置接地。

（见表一注④）如图三所示：
此时故障电压虽不导入低压配电系统不会导致人身电击，但在变电所低压侧设备的绝缘上将产生工频应力电压RxI m+U0，按标准要求此应力电压应在与变电所低压设备的绝缘水平相对应的时间（5s）内被切断。

（GB16895.11标准注：变电所低压设备的绝缘水平可高于上述用户电气设备的绝缘水平标准）。

应当注意到，上述高压接地故障因保护装置动作而很快被切除，此接地故障导致的低压系统间接电击危险及绝缘击穿危险的或然率相对较低。

（2）.低压为TT系统
当低压侧为TT系统时，如发生高压侧接地故障，因TT系统低压用户设备外壳单独接地，从而故障电压不会传导至用电设备外壳上，但此时变电所电气设备外壳将呈现对地故障电压I m xR，与TN系统一样，可通过总等电位联结消除，但仍将在用户侧低压设备绝缘上产生工频应力电压RxI m+U0，如图四所示：
此时为保证用户低压设备绝缘不被击穿，与前述TN系统一样，按标准要求其工频应力电压RxI m+U0应在5s内被切断。

与前述TN系统一样（见图三），如将TT系统中性点引出变电所外单独接地，虽然可使
变电所接地电阻R上产生的故障电压RxI m不会传导至用户低压设备绝缘上，但变电所的低压设备对地电压将升高至U1= RxI m+U0，因此，此工频应力电压仍应按标准的要求：应在5s内被切断才能保证变电所低压侧绝缘不致被击穿。

（3）.低压为IT系统
对IT系统来说，低压系统接地与变电所保护接地相连接时，只能是低压系统中性点经过高阻抗Z与保护接地相连。

如图五所示：
显然，此种情况下与TT系统相似，在变电所电气设备外壳上将产生高压接地故障电压RxI m，在用户低压设备上将产生应力电压RxI m+U0；前者仍通过等电位联结消除，而后者仍要求在5s内被切断。

当上述IT系统将低压用电设备外露可导电部分与变电所保护接地相连时，则与TN系统类似，故障电压将经PE线传至所有用电设备外壳上，如图六所示：
要避免此故障电压U f引起的人身电击，最好的办法仍然是在所供电的建筑物内采取总等电位联结措施，或者将中性点阻抗Z引出变电所外单独接地并将低压用电设备外露可导电部分另行单独接地或从单独接地的阻抗Z的接地端引出PE线接地（此时故障电压虽不会传导至低压用户设备，但在变电所低压侧绝缘上将会出现工频应力电压RxI m+U0，此工频应力电压仍须在5s内被切断。

见表一注④）。

2.当配电变压器设于由其供电的建筑物内并已实施总等电位联结时
在此情况下，低压侧多采用TN系统而不能采用TT系统（因在已做了总等电位联结的建
筑物内要将低压用电设备外露可导电部分做电气上的独立接地是很困难的），而低压侧TN系统则宜采用TN-S系统，如前1.（1）款所述那样采取总等电位联结措施，则此时因总等电位联结的作用，故障接触电压及低压系统内的工频应力电压均不存在。

高压电气装置的保护接地宜与低压系统中性点接地相连并共用接地装置，此时如将低压系统中性点引出室外单独接地反而会导致变电所低压侧产生工频应力电压（如图三所示）。

二.高压侧为不接地或消弧线圈接地的B类电气装置
1.变电所保护接地与低压系统中性点接地共用接地装置
由于高压侧为不接地或消弧线圈接地的“小接地电流系统”，当变电所高压侧发生对地故障时，其接地故障电流仅为不超过10~30A的电容电流[3]，此时高压侧保护装置可只发接地信号而不立即跳闸，如为非稳定性的短路故障，则当故障因素自动消除后可恢复正常而提高了供电的可靠性，这是其优点，但同时因这种高压接地故障可能会较长时间存在，而引起共用接地的低压系统用户人员遭受间接电击的危险大大增加。

说明如下：
（1）.当配电变压器设于由其供电的建筑物外，且所供电的建筑物内未做总等电位联结时，对于TN系统，为防止高压侧接地故障电压RxI m经PE线或PEN线侵入到各低压用户设备导电外壳上引起电击事故（同图一），则必须限制故障电压U f不超过安全电压限值。

即为U f=RxI m≤50V，从而得出R≤50/I m
如上所述，由于I m一般均不超过10~30A，所以建议R不大于2Ω为宜。

同时，还应考虑到低压系统相线直接接大地故障时，其接地故障电流在低压系统中性点接地装置上产生的故障电压的危害，如图七所示。

此时，呈现在用户低压设备外露可导电部分（外壳）上的故障接触电压将为：
U f=I d xR= [U0/（R+R E）]R
为不致发生电击事故，U f应不大于50V，即[U0/(R+R E)]R≤50V
故 R≤50R E/(U0-50 ) （Ω）
式中R E为故障点的接触电阻；U0为标称相电压，如U0=220V，则R≤0.29R E。

因R E是一个难于确定的随机值，故希望R值尽量小，以便满足上式的要求，在可能的情况下例如1~2Ω通常是容易作到的，因此表一的注⑤建议不大于2Ω。

（2）.当配电变压器设于由其供电的建筑物内且已做总等电位联结时
与前述一.2款一样，此时低压系统接地形式只能采用TN系统（一般均采用TN-S系统）和IT系统，TT系统不适用。

（a）.低压侧采用TN-S系统：
与前述一.2.款一样，因作了总等电位联结，当高压侧发生接地故障时，在低压系统
设备外壳上所呈现的故障接触电位差被排除在外，同时，与图一所示一样，在TN系统内，变电所及用户设备处相线对地绝缘上亦不出现工频应力电压，因此不存在电击和绝缘击穿危险，就此而言，对变电所的保护接地之电阻值可不作要求。

然而，如前所述，不作要求并不是越高越好，多高都可以；从泄放短路电流或其他各类电涌的角度看，仍宜尽可能采用低的自然接地电阻值，注意此处是说它是利用各种自然接地体如建筑物基础内钢筋、各种埋地金属管道（易燃易爆管道除外）等，而不要求另外敷设人工接地体；在很多情况下，只要利用建筑物基础钢筋及埋地管道等自然接地体就可以容易地把接地电阻值降到4Ω以下。

同时，尽量低的自然接地电阻，也有利于抑制地电位过度升高所引起的其他不利后果并满足联合接地系统的其他要求，比如防雷接地系统泄放雷击电涌及防止反击的要求等。

（b）.低压侧为IT系统
在上述前提条件下，此IT系统中性点应不接地，但当低压用电设备外壳采用PE线与变电所保护接地相连时，见图八所示：
此时在低压系统内（变电所端及用户低压设备端）绝缘上均呈现工频应力电压RxI m+U0，按标准要求此工频应力电压应不超过250V+U0才能与低压设备绝缘相配合。

因此，高压接地故障电流在I m变电所接地装置上呈现的故障电压RxI m应不超过250V，即变电所保护接地的接地电阻应符合：
R≤250/I m
从图八可看出，由于低压用电设备外露可导电部分与变电所保护接地相连，此时用户低压设备外壳上将导入故障电压U f=RxI m,但本条前提条件是在建筑物内已做了总等电位联结，故此故障接触电压亦被排除在外，不会发生电击危险。

2.变电所保护接地不与低压系统中性点共用接地装置
即类似于前述一.1款中所说的将低压系统中性点单独接地（如图三），此时对TN及TT系统，变电所高压侧接地故障电压（RxI m）均不会传导至用户低压设备外壳上，引起电击危险，对于低压用户设备单独接地的IT系统也不会将高压接地故障电压传导至用户低压设备外壳上，只有前面所说的用户低压设备外壳经由PE线与IT系统之变电所保护接地相连时才会在用户低压设备外壳上导入故障接触电压U f=I d xR，如图九所示：。