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接地系统详解
接地系统（IEC）或接地系统（IEEE）将电力系统与地球表面连接起来，以达到安全和功能性目的。接地系统还会影响电磁兼容性，也是防雷系统的必要条件。
接地系统分为两类：系统接地和设备接地。
系统接地是有意将相线或中性线连接到大地，以将电压应力和电压危险（触电或跨步电压）控制在安全范围内。
设备接地是将设备的非电流传导部分电气互连或 "粘合 "在一起，并与大地相连。
接地系统必须精心设计。设计师需要考虑许多与接地和接地系统相关的标准。
低压接地系统
IEC 术语
IEC 术语来自 IEC 60364-1 标准 [2]。
第一封信 - 电力系统与地球的关系：
- T = 一点与大地直接连接。
- I = 所有带电部件与大地隔离，或一个点通过高阻抗与大地连接。
第二个字母 - 外露导电部件 (ECP) 与大地的关系：
- T = ECP 与大地的直接电气连接，与电力系统任何一点的接地无关。
- N = ECP 与电力系统接地点的直接电气连接（在交流系统中，电力系统的接地点通常为中性点，如果没有中性点，则为线路导体）。
后续字母（如有） - 中性线和保护接地线的排列：
- S = 由独立于中性线导体或接地线路（或交流系统中的接地相线）导体的导体提供的保护接地功能。
- C = 中性线和保护接地功能封装在一根导体（PEN 导线）中。
TN 系统
TN（或称 "中性点"）系统是将外露导电部件（ECP）直接连接到电源的牢固接地点的电气系统[1]。TN 系统的故障环路阻抗较低，但由于故障电流较大，中性点受损的风险较高（甚至有起火的危险）。此外，接地电极需要按一定的间隔安装（连接到系统中的每个导体），以避免安全问题。
根据导线的排列，TN 系统可分为多种不同类型。
TN-S
TN-S 是第一种 TN 配置。这种系统配置通常用于工业和商业应用，其中两根不同的导线分别作为保护导体和中性线导体[1]。由于保护接地和中性线分离，TN-S 系统往往是 TN 系统中最安全的选择，甚至可用于柔性导线或较小的导管。
如上图 1 所示，TN-S 系统使用不同的导体将中性点和保护接地 (PE) 从同一地点连接到 ECP。TN-S 系统也可用于没有中性线的情况（如三角配置的三相电源），只要有 PE 导线存在即可。
TN-C
TN-C 系统是第二种 TN 配置。与 TN-S 配置不同，TN-C 配置将保护接地和中性线合二为一。这是北美公用事业的典型配置，但不推荐用于工业和商业电力系统 [1]。使用 TN-C 系统的好处之一是由于省去了设备杆和导体而降低了成本，但这种折衷会降低安全性（如增加火灾或电磁干扰的风险）。
如上图 2 所示，TN-C 系统与 TN-S 系统的不同之处在于，它将 PE 和中性线功能合并为一根导体，即保护接地中性线 (PEN)。
TN-C-S
最后一种 TN 系统是 TN-C-S 系统。在北美，从 PEN 到 PE 的过渡点是典型的公用设施到用户的接口，包括一个电极，用于在服务入口处有意连接到大地[1]。TN-C-S 系统结合了 TN-C 系统和 TN-S 系统的优点，但回报率较低（即 TN-C-S 系统不如 TN-S 系统安全，也不如 TN-C 系统便宜）。
图 3：TN-C-S 系统示意图
如上图 3 所示，TN-C-S 系统结合了 TN-C 和 TN-S 系统的功能，其中某些 ECP 将通过 PEN 导线连接到地线，而其他 ECP 则连接到 PE 和中性线导体，这两个导体都是从最初的 PEN 导线分离出来的。
TT 系统
TT 或 Terre-Terre 系统是指供电负载与接地电极相连的电气系统，这些接地电极独立于与电源相连的接地电极[1]。TT 系统往往不需要持续监控（连接到 ECP 的任何 RCD 或剩余电流装置除外）。TT 系统的一个缺点是环路阻抗高，会产生较高的阶跃电压和泄漏电流，这意味着使用该系统时需要使用 RCD。
图 4：TT 系统示意图
从上图 4 可以看出，系统接地发生在两个不同的点：第一个是中性线导体的连接点，第二个是 PE 导线的连接点。这两个接地点相互独立。
信息技术系统
IT 或隔离接地系统是指电源与地面绝缘或以极高阻抗与地面连接的电气系统。为防止故障电流可能造成的损害，IT 系统可单独或集体接地[1]。IT 系统在运行期间可提供最佳的连续性服务（即绝缘故障非常容易捕捉和消除，不会造成太大的干扰），但也需要高度的维护。此外，由于网络中的绝缘水平较高，接地故障回路阻抗非常高，IT 系统面临着网络中同时存在两个故障电流的风险。
图 5：带有单独接地 ECP 的 IT 系统示意图
图 6：集体接地的 ECP 的 IT 系统示意图
图 5 和图 6 显示了 IT 系统的示例。请注意，在这两个示例中，系统都是通过极高的阻抗（即开路）接地，而 PE 导体是单独接地的。图 5 显示的是 ECP 具有独立 PE 导体的实例，而图 6 显示的是 ECP 具有公共 PE 导体的实例。
直流系统
直流或直流电系统是一种为直流电而非交流电设计的系统接地方式。它们通常使用双线系统通过正负极接地[2]。上述系统的直流系统等效功能与交流系统不同。
低压接地类型比较
低压接地方法的优缺点概述如下：
高压接地系统
高压（1 kV 以上）接地系统有三个基本要求：
- 人员安全。
接地系统不得对包括公众在内的任何人造成任何不合理的风险。
接地系统对人的主要危害是电流通过心脏导致心室颤动。
- 保护设备。
接地系统应在不损坏任何设备的情况下实现预期运行。具体而言，这意味着接地系统必须能够：(a) 承受故障电流；(b) 在安装寿命期间保持完整性；(c) 避免在故障期间因电压升高或电流过大而损坏设备；以及 (d) 有助于确保系统的电磁兼容性。
- 运行安全。
接地系统必须通过保持可靠的电压基准来支持运行安全。
牢固接地
固态接地是指将系统电源（如发电机中性点或变压器）直接连接到地面，而不产生任何干扰。这是避免故障电流过大的一个特别好的方法。通过比较接地故障电流和三相故障电流，可以确定稳固接地系统的有效性。与三相故障电流相比，接地故障电流越大，系统的接地程度就越高。
未接地
在未接地系统中，系统电源和地线之间没有任何直接连接。它们只是通过电容耦合相互连接 [1]。
图 7：非接地系统的电路图和相量图
图 7 显示了一个未接地系统的电路图和相量图。请注意，系统通过 3 个标为XCO 的并联电容器接地。这些电容器代表电容耦合，系统通过它们接地。中性点和保护接地均通过该电容接地。
电阻接地
电阻接地系统通过电阻器将系统电源连接到地面。通过电阻器限制电流有几个好处，包括减少故障设备的燃烧和熔化效应、减少电路中的机械应力以及减少对人员的电击危险等等。
电阻接地系统可分为低电阻和高电阻两种，具体取决于所需的结果。低电阻接地系统有利于将接地故障电流限制在 50 至 1000 安培之间，而高电阻接地系统则适用于接地故障电流小于 10 安培的情况。
电抗接地
谐振接地和接地故障中和器
谐振接地是在供电系统中性点和地面之间连接一个电抗器，通过谐振消除系统中的电抗。接地故障中和器是连接在系统电源中性点和地面之间的电抗器。为了实现谐振接地，电抗器要经过专门选择或调整，以便与系统的分布电容产生谐振，从而使接地故障电流大部分变成低幅值的电阻电流。
电抗接地系统将系统电源中性点通过电抗器（电容器、电感器、扼流圈等）连接到地面。电抗接地通常用于需要将接地故障幅度限制在与三相故障幅度相近的值时。
图 9：使用接地故障中和器的谐振接地系统示意图
图 9 显示了使用接地故障中和器的谐振接地系统示例。请注意，电感器XL 的引入是为了抵消接地电容耦合的影响，从而使接地故障电流几乎为纯阻性。
高压接地系统类型比较
高压接地方法的优缺点概述如下：
| 参数 | 未接地 | 固体 | 电抗接地 | 接地故障中和器 | 接地电阻 | ||
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 低值反应堆 | 高价值反应堆 | 低阻力 | 高阻力 | ||||
| 相间接地故障电流（占三相电流的百分比 | 低于 1 | 视情况而定，可能为 100% 或更高 | 通常设计为产生 25%至 100 | 5% 至 25 | 故障电流几乎为零 | 20% 并向下至 100 A 和 1000 A | 小于 1%，但不小于系统充电元件，3ICO |
| 瞬态 | 非常高 | 不过分 | 不过分 | 不过分 | 不过分 | 不过分 | 不过分 |
| 线对中性负载 | 不支持 | 支持 | 如果电流大于或等于 60%，则支持 | 不支持 | 不支持 | 不支持 | 不支持 |
| 避雷器 | 非接地中性型 | 非接地中性型 | |||||
| 备注 | 由于过电压和故障不隔离，不推荐使用 | 一般用于 (1) 600 伏及以下和 (2) 15 千伏以上的系统 | 因过电压过高而不使用 | 最适合应用于通过变压器与供电系统隔离的大多数中压工业和商业系统 | 一般用于 2.4 千伏至 15 千伏的系统，尤其是连接大型旋转机器的地方 | 用于最高 5 kV 的系统 | |
基于风险的方法
一般来说，要消除与接地系统有关的所有危险是非常困难的。风险管理通常涉及将危害降至可接受的统计程度，而不是消除危害。AS 2067 [3] 等相对较新的标准为接地系统设计提供了基于风险的计算方法。
触电和跨步电压危险以及基于风险的方法
接地系统对人的最大威胁是电流进入心脏导致心室颤动的风险。这取决于人的生理状况、电流持续时间、电流大小以及电流是否会干扰人的心脏周期。有关电流对人体心脏和心脏/身体阻抗影响的概率详情，请参阅 IEC 60479 [4]。
要达到可忽略不计的危险等级是很少可能的。危险等级的确定与纤维颤动的风险和概率计算的使用有关，详见 IEC 60479。
如果无法减少危害，则必须进行风险评估。这应包括故障的发生率和持续时间，以及现场人员的接触频率和持续时间。应在合理可行的情况下，在成本与收益不严重不成比例的情况下，采用风险缓解措施。
参考资料
[1] IEEE Std 3003.1-2019 《工业和商业电力系统的系统接地推荐实践》。
[2] IEC Std 60364-1 Low Voltage Electrical Installations - Part 1：基本原则、一般特性评估、定义。
[3] AS 2067:2016 交流电压超过 1 千伏的变电站和高压装置
[4] IEC 60479-1:2018 电流对人类和牲畜的影响--第 1 部分：一般方面。
