专家论坛·凌智敏：低压配电系统内电源侧的直接接地和一点接地

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发表时间：2021-01-14

低压配电系统的接地方式

对于任一电压等级的供电系统都要处理两个接地问题：一个是系统内电源侧带电导体的接地；另一个是负荷侧电气装置外露导电部分的接地。对于常用的低压配电系统而言，前者通常指变压器、发电机中性点接地，称为“系统接地”；后者则指电气装置内电气设备金属外壳、布线金属槽等外露导电部分的接地，称为“保护接地”。

在电力工业发展初期，配电系统均采用中性点不接地方式。为了保证系统的正常运行，限制系统对地电压在任何情况下不超过规定的绝缘水平，后将电力系统中性点改为直接接地。在直接接地系统中有时接地电流太大，严重损坏电气设备和线路，致使系统工作不稳定，且对电信线路造成强烈干扰。后来出现了中性点经电阻、电抗及消弧线圈接地方式，这些接地方式是用于不同电压等级的配电系统。

建国后至改革开放前后相当一段时间内，低压配电系统是采用“接地”与“接零”的接地方式，如图1所示，这是长期沿用前苏联二十世纪五六十年代规范的称呼。那时，将系统内电源侧直接接地的中性线称作“零线”，为保证接地可靠以及不断“零线”，要求多次重复接地，使得原本不应重复接地的中性线错误地重复接地。

由于负荷侧的金属外壳等导电部分是与“零线”直接连接，故称为“接零”；若负荷侧的金属外壳等导电部分不与“零线”相连接，而是直接接地，则称为“接地”。这就是人们常说的“接地与接零”的由来。

从图1可知，“接地与接零”仅是对配电系统的负荷侧而言，对于配电系统的电源侧的中性线（就是过去称谓的“零线”）均是采用直接接地方式。所谓的“接零”就是IEC规定、人们常说的TN - C接地方式，而“接地”就是T T系统。实际上“接零”的系统也是需要接地的，为什么不是接地系统呢！那个时候，关于接地的理论知识十分匮乏，一本理论比较清晰的书籍，或是概念明确的文章十分难以寻觅，更谈不上学术交流、学术争鸣。

那时，设计人员也不明白“接地”与“接零”的称呼在概念及内涵上为什么模糊不清，为什么不对，只能“照本宣科”地执行。真正地比较了解或理解接地的概念及内涵，那也是上世纪八九十年代以后的事了。虽说“接地与接零”的接地方式存在许多问题，但在“一穷二白”的那个年代，还是起到一定的积极作用。当时较有影响的书籍是设在上海的原第一机械工业部第二设计院章长东先生及同事编著的《接地和接零》（上海科学技术出版社，1963年版）。这本书是根据前苏联的有关资料编著的，陪伴设计人员已半个多世纪，虽说现在看起来有不少瑕疵，但向我们讲述了接地的一些基本理论、概念及相应的工程实例，让我们第一次知道了“等电位”等等，还是值得称谓的好书。

IEC标准是不同意使用“接地”与“接零”称呼，因为它难以适应当前多种接地系统中的不同要求。“接零”将通过三相不平衡电流的中性线（N线）与兼作PE线的保护中性线（PEN线）相混淆。殊不知，中性线（N线）除了在电源侧接地外，是不可以再接地的，即N线是不可以重复接地的；而保护中性线（PEN线）是可以多次接地的。此外，上述称呼也无法表达负荷侧接地与电源侧接地间的关系。这种不严谨的称呼造成设计及施工错误，所以不应因循旧习再使用这些旧的术语。

对于电气设计师来说，接地是低压配电设计的一个永恒而又无法绕开的主题，接地系统的设置是必须而又极为重要的。脱离低压配电系统谈接地也是不现实及无意义的。无论在民用建筑或工厂建筑设计中，只有确定某一种接地方式后，方能进行相关的配电、动力及照明设计。

根据IEC标准的规定，低压配电系统的接地方式为TN、T T及IT系统。特别要说明的是，TN、T T及IT系统只适用于低压配电系统（在中国指的是220 / 380 V系统及相应的直流系统），不适用于其他电压等级的配电系统。

在改革开放初期虽接触及引入IEC标准，但对诸如低压配电系统的接地方式内涵理解不深，有人擅自将TN、TT及IT系统改称为三相四线（TN - C）、三相四线半（TN - C - S）及三相五线（TN - S、T T或IT）系统。

IEC标准认为低压配电系统的类型有两个特征，即带电导体系统的类型和系统接地的类型，对于目前常用的交流低压配电系统而言，其最完善的称呼如三相三线I T（不带N导体）、三相四线TN - C、三相四线TN - C - S、三相四线TN - S及三相四线IT（带N导体）系统(如图2所示)。这里要注意的是，所谓的“线”指的是带电导体，N是带电导体，PEN也是带电导体，PE则不是带电导体，不包含在所指的“线”之列。

为了方便后述的讨论，有必要温习一下接地系统符号的含义、系统的组成以及与大地的关系。

接地系统第一个符号说明电源与大地的关系：

T：电源的一点（通常是中性点）与大地直接接地；

I：电源与大地隔离或电源经高阻抗（例如1 000 Ω）与大地直接连接。

接地系统第二个符号说明电气装置外露导电部分与大地的关系：

T:电气装置外露导电部分直接接地，它与电源的接地无关；

N:电气装置外露导电部分,通过与接地的电源中性点连接而接地。

在接地系统中，PE和PEN是被用来表示保护线和保护中性线的。

按照上述定义，再说明上述3种接地系统的组成，以及与大地的关系。

TN系统

TN系统电源的一点（中性点）是不经阻抗直接接地的，电气装置外露导电部分是通过与接地的中性点连接而接地。TN系统按中性线和PE线的不同组合方式又分为3种类型：

a. TN - C系统：在全系统内N线和PE线是合一的（见图3）；

b. TN - C - S系统：在全系统内，仅在电气装置进线点前N线和PE线是合一的，电源进线点后即分为两根线（见图4）；

c. TN - S系统：在全系统内N线和PE线是分开的（见图5）。

TT系统

TT系统电源的一点（中性点）不经阻抗直接接地，电气装置外露导电部分的保护接地也是直接接地的，即系统接地和保护接地是分开设置的，电气上两者不相关联（见图6）。

从上述可知，TT与TN系统在电源侧的接地方式是相同的，两者的区别在于负荷侧的接地方式不同。本文下面将要讨论的电源侧中性点接地方式，对于两者均是适用的。

IT系统

IT系统电源的一点（中性点）不接地或经高阻抗接地，其电气装置外露导电部分的保护接地则是直接接地的（见图7）。

上述规定使我们能通过接地系统的符号T、I及N在设计或施工中明确表达所需的系统接地方式。

低压配电系统内电源侧的接地方式

直接接地方式

电源侧中性点该如何接地，过去我国尚无具体规定，通常是将变压器或发电机的中性点就地直接接地。2002年实施的GB 50303 - 2002《建筑电气工程施工质量验收规范》（已作废）对此明文要求，其4.1.3条规定：“变压器中性点应与接地装置引出干线直接连接，接地装置的接地电阻值必须符合设计要求。”且为强制性条文，这就是常说的“变压器（发电机）直接接地方式”，详见图8。

GB 50303 - 2002并未完全接受IEC的相关技术及规定，仍是按照过去的“接地”与“接零”的思路去编撰，如其7.1.1条规定：“电动机、电加热器及电动执行机构的可接近裸露导体必须接地（PE）或接零（PEN）。”虽说GB 50303已有2015年版，新版规范几乎删除了与接地有关的条款，遗憾的是并未编入相应的新条款作为对过去不正确的规定的校正。令人不安的是，大部分电气施工似仍按GB 50303 - 2002规定在施工：N线不是一点接地，而是多点接地！这也难怪，几十年“接地与接零”方式的影响，根深蒂固，极需我辈共同去努力改变。

在多电源的配电系统（指两台或以上的变压器组成的TN或TT配电系统），N线多点接地会使得部分中性线电流将通过与其并联其他通路返回电源，此部分电流被称为“杂散电流”。

杂散电流可能引起下述电气灾害：

a. 杂散电流可感应产生杂散电磁场，干扰重要敏感信息技术设备的正常工作；

b. 杂散电流可能因不正规通路导电不良而打火，引燃可燃物起火；

c. 杂散电流如以大地为通路返回电源，可能形成电池，因电化学腐蚀接地极、地下基础钢筋或金属管道等金属部分。

图8是设计中经常使用的两台变压器（多电源）配电系统，图中红线所示为N线电流流向，蓝色虚线则为N线电流沿正规路径之外的环路流通，形成杂散电流、杂散干扰。

一点接地方式

“一点接地”说的是多电源配电系统电源侧N导体的接地，即从电源中心点引出的PEN线只能在低压配电柜或总配电屏内与PE母线一点接地，在同一建筑物内不得再在其他处接地。

有人总以为只有PE线才接地，忘记了TN或TT系统电源侧的N导体也要实施系统接地。两者不同之处是：PE线是可以多次接地，而N导体只能一点接地，不可以多次接地。所以，将“一点接地”误认为是对PE线而言，是极大的误会。

特别要说明是,PE线是保护线，也有人称其为电气工作者的生命线，它除了在接线端子接地外,可以成十或更多次接地。这种多次接地具有较多的联结点及并联分流通路，可以大大地降低回路阻抗。对于高频运行的IT设备，PE线多次接地其高频阻抗大幅降低，提高了抗干扰能力及工作稳定性。所以将“一点接地”理解是对PE线而言是不妥的。

多电源配电系统的“一点接地”的目的，是为了防止杂散电流产生杂散电磁场，干扰电子信息系统的正常工作。可以毫不夸张地讲，实施“一点接地”都是IT设备“惹的祸”，现在大型计算机房的配电系统均采用一点接地方式，原因就在于此。

图9示出了GB / T 16895.1 - 2008 / IEC 60364 - 1:2005之312.2.1.2条多电源系统接地图。该系统图用a)、b)、c)、d) 标记示出了对一点接地系统的要求。

在工程实例中，往往是两台变压器一组作为供电电源。图10是常用的一点接地低压配电系统图，是按照GB / T 16895 - 2008之312.2.1.2条规定绘制，在低压配电柜处实施一点接地。从图可知，一点接地的多电源TN - S系统是不会产生杂散电流的。

直接接地与一点接地不同之处

a. 直接接地低压柜内除3条相母线外，另外的两条是N线及PE线，而一点接地低压柜内，除了母线外，另外两条则为PEN线及PE线。

一直以来，总以为变压器低压侧中性点套管引出的4根导体应是：L1、L2、L3及N。实际上变压器二次侧三相绕组作星形联结时，绕组末端联成一点这个点就是中性点，从中性点引至变压器套管以及套管引出的一段导体，或者说，中性点引至N线端子的这段导体，其内流过三相负荷不平衡电流、接地故障时故障电流以及电气设备、导线正常对地泄漏电流（见图11、图12）。虽说制造行业将从中性点引出的导线称为中性线N，从电流流通情况看，该导体兼具中性线及PE线功能，是建筑电气规范中严禁断开的PEN线，而不是N线。这也是一点接地要求ｂ）项规定“这种导体的功能类似PEN”的原因。

就电源设备而言，变压器三相绕组的星形结点确是中性点，但在低压电气装置中自该点引出的导体实际上是PEN线而非中性线，为避免概念上的误导及纠缠不清，IEC标准将该点称为星形结点，而非中性点，这样就能解释：星形节点引出是PEN线，不是中性线N。因此，只要电源的星形结点是一点接地的，则从电源的低压配电盘可同时引出相线、中性线、PEN线和PE线。特别要注意的是实施一点接地后，变压器的主电源开关及母联开关都只能使用三极开关。要注意的是PEN线应绝缘，且按可能遭受的最高电压实施，以避免产生杂散电流。

需要说明的是，正常时任何电气装置、导体等对地都存在泄漏，它们对地有电阻及电容，其产生的电流之和称为正常泄漏电流，该电流亦通过大地、PE线流入电源。也就是说按GB / T 16895.1 - 2008规定的一点接地设计，仍会存在正常泄漏电流引起的杂散电流，只是其值甚小，不足以引起危害。

b. 实施一点接地后，应按设于变配电室最大容量变压器发生接地故障时的故障电流去确定变配电室的环形PE线截面。

电气设备接地故障是指电气回路中的带电导体对地或与地有联系的导体间的短路，包括相线与大地、PE线、PEN线、配电和用电设备的金属外壳、金属管槽、建筑物各类金属构件、上下水以及空调金属管道间的短路。它与相间短路虽同为短路，相比之下其短路电流小，常以持续电弧性短路形式存在。接地故障引起的对地电弧和电火花则是最常见的电气短路起火源，也是最常见的故障（间接接触）电击事故的诱因。虽说接地故障是短路的一种形式，但从引起电气火灾及电击事故角度看，接地故障远比其它短路更具危险性。为了区别，IEC往往不将它称为“接地短路”，而称为“接地故障”（见图13）。

在实施一点接地时，当变压器低压侧中心点套管出口处接地故障（见图14），故障电流流经变配电室部分环形PE干线返回电源。接地故障既是一种短路，当然要及时切断电源，还要保证通过故障电流的导体短路时的热稳定。所以，一点接地的变配电所内设置的环形PE干线其截面应按该处最大容量变压器接地故障来选择。

图15是直接接地系统在同一处发生接地故障，此时故障电流绝大部分经变压器金属外壳返回电源，几乎不经过环形接地线，所以这时的环形干线是等电位联结线，不是PE干线。为便于施工，通常是选用40 × 4镀锌扁钢作为该环形等电位接地线。

c. 实施一点接地后，从配电系统可以引出任一种TN系统和TT系统。

现今不论是大型住宅小区还是综合体建筑，特点均是总面积大，单体建筑多，许多单体须由变配电所引入电源。当变配电所采用TN - S时，为提高供电可靠性及节约线材，可酌情引入TN - C - S或TT系统，此时变配电所的系统接地形式非一点接地莫属（见图16），而常用的直接接地方式只能引出TN - S及TT系统，不能适应不同场所对不同接地方式的需要（见图17）。

此外，TN - S和TT系统的接地电流都通过配电柜（盘）内PEN与PE这唯一的连接线返回电源，在此跨接线上装设一个电流互感器来检测变电所供电范围内所有的TN - S和TT系统的接地故障并报警，该设施称为剩余电流监测装置，简称“RCM”（见图16）。它能较全面地检测电气火灾，而且简单、有效而经济。

一点接地及四级开关

一点接地及四级开关看起来是风马牛不相及的两个议题，但是两者的内涵及功能却在治理杂散电流、杂散电磁干扰措施上展现相同的逻辑和思路。

一点接地说的是低压变配电系统电源侧的一种接地方式；四极开关则是开关的某类属性。采用一点接地，或四极开关，或一点接地 + 四级开关的设计方式可以消除N线电流沿正规路径之外的环路流通，从而消除杂散电流、杂散电磁干扰。

前面已说过，采用直接接地的两台变压器一组运行时，易产生杂散电流、杂散干扰，于是有人建议将两台变压器的联络开关改用四极，以此消除杂散电流形成的通路。这种设计方法与一点接地相比不仅增加成本，而且还隐藏“断零”的隐患。除不得已的情况，最好不用。

实际工程设计中，因消防要求，往往要设计应急发电机组。一般发电机房与低压配电室相距较近，彼此相邻，这时发电机组的配电系统通过低压配电室的一点接地实施一点接地。值得注意的是，不论市电变配电系统或发电机配电系统的主电源开关、母联开关以及ATSE转换开关均为三极，这种设计不仅可以消除杂散电流，而且经济，还消除“断零”的隐患（见图18）。

现代综合体建筑不仅体量越来越大，地下室的面积也十分庞大，因种种原因会出现变配电室与发电机房位置遥遥相望的情况，两者联络线路因距离远，线路阻抗大，无法满足故障时灵敏度要求，采用“一点接地”消除杂散电流措施难以实施。如果该建筑物又要求防止杂散电磁干扰，在配电系统适当处，采用四极开关是可以达到目的的措施之一。

当变配电室与发电机房相距甚远，变配电室采用一点接地方式，发电机房采用TN-S直接接地时，采用四极ATSE是能防止杂散电流产生的（见图19）。

对于TN - S、TN - C - S系统，规范是要求实施等电位联结，从维护电气安全考虑是不需要在其系统内设计四极开关的。图19中ATSE采用的四极开关，以及直接接地方式中母联开关采用四极开关均是为了断开或消除令N线电流沿正规路径之外流通的环路，消除杂散电流、杂散干扰。可知四极开关设置位置不一样，其功效也不一样。

有的设计师将配电系统的各类开关，如变压器主电源开关、母联开关、发电机的电源开关以及馈出线开关“满堂红”似地统统改为四极开关，美其名曰：防杂散电流！君不知，消除N线电流沿正规路径之外的环路流通，往往只要一个断开点，将不必要的环路断开，杂散电流自然无法产生。所以没有必要设计那么多的四极开关，不仅埋下“断零”的隐患，也有“滥用”之嫌。

结语

a. 低压配电系统的接地方式指的是TN（TN - S、TN - C及TN - C - S）、TT及IT。低压配电系统内的电源侧接地方式有直接接地及一点接地。

b. 对于建筑电气，变压器三相绕组星形连接的“点”，IEC称其为“星形结点”。从星形结点引出的导线是PEN线，不是中性线N。

c. 请注意“一点接地”与PE线接地的区别。“一点接地”说的是低压配电系统电源侧的N线在低压配电柜或在总配电屏内与PE母排的一点接地，而后在同一建筑物内，不得再在其他处接地。一点接地的目的是为了防止杂散电流、杂散电磁干扰。PE线则不然，PE线是“安全线”“生命线”。除了在接线端子处接地外，只要有需要，可以成十上百次接地。这种多次接地具有较多的联结点及并联分流通路，可以大大地降低回路阻抗。所以“一点接地”与PE线的接地在机理、功能用途及安装实施等方面是完全不同的两种“接地”，不要混为一谈。

d. “一点接地”及“四极开关”都是防杂散电流、杂散干扰有效措施。通常，应优先选用经济实惠、简便易行的“一点接地”措施。当变配电室与发电机房相距远，采用“四极开关”时，应合理设置，千万不要“满堂红”设计，将“断零”的可能降到最低。