弱电基础知识接地教材Word文档格式.docx

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地电位是指流散区以外的土壤区域。

在接地极分布很密的地方，很难存在电位等于零的电气地。

2．接地

　　将电力系统或电气装置的某一部分经接地线连接到接地极称为“接地”。

“电气装置”是一定空间中若干相互连接的电气设备的组合。

“电气设备”是发电、变电、输电、配电或用电的任何设备，例如电机、变压器、电器、测量仪表、保护装置、布线材料等。

电力系统中接地的一点一般是中性点，也可能是相线上某一点。

电气装置的接地部分则为外露导电部分。

“外露导电部分”为电气装置中能被触及的导电部分，它在正常时不带电，但在故障情况下可能带电，一般指金属外壳。

有时为了安全保护的需要，将装置外导电部分与接地线相连进行接地。

“装置外导电部分”也可称为外部导电部分，不属于电气装置，一般是水、暖、煤气、空调的金属管道以及建筑物的金属结构。

外部导电部分可能引入电位，一般是地电位。

接地线是连接到接地极的导线。

接地装置是接地极与接地线的总称。

　　超过额定电流的任何电流称为过电流。

在正常情况下的不同电位点间，由于阻抗可忽略不计的故障产生的过电流称为短路电流，例如相线和中性线间产生金属性短路所产生的电流称为单相短路电流。

由绝缘损坏而产生的电流称为故障电流，流入大地的故障电流称为接地故障电流。

当电气设备的外壳接地，且其绝缘损坏，相线与金属外壳接触时称为“碰壳”，所产生的电流称为“碰壳电流”。

3．接触电压 

当电气装置M绝缘损坏碰壳短路时，流经接地极的短路电流为Id。

如接地极的接地电阻力Rd，则在接地极处产生的对地电压Ud=Id·

Rd，通常称Ud为故障电压，相应的电位分布曲线为图2中的曲线C。

一般情况下，接地线的阻抗可不计，则M上所呈现的电位即为Ud。

当人在流散区内时，由曲线C可知人所处的地电位为Uφ。

此时如人接触M，由接触

所产生的故障电压Ut=Ud-Uφ。

人站立在地上，而一只脚的鞋、袜和地面电阻为Rp，当人接触M时．两只脚为并联，其综合电阻为Rp／2。

在Ut的作用下，Rp／2与人体电阻RB串联，则流经人体的电流IB=Uf／（RB+Rp／2），人体所承受的电压Ut=IB·

RB=Uf·

RB／（RB+Rp／2）。

这种当电气装置绝缘损坏时，触及电气装置的手和触及地面的双脚之间所出现的接触电压Ut与M和接地极间的距离有关。

由图2可见，当M越靠近接地极，Uφ越大，则Uf越小，相应地Ut也越小。

当人在流散区范围以外，则Uφ=0，此时Uf=Ud，Ut=Ud·

RB／（RB+Rp／2），Ut为最大值。

由于在流散区内人所站立的位置与Uφ有关，通常以站立在离电气装置水平方向0.8m和手接触电气装置垂直方向1.8m的条件计算接触电压。

如电气装置在流散区以外，计算接触电压Ut时就不必考虑上述水平和垂直距离。

4．跨步电压

　　人行走在流散区内，由图2的曲线C可见，一只脚的电位为Uφ1，另一只脚的电位为Uφ2，则由于跨步所产生的故障电压Uk=Uφ1-Uφ2。

在Uk 

的作用下，人体电流IB从人体的一只脚的电阻Rp，流过人体电阻RB，再流经另一只脚的电阻Rp，则人体电流IB=Uk／（RB十2Rp）。

此时人体所承受的电压Ut=IB·

RB=Uk·

RB／（RB+2p）。

这种当电气装置绝缘损坏时，在流散区内跨步的条件下，人体所承受的电压 

Uk为跨步电压。

一般人的步距约为0.8m，因此跨步电压Uk以地面上 

0.8m水平距离间的电位差为条件来计算。

由图2可见，当人越靠近接地极，Uφ1越大。

当一只脚在接地极上时Uφ1=Ud，此时跨步所产生的故障电压 

Uk为最大值，即图2中的Ukm，相应地跨步电压值也是最大值。

反之，人越远离接地极，则跨步电压越小。

当人在流散区以外时，Uφ1和Uφ2 

都等于零，则Uk=0，不再呈现跨步电压。

5．流散电阻、接地电阻和冲击接地电阻

接地极的对地电压与经接地极流入地中的接地电流之比，称为流散电阻。

　　电气设备接地部分的对地电压与接地电流之比，称为接地装置的接地电阻，即等于接地线的电阻与流散电阻之和。

一般因为接地线的电阻甚小，可以略去不计，因此，可认为接地电阻等于流散电阻。

为了降低接地电阻，往往用多根的单一接地极以金属体并联连接而组成复合接地极或接地极组。

由于各处单一接地极埋置的距离往往等于单一接地极长度而远小于40m，此时，电流流入各单一接地极时，将受到相互的限制，而妨碍电流的流散。

换句话说，即等于增加各单一接地极的电阻。

这种影响电流流散的现象，称为屏蔽作用，如图3所示。

　　由于屏蔽作用，接地极组的流散电阻，并不等于各单一接地极流散电阻的并联值。

此时，接地极组的流散电阻

Rd=Rd1／（n·

η）　　　

（1）

式中：

Rd1──单一接地极的流散电阻

　　　n──单一接地极的根数

　　η──接地极的利用系数，它与接地极的形状、单一接地极的根数和位置有关

以上所谈的接地电阻，系指在低频、电流密度不大的情况下测得的，或用稳态公式计算得出的电阻值。

这与雷击时引入雷电流用的接地装置的工作状态是大不相同的。

由于雷电流是个非常强大的冲击波，其幅度往往大到几万甚至几十万安的数值。

这样，使流过接地装置的电流密度增大，并受到由于电流冲击特性而产生电感的影响，此时接地电阻称为冲击接地电阻，也可简称冲击电阻.　　由于流过接地装置电流密度的增大，以致土壤中的气隙、接地极与土壤间的气层等处发生火花放电现象，这就使土壤的电阻

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率变小和土壤与接地极间的接触面积增大。

结果，相当于加大接地极的尺寸，降低了冲击电阻值。

　　长度较长的带形接地装置，由干电感的作用，当超过一定长度时，冲击电阻不再减少，这个极限长度称为有效长度、土壤电阻率越小，雷电流波头越短，则有效长度越短。

　　由于各种因素的影响，引入雷电流时接地装置的冲击电阻，乃是时间的函数。

接地装置中雷电流增长至幅值IM的时间，是滞后于接地装置的电位达到其最大值UM的时间的。

但在工程中已知冲击电流的幅值IM和冲击电阻Rds的条件下，计算冲击电流通过接地极流散时的冲击电压幅值UM=IM·

Rds。

由于实际上电位与电流的最大值发生于不同时间，所以这样计算的幅值常常比实际出现的幅值大一些，是偏于安全的，因此在实际中还是适用的。

二、接地的作用

接地的作用主要是防止人身遭受电击、设备和线路遭受损坏、预防火灾和防止雷击、防止静电损害和保障电力系统正常运行。

现分别说明如下。

（一）防止人身遭受电击

1．电击机理

电击所产生的电击电流通过人体或动物躯体将产生病理性生理效应，例如肌肉收缩、呼吸困难、血压升高、形成心脏兴奋波、心房纤维性颤动及无心室纤维性颤动的短暂心脏停跳、心室纤维性颤动，直至死亡，所以必须采取防护措施。

人或家畜触及电气设备的带电部分，称为直接接触。

人或家畜与故障下带电的金属外壳接触，称为间接接触。

直接接触及间接接触所造成的电击称为直接电击和间接电击。

为了防止电击，必须先了解电击机理，然后对直接电击、间接电击以及兼有该两者电击采取适当的防护措施，以保证人、畜及设备的安全。

（1）人体阻抗的组成　电击电流大小由接触电压和人体阻抗所决定。

人体阻抗主要与电流路径、皮肤潮湿程度、接触电压、电流持续时间、接触面积、接触压力、温度以及频率等有关。

人体阻抗的组成如图4所示。

如将两个电极接触人体的两个部分，并将电极下的皮肤去掉，则该两电极问的阻抗为人体内阻抗Zi。

皮肤上电极与皮肤下导电组织之间的阻抗即为皮肤阻抗ZPl和ZP2。

Zi、ZP1、ZP2的矢量和为人体总阻抗ZT。

现将这些阻抗的特征说明如下：

图4　人体阻抗的组成

①人体内阻抗Zi　根据IEC测定的结果，Zi主要是电阻，只有少量电容，如图4虚线所示，其数值主要决定于电流路径，一般与接触面积关系不大，但当接触面积小到几平方毫米数量级时，内阻抗才增大。

②皮肤阻抗 

ZP1、ZP2　ZP1、ZP2是由半绝缘层和小的导电元件（如毛孔构成的电阻电容网络）组成，见图4接触电压在50V及以下时，皮肤阻抗值随表面接触面积、温度、呼吸等显著变化；

50～100V时，皮肤阻抗降低很多；

频率增高时，皮肤阻抗也随之降低；

皮肤破损时，皮肤阻抗可忽略不计.③人体总阻抗ZT　ZT由电阻分量及电容分量组成。

当接触电压在500V及以下时，ZT值主要决定于皮肤阻抗值；

接触电压越高，ZT与皮肤阻抗关系越少；

当皮肤破损后，ZT值接近于人体内阻抗。

④人体初始电阻Ri　在接触电压出现的瞬间，人体的电容还未充电，皮肤阻抗可忽略不计，这时的电阻值称为人体初始电阻。

该值限制短时脉冲电流峰值。

当电流路径从手到手或手到脚而且接触面积较大时，5％分布秩（即5％的人所呈现的最小初始电阻值）Z5％可认为等于500Ω.

2）人体阻抗与接触状况的关系　通常划分为以下三类：

　　①状况1　干燥或湿润的区域、干燥的皮肤、高电阻的地面，此时人体阻抗值：

　　　　Z1＝1000＋0.5Z5％　（Ω）

1000──鞋袜和地面两者电阻的随机值，Ω

　　　0.5──考虑了双手至双脚的双重接触情况

　　　Z5％──5％

分布秩，即5％的人呈现此最小阻抗值，Ω

　　②状况2　潮湿的区域、潮湿的皮肤、低电阻的地面，此时人体阻抗值：

　　　　Z2=200=200+0.55％　（Ω）

式中；

200──较低的地面电阻值，不计鞋袜的电阻，Ω

　　③状况3　浸入水中的情况，此时皮肤电阻、环境介质的电阻可忽略不计。

　　在各种状况下的安全电压值，各国规定不尽相同，如表1所示。

　　表1为交流电流的安全电压，IEC规定直流（无纹波）的安全电压为：

在状况1，不大于120V；

在状况2，不大于60V。

安全电压包括接地系统的相对地或极对地电压，或不接地和非有效接地的相间及极间电压。

2．电击效应

（1）交流电流的电击效应　IEC经过多年的试验研究，认为心室纤维性颤动是电击致死的主要原因。

一个心动周期如图5所示，由产生兴奋期P、兴奋扩展期R和兴奋复原期T所组成。

图5中的数字表示兴奋传播的顺序。

在兴奋复原期内有一个相对较小的部份称为易损期，在易损期内，心肌纤维处于兴奋的不均匀状态，如果受到足够幅度电流的刺激，心室纤维发生颤动，如图6中X点受电流刺激．对心电图和血压的影响，如图6中曲线所示。

此时发生心室纤维性颤动和血压降低，如电流足够大将导致死亡。

当电流流过人体时，人身所察觉到的最小电流值称为感觉阈值。

对于15～100Hz交流电流，此值为0.5mA。

人握电极能摆脱的电流最大值称为摆脱电流，对于15～100Hz交流电流为10mA。

当流过人体的电流继续增加时，人体电流IB和电流流过的持续时间t的关系如图7所示。

图7是按电流流过人体的路径从左手到双脚的效应绘制的。

当电流为500mA、时间为100ms时，产生心室纤维性颤动的几率为14％。

图7中的Ⅰ区通常无反应性效应；

Ⅱ区通常无有害的生理效应；

Ⅲ区通常无器官性损伤，但可能出现肌肉收缩和呼吸困难．在心脏中形成兴奋波和传导的可逆性紊乱，包括心房纤维性颤动及短暂心脏停跳；

在Ⅳ区内．开始出现心室纤维性颤动，到曲线c1，几率为5％；

到曲线c2，几率为50％；

曲线c3以外则几率超过50％。

随着电流与时间的增加，可能发生心脏停跳、呼吸停止及严重烧伤。

　图7中的电流为“从左手到双脚”路径的电流，如为其它路径，按下式计算：

IB=Iref／F　　　　　　　　　

（2）

IB　──流经其它路径的人体电流，mA

　　　Iref──流经“从左手到双脚”的人体电流，mA

　　　F　──心电流系数，见表2

　　上述的感觉阈值、摆脱阈值及图7中的心室纤维性颤动阈值都是对15～100Hz交流电流而言的。

　　在工业企业和民用建筑中，有不少电气设备的使用频率超过100Hz，例如有些电动工具和电焊机，可用到450Hz；

电疗设备大多数使用4000～5000Hz；

开关方式供电的设备则为20kHz～1MHz；

微波及无线电设备还有使用更高的频率的。

对于这些100Hz以上交流电流，人体皮肤的阻抗，在数十伏数量级的接触电压下，大致与频率成反比，例如500Hz时皮肤阻抗，仅约为50Hz时皮肤阻抗的1／10，在很多情况下，皮肤的阻抗可以忽略不计。

但因为是高频电流，对人体的感觉和对心脏的影响都比100Hz以下交流电小。

为了与50Hz时阈值相比，常采用频率系数Ff来衡量、频率系数Ff为频率f时产生相应生理效应的阈值电流与 

50Hz的阈值电流之比。

在频率为100Hz以上直至1000Hz时，感觉阈值的频率系数和摆脱阈值的频率系数见图8；

电击持续时间长于心动周期并以纵向电流

流经人体躯干时，心室纤维性颤动阈值的频率系数见图9。

电击持续时间小于心动周期时，尚无试验数据。

频率在1000Hz以上直到10000Hz交流电的感觉阈值的频率系数和摆脱阈值的频率系数见图10；

心室纤维性颤动阈值的频率系数，IEC还在考虑中。

频率在10kHz及100Hz之间时，阈值大致由10mA上升到100mA（有效值），频率在100kHz以上及电流强度在数百毫安数量级时，较低频率时有针刺的感觉，频率再高则有温暖的感觉。

频率在100kHz以上时，既没有摆脱阈值和心室纤维性颤动阈值的试验数据．也没有这方面的事故报告。

频率在100kHz以上及电流在安培数量级时，可能出现烧伤，烧伤的严重程度随电流流通的持续时间而定。

（2）直流电流的电击效应　电流对人体的效应，例如刺激神经和肌肉，引起心房或心室纤维性颤动等，与电流大小的变化有关，特别是在接通或断开电流的时候。

电流幅度不变的直流电流要产生同样的效应，要比交流电流大得多。

握持直流电器，事故时较易摆脱；

当电击持续时间长于心动周期时，心室纤维性颤动阈值比交流的阈值高得多。

直流电流从手到双脚，通过人体躯干的电流称为纵向电流；

从手到手通过人体躯干的电流称为横向电流；

以双脚为正极，流过人体的电流为向上电流；

以双脚为负极，流经人体的电流为向下电流。

直流电流与具有相同诱发心室纤维性颤动几率的等效交流电流（有效值）之比称为直流／交流等效系数。

　直流电流的持续时间和电流幅值的关系见图11。

图中Ⅰ区通常无反应性效应；

Ⅲ区通常预期无器官损伤，随电流幅值和时间而增加其严重程度，可能出现心脏中兴奋波的形成和传导的可逆性紊乱；

Ⅳ区可能出现心室纤维性颤动，随电流幅值和时间增加，除Ⅲ区的效应外，预计会发生严重烧伤等病理生理效应。

关于心室纤维性颤动，该图所示为电流从左手到双脚，且为向上电流的效应。

如为向下电流，应将电流乘以2的系数进行换算。

当电流从手到手，不大可能产生心室纤维性颤动。

在该图中，当电流流过的持续时间小于500ms时，尚无Ⅱ和Ⅲ区分界线的资料。

　直流电流的感觉阈值取决于接触面积、接触状态（干湿度、压力、温度）、电流流过的持续时间和各自的生理特征等，与交流电不同的是：

当电流以感觉阈值强度流过人体时，只是在接通和断开电流时有感觉，其它时间没有感觉。

在与测定交流电流感觉阈值相等条件下，直流电流的感觉阈值约为2mA。

　　直流的摆脱阈值与交流不同，约300mA以下的直流电流没有可以确定的摆脱阈值，只有在接通和断开电流时，才能引起疼痛性和痉挛似的肌肉收缩。

当电流大干300mA时，可能摆脱不了，或仅在电击持续时间达几秒或几分种后才有可能摆脱不了。

　　通过人体的电流约为30mA时，人体四肢有暖热感觉。

流经人体的电流为300mA及以下横向电流持续几分钟时，随着时间和电流增加，可能产生可逆性的心节律障碍。

电流伤痕、烧伤、眩晕、有时失去知觉，超过300mA时，经常出现失去知觉的情况。

　　（3）特殊波形电流的电击效应　　（3）特殊波形电流的电击效应　特殊波形电流在工业企业和民用建筑所用的电气设备中，有以下几种，对于人体的电击效应分别说明如下：

　①具有直流分量的交流电流的效应　标准交流和直流的图形如图12（a）及（b）所示、具有直流分量的交流电流的波形如图12（c）所示，常用的半波整流及全波整流的波形如图13（a）及（b）所示。

经过整流后，如图13中所示的波形交流电的感觉阈值和摆脱阈值取决于人体与电极的接触面积，接触状态（干湿度、压力、温度）和各自的生理特征，其阈值尚在IEC的考虑中。

&

nbs

1781

p;

　在讨论心室纤维性颤动阈值时，必须区别下列的电流量值：

Irms为合成波形电流的有效值；

Ip为合成波形电流的峰值；

Ipp为合成波形电流的峰间值；

Iev为产生与所涉及波形在心室纤维性颤动方向有相同危险的正弦电流的有效值，该值用来代替图7及图11中的人体电流IB以估计心室纤维性颤动的危险。

当电击持续时间大于1.5倍心动周期时，

Iev=Ipp／√2

　当电击持续时间小于0.75倍心动周期时，

Iev=Ip／√2

　当交流对直流比越小，上述关系越不能适用。

对于持续时间小于0.1s的直流电击，其阈值等于图11中相应的电流值。

　　当电击持续时间在0.75倍到1.5倍心动周期时，量值参数由峰值转变为峰间值，转变的过程IEC认为尚需进一步研究。

　　如图13所示的半波及全波整流的波形，由于电流峰值等于其峰间值，当电击持续时间大干1.5倍心动周期及小于0.75倍心动周期时，Iev分别为Ipp／（2√2）=Ip／（2√2）及Ipp／√2=Ip／√2。

由图13可见，半波整流时Irms=Ip／2，全波整流时为Ip／√2。

因此可得半波整流时Iev值分别为Irms／√2及√2Irms；

全波整流时，Iev值分别为Irms／2及Irms。

　　②具有相位控制的交流电流的效应　一般的具有相应控制的交流电流的波形分为对称控制和不对称控制两种，分别示于图14的（a）和（b）。

　　这种波形的电流在产生感觉和阻止摆脱方面的效应大致上与具有相同Ip的纯交流电流相同。

相位控制角在120°

以上时，峰值随着电流流通持续时间的减少而增加。

　　对于对称控制：

当电击持续时间大于1.5倍心动周期时。

Iev为具有与所涉及的相应波形电流相同的有效值；

当电击持续时间小于0.75倍心动周期时，Iev为具有与所涉及的相应波形电流相同峰值电流的有效值，如相位控制角在120°

以上，心室纤维性颤动阈值将升高；

当电击时间在0.75倍到1.5倍心动周期时，Iev由峰值转变为有效值，转变的过程，IEC认为尚待进一步研究。

　　对于不对称控制，其所产生的电流，也可能有直流分量。

当电击持续时间大干1.5倍心动周期时，IEC尚在考虑中；

电击持续时间小于0.75倍心动周期时，Iev为具有与所涉及的相应波形电流相同峰值电流的有效值。

以上时，心室纤维性颤动阈值将升高。

　③具有多周期控制的交流电流的效应　具有多周期控制的交流电流的波形见图15所示。

ts为传导时间。

tp为不传导时问，ts＋tp为工作周期。

p=ts／（ts＋tp）为电力控制程度。

I1rms为电流传导期间电流的有效值，即Ip／√2；

I2rms为工作周期内电流有效值，即I1rms√p。

　　感觉阈值及摆脱阈值，IEC尚在考虑中。

　　心室纤维性颤动阈值，IEC在幼猪身上进行试验，试验结果如图16所示，对于人体，可作参考。

当电击持续时间大于1.5倍心动周期时，阈值取决于p。

p接近1时，Iev为与同一持续时间的正弦交流电流相同的有效值。

p接近于0.1时I1rms与持续时间短于0.75倍心动周期的交流电流的阈值相同。

当p在1～0.1的中间值时，如图16所示，流过人体的电流逐渐增大，致使纤维I1rms与同一持续时间的正弦交流电流的有效值相同。

　　④短持续时间单向单脉冲电流的效应　内装电子元件的

电器绝缘损坏或直接接触其带电体时可形成矩形或正弦形脉冲，如图17（a）、（b）所示；

电容器放电的短持续时间单向脉冲如图17（c）所示。

这些脉冲当其持续时间为10ms及以上时，对人体的效应与图7相同；

对于0.lms～10ms持续时间的脉冲，其效应按下列能量率来表征。

　　心室纤维性颤动能量率Fe：

在电流路径、心脏时相（心脏跳动的幅值与时间的关系）等给定条件下，引起一定几率的心室纤维性颤动的短持续时间单向脉冲的最小I2t值，以积分形式表示为

Fe=∫0tii2dt

Fe乘以人体电阻得出脉冲期间耗散在人体的能量。

　　心室纤维性颤动电荷率Fq：

在给定的电流路径、心脏时相等条件下，引起一定几率的心室纤维性颤动短持续时间单向脉冲最小It值，以积分形式表示为

F