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接地系统的发展史是人类安全用电、保障人身和财产安全的历史。1886年，美国建成世界上第一个交流电力系统，首次为用户提供100 V的交流电。最初的电源系统中性点和用电设备均不接地，当时设备电压为交流100 / 110 V，很少发生电击事故；但是，线路的绝缘性能较差，故障引发的火灾呈上升势头，在保险公司的促进下，接地系统应运而生。1977年，IEC 60364 - 3第1版列出TN系统、T T系统、IT系统，完善了接地系统的类型。 系统接地和保护接地的用途 TN配电系统都要考虑两个接地：系统接地和保护接地。系统接地的作用是给配电系统提供参考电位，并使装置或设备正常、安全地运行。NFPA 70 - 2017《National Electrical Code》第250. 4条（A）（1）款认为系统接地的主要目的是：① 限制雷电过电压；② 防闪电电涌侵入；③ 防高压串入；④ 正常运行时提供稳定的工作电压。 根据GB 16895. 21 - 2011 / IEC 60364 - 4 - 41：2005《低压电气装置 第4 - 41部分：安全防护 电击防护》第411. 3. 1. 1条，保护接地的通则为： a. 外露可导电部分应按各种系统接地型式的具体条件，与PE导体连接； b. 可同时触及的外露可导电部分应单独地、成组地或共同地连接到同一个接地系统。 电气装置或设备的外露可导电部分接地可迅速切断接地故障回路，保障人身安全；或者在故障存续期内降低工频过电压，保障电气装置和设备的安全。NFPA 70 - 2017第250. 4条（A）（2）~（5）款规定设备接地的用途在于两方面： a. 限制接触电压； b. 为故障电流提供有效的故障反馈回路。 NFPA 70 - 2017的接地系统包含两部分（注：本文采用1984年出版的《NEC美国国家电气规范》中的术语，该书为原国家标准局统一部署，由原北京有色冶金设计研究总院等5家单位联合翻译，是目前国内唯一正式出版的NEC译本）：接地系统（grounded system）和接地极系统（grounding electrode system）。接地系统是供电系统的接地，引出地线（grounded conductor）［3］，即PEN线。接地极系统是建筑物的接地，引出接地极导线（grounding electrode conductor）。地线和接地极导线在电源引入处通过干线跨接线（main bonding conductor）做跨接（bonding jumper）引出设备接地线（equipment grounding conductor），设备接地线与用电设备的金属外壳和线路的金属管道应再次跨接，见图1。 联结和跨接的应用 在IEC标准里，bonding通常是等电位联结的缩写，即为了达到等电位的目的，在多个可导电部分间进行电连接。bonding conductor即等电位联结线。保护性联结线在电气上与PE线并联，因它距相线较远，发生接地故障时分流很少，故它只能传递电位而不能传送故障电流。 NFPA 70 - 2017和IEC标准有一个明显的区别：NFPA 70 - 2017不太重视建筑物内的等电位联结的形式，但重视bonding（本文用“跨接”）的应用。NFPA 70 - 2017第250. 90条的通则指出：“bonding”是在金属部件之间实现电气连续性和导电性，并能安全地传送任何可能施加的故障电流。 跨接强调3个方面的含义： —— 永久连接； —— 保持电气连续性； —— 能够承载预期故障电流的容量。 NFPA 70 - 2017的bonding和IEC的等电位联结稍有区别，如图2中的线路4 ~ 7，分别为干线跨接线、电源侧跨接线、设备跨接线和接地极跨接线。其中，干线跨接线、电源侧跨接线和接地极跨接线的最小截面要求根据相导体的截面选择，设备端跨接线应按回路过电流保护器的额定值选择。而IEC的保护等电位联结线则不考虑承载故障电流，按PE线的一半且不必大于25 mm2铜芯线配置。 根据NFPA 70 - 2017表250. 102（C）（1）和表250. 66，交流系统的地线、干线跨接线、电源侧跨接线和接地极导线及跨接线的线径按表1选择（其中第 1和3列为原表中数据）。 金属导管的保护接地 设置专用的PE导体后，金属导管和PE线共同承担反馈的故障电流，金属导管必然承担一部分故障电流。研究表明，由于“趋肤效应”的影响，绝大部分故障电流流过金属导管，仅有少部分故障电流由PE线流过。图3中金属导管中流过97 A，而PE线仅流过3 A。金属导管不符合“保护性联结线在电气上与PE线并联，距相线较远，接地故障分流很少，只传递电位而不传送故障电流”的原则。 住房和城乡建设部建筑电气标准化委员会曾组织相关单位做过单相接地故障电流试验，见图4。选用YJV 0. 6 / 1 kV - 3 × 35 mm2 + 2 × 16 mm2电缆，穿DN40钢管，将L、PE和钢管在设备末端处短接，通以交流230 V电压，断路器动作时间100 ms，测试故障回流路径的电流数据（PE / 钢管回流）见表2。数据显示，钢管中的回流远大于PE线中的回流。 两个试验的试验条件、试验材料和试验程序不尽相同，试验数据差别较大，但是共同点是，钢管上流过的故障电流显著大于PE线中的故障电流。 GB / T 50065 - 2011《交流电气装置的接地设计规范》第8． 2． 2条规定，满足机械、化学或电化学损伤防护和截面要求的金属导管可以用做PE导体。为了增加可靠性，通常单独设置一根PE导线，此时，金属导管仍要求和保护导体可靠连接。如果使用了挠性金属管或金属软管，规范要求（GB 50575 - 2010《1 kV及以下配线工程施工与验收规范》第4. 3. 1条）过渡处两端引设专用接头跨接，图5是国内标准图集的做法。那么，此跨接线按等电位联结线还是PE线配置呢？ GB 50303 - 2015《建筑电气工程施工质量验收规范》第12. 1. 1条第3款要求：“镀锌钢导管、可弯曲金属导管和金属柔性导管连接处的两端宜采用专用接地卡固定保护联结导体”，第6款要求：“以专用接地卡固定的保护联结导体应为铜芯软导线，截面积不应小于4 mm2；以熔焊焊接的保护联结导体宜为圆钢，直径不应小于6 mm”。显然，标准要求这种跨接线应按保护联结导体配置，且最小截面为4 mm2铜芯导体。 但是，NFPA 70 - 2017第250. 96条（A）通则有更明确的规定：“无论有没有设置附加的接地导体，金属槽盒、电缆托盘、电缆铠装层、电缆外护层、外壳、框架、配件，和其他非带电的金属部件应作为设备接地导体，应做必要的跨接以保持电气连续性，确保在出现任何故障电流时，能够安全传导预期的故障电流”注：GB / T 16895. 3 - 2017《低压电气装置第5 - 54部分：电气设备的选择和安装 接地配置和保护导体》543. 2. 3条规定：不允许金属托盘作为保护（PE）导体）。 IEC标准认为保护联结导体是均衡电位的用途，只传输很少的故障电流，线径较小；而PE导体需要承载预期的故障电流，线径应根据热稳定要求确定，线径较大。NFPA 70 - 2017明确设备跨接线应按设备接地导体（即PE导体）选择，其截面按照该回路过电流保护器的额定容量确定。表3是根据NFPA 70 - 2017表250. 122中过电流保护器对应的相线和PE线最小截面选择表（其中第1和3列为原表中数据）。 可见，NFPA 70 - 2017要求的跨接线不是确定值，对于相线截面25 mm2及以上的回路，表中设备接地线的最小截面比IEC标准的PE线截面要求（按相导体一半选择）小不少，但是，比国家标准的不小于4 mm2铜芯导体可靠得多。 对于单个回路导体穿金属管的跨接可按表3选择，多个回路的线缆穿金属电缆槽盒时，NFPA 70 - 2017第250. 12条（C）款要求，金属电缆槽盒的跨接线截面应按槽盒所容纳回路中最大容量过电流保护器选择PE导体。例如，图6中4个回路中最大回路为200 A，则至少应选择不小于16 mm2的铜芯导体。 图5是国内标准图集的做法，其中挠性金属管、电动机金属支座和金属导管之间接地线的做法未尽合理。GB / T 16895. 3 - 2017第543. 8条要求：“当过电流保护器用作电击防护时，保护接地导体应合并到与带电导体组成同一的布线系统中，或放置在靠它们最近的地方”。可见，跨接线作为PE导体，应沿着金属导管路径敷设，也不能缠绕在管道上，否则理论上相当于一个变压器，可能在跨接线上产生不期望的感应电压和感应电流。 NFPA 70 - 2017第250. 102条（E）（2）款有更具体的要求：如果跨接线安装在金属管道的外部，应和金属管道的敷设路径一致；并且要求敷设路径上跨接线的总长度不应大于1. 8 m，见图7。而GB 50575 - 2010《1 kV及以下配线工程施工与验收规范》只要求每一处过渡连接的导管长度：动力工程不宜超过0. 8 m，照明工程不宜超过1. 2 m，例如从线槽引出处和设备连接处等多处跨接的情况，没有总的跨接长度要求。 为了建立金属管道的机械连接以确保电气连续性，NFPA 70 - 2017第250. 120条（A）款要求符合以下要求： a. 采用安装规范要求的接头和终端器件； b. 所有的连接、接头和配件应采用相应的工具紧固。 NFPA 70 - 2017第250. 96条要求，应在螺纹、连接点、连接表面清除油漆、釉或类似的非导电涂层，或者采用专门设计的能保持良好导电性的涂层。 因此，跨接线的敷设有以下结论： a. 挠性金属管上连接接地线不是稳定、可靠的连接方式； b. 挠性金属管应选择专用的接头，接头应和两端的金属管、终端器件可靠连接； c. 挠性金属管设置跨接线的主要原因并非其本身连接的金属性不好，而是可能没有足够的载流能力； d. 跨接线作为PE导体，应沿着金属管路径敷设。 结论 我国标准要求金属导管两端与PE线可靠连接，对穿线钢管的跨接线按等电位联结线选取，并要求4 mm2铜导体，当发生金属导管内相线绝缘损坏或者设备端接地故障等问题，金属导管（包括可挠金属管、跨接线等）可能不能承载实际的故障电流，进而连续性受损。前者可能导致故障回路阻抗增大，保护电器动作跳闸不正常，甚至出现“电楼”隐患。金属导管连续性受损还有另一个隐患，由于回路电容电流、钢管对地电流的存在，金属导管内回路电流相量和不为零，接地故障将产生强烈的交流磁场使得钢管发热，并可能在金属导管连续性中断处损害回路导体。 美国标准对地线（即PEN导体）、接地线、干线跨接线（即总等电位联结线）等根据配电进线相导体的截面对应选择；对设备接地线（即PE导体）按过电流保护器的额定容量选择。要求已设置设备接地导体的回路金属穿线导管及其跨接线按PE导体选取，能够承载预期故障电流的容量，杜绝了布线系统中的安全隐患。
作者： 陈 谦，男，山东意匠建筑设计有限公司，工程技术应用研究员，电气总工程师，机电所所长。 汤 威，女，中国建筑标准设计研究院有限公司，工程师，项目经理。 谢 炜，男，苏州一科科建建筑设计研究院有限公司，高级工程师，副所长。 |
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