低压配电系统电击防护的电气设计

 

电击防护的基本原则是危险的带电部分必须不可触及，而可触及的可导电部分在正常情况下或在单一故障的情况下必须不带危险电位。

 

触及不同电位的导电部分时，电位差会使电流流经人体，这种接触称为“电接触”。视该电流大小和持续时间长短，它对人体产生不同的效应：电流小时于人体无害，如常用于诊断和治病的医疗电气设备，当这些微量电流通过人体某些部位时能治病救人，这种接触称为“微电接触”；如果通过人体的电流较大，持续时间较长，电流效应会使人受到伤害，以致引起心室纤颤、心脏停搏、器官损伤等病态生理效应，这种电接触称为“电击”，电击危及人身安全，十分危险。因此电气设计及工作者应采取各类防电击措施，预防及避免电击伤害事故的发生。

 

特别要提出的是，按IEC标准规定进行心脏手术设备的正常泄漏电流不得大于10 μA；当发生一个接地故障时，其故障电流不得大于50 μA。因为通过人体心脏的电流如超过50 μA可导致病人心室纤颤而死亡，这种电击死亡称为“微电击死亡”。

 

 

电流通过人体时的效应是“电流效应”。了解电流通过人体时的电流效应对学习、理解以及执行相关的电气规范提供帮助，对电气设计工作有十分重要的意义。

 

人体能感觉到的最小电流值一般为0. 5 mA，也称为“感觉阈值”，该值与通过电流持续时间的长短无关。

 

GB 50054 - 2011之5. 2. 9条第2款规定了在TN系统中配电线路的间接接触防护电器在供给手持式和移动式电气设备时，TN系统最长切断时间不大于0. 4 s，这种规定也与“电流效应”有关。当人用手持握带电导体时，如流过手掌的电流超过此值，手掌肌肉的反应将是不依人意地紧握带电导体而不是摆脱带电导体，从而使电流得以持续通过人体，导致此效应的最小电流称作“摆脱阈值”。在GB / T 13870. 1 - 2008 / IEC / TS 60479 - 1：2005《电流对人和家畜的效应 第1部分：通用部分》规定：“约10 mA的值是针对成年男人而假设的”“约5 mA的数值适用于所有人”。

 

在实际的配电设计中，手握式及移动式电气设备的特点是功率小、体量轻，便于手握及移动式设备，通常由插座供电。当发生接地故障时，因“摆脱阈值”的缘故，难以摆脱故障设备，时间长了极易被电击致伤致亡，这也是插座回路要装设瞬间动作的剩余电流保护器（RCD）的原因。

 

为了保护人身安全，无论是民用、居住及工厂建筑的插座均要装设额定剩余动作电流IΔn = 30 mA的RCD，为什么对IΔn作如此规定呢？

 

图1示出了交流电流通过人体时的效应，图中的曲线c是IEC测试得出的导致心室纤颤的曲线，曲线的横坐标是通过人体的15 ~ 100 Hz交流电流Ib，纵坐标表示通电时间t。当通过人体电流大小在曲线c的右侧区域时，不仅会出现肌肉收缩、呼吸困难、心房纤颤等病理反应，还会出现导致死亡的心室纤颤、心室停搏、呼吸停止等反应。也就是说通过人体的电流和通电的持续时间在c曲线的右侧即在 ④ 区内，人体就有死亡的危险。另外曲线c是在实验室所指定的外界条件下测定和绘制，由于实验室所指定的外界条件可能与室外的条件有所不同，应为室外条件的变化留出一些余量，因此以在区域 ③ 内距离曲线c一段距离的曲线L作为人体是否安全的界限。查曲线L可知，当Ib < 30 mA时，人体就不会因电击引起心室纤颤而致死。这就是国际上将防电击的高灵敏度剩余电流动作保护装置RCD的额定剩余动作电流IΔn定为30 mA的根据。

 

 

 

当电流Ib通过人体阻抗为Zs时，会产生电压Ut，电压Ut称为接触电压，电流Ib是接触电流，Ib越大，接触电压Ut也越大。实际工作时，计算Ib较困难，而计算接触电压比较方便，于是IEC又提出在干燥和潮湿环境条件下相应的预期接触电压Ut―通电时间t的曲线L1和L2（如图2所示），这里预期的接触电压是最大的接触电压，为确保电气安全和简化计算，在实际应用中，接触电压都采用预期接触电压。

 

 

a. 人电击致死的原因是电流，而电流是因施加在人体阻抗上的电压产生的。例如，10 kV架空线断线落在街边，街边的行人只要远离是不会被电击的，如若去接触断线的落地导体，由于不同电位差产生的电压施加在人体上，产生接触电流，令人遭受电击而致伤致亡。

 

b. 人体的阻抗是人体内部阻抗和皮肤阻抗之和，但主要是皮肤阻抗。在干燥场所，人的皮肤干燥，人体的阻抗大，一般要50 V的接触电压才能达到30 mA电击致死的接触电流。而在潮湿场所，达到上述的30 mA只需要25 V的接触电压。所以，IEC将50 V和25 V分别定为干燥场所和潮湿场所的接触电压限值UL1和UL2。

 

以上所述电击电流通过人体的通道环境是在地面上，接触电流经手、脚和不同电位导体接触，有可能经心脏引发电击事故。表1是不同电流路径的心脏电流系数，引自GB / T 13870. 1 - 2008 / IEC / TS 60479 - 1：2005《电流对人和家畜的效应 第1部分：通用部分》表12。

 

 

 

 

电气工程师注册考试中有一个考题与表1有关，考题如下：交流电通过人身达一定数值，将引起人身发生心室纤维性颤动现象。如果电流通路为左手到右脚时这一数值为50 mA，那么，当电流通路变为右手到双脚时，引起发生心室纤维性颤动相同效应的人身电流是多少？

［A］30 mA                         ［B］50 mA

［C］62. 5 mA                     ［D］100 mA

 

解答过程：根据GB / T 13870. 1 - 2008表12可知：左手到右脚心脏电流系数为1. 0，而右手到双脚心脏电流系数为0. 8，则引发心室纤维性颤动电流为 I = I′/ 0. 8 = 50 / 0. 8 = 62. 5 mA，选答案C。可见，人体通过电流时不同的电流通道，人体的电流效应是不同的。

 

如果接触电流流经人体通道的环境是在水下，则情况十分危险及复杂。一般来说，纯水是不导电或其导电性极弱，生活中的水不是纯水，或多或少含有杂质，含有杂质水的电阻率是依杂质的浓度和种类而不同，十分复杂，当水中存在不同电位的导体时，两个不同电位导体间会形成电场和电位梯度。人体处于这种水下环境中时，不仅人体皮肤电阻大幅下降，而且接触电流会直接从胸骨间通过心脏，也可直接在头颅两侧通过大脑。和地面上人体通过电流的通道相比，水下的电流通道更为危险，也就是说水下环境的电流效应比地面上更严峻，所以IEC规定进入水下的电气设备的额定电压不得超过12 V，若能采用6 V则更为安全。

 

在低压配电设计中，TN及TT低压配电系统的接地系统设计与防雷装置的接地设计是共用接地装置

 

在低压配电设计中，当任一电压等级的供电系统确定后，都要考虑及处理两个接地事宜，这就是通常所说的系统内电源侧接地和负荷侧接地，即系统的工作接地和负荷的保护接地。IEC根据系统接地及保护接地的不同构成对配电系统进行分类：TN（包括TN - S、TN - C及TN - C - S）、T T及IT系统，由于种种原因，民用建筑大多采用TN系统。不同接地方式的配电系统对其配电线路的间接接触防护电器的动作特性作了规定，这是属于电击防护设计范畴。

 

建筑物的外部防雷包括接闪器、引下线及接地装置。接闪器是直击雷防护措施中的重要一环，发生直击雷时接闪器将雷电流吸引过来，并通过后端的引下线、接地装置将雷电流泄放入地，这是防雷设计的功能要求，也就是说不论配电系统是何种接地方式，都不影响接闪器通过引下线、接地装置将雷电电流泄放入地的要求。“此接地非彼接地”，两种接地毫无任何关联。只是按照规范规定两类接地应共用接地装置，仅此而已。

 

在电气设计中，大多数设计者的电气设计说明都有“防雷与接地”这一节的描述，往往将配电系统的接地方式如TN - S等都纳入其内，这样一来将两种性质不同的接地混为一谈，是不妥的。

现在相关地区都在新修或扩建大学校园，其中最大的亮点是建设各种前端科学的物理、化学等实验室，于是仪表接地问题引起注意及争议。业主根据供应商或境外专家的意见，要求这些高精尖的仪表设置单独的接地装置，且要求接地电阻不大于0. 5 Ω。这种要求合理否？一时间意见纷纭，莫衷一是，难以定案。

 

对此，谈谈看法及意见，以飨读者：

 

a. 校园建筑配电系统的接地方式是TN - S，按照该接地方式的规定，负荷侧的接地应是“外露导电部分通过接地的电源中性点的连接而接地”，可知当配电系统接地方式确定后，负荷侧的接地方式也确定了。对于TN - S接地方式配电系统其负荷侧是通过与电源侧引出的PE线连接而接地，所以负荷侧即仪表不应要求单独再设接地装置，供应商等的要求只不过是给现有的TN系统做了一个重复接地而已。

 

b. 如果供应商或境外专家坚持仪表设单独的接地装置，只能将配电系统的接地方式改为T T系统，设计人员应该明白，T T与TN系统的防电击保护的措施是大相径庭的。当然，也可以在TN系统中采用局部的T T系统，问题是在同一建筑物内实施TN与T T系统的兼容，从理论上说是可行的，而在施工中极为困难，似难实现。特别应引起注意的是在“寸土寸金”的环境里，有无实现T T系统的可能!

 

c. 说到仪表所使用的频率，设计人员竟一问三不知，如此一来无法讨论0. 5 Ω的必要性。对接大地的接地装置而言，是可以降低工频时接地极的接地电阻，却无法降低高频在接地线中的高频阻抗，这就是为什么信息系统电气装置要设计高频低阻抗等电位联结来替代通常用的接大地，从而减少信息设备对地电位的高频电位差的原因。

 

表2是电阻及电抗随工作频率变化而变化的关系。由表2可知：对于同一截面（如25 mm2）的铜导体在高频1 MHz时，其感抗量为电阻量的625倍；频率为100 MHz时，两者的倍数高达6 250。当导体截面增大为107 mm2、频率为1 MHz时，其感抗量为电阻量的1 284倍；频率为100 MHz时，两者的倍数高达12 840。

 

 

表2比较说明，工作频率越高、导体截面越大时，相对导体的感抗而言，导体的电阻几乎可以忽略不计。这就是说接地电阻再小（如0. 5 Ω），也无法抵消高频在接地线中的高频阻抗影响，所以工作在高频条件下的信息设备，要求小接地电阻是无意义的。

 

d. 仪器仪表的这种接地及接地电阻的要求，由来已久。过去由于“闭关自锁”，不明白缘由，只能照办。接触IEC后，GB 50343 - 2012《建筑物电子信息系统防雷技术规范》5. 2. 4条条文说明中指出：“对于某些特殊而又重要的电子信息系统的接地设置等电位连接，可以设置专用的垂直接地干线减少干扰。”垂直干线由建筑物的等电位接地端子盘引出。在工频时，垂直接地干线的最小截面为50 mm2；高频或高层建筑时，垂直干线截面还要酌情增加。具体做法详见图3。

 

 

防电击设计及理论得不到重视的原因分析

 

电气设计时，设计人员都要进行各类保护电器选用设计，为什么要这样做？答曰：为了安全。再进一步询问，无非是各类保护电器动作的解释。直到接触IEC后，才知道“电击防护”，才知道选用保护电器是“间接接触防护的自动切断电源防护措施”，也就是说“电击防护”是引进IEC后才知晓的。

 

2016年11月住建部发布的《建筑工程设计文件编制深度规定（2016年版）》并未按GB 50054 - 2011第5章要求对电击防护的电气设计提出相应的深度规定。“深度规定”都如此，建筑电气设计忽略或者不重视电击防护就不足为奇了。

 

这些忽略或不重视主要表现在电气设计说明成百上千字，竟无“电击防护”一席之地！往往将配电系统接地方式纳入防雷接地中；将防电击附加措施的RCD归入开关的选用；将另一附加措施：“等电位联结”不是与防雷设计的等电位要求混淆，就是并列在管道的设计中等等。

 

更有甚者，要求按照GB 50057 - 2010《建筑物防雷设计规范》中等电位连接部件的最小截面作为设计浴室的防电击等电位依据，虽说这两种等电位联结（连接）的目的都是为了安全，然而两者安全防范对象、各自的特点等等均不相同，“此等电位连接非彼等电位联结”，两者不能通用，不能混为一谈。

 

RCD在防电击保护的设计中是使用较为广泛的保护电器设备，RCD与断路器在工作机理、用途及使用范围是不同的，它是“间接接触防护的自动切断电源防护措施”的附加措施之一。有的设计者在设计说明中要求RCD动作时间小于0. 4 s，这种要求全面吗？

 

GB 50054 - 2011 5. 2. 9条第2款规定“供给手持式电气设备和移动式电气设备用电的末端线路或插座回路，TN系统的最长切断时间”当标称电压为220 V，不应超过0. 4 s。显然，RCD是能满足这个要求的，许多厂家表示在IΔn时（即额定剩余动作电流为30 mA），RCD的动作时间可以达到 ≤ 0. 1 s。显然上述要求能满足规范的要求，然而设计者却忽略了GB 50054 - 2011 5. 1. 12条的规定：“额定剩余动作电流不超过30 mA的剩余电流动作保护器，可作为其他直接接触保护措施失效或使用者疏忽时的附加防护，但不能单独作为直接接触防护措施。”这表明RCD不仅是自动切断电源间接接触的附加防护，还是直接接触的附加防护。这是因为RCD在剩余电流为IΔn时，t ≤ 0. 1 s；在 ≥ 5IΔn（即5 × 30 = 150 mA）时，其动作时间仅为0. 04 s，远远小于规范要求的直接接触时间；当系统电压在120 V ＜ U0 ≤ 230 V，最长的切断时间不超过0. 2 s的要求，是可以作为直接接触的附加防护。所以设计者对RCD动作时间的要求是不妥的。

 

自动切断电源防护措施中，要重视附加防护措施的功效及实施

 

在自动切断电源防护措施中，不言而喻，应选用优质的保护电器，确保自动切断电源防护措施可靠实施。然而对“电”的安全而言，一定确保不能出现“万一”的情况。再者，接地故障是一种发生几率远大于带电导体间的短路故障。接地故障分金属性短路及电弧性起火，故障情况比较复杂，据统计断路器90 % 的故障跳闸是接地故障所致，但接地故障并不都能令断路器跳闸，它的存在给人们的安全造成极大的危害。为此“自动切断电源防护措施”的附加防护措施应运而生。

 

 

大部分建筑物的配电设计都采用TN系统。规程、规范都规定TN系统在采用自动切断电源措施时，一定要辅以等电位联结。

 

在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》及GB 50054 - 2011都规定在低压配电系统中采用自动切断电源的防电击防护措施，以及该措施失效时的附加保护措施。对于TN系统而言，等电位联结是十分重要的且必须的附加保护之一。

 

为了说明原因，还得从TN系统的接线特点说起：TN系统的第一个字母表示电源的一点（通常是中性点N）与大地直接连接，第二个字母表示电气装置外露导电部分通过与接地的电源中性点的连接而接地。也就是说，TN系统电源侧的PE线是与负荷侧全程贯通的。这样，当电源侧或负荷侧某处接地故障，故障电压会通过PE线传到其他负荷的外露可导电金属外壳，例如电动伸缩门的金属外壳。TN系统这种“城门失火，殃及池鱼”的特点，设计者应给予关注。

 

之前媒体报道的浙江小女孩爬在未运行的电动门上玩耍、深圳一名保安无意触及静止的电动门均遭电击，不幸身亡，经查门卫处的配电箱并未发生过故障，恐怕都与系统内传导的危险故障电压有关！

 

根据电气设备和电气装置防间接接触电击的组合防护，可以将电气设备分为0、Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ类，最为广泛使用的电气设备是Ⅰ类，它是藉自动切断电源和经PE 线接地而实现间接接触电击防护，这是在配电设计中采用最多的一种电击防护。

 

各类保护电器如断路器、熔断器等因各种原因可能拒动，无法起到保护作用，所以要辅以附加保护来弥补其不足。而等电位联结及剩余电流保护装置就是自动切断电源保护措施的两个附加保护措施。

 

防电击设计中，等电位联结常分为总等电位联结及辅助等电位联结。总等电位联结虽然能大大地降低接触电压，但当建筑物离电源较远，建筑物内保护线路过长，则保护电器的动作时间和接触电压都可能超过规定的限值，为此可采取辅助等电位联结或局部等电位联结。

 

IEC 60364标准所规定的辅助等电位是2. 5 m伸臂范围内可同时触及的导电部分之间的联结。辅助等电位联结能使2. 5 m伸臂范围内可能出现的电位差降至0 V或接近0 V。

 

局部等电位联结好似我们自己的命名，现行IEC标准中未见此提法。局部等电位联结可视为局部范围内的“总等电位联结”，但它与总等电位联结的关系并非总配电箱与分配电箱之间的上下级关系。实施局部等电位联结使降低接触电压值须小于安全电压限值50 V，方能认为局部等电位联结是有效的。

 

可见，无论局部等电位联结还是辅助等电位联结，其目的在于是接触电压减低至安全电压限值50 V以下或接近0 V，而不是缩短保护电器动作时间。

 

等电位联结作为附加保护不能单独使用，一定要与自动切断电源保护联合实施。还要说明的是等电位联结能保护人身安全，是不能保护电气设备的。

 

附加措施二：剩余电流保护器（

RCD

）

 

 

剩余电流保护器的原理是基于基尔霍夫定律，即电流流入同一节点之和等于零。它不同于TN系统与T T系统关于尽量减小电抗（阻抗）或电阻的基本思想。

 

现在各国多采用电流型剩余电流保护器（RCD）。追溯至1928年，德国人提出的“人体触及带电导体时所通过的电流，以剩余电流互感器检测，并在人受伤害之前快速切断电流，从而达到保护的目的”的专利，这无疑是从事电器灾害预防工作的人所希望的理想保护方式。

 

RCD对电气回路接地故障的防护非常有效。由于其工作原理所限，RCD不能防止别处故障沿PE线或装置外导电部分传导来的故障电压所引起的电击事故，所以，RCD不是万能的，这点应引起设计人员重视！

 

还需说明的是，设计人员只注意额定剩余动作电流IΔn的选用，以为IΔn越小越好，因为灵敏度高嘛！但往往忘记了还有一个IΔn0需要考虑！

 

IΔn0是额定剩余不动作电流。规范对此的解释是：额定剩余不动作电流的优选值为0. 5IΔn，如采用其他值时应大于0. 5IΔn。通常，对于IΔn = 30 mA的RCD，其额定剩余不动作电流IΔn0 = 0. 5 IΔn = 0. 5 × 30 mA = 15 mA。

 

制造厂告知IΔn、IΔn0的含义是：对于IΔn = 30 mA的RCD，当其泄漏电流大于15 mA时，RCD一定动作；泄漏电流小于15 mA时，RCD一定不动作。泄漏电流在 ＞ 15 mA及 ＜ 30 mA区间内，RCD可能动作，也可能不动作，均属于正常状态。

 

有人以为IΔn的选值越小越好，其实不然。通常IΔn0 ≥ 2 Ix（Ix为正常运行时的最大泄漏电流），已知IΔn = 2 IΔn0，所以IΔn ≥ 4 Ix，如果不满足这个式子，或者说IΔn选得太小，则会造成RCD误动。

 

另外，如前所述，RCD与用于间接接触防护的自动切断电源保护电器不同，不仅是间接接触防护的附加保护，还是直接接触防护的附加保护。

 

需要提醒的是，使用RCD时请注意场所的电压。IEC 60479 - 1标准提供的数据表明，人在干燥环境下分别接触230 V和400 V时，人体平均电阻分别为1. 2 kΩ和950 Ω，流过人体的电流估算为191 mA和420 mA。从电流对人体作用曲线可以看到人触及电压高于400 V的对地电压时，即使在系统中安装5IΔn在0. 04 s动作的RCD，也不能保证不进入图1中④ 的危险区。也就是说，在高于400 V的对地电压时，任何剩余电流等级的RCD都不能用于人体直接接触防护的附加保护。

 

有了RCD是否可以不接地，不做等电位联结呢？答案是否定的！人体电击致死的危险程度决定于两个因素：一是通过人体电流的大小或人体接触电压的高低；二是人体通过电流时间的长短。接地和等电位联结的作用是降低接触电压；RCD 则是缩短通电时间，两者各司其职，各尽其责，两者兼用，相辅相成。所以采用了RCD，仍要实施接地及做等电位联结。

 

 

a. 做好电击防护电气设计，应学习电击防护的基础理论。

 

b. 不同的低压配电系统接地方式，防电击的要求各不相同。低压配电系统当采用TN或T T时，与防雷装置的接地设计是共用接地装置，仅此而已。

 

c. 在自动切断电源电击防护措施中，应重视附加防护措施的应用，即等电位联结及剩余电流保护装置的应用。