电气安全工程课程设计
工业大学
电气安全工程
课
程
设
计
设计课题电气安全技术所属专业安全工程设计者周海龙
指导教师周一飞、阮继锋完成时间2013年6月10日
目录
1、概述 (2)
1.1 电气安全课程设计的目的 (2)
1.2 课程设计的组成部分 (2)
2、电气安全课程设计的容 (2)
2.1建筑物及施工现场的电气安全设计 (2)
2.1.1三相五线制系统的组成及特点 (2)
2.1.2工地临时用电的安全技术措施 (3)
2.1.3建筑物的防雷系统 (4)
2.1.4建筑物的等电位 (5)
2.1.5施工工地的用电安全管理措施 (5)
2.2机械厂的电气安全设计 (6)
2.2.1TN和TT系统 (6)
2.2.2典型电路——三相异步电动机控制电路设计 (9)
2.2.3电动机的绝缘性能的判别 (11)
2.2.4安全管理制度的设计 (12)
3、总结 (14)
3.1所遇到的问题，你是怎样解决的？ (14)
3.2收获体会及建议 (14)
3.3参考资料 (14)
1、概述
1.1 电气安全课程设计的目的
本次课程设计按照项目教学法的思路，通过对二个教学项目的实施，使得学生对《电气安全技术》的容有更深入的理解和巩固，具体如下：
●了解施工现场的临时供电系统
●施工现场用电注意事项
●了解建筑物采用等电位联接的原理和方法
●建筑物的防雷
●《电气安全技术》介绍的高、低电压电器实物认知
●绝缘垫、绝缘毯、遮拦、指示牌、安全牌的认知
●工厂安全用电的注意事项
●了解电动机的安全性能
●了解三相异步电动机的直接起动控制线路原理及其电路保护
1.2 课程设计的组成部分
●已学知识的复习巩固
●电路和系统的设计
●安全管理制度的设计
●实训
2、电气安全课程设计的容
2.1建筑物及施工现场的电气安全设计
2.1.1三相五线制系统的组成及特点
在三相四线制制供电系统中，把零线的两个作用分开，即一根线做工作零线(N),另外用一根线专做保护零线(PE),这样的供电结线方式称为三相五线制供电方式。三相五线制包括三根相线、一根工作零线、一根保护零线。三相五线制的接线方式如图2—1所示。
图2—1
其特点如下：
1）系统正常运行时，专用保护线上不有电流，只是工作零线上有不平衡电流。PE线对地没有电压，所以电气设备金属外壳接零保护是接在专用的保护线PE上，安全可靠。
2）工作零线只用作单相照明负载回路。
3）专用保护线PE不许断线，也不许接入漏电开关
4）干线上使用漏电保护器，工作零线不得有重复接地，而PE线有重复接地，但是不经过漏电保护器，所以TN-S系统供电干线上也可以安装漏电保护器。
5）TN-S方式供电系统安全可靠，适用于工业与民用建筑等低压供电系统。在建筑工程施工前的“三通一平”（电通，水桶，路通和地平）必须采用TN-S方式供电系统。
2.1.2工地临时用电的安全技术措施
一、配电设施的布置
1）配电室或总配电箱应尽量靠近负荷中心，以减少配电线中的长度和减小导线截面，因此用电机械离配电箱的距离应为3m最适宜。
2）合理选择配电设施位置，提高配电系统的安全可靠的运行。
3）按规要行三级配电二级保护，个别工地坚持做到三级配电三级保护，实行“一机一闸一漏一箱一锁”制和照明、动力分别设置的原则。
4）严格执行<施工现场临时用电安全技术规》提出的技术管理要求，建立临时用电施工组织设计、安全技术档案和用电巡查记录。
二、做好保护接零和重复接地
1）在施工现场专用的中性点直接接地的220V/380V低压电力供电系统中，对于施工现场的配电线路，必须采用丁N-S的接零保护系统，即:三相五线制的西己电系统。
2）保护零线应由工作接地线、配电室(总配电箱)的零线或第一级漏电保护器输入电源中的零线引出。
3）保护零线与工作零线应分别设置，不作它用:保护零线必须采用绿/黄双色线。
4）保护零线的截面应不小于工作零线截面，同时必须满足机械强度的要求;与电气设备相连接的保护零线，截面不小于2.5mmZ的绝缘多股铜线。
5）在中性点直接接地的电力系统中，为保证接地的作用和效果，除在中性点处直接接
地外，还必须在中性线上，即保护零线的中端和末端做不少于三处的重复接地。
6）在没有专用保护零线的施工现场，重复接地线应与保护零线相连接，每一重复接地装置的接地电阻值不大于10。
7）金属操作平台、需设避雷装置的井字架等，必须做重复接地。
三、正确选择和配置漏电保护器
1）对施工现场的配电箱(配电室)和开关箱应至少配置两级漏电保护器。
2）漏电保护器应选用电流动作型，一般场所漏电保护器的额定漏电动作电流不大于30mA(毫安)，额定漏电动作时间小于0.1 s(秒)。
3）漏电保护器的使用接线应与基本保护系统(丁N-S)相适应、相配合，在任何情况下，漏电保护器(其剩余电流互感器)只能通过工作零线，而不能通过保护零线。
4）根据用电规需求，施工现场必须达到三级配电、两级保护。
5）选择中，要根据用电设备容量大小，合理配置，不可认为漏电动作电流越小越好，要根据漏电保护器运行测试中说明要求。当然，从安全角度考虑，漏电保护器的动作电流选择得越小越好。
四、外电防护
1）保持安全距离。所谓安全距离是指带电导体与附近接地物体、人身不同相(极)导体地面之间必须保持的最小空间距离或最小空气间隙，也就是说在任何情况下，不致发生相间放电，而且还应保证带电体周围的工作人员不受损署。
2）用电规对不同的外电线路电压与安全距离做了规定，但如因现场条件所限而达不到规定的最小距离时，必须采取防护措施，增设屏障、遮拦、围栏或保护网，并悬挂醒目的警告标志牌。
3）在对外电线路架设防护设施时，应有电气工程技术人员或专职安全人员负责监护。
4）当防护措施无法实现时，必须与有关部门协商采取停电、迁移外电线路或改变工程位置等措施，否则不得施工。
2.1.3建筑物的防雷系统
一般建筑物防雷是指当发生雷雨时，通过建筑物的防雷防护装置将雷云的电荷安全泄放到中去，从而使建筑物免受雷击。因此建筑物防雷主要是防外部直击雷，本文仅探讨建筑物外部防直击系统。建筑物防雷防护装置及防雷系统由接闪器（避雷针）、引下线、接地网等有机组成，缺一不可。
1）接闪器
直接截受雷击，以及用作接闪的器具、金属构件和金属屋面等，称之为接闪器。功能是把接引来的雷电流，通过引下线和接地装置因如中泄放，保护建筑物免受雷害。
2）主动式避雷针
能够随大气电场变化而吸收能量，当存储的能量达到某一程度时，便会在避雷针尖放电，尖端周围空气离子化，使避雷针上方形成一条人工的向上的雷电先导，它比自然的向上的雷电通道能更早的于雷雨云向下的雷电先导接触，形成主放电通道。这样，一方面可以使雷雨云靠该避雷针放电的几率增加，相当于避雷针的保护围加大，或者相当于将避雷针加高。
3）避雷线
20世纪初，在电力系统，为了使输电线路少受雷击，采用了在输电线路上方架设平行的钢线避雷的方法，在实用中，由于它简单有效，逐步得到了推广。这种架设在输电线路上方的钢线，称之为避雷线。后来在房屋建筑上也推广了这种形式，开始布设在方脊、屋角、房檐等处作雷电保护，以后这种方式又有所改进。
4）避雷带
在房屋建筑雷电保护上，用扁平的金属带代替钢线接闪的方法称之为避雷带，它是由避雷线改进而来。在城市高大楼房上，使用避雷带比避雷针有较多的优点，它可以与楼房顶的装饰结合起来，可以与房屋的外形较好的配合，即美观防雷效果又好，特别是大面积的建筑，它的保护围大而有效，这是避雷针所无法比的。避雷带的制作，采用扁钢，截面积不小于48mm2，其厚度不应小于4mm。
5）避雷网
避雷网是指利用钢筋混凝土结构中的钢筋网作为雷电保护的方法（必要时还可以辅助避雷网），也叫做暗装避雷网。它是根据古典电学中法拉第笼的原理达到雷电保护的金属导电体网络。
2.1.4建筑物的等电位
施工质量验收规GB50303- 2001 第3 章、第27 章对建筑物等电位连结作了具体要求。等电位分局部等电位连结和总等电位连结。在规强制性条文中，要求接地（PE）或接零（PEN）支线必须单独与接地或接零干线相连接，不得串联连接在建筑工程中同类插座
同一回路的接地线利用插座压紧螺栓相互翻接是不符合要求的，干线导线应可靠连接后连接到分户箱接地汇流排，汇流排与总等电位箱直接相连。接地线用黄绿相间线是国际上通用的，总等电位同时是重复接地点。局部等电位在以往图集中有两种方案，这种方案都存在不合理的地方，新的图集D101- 2003 中作了修改。新图集有两点得到加强：一是现浇板受力筋与等电位系统作了可靠的焊接；二是卫生间的用电设备不仅要接地保护，而且还要等电位接地，增加了潮湿场所用电的安全性。
2.1.5施工工地的用电安全管理措施
1）摆正位置
施工单位要牢固树立“安全第一，预防为主”的思想，遵循没有安全就没有一切的安全生产理念，把安全生产摆在一切工作的首位，把原来忽视甚至遗忘的施工用电安全严肃地提到议事日程上来，统一认识，明确责任，扎实有效地落实各项措施。要加强用电安全检查、监督。落实防雨、防涝、防雷措施，责任到人。
2）建章立制
建立健全用电安全责任制，制订和完善安全用电组织措施、临时用电施工组织设计、安全用电技术措施和电气防火措施以及用电安全的现场管理措施。
3）加大投入
加大和完善施工用电软硬件的投入，特别是要加大对用电设备、安全电器、绝缘材科、绝缘工器具、绝缘防护用品的硬件投入。
4）强行整改
施工企业要高度重视用电安全生产管理，切实做到严防死守。要善于自查自纠，对发现的隐患和问题要强行整改。
5）依法行政
相关职能部门要密切配合，把原来忽视甚至遗忘的建筑施工供用电安全问题提到领导议事日程上来，经常开展用电安全生产监督检查。井严格履行职责，严肃工作纪律，严格执法，依法行政，绝不放任自流。
2.2机械厂的电气安全设计
2.2.1TN 和TT 系统
2.2.1.1TN 系统
一、TN 系统的安全原理及类别
TN 系统中的字母N 表示电气设备在正常情况下不带电的金属部分与配电网中性点之间金属性的连接，亦即与配电网保护零线的紧密连接。保护接零。TN 系统，中性点直接接地，电气设备接零的保护接零系统
工作零线N －－中性线，保护零线PE －－保护导体；两者同一线PEN ；
图2—2
二、TN 系统速断和限压的要求
接零系统，单相短路电流越大，保护元件动作越快；反之，动作越慢。单相短路电流决定于配电网电压和相零线回路阻抗。稳态单相短路电流ISS 按下式计算：
Z U Z Z Z Z U I T E PE L SS .
..=+++= 显然，相零线回路阻抗不能太大，以保证发生漏电时有足够的单相短路电流，迫使线路上的保护元件迅速动作。
认为保护接零只起过电流速断保护作用，而不能降低漏电设备对地电压也是不对的。由接零等值电路可以求出保护装置动作前漏电设备对地电压为：
....
U Z Z Z Z Z R R R U Z Z R R R Z I R R R U PE L E T PE N P P PE N P P PE SS N P P E ++++=+≈+≈ 如线路截面较小，保护零线与相线紧邻敷设。由于电抗比较小，其围也比较容易确定，对地电压可按下式简化计算：
PE
L PE C E R R R U K U += RL —相线电阻；RPE —保护线电阻。
三、保护接零的应用围
保护接零用于中性点直接接地的220/380V 三相四线配电网。凡因绝缘损坏而可能呈现危险，对地电压的金属部分均应接零。要求接零或不要求接零的设备和部位与保护接地的要求大致相同。
TN －S 系统可用于爆炸危险、火灾大、安全要求高，宜于独立附设变电站的车间；
TN －C －S 宜于用于厂高有总变电站，厂低压配电的场所及民用楼；
TN －C 用于无爆炸、火灾不大、用电设备少、用电线路简单且场所；
在接地的三相四线配电网中，应当采取接零保护。
四、重复接地
1.重复接地的作用
（1）减轻零线断开或接触不良时电击的危险性。只能减轻，不能消除
（2）降低漏电设备的对地电压。同一般接地措施一样，重复接地也有降低故障对地电压的作用。
（3）缩短漏电故障持续时间。重复接地和工作接地构成零线的并联，增大短路电流，加快保护装置动作，缩短持续时间。
（4） 改善架空线路的防雷性能。对雷电流分流，限制雷电过电压。
2.重复接地的要求
（1）电缆、架空线入车间、配电线最远处、每1km 、高低压同杆架设两端
（2）线路上重复地集中埋，车间采用环形或网络重复接地，零线、接地 两点连接；重复接地分布均匀，等化各点电位。
（3）电阻，每处不＞10 Ω。
五、工作接地
工作接地的主要作用是抑制故障时配电网对地电压不致升高太多，以免过分增加触电的危险性，并减轻绝缘的额外负担或防止绝缘击穿。其次，由于接地的配电网中单相接地故障电流可达到数安乃至数十安，故障比较容易被检测，故障
点也比较容易确定。
由于过电压受到限制，既减轻了触电危险，又控制各导体间产生过大的电位差，减轻由放电火花所造成的火灾。
六、保护接零的计算
保护接零的计算主要是单相短路电流的计算。保护接零实质上就是当发生碰壳事故时，借保护零线形成单相短路，迫使线路上的保护元件迅速动作而切除故障。线路保护元件能够迅速动作，主要决定于单相短路电流的大小和保护元件动作电流的大小。
2.2.1.2TT 系统
一、TT 系统的原理
我国绝大部分地面企业的低压配电网都采用星形接法的低压中性点直接接地的三相四线配电网，如图3-9所示。这不仅是因为这种配电网能提供一组线电压和一组相电压，便于动力和照明由同一台变压器供电，而且还在于这种配电网具有较好过电压防护性能，且一相故障接地时单相电击的危险性较小，故障接地点比较容易检测等优点。
中心线通过工作接地与零电位连在一起－零线
接地的配电网中发生单相电击时，人体承受的电压接近相电压。也就是说，在接地的配电网中，如果电气设备没有采用任何防止间接接触电击的措施，则漏电时触及该设备的人所承受的接触电压可能接近相电压，其危险性大于不接地的配电网中单相电击的危险性。
与IT 区别：电源中性点直接接地，配电防护系统TT 。
如果有一相漏电，故障电流经过电阻RE 和工作接地电阻RN 构成回路。漏电设备对地电压和零线对地电压分别为：
U R R R R R R R R U P E P N E N P E E ++=， U R R R R R R R R R R U P
E P N E N P N E N N +++= 一般不采用TT 系统，其它防止间接触电有困难，土壤电阻率低，才用，有快速切断接地故障自动保护装置UE ＋UN ＝U ，且UE/UN=RE/RN 。与没有接地相比较，漏电设备上对地电压有所降低，但零线上却产生了对地电压而且，由于RE 和RN 同在一个数量级，二者都可能远远超过安全电压，人触及漏电设备或触及
零线都可能受到致命的电击。
图2—3
二、TT系统的应用
采用系统TT时，被保护设备的所有外露导电部分均应同接向接地体的保护导体连接起来。采用TT系统应当保证在允许故障持续时间漏电设备的故障对地电压不超过某一限值，即
第一种情况，环境干燥或略潮湿、皮肤干燥、地面电阻率高，UL＜50V；
第二种情况，环境潮湿、皮肤潮湿、地面电阻率低，UL＜25V；
（1）故障最大持续时间原则上不超过5S；
（2）可在TT系统中装设剩余电流保护装置（漏电保护装置）或过电流保护装置，优先用漏电保护装置；
（3）TT系统主要应用于低压共用用户，即用于末装备配电变压器，从外面引进低压电源的小型用户。
2.2.2典型电路——三相异步电动机控制电路设计
一、三相异步电动机直接启动控制电路
在三相电动机启动时，将电源电压全部加在定子绕组上的启动方式称为全压启动，也称为直接启动。全压启动时，电动机的启动电流可达到电动机额定电流的4～７倍。容量较大的电动机的启动电流对电网具有很大的冲击，将严重影响其他用电设备的正常运行。因此，直接启动方式主要应用于小容量电动机的启动。
采用刀开关直接启动电动机的控制线路图，如图2—5所示。
图2—4刀开关直接启动控制线路
二、直接启动控制—自锁、自由停车
图2—5 三相笼型异步电动机起、停控制线路
三、正常工作与点动的联锁控制
连续正常运行方式与点动运行方式的主要区别就是在控制过程中实施控制的控制电器能否自锁。
点动控制方式的应用：起重机械中吊钩的精确定位操作过程、机械加工过程中的“对刀”操作过程、自动加工机床“起始点”的定位操作过程等方面。所图2—6所示。
图2—6 点动控制线路
互锁控制：在同一时间里只允许两个或多个接触器（继电器）其中的一个接触器（继电器）工作的控制方式称为互锁或联锁控制。
图2—7复合联锁的正反转控制线路
该线路既能实现电动机直接正反转的要求，又保证了电路可靠地工作，常用在电力拖动控制系统中。
2.2.3电动机的绝缘性能的判别
绝缘的试验方法电动机绝缘特性的试验方法，主要有以下几种:
1.绝缘击穿试验从电动机上拆下线圈进行高压试验使绝缘破坏并测量其击穿电压来判断绝缘老化和剩余寿命。
2.绝缘强度试验按照规定的持续时间施加以规定的电压，如果试验时击穿，则属于破坏实验;如果未击穿，则测试各种特性，属于非破坏试验。通过测试可确定老化程度。
3.绝缘电阻测量通常采用兆欧表在施加电压lmin后断电测量。但是，由于绝缘电阻与电动机容量、形状、尺寸、绝缘的结构有关，而且受到温度和湿度的影响，因此不能单纯根据绝缘电阻值来判断绝缘特性，还必须考虑吸湿、污损、缺陷引起的绝缘电阻反常下降，并对长期吸湿、污损累积引起绝缘电阻变化的记录进行其倾向性的判断，同时还要结合绝缘和目视检查等进行综合判断，但绝缘电阻值不得低于0 .5 MO。
4.交流电压试验：(l)交流电流试验在工频交流电压下进行绝缘的电流一电压特性调查，如果绝缘吸湿，该特性曲线呈非直线状。(2)tg6试验通过测量tg6一电压特性来判断因吸湿、污损引起的绝缘部老化状况。对于高压电动机:tg6<10%最好，△tg6应<3%。
2.2.4安全管理制度的设计
一、电气运行安全:
(1)电气作业人员必须经医生检查身体，并证实确无妨碍电气工作的疾病，经过专业培训，考核合格，持有上级部门颁发的电工作业操作证，才能担任电气作业和电气作业监护人工作。
(2)电气作业人员必须严格执行：《电力生产安全工作规定》。
(3)一切电气作业人员都必须熟悉触电急救方法。
二、接地装置的规定：
(1)接地电流大的接地装置(500A以上)为5欧姆；接地电流小的接地装置(500A以下)为10欧姆。
(2)变电室露天部分的单位独立避雷针为10欧姆。
(3)装有避雷线线路上的金属及水泥电杆为10欧姆。
三、静电接地的要求：
(1)静电接地的接地电阻，每处不宜超过10欧姆。
(2)露天放置的管道(液体,气体等)每隔20-25米应设感应雷接地，每处电阻
值不宜超过10欧姆。
(3)贮罐的四周应设闭合环型接地，接地电阻不超过10欧姆，罐体的接地点不应少于2处，接地点间距不得于大30米。
四、防雷接地：
(1)为保护建筑物不受雷击，应针对雷电的危害，分别对直击雷、感应雷和架空线引进高电压等采取防雷措施。
(2)避雷装置一般可采用避雷针、避雷器或架空避雷线。
(3)为防止感应雷，应把屋一切导体、金属管道等可靠接地减小电阻使感应电荷迅速流入地中。
五、架设临时电气线路规定：
(1)各部门需要铺设临时电气线路，必须先填写“临时接线申请单”。
(2)“临时接线申请单”由部门负责人负责填写，安装人和使用保管人一定要本人亲自签字。
(3)“临时接线申请单”由安全环保部门批准，使用期限为一星期，超过一星期的，要办理延期手续。
六、电气安全用具有关规定：
(1)绝缘手套每6个月试验一次。
(2)高压绝缘手套的试验电压为8KV，持续时间为1分钟。低压绝缘手套的试验电压为25KV，持续时间为1分钟。
(3)绝缘靴每6个月试验一次。
七、行车检修规定：
(1)检修行车时，一定要由指定的梯口上车或用升降平台。严禁走轨道、钢梁等，如必须走钢梁时，须有人警戒，由被修理行车的操作人员作监护，并应同时办理许可证手续，采取必要的安全措施。
(2)携带的检修工具，必须放在工具袋，大型工具须用绳子作上下传递。
(3)传递工具物体时，防止碰撞在行车磨电道上。
3、总结
3.1所遇到的问题，你是怎样解决的？
（1）问题：对电气知识的缺乏，不知如何进行工作。
解决：首先，复习《电工电子技术》和《电气安全工程》这两本教材，了解基本的电气知识。其次，去图书馆查阅相关的图书，进一步掌握电气知识。最后，过程中一些不清楚的地方，浏览相关进行查询。
（2）问题：书本上介绍的某些知识过于抽象，不能完全理解。
解决：在电工实验室做相关实验，听老师介绍一些基本电气设备的工作原理，深入掌握这些设备的工作原理和工作状况。
（3）问题：对工厂的安全管理不清楚。
解决：在网上查阅相关的资料，观看相应资料片，并于6月7日，在周老师和阮老师的带领下，参观了鸿雁电气集团，现场了解了企业的安全管理制度。
3.2收获体会及建议
通过本次课程设计，我对已学知识进行了复习巩固的同时，进一步了解了电气知识在生产生活中的实践应用。而且，通过复习、查阅相关资料、现场考察等方法，完成了电路和系统的设计、安全管理制度的设计。
《电气安全工程》是安全工程专业的一门重要的专业课，该课程不但有较高的理论基础要求，而且工程实践性很强，因此除安排上完理论课时外，还安排了已周的的课程设计。通过课程设计一方面可巩固已学过的理论知识，更重要的是给学生一次独立设计的实践机会，以培养其设计能力和实际工作能力。我们必须理论和实践相结合，学以致用。
3.3参考资料
[1] 钮英建.电气安全工程.：中国劳动社会保障，2007
[2] 王鼎，王桂琴.电工电子技术.：机械工业，2006
[3] 康华光.电子技术基础.3版.：高等教育，1993
[4] 晓平.电气安全.：机械工业，2004
[5] 植保.电机原理与应用.：化学工业，2006