工业与民用配电设计手册 第三版

工业与民用配电设计手册第三版

第十五章低压电气装置的防电击和特殊环境的电气安全

第一节概述

一、人体通过电流时的生理反应

1、电流阈值

人体通过电流时的生理反应视电流的大小和通过时间的长短而异。以下是1000Ｖ以下50Hz交流电流通过人体时几个主要反应的电流阈值：

感觉阈值──人体能感觉的最小电流值，一般为0.5mA，此值与通过电流的时间长短无关。

摆脱阈值──人能摆脱手握的带电导体的最大电流值，此值一般取平均值10mA。通过人体的电流如超过摆脱阈值就不能自行摆脱，当电流作用时间较长时，人体将遭受伤害。

心室纤维性颤动阈值──能引起心室纤维性颤动的最小电流值。心室纤维性颤动是人身电击致死的主要原因

。此阈值随通电时间的增大而减小，见图15?1中的有关曲线。

2、电流通过人体时表征人体生理反应的时间─电流区

为便于制订防电击措施，IEC出版物479-1第二版提供了图15-1所示的15～100Hz交流电流通过人体时人体生理反应的时间─电流区图。

图15-1中 1区──通常无感觉。

2区──通常无病理反应。

3区──b曲线至c1曲线之间为3区，通常无器官损伤，可能出现肌肉收缩、呼吸困难、心房纤维性颤动、无心室纤维性颤动的短暂心脏停跳，此等现象随电流和时间的增大而加剧。

4区──除出现上述3区的反应外，自曲线c1开始可能出现心室纤维性颤动，至曲线c2时其发生机率达5％，至曲线c3时达50％，此后机率继续增大。在此区内还可能发生严重烧伤以及致人死命的心脏停跳、呼吸停止等反应。

制定电气安全措施时，通常以图15-1中3区内离曲线c1一段距离的曲线L作为人身是否安全的界限。

用通过人体的电流来检验人身是否安全甚是不便，实际应用中常用人体的接触电压进行检验。因此IEC/TC64又提出如图15-2所示的不同接触电压下的人体允许最大通电时间曲线（Uc-t曲线）。应注意图中的接触电压Uc为包括鞋袜和地板阻抗上压降在内的预期接触电压，即可能出现的最大接触电压。因为人体阻抗并非定值--它随接触电压的升高而下降，所以曲线L1为正常环境中用人体接触电压实测值求得。

在潮湿环境中人体阻抗下降，这种环境中的Uc-t曲线为图15-2中的L2。

从图15-2可知在干燥和潮湿条件下，50V及25V分别对人体是安全的，被称作上述两环境下的约定接触电压限值，此两值被用作电气产品设计和电气工程设计的依据。为安全起见，曲线L1环境条件下超过25Ｖ的裸露带电导体仍需为其设置遮栏或外护物，以避免人体与它经常或持续的直接接触。曲线L2环境条件下安全特低电压的应用另有规定，详见第三节。

二、直接接触电击防护

直接接触电击系指人体与正常工作中的裸露带电部分直接接触而遭受的电击。其主要防护措施如下：

（1）将裸露带电部分包以适合的绝缘。

（2）设置遮栏或外护物以防止人体与裸露带电部分接触，这时应注意：

1）遮栏和外护物靠近裸露带电部分的这一部分，其防护等级应至少为IP2X，即如有洞孔，其直径不应大于12.5mm。

2）人易接近的遮栏和外护物的水平顶部的防护等级至少为IP4X，即如有洞孔，其直径不应大于1mm。

3）只能使用钥匙或工具，或切断电源才能移开遮栏和外护物。

（3）设置阻挡物以防止人体无意识地触及裸露带电部分。

阻挡物可不用钥匙或工具就能移动，但必须固定住，以防无意识的移动。这一措施只适用于专业人员。

（4）将裸露带电部分置于人的伸臂范围以外。

伸臂范围的规定距离如图15-3所示。图中S为人的站立面。当人站立处前方有阻挡物时，伸臂范围应从阻挡物算起。从S面算起的向上的伸臂范围为2.5m，人体上方低于IP2X的阻挡物都不能减小此范围。在常有人手持长或大的物体的场所，伸臂范围尚应适当加大。

（5）装设漏电保护器作为后备保护，其额定动作电流不应超过30mA。它只能作为上述（1）～（4）项直接接触电击防护措施的后备措施，不能代替上述措施。

三、间接接触电击防护

因绝缘损坏，致使相线与PE线、外露导电部分、装置外导电部分以及大地间的短路称为接地故障。这时原来不带电压的

电气装置外露导电部分或装置外导电部分将呈现故障电压。人体与之接触而招致的电击称之为间接接触电击。

因电气设备本身防电击类别(1)的不同，工程设计中采取的防间接接触电击的措施也不同，简述如下：

（1）0类设备具有可导电的外壳，只有一层基本绝缘，且无PE线连接端子（例如不接PE线的金属外壳台灯），当基本绝缘损坏时，外壳即呈现故障电压。0类设备只能在对地绝缘的环境中使用，或用隔离变压器等分隔电源供电。

（2）Ⅰ类设备和0类设备相同，但其外露导电部分上配置有连接PE线的端子。在工程设计中对此类设备需用PE线与它作接地连接，并在电源线路装设保护电器，使其在规定时间内切断故障电路。本章第二节对此将作具体叙述。

（3）Ⅱ类设备除基本绝缘外，还增设附加绝缘以组成双重绝缘，或设置相当于双重绝缘的加强绝缘，或在设备结构上作相当于双重绝缘的等效处理，使这类设备不会因绝缘损坏而发生接地故障。因此在工程设计中不需再采取防护措施。

（4）Ⅲ类设备额定电压采用50Ｖ及以下的特低电压，此电压与人体的接触不致造成伤害。在工程设计中常用一次为380Ｖ或220Ｖ的隔离变压器供电。

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白杨: 2005-9-5 9:43:00

第二节正常环境中用自动切断故障电路措施的间接接触电击防护（接地故障保护）

一、基本要求

1、接触电压限值和切断故障电路时间的要求

I类设备自动切断故障电路的间接接触电击防护措施的保护原理在于当设备绝缘损坏时，尽量降低接触电压值，并限制此电压对人体的作用时间，以避免导致电击致死事故。为防电击，正常环境中当接触电压超过50Ｖ时，应在规定时间内（详见后文）切断故障电路。在配电线路保护中称作接地故障保护，以区别于一般的单相短路保护。

自动切断故障电路保护措施的设置要求，应注意与下述条件相适应：

（1）电气装置的接地系统类型（TN、TT或IT系统）；

（2）有无设置等电位联结；

（3）电气设备的使用状况（固定式、手握式或移动式）。

2、接地和总等电位联结

接地和总等电位联结都是降低建筑物电气装置接触电压的基本措施。除特殊情况外，外露导电部分应通过PE线接地，其作用已为人所熟知。总等电位联结的作用在于使各导电部分以及地面的电位趋于接近，从而降低接触电压。总等电位联结还具有另一重要作用，即它能消除自外部窜入建筑物电气装置内的故障电压引起的危险电位差。如果建筑物或装置内未作总等电位联结，或设备位于总等电位联结作用区以外，则应补充其它保护措施。

在电气装置或建筑物内，不论采用何种接地系统，应将下列导电部分互相联结，以实现总等电位联结。

（1）进线配电箱的PE母线或端子；

（2）接往接地极的接地线；

（3）金属给、排水干管；

（4）煤气干管；

（5）暖通和空调干管；

（6）建筑物金属构件。

因建筑物金属构件和各种金属管道有多点自然接触，如有具体困难，现有建筑物可不联结。一般在进线处或进线配电箱近旁设接地母排（端子板），将上述联结线汇接于此母排上，如图15-4所示。

总等电位联结线截面的选择见第十四章。

3、局部等电位联结和辅助等电位联结

作总等电位联结后，如果电气装置或其一部分在发生接地故障，其接地故障保护不能满足切断故障电路时间要求时，应在局部范围内作局部等电位联结，即将该范围内上述相同部分再作一次联结，以进一步减少电位差，其联结方法可用端子板汇接，当需联结部分少时，也可在伸臂范围内将可同时触及的导电部分互相直接联结，以实现辅助等电位联结，下文将举例说明。

关于不同等电位联结的具体设计和施工要求，详见中国建筑标准设计研究院出版的国标图册﹤等电位联结安装﹥

02D501-2。

白杨: 2005-9-5 9:43:00

二、ＴＮ系统

1、对保护电器动作特性的要求

ＴＮ系统的接地故障为金属性短路时，为防电击其保护电器的动作特性应符合下式要求

ＺsＩa≤Ｕo （15-1）

式中Ｚs──接地故障回路阻抗，Ω，它包括故障电流所流经的相线、PE线和变压器的阻抗，故障处因被熔焊，不计其阻抗；

Ｉa──保证保护电器在表15-1所列的时间内自动切断故障电路的动作电流，Ａ；

Ｕo──相线对地标称电压，在我国为220Ｖ。

当采用符合GB13539《低压熔断器》的熔断器作接地故障保护时，如接地故障电流Ｉd（1）与熔断体额定电流Ｉr的比值大于或等于表15-2所列值，则可认为符合式（15-1）要求。

表15-1 ＴＮ系统允许最大切断接地故障回路时间

回路类别允许最大切断接地故障回路时间（s）

配电回路或给固定式电气设备供电的末端回路5①

插座回路或给手握式或移动式电气设备供电的末端回路0.4②

○15s的切断时间考虑了防电气火灾以及电气设备和线路绝缘的热稳定要求，也考虑了躲开大电动机起动时间和故障电流小时保护电器动作时间长等因素。

○20.4s的切断时间考虑了总等电位联结减少接触电压的作用、相线与PE线不同截面比以及电源电压±10％偏差变化等因素。

表15-2 ＴＮ系统用熔断器作接地故障保护时的允许最小Id／Ir值

熔断体额定电流Ir（Ａ） 4～10 16～32 40～63 80～200 250～500

切断故障电路时间≤5s 4.5 5 5 6 7

切断故障电路时间≤0.4s 8 9 10 11 —

当采用瞬时或短延时动作的低压断路器作接地故障保护时，如接地故障电流Id与瞬时或短延时过电流脱扣器整定电流的比值大于或等于1.3，可认为符合式（15-1）要求。

2、一般环境中局部等电位联结应用示例

（1）当配电线路较长，故障电流较小，过电流保护动作时间超过表15-1规定值时，可不放大线路截面来缩短动作时间，而以作局部等电位联结或辅助等电位联结来降低接触电压，从而更可靠地防止电击事故的发生，如图15-5或图15-6所示（图中未表示相线）。

作局部等电位联结或辅助等电位联结后，各导电部分间故障时的接触电压大大降低，满足了防电击要求。为验证其安全有效性，可用式（15-2）进行校验

Zab

—- U0≤50V

ZS （15-2）

式中Zab──a、b两点间PE线的阻抗，Ω；

Ｚs──接地故障回路阻抗，Ω，它包括故障电流所流经的相线、PE线和变压器的阻抗，故障处因被熔焊，不计其阻抗；

Ｕo──相线对地标称电压，在我国为220Ｖ。

（2）如果同一配电盘既供电给固定式设备，又供电给手握式或移动式设备。当前者发生接地故障时，引起的危险故障电压将通过PE线蔓延到后者的金属外壳，而前者的切断故障时间可达5s，这可能给后者的使用者带来危险，如图15-7所示。

可用式（15-3）验算手握式或移动式设备上的接触电压，其值为图15-7中m-n段保护线的电压降

Ｚmn

△Ｕmn=——Ｕo≤50Ｖ

Ｚs （15-3）

式中Ｚmn──m－n段PE线的阻抗，Ω；

Ｚs──接地故障回路阻抗，Ω，它包括故障电流所流经的相线、PE线和变压器的阻抗，故障处因被熔焊，不计其阻抗；

Ｕo──相线对地标称电压，在我国为220Ｖ。

如果△Ｕmn超过50Ｖ，可放大导线截面使△Ｕmn小于50Ｖ，但更好的防电击措施是设置局部等电位联结，如图15-7

所示。这时接触电压只是故障电流分流在一小段局部等电位联结线m-BL-q段上的电压降，将大大小于50V。

3、相线与大地短路危害的防止

当相线与大地间发生直接短路故障时，由于故障点阻抗较大，故障电流Id较小，线路首端的过流保护电器往往不能动作，使Id持续存在。Id在电源的接地极上将产生电压降IdRB，此电压即电源中性点对地的故障电压。此故障电压将沿PEN线或PE线蔓延至用电设备的外壳上，如图15-8所示。

如果设备在无等电位联结的户外，而故障电压超过接触电压限值50Ｖ，将对人身构成危害，为此应使工作接地极的电阻RB与接地故障点电阻RE之比满足下式

RB 50

—≤——— (15—4)

RE UO－50

RB

当 UO为220V时—≤0.3

RE

为此应尽量降低RB以满足此条件或将户外部分改为局部TT系统。但如果设备在建筑物内，且作了总等电位联结，由于设备外壳和装置外导电部分以及地面的电位同时升高，基本上处于同一电位，这种自装置外进入的故障电压引起的电击危险将自然消除。

4、保护电器的选用

TN系统的接地故障多为金属性短路，故障点被熔焊，故障电流较大，可利用原来作过负荷保护和短路保护的过电流保护电器（熔断器、低压断路器）及时动作兼作接地故障保护，这是TN系统的优点。但在某些情况下，如线路长，导线截面小的情况，过电流保护电器常不能满足切断故障电路时间的要求，则采用漏电保护器作专门的接地故障保护最为有效。不论采用何种保护电器，都必须设置专门的PE线。

5、重复接地的设置