条文中电气设备使用特点是指设备是固定式还是手握式、移动式,导体截面在许多情况下决定故障回路阻抗,故列为需协调配合的一个方面。
第4.4.2条 切断故障电路是防人身间接电击的措施之一,但不是唯一的措施。如技术经济上不可能不合理时,还有其它措施可采用。采用其它措施后仍需切断故障回路,但这仅是为了防电气火灾等其它灾害。
第4.4.3条 按防电击保护的分级电气设备共分0、Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ四类,详见《电气安全名词术语》(GB4776-84)第3.3.2~3.3.5条规定。
人体受电击时安全电压限值UL为50V系根据国际电工委员会标准IEC479-1的规定。正常环境下当接触电压不超过50V时,人体可接触此电压而不受伤害。但为消除火灾危险IEC364-41标准切断接地故障电路的最大时间值规定为5s,详见本规范第4.4.6条的说明。
第4.4.4条 单一的切断接地故障保护措施因保护电器产品的质量、电器参数的选择和其使用中的变化以及施工质量、维护管理水平等原因,其动作并非完全可靠。且保护电器尚不能防止由建筑物外进入的故障电压的危害,因此IEC标准和一些技术先进的国家都规定在采用此种保护措施时,还应采取本条所规定的总等电位联结措施,以降低人体受到电击时的接触电压,提高电气安全水平。
条文中第三款对建筑金属构件的联结未作硬性规定,这是由于第二款中的金属管道与此等构件系指楼板钢筋,已有多处的自然接触而连通,而建筑金属构件的人工联结有时比较困难的缘故。
图4.4.4所示的建筑物作了等电位联结和重复接地,图中丁为金属管道、建筑物钢筋等组成的等电位联结,Bm为总等电位联结端子板或接地端子板,Zh及Rs,为人体阻抗及地板、鞋袜电阻,RA为重复接地电阻。由图可见人体承受的接触电压Uc,仅为故障电流Id在a一b段PE线上产生的电压降,与Rs的分压;b点至电源的线路电压降都不形成接触电压,所以总等电位联结降低接触电压的效果是很明显的。
图4.4.4 总等电位联结作用的分析
总等电位联结藉提高地电位和均衡电位来降低接触电压,它不是一项可有可无的电气安全措施。下面规定TN系统手握和移动式电气设备供电线路切断故障回路时间限值为0.4s,即是考虑了总等电位联结的作用而规定的。
IEC标准和一些技术先进国家的电气规范都将总等电位联结列为接地故障保护的基本条件。
第4.4.5条 总等电位联结固然能大大降低接触电压,如果建筑物离电源较远,建筑物内线路过长,则过电流保护动作时间和接触电压都可能超过规定的限值。
这时应在局部范围内作辅助等电位联结,图4。4.5-1为其中一例。图中双手承受的接触电压Uc为电气设备M与暖气片Ra之间的电位差;其值为a-b-c段PE线上的故障电流Id产生的电压降,由于此段线路较长,电压降超过50V,但因离电源远,故障电流不能使过电流保护电器在5s内切断故障。为保证人身安全应如图虚线所示作辅助等电位联结。这时接触电压降低为a-b段PE线的电压降,其值小于安全电压限值50V。
实际上,由于辅助等电位联结后故障电流的分流使Ra电位升高,接触电压将更降低。
也可将图中的Ra与M直接连接,如图4.4.5-2虚线所示,这时人体承受的接触电压仅 ,为故障电流的分流在R与M间等电位联接线d一e上产生的电压降,显然此值将小于50V。
图中Bm和BL分别为总等电位联结和辅助等电位联结端子板。
上例说明辅助等电位的目的在于使接触电压降低至安全电压限值50V以下,而不是缩短保护电器动作时间。
为使接触电压不超过50V,应使:
| 图4.4.5-1 辅助等电位联结作用的分析之一 | 图4.4.5-2 辅助等电位联结作用的分析之二 |
此处,R即公式4.4.5中的R,也即图4.4.5-1、图4.4.5-2中的a-b和d-e线段电阻,故障电流Id应大于或等于式4.4.5中的Ia,故:
| Ia·R≤50V R ≤ 50 / Ia |
第4.4.6条 本条按IEC标准364-4-41的规定对两个系统分别作出规定。
式4.4.6是保证保护电器在规定时间内切断故障的电流。这可作如下说明:
| 接地故障电流 Id = Uo / Zs 而 Id ≥ Ia 故 Uo / Zs ≥ Ia 即 Zs·Ia ≤ Uo |
Zs包括变压器阻抗和自变压器至接地故障处相线和PE(PEN)线的阻抗。因TN系统接地故障电流大,故障点一般被熔焊,故障点阻抗可忽略不计。
第4.4.7条 对供电给固定式设备的末端线路切断故障的时间规定为不大于5s,这是因为使用它时设备外露导电部分不是被手抓握住,发生接地故障时不论接触电压为多少它易于挣脱,也不易出现在发生接地故障时人手正好与之接触的情况。5s这一时间值的规定是考虑了防电气火灾以及电气设备和线路绝缘热稳定的要求,同时也考虑了躲开大电动机起动机起动电流以及当线路长、故障电流小时保护电器动作时间长等因素,因此5s值的规定并非十分严格。本条第一款对5s的规定采用了“宜”这一严格程度用词。
供电给手握式和移动式电气设备的末端配电线路,其情况则不同。当发生接地故障时,人的手掌肌肉对电流的反应是不由意志的紧握不放,不能迅速脱离带电体,从而长时间承受接触电压。按IEC标准479-1规定的数据如不及时切断故障将导致心室纤颤而死亡。另外,这种设备容易发生接地故障,而且往往在使用中发生故障,这就更增加了危险性。IEC标准364-41修改文件规定,各级电压的手握式和移动式设备供电线路切断故障的允许最大时间为一相应的定值。对于220/380V的电气装置,此时间值为0.4s,确定此值时已计及了总等电位联结的作用、PE线与相线截面自1:3到1:1的变化,以及线路电压偏移等影响。这一修改大大简化了设计工作。
第4.4.8条 为进一步简化设计,按熔断器产品标准JB4011提供的刀型触头式、螺栓连接式、圆筒型帽式、螺旋式熔断器数据规定了接地故障电流Id与熔体额定电流In的最小比值,如规范条文中表4.4.8-1、表4.4.8-2所示。
第4.4.9条 如果在TN系统中,一配电盘既供电给固定式设备,又供电给手握式和移动式设备,当固定式设备发生接地故障时,因TN系统内PE线连通整个电气装置,故障引起的危险对地电压将通0 过它蔓延到所有手握式和移动式设备的金属外壳,
而固定设备切断故障电路的时间允许达5s,这给正在使用手握和移动设备的人带来很大危险。为保证安全,固定式设备也需按不大于0.4s的要求切断电路,其结果是不少线路将放大线芯截面,第4.4.9条规定了另外两个解决办法,其一是使自配电盘至总等电位联结回路一段PE线的阻抗不大于50/Uo·Zso这可用图4.4.9来说明。图中固定设备M发生接地故障,其故障电压沿PE线蔓延至移动式设备上。人体承受的预期接触电压等于图中PE线上m一n段的电压,其值要求不大于50V。设Zs为故障回路阻抗,Id为接地故障电流,Uo为相线对地电压,Zmn为PE线上m一n线段的阻抗,△Umn为m-n段电压降,则应使
| Zmn △Umn = ─── Uo ≤ 50V Zs 50 Zmn ≤ ─── Zs Uo |
另一措施是将在该局部范围内作局部等电位联结,以消除或降低外露可导电部分的电位,如图中虚线所示。也可将设备外露可导电部分与装置外可导电部分用等电位联结线直接相连。
第4.4.10条 用一般的过电流保护(熔断器、低压断路器)兼作接地故障保护最为经济简单,应优先采用。如过流保护不能满足式4.4.5要求时,采用漏电电流保护最为有效,但必须设置专用的PE线,其费用较大,施工麻烦。如果零序保护灵敏度足够,为节约投资,可采用零序保护,其缺点是需躲过不平衡电流,与漏电保护相比灵敏度不够高,且不能用在单相配电线路上,IEC标准已不列入零序保护,但从我国技术水平、经济条件和设计习惯考虑,仍列入规范中。
第4.4.11条 TT系统的故障回路阻抗包括变压器相线和接地故障点阻抗以及外露导电体接地电阻和变压器中性点接地电阻。故障回路阻抗大,故障电流小,且其故障点阻抗是难以估计的接触电阻。因此TT系统故障回路阻抗和故障电流是难以估算的,它不能用TN系统的公式(式4.4.6)来验算保护的有效性。IEC标准365-4-41列出了如式4.4.11的验算公式,从式可知保护动作的条件是当外露导电体对地电压达到或超过50V时保护电器应动作,这时的故障电流Id应大于保护电器的动作电流Ia,即:
| Id = 50 / RA ≥ Ia RA·Ia ≤ 50V |
在切断接地故障前,TT系统外露导电体呈现的对地电压仍然超过50V,因此仍需按规定时间切断故障,当采用反时限特性过电流保护电器时,应在不超过5s的时间内切断故障,但对于手握式和移动式设备应按接触电压来确定切断故障时间,这实际上是难以做到的。所以TT系统通常采用漏电电流动作保护。TT系统接地型式见图4.4.11。
注:IT系统--在此系统内,电源有一点与地直接连接,负荷侧电气装置外露可导电部分连接的接地极和电源的接地极无电气联系。其定义应符合现行的国家标准《交流电气装置接地设计规范》的规定。
图4.4.11 TT系统接地型式
第4.4.12条 TT系统内由同一保护电器保护范围内的各设备外露可导电部分应用PE线接至共用的接地极上,即通过PE线将设备外露导电体分片连通,这样可限制故障电压经PE线蔓延的范围,做到这点实际上可能遇到困难,因此本条不作硬性规定。
第4.4.13条 IT系统有两种型式,即电源中性点对地绝缘或经接地阻抗(约1000f1)接地,正常工作的IT系统如一相发生接地故障(被称作第一次接地故障),中性点对地绝缘的IT系统的故障电流决定于另外二相非故障接地相的对地电容值;中性点经接地阻抗接地的IT系统的故障电流则受接地阻抗的限制。因此这二种接地故障电流和故障电压(式4.4.13中的RA、Id)都不超过50V,不需切断故障电路,只作用于信号,以保持供电的不中断。这时运行人员应及时排除第一次接地故障,否则当另一相再发生接地故障时(被称作异相接地故障或第二次接地故障)将发展成相间短路,导致供电中断。
接地故障是配电线路最常见的故障,IT系统第一次接地故障时不切断故障线路,是此系统最大优点,为保证人身安全,它要求发生接地故障时发出信号,装置内的接触电压不大于50V,即如式4.4.13所示:
RA·Id≤50V
为达到此要求,应减少配电系统的对地电容,例如限制装置线路总长度。
注:IT系统--在此系统内,电源与地绝缘或一点经阻抗接地,电气装置外露可导电部分则接地。其定义应符合现行的国家标准《交流电气装置接地设计规范》的规定。
IT系统接地型式见图4.4.13。
图4.4.13 IT系统接地型式
第4.4.14条 外露可导电部分单独接地的IT系统,如两次接地故障都发生在同一相,对人身并不构成危险,如发生在异相,则故障电流经二个接地极电阻形成回路,其保护要求和TT系统相同,如图4.4.14-1所示。
图4.4.14-1 异地接地故障情况分析之一
当外露可导电部分采用共同的接地极时,故障电流不经接地极,而经PE线构成回路,其保护要求和TN系统相同,如图4.4.14-2所示。
图4.4.14-2 异地接地故障情况分析之二
第4.4.15条 异相接地故障保护对动作电流Ia的要求如式4.4.15-1及式4.4.15-2所示,式中的两个接地故障系发生在同一配电系统内不同回路的不同相上。
第4.4.16条 IT系统配出N线时,如果N线对地短路,线路绝缘监察器不能发出信号,无法发现故障。因N线的接地,此IT系统将按TT系统运行,如图4.4.16所示。如再发生相线接地故障,则成为非电容性的接地故障,但线路保护不能切断此故障电路,此时危险故障电压和对地电弧、电火花都可能发生,故IT系统不宜配出N线。
图4.4.16 IT系统N线对地故障分析
第4.4.18条 漏电电流动作保护器保护范围内的用电设备外露可导电部分如果不作接地,则接地故障电流需经人体形成回路,其值主要决定于人体和地面电阻,它可能在很大范围内变化,而漏电电流动作保护器的额定动作电流也可在很大范围内选定。在某些情况下可能因种种原因而不能可靠动作。即便能可靠动作,人体不可避免地将遭受一次电击,即使没有生命危险,也非上策。另外,如发生接地故障,在人体触及外露可导电部分前,对地故障电压将持续存在,成为事故隐患。例如因对地放电,产生电弧、电火花而引起火灾等,所以漏电电流动作保护器所保护的线路及设备的外露导电体应予接地。
第4.4.19条 TN系统内安装漏电电流动作保护器如第4.4.19条所举的两种方式,图4.4.19-1及图4.4.19-2分别表示第一款和第二款所述的方式。第二款所述的局部TT系统的方式显然更为安全可靠,它的外露导电体系用专设的接地极接地,其PE线不与局部TT系统以外的PE线相连通,所以不存在局部TT系统以外危险故障电压沿PE线窜入的问题。但它需设置单独接地极,在许多情况下常常难以做到。
图4.4.19-1 漏电电流动作接线之一
第4.4.20条 IT系统采用漏电电流动作保护时,其不动作电流I△no。如不大于第一次接地故障时相线内流过的接地故障电流,则在发生第一次接地故障时就可能误动作。
图4.4.19-2 漏电电流动作接线之二
