（浙江建院建筑规划设计院 浙江杭州 310000）
摘要：低压配电系统电击防护的电气设计是低压配电系统安全防护极为重要的部分。加深理解采取电击防护的缘由和各种防护措施的原理对电气设计大有裨益，本文对这些问题进行深入探讨。
关键词：低压配电系统；电击防护
一．电击概念
什么是电击，电击（触电）在GB 14821.1-93《建筑物电气装置：电击防护》中的定义是：“电流通过人体或牲畜体而引起的病理-生理效应”。通俗的说，触及具有不同电位的两个导电部分时，由于两部分之间存在电位差，而人体本身是导电的，从而产生流经人体路径的电流，这种接触称为“触电”。就通过人体的一条给定的电流通路而言，触电对人的危险主要取决于电流的数值和通电时间。电流的大小、时间的长短不同，人体会产生相应的生理反应。电流较小，持续时间较短时，能感知电流的存在，有痛觉。随着接触电流的增大，电流持续时间的增长，会出现不自主的肌肉收缩。随着情况的加剧，会出现呼吸困难，血压上升，心房纤维性颤动，瞬时的心律紊乱，活动被抑制等情况。更严重的情况，会产生病理-生理效应（如心脏停博、呼吸骤停、可见的皮肤烧伤和内部伤害、细胞击穿、心室纤维性颤动等），这种触电称为“电击”。
值得注意的是，心脏停博、心室纤维性颤动等生理反应往往是致命的。实际生活中，意外触及正常工况下电气设备的裸露导电部分，电气设备非裸露导电部分的绝缘损坏等都是造成电击事故的原因。因此作为一名电气设计从业人员，在工程设计过程中，采取必要电击防护设计，能预防和避免电击事故的发生，保障电气设备操作人员的安全。
二．低压配电系统电击防护措施
电击防护的基本原则是危险的带电部分必须不可触及，而可触及的带电部分在正常情况下或单一故障的情况下必须不带危险电位。无论是IEC标准或是GB规范，都对低压配电系统的电击防护做出了规定。
GB50054-2011《低压配电设计标准》中，将电击防护分为基本防护及故障防护。基本防护措施又称直接接触防护措施，是无故障条件下的电击防护。主要采取的措施包括带电部分的基本绝缘、遮拦或外护物、阻挡物、将带电部分置于伸臂范围之外等措施。故障防护措施又称间接接触防护措施，是单一故障条件下的电击防护。主要采取的措施包括自动切断电源、双重绝缘或加强绝缘、向单台用电设备供电的电气分隔、采用特低电压系统等措施。
三．接地系统
3.1接地系统型式
不同的接地型式，电击防护的要求也有所不同。低压配电系统的接地型式包括TN（TN-C、TN-S、TN-C-S）系统，TT系统及IT系统，参见图1~5。
TN-C系统N导体和PE导体合用，节约1根导体，但安全水平低，不能装设RCD，对信息系统和电子设备干扰较大，实际设计中较少采用。TN-C-S和TN-S系统相似，PE导体正常情况无电流通过，电位接近地电位，不会对信息系统和电子设备造成干扰，常用于各类民用及工业建筑中，是主要采用的低压配电系统接地型式。
TT系统电源侧和负荷侧接地装置分开，电源测接地故障不会导致负荷侧外露可导电部分出现故障电压，防电击可靠性优于TN-S系统，常用于户外场所。
IT系统接地故障电流小，故障电压很低，不至引起电击危险，供电连续性和安全性最高，但系统故障防护和维护较复杂，一般用于医院手术室等有不间断供电要求的特殊场所和特殊装置。
3.2接地系统兼容性
同一电源供电的不用建筑物可分别采用TN和TT系统，同一建筑物内宜采用TN系统或TT系统中的一种。TN与TT系统的第一个字母均为T，其表示的含义是“电源的一点（通常是中性点）与大地直接接地”，这是TN与TT系统具有兼容的必要条件，例如由建筑物TN系统供电的户外用电设备采用局部TT系统。TN系统负荷侧接地是通过与接地的电源侧中性点连接而接地，TT系统负荷侧保护接地和电源侧中性点接地是分开设置的，故不论设计或施工，同一建筑物内实施TN与TT的兼容是比较困难的。
图1：TN-C系统
同一电源供电范围内IT系统不能与TN或TT系统兼容，同一建筑物内IT系统可以与TN系统或TT系统兼容，例如由建筑物TN系统供电的医院手术室用电设备采用局部IT系统等。
四．一般场所或装置的电击防护
日常设计中，较常用的电击防护措施是基本防护采用基础绝缘防护措施，故障防护采用自动切断电源和总等电位联结防护措施，附加防护采用RCD保护和辅助等电位联结防护措施。
4.1自动切断电源和总等电位联结
一般场所的安全特低压系统的额定电压不超过交流方均根值50V或无纹波直流120V。在室内干燥环境下低压配电系统发生接地故障，当接触电压不超过交流50V时，人体接触此电压不会受伤害。GB50054-2011《低压配电设计规范》规定：“在使用Ⅰ类设备、预期接触电压限值为50V的场所，当回路或设备中发生带电导体与外露可导电部分或保护导体之间的故障时，间接接触防护电器应能在预期接触电压超过50V且持续时间足以引起人体有害的病理生理效应前自动切断该回路或设备的电源。”正如规范所言，在足够短的时间内，通过自动切断电源的方式，可以减少系统故障时间，不仅可以保护线路和设备绝缘，延长线路和设备使用寿命，也是保障人体安全的重要措施。
顾名思义，等电位联结是为了多个可导电部分间为达到相同电位进行的联结，而保护等电位联结是将总保护导体、总接地导体或总接地端子、建筑物内的金属管道和可利用的建筑物金属结构等可导电部分连接到一起。等电位联结可以更有效地降低接触电压值，还可以防止由建筑物外传入的故障电压对人身造成危害，提高电气安全水平。外露可导电部分是电气装置上可触及的可导电部分，它在正常情况下不带电，基础绝缘损坏时带电。为了达到保障人体安全的目的，采用保护接地线，将可能同时触及的外露可导电部分单独的、成组的连接到共用接地系统，使自动切断电源的电器满足切断时间的要求。
4.2剩余电流动作保护器（RCD）和局部等电位联结
一般情况自动切断电源防护采用过电流保护电器即可满足功能要求，但有些情况例如过电流保护电器内部故障、接地故障电流偏小导致灵敏度不够等，自动电源切断电源防护不一定能可靠动作。据统计断路器90%的故障跳闸是接地故障所导致，但接地故障并不都能令断路器跳闸，这给人体的安全造成极大的隐患。为此采取RCD做附加防护措施很有必要。剩余电流动作保护器和过电流保护电器的原理不用，它是基于基尔霍夫定律，即电流流入同一节点之和等于零。它由互感器单元和脱扣器单元组成，通过互感器检测流过导体的电流总和是否超过限值，超过限值则控制脱扣器动作。值得注意的是选择RCD剩余电流动作值时应避开线路本身的漏电电流，末端保护的剩余电流动作值一般取IΔn ≤ 30mA，使用RCD时只能作为附加防护，不能作为直接接触防护措施，因为即使采用5IΔn的瞬时动作值0.04s时间内切断电源，也不能保证人体的绝对安全。
已经设置自动切断电源防护措施的低压配电线路，本回路未发生故障，由于其它回路的故障，故障电压会通过PE线的传导，导致本回路外露可导电部分也出现故障电压，但是故障电流没有在该回路内未形成通路，保护电器不会动作，如果接触电压超过限值，一旦人体接触，有可能发生电击事故，因此我们需要采取附加辅助等电位联结措施，式R ≤ 50/IA可校验辅助等电位联结的有效性。
4.3动作特性
低压配电系统采取自动切除电源的防护措施时，不同的接地系统保护电器需满足不同的动作特性。
TN系统配电线路间接接触防护电器的动作特性：ZS * IA ≤ U0
TT系统配电线路间接接触防护电器的动作特性：RA * IA ≤ 50V
IT系统带电部分对地绝缘或高阻抗接地，第一次故障时为故障电流为线路对地电容电流，其值较小，外露可导电部分故障电压如限制在交流50V以下，则不需切除电源，系统设置绝缘监测装置，第一次故障时发出报警信号以便及时排除故障。第二次故障时则类似TT系统。
在IT系统配电线路中，当发生第一次接地故障时，RA * Id ≤ 50V；当IT系统不配出中性导体时，当发生第二次接地故障时，保护电器动作特性：ZC * IE ≤（√3/2）UO；当IT系统配出中性导体时，当发生第二次接地故障时，保护电器动作特性：ZD * IE ≤（1/2）UO
注：ZS ——接地故障回路的阻抗（Ω）；IA——保证间接接触保护电器在规定时间内切断故障回路的动作电流（A）；U0——相导体对地标称电压（V）；RA ——外露可导电部分的接地电阻和保护导体电阻之和（Ω）；Id——相导体和外露可导电部分间第一次接地故障的故障电流（A）；ZC——包括相导体和保护导体的故障回路的阻抗（Ω）；ZD——包括相导体、中性导体和保护导体的故障回路的阻抗（Ω）；IE——保证保护电器规定的时间切断故障回路的电流。
4.4可靠性
以TN系统为例，接地故障保护是否有效，取决于PEN或PE导体对地的可靠连接。PE线全称保护接地线，它还有一个名称叫作生命线，通过PE线，电气设外露可导电部分例如金属外壳和电源测中性点接地形成有效通路。电气装置基础绝缘损坏时发生触电，由设备外壳和PE线构成的接地回路分担了大部分接地故障电流，只有少量接地故障电流流经人体进入大地，在一定时间内能保障人体的安全。仔细观察日常生活中的细节，许多我们常用的家用电器如电饭煲、冰箱等等，正是采用了三孔插头+三孔插座的形式，通过生命线保障我们生命安全。除此之外，PE线重复接地，采取合格优质的电气产品、优化布置电缆路径、合理选择保护电器动作电流值也能提高保护可靠性。
4.5灵敏度
笔者举一例工作中的实例。GB50055-2011《通用用电设备配电设计规范》中规定：交流电动机应装设短路保护和接地故障的保护。日常设计中，一般在控制箱内设置出线断路器，作为风机、水泵的三相短路保护兼做单相接地故障保护，有专家提出疑问，某大地下室防火分区配电小间内设置动力总箱，距离配电小间较远处设置风机、水泵控制箱，当回路发生单相接地故障时，能否满足接地故障保护要求？
TN-S系统间接故障保护电器动作特性需满足ZS * IA ≤ U0，利用PE线构成故障保护回路，供电线路过长，导致故障回路总阻抗ZS太大，故障电流IA 偏小，如果小于或接近断路器过电流保护额定电流，断路器动作灵敏度不够不动作，故障回路将持续存在。采取降低故障回路阻抗，提高故障电流值的措施都能提高保护灵敏度。经济性和功能性综合考虑，设计中在设备处采取就地增加总等电位端子箱以减少故障回路长度，选用比额定电流大一级的电缆以减小回路总阻抗，采用断路器短延时脱扣器代替瞬时脱扣器以减少过电流保护额定电流。
五．特殊场所或特殊装置的电击防护
随着生活水平的提高，科技的成熟，越来越多的智能家电、高科技产品走进了千家万户，家庭年平均用电量也逐年攀升，那么安全使用电气设备显得尤为重要。对于一些特殊场所或特殊装置例如淋浴房、游泳池、医院手术室等等，发生电气事故的危险性比较大，一般的电气安全措施不能完全适应这些情况，对电气安全提出了更高的要求。特殊场所或特殊设备，采用针对性的措施，例如双重绝缘或加强绝缘、向单台用电设备供电的电气分隔、采用特低电压系统等，能更加有效的防止电击事故的发生。
六．结束语
综上所述，加强自身学习，加深理解采取电击防护的缘由和各种防护措施的原理，掌握各种场所对应的电击防护措施，提升电击防护措施的可靠性和灵敏度，对电气设计工作大有裨益。
参考文献：
[1]王厚余.《低压电气装置的设计安装和检验》.中国电力出版社，2012.
[2]王厚余.《建筑物电气装置600问》.中国电力出版社，2013.
[3]GB 50054-2011《低压配电设计规范》.中国计划出版社，2012.