住宅家居配电设计关键问题探讨

2021-05-13雷明海

现代建筑电气 2021年4期

关键词：插座电位短路

雷鸣, 何钦, 雷明海

(武汉市政工程设计研究院有限责任公司, 湖北武汉 430023)

0 引言

目前,与住宅相关的现行国家和地方标准、图集多达270余本。住宅设计一直是工程设计领域的重头戏,电气设计人员将住宅家居配电设计做到尽善尽美,是需要思考和努力的方向[1-3]。本文结合设计经验,对家居配电设计的几个关键问题进行剖析。

1 安全实用的设计思路

家用电器是人们日常居家生活的必需品,配电设计应结合电器设备功能、位置、功率等因素综合考虑后布置电源插座。

某户型图及其家居配电插座位置示意图如图1所示。部分常用家用电器插头及插座配置如表1所示。

表1 部分常用家用电器插头及插座配置

因此,家居配电设计应充分考虑实用、安全、使用方便等因素,在满足JGJ 242—2011《住宅建筑电气设计规范》等要求的同时,还应注意以下方面问题。

(1) 对于季节性使用的家用电器(如空调)和周期性频繁使用的家用电器(如电饭煲、电视机、电热水器等),如果长期通过插座连接在电气线路上,会产生少量的待机电能损耗,若使用时每天插拔插头又比较麻烦。对于这类电器,可采用自带开关的插座,就能安全、便捷地对电源进行开合控制,既能有效节约能源,又能安全使用家用电器,延长电器使用寿命。

(2) 考虑到现今居民防盗意识普遍较强,应在进门处(图1中插座A)和客餐厅吊顶适当位置(图1中插座J)布置插座,以方便为智能化猫眼和监视器充电或就近提供电源。

(3) 通常家居多媒体箱内设有光猫和路由器等弱电设备,应在箱内设置插座(图1中插座B)。考虑到防盗需求,住宅内无线局域网应时刻在线。同理,冰箱因长期存放食物,也应时刻保持通电状态。因此,可考虑将电源插座1、B、J单独设为同一回路,并时刻保持其断路器处于合闸状态。

图1 某户型图及其家居配电插座位置示意图

(4) 应提前了解家用电器的电源线出口方向和位置,如智能马桶盖电源线出口均在右侧,因此在面对坐便器的左侧墙上布置插座(图1中插座10)是一种合理的选择。

(5) 家用电器中固定设备多为具有金属外壳(有一层绝缘)、有经PE线接地手段的Ⅰ类设备,这类电器通常位置固定,有专用的电源插座,其他电器多为具有双重绝缘、外形尺寸和功率都较小的Ⅱ类设备。这类设备通常可随意移动,其配置两脚插头,因此在客餐厅、卧室插座选择上应考虑多使用四孔插座(即一个插座面板能同时插两个两脚插头),以提高插座使用率。

(6) 厨房内用电设备较多且通常较为潮湿,若设单一配电回路,剩余电流动作保护器(RCD)可能因家用电器正常泄漏电流较大而误动作,此时可适当增加厨房配电回路数量,降低每一回路的泄漏电流值至额定剩余动作电流值以下,以防误动[4-7]。

(7) 考虑到孩童天性顽皮,在家中爬梯登高者不在少数,其活动高度不仅局限于1.8 m以下,建议全房插座均使用带保护门的安全插座,挂式空调也应使用RCD。

2 防电气火灾

据统计,2019年全国共发生火灾23.3万余起,城乡居民住宅火灾占火灾总数的44.8%,而住宅火灾中因电气原因引发的火灾占比高达52%。

2.1 短路

短路产生高温引燃附近可燃物是引起电气火灾的最主要原因之一。在日常生活中,造成住宅电气线路发生短路的原因主要有以下方面。

(1) 机械损伤导致线芯外露造成短路。如果电气线路未采用套管保护,受外力碰撞、挤压时会导致绝缘层损伤、线芯外露,当接触不同电位导体时会发生短路。

(2) 电气线路因过载等原因导致绝缘水平降低、绝缘被破坏而造成短路。过载引起短路并造成火灾的演变过程如图2所示。通常,当电气线路通过正常负载电流时,线芯的工作温度不超过其允许工作温度(70 ℃),在此状态下线路正常使用,使用寿命即为其正常寿命。如果线路过载,工作温度会超过70 ℃,若长期处于此状态下,则线路绝缘层会加速老化,绝缘水平会逐步降低,直至绝缘层被破坏从而造成短路。因此,过载是短路的先兆,而短路是引起电气火灾的一个主要原因。

图2 过载引起短路并造成火灾的演变过程

2.2 连接不良

导体之间连接分固定连接和活动连接。固定连接是电气设备接线端子与线路、线路与线路之间的连接,属于永久性连接;活动连接是开关电器触头之间、插头与插座之间的连接,属于临时性连接。以上两种连接都存在因连接不良产生电火花、高温进而引发电气火灾的可能性[8-10]。

2.3 电气设备布置不合理

有些电气设备(如金卤灯等照明灯具)正常工作时会产生高温,甚至冷光源灯具本身工作温度不高,但其电气附件如镇流器等也产生高温。此类设备布置位置不合理,离可燃物太近,即使正常使用时也能引燃可燃物而造成火灾。

因此,为有效防范电气火灾,在家居配电设计时应注意以下方面[11-13]。

(1) 所有电气线路应穿管暗敷设在顶棚、墙体、地面等结构体中,采取有效机械保护措施,防止线路受机械损伤。

(2) 插座布置应考虑用电安全。在客厅、卧室每面墙上均布置2～3组插座,使每两组插座之间距离小于3 m,避免使用插座接线板这类既无机械保护又容易过载的电气设备。

(3) 明确导体的连接应具有足够的接触面和接触压力。

(4) 严格按照GB 50016—2014(2018年版)《建筑设计防火规范》第10.2.4条执行,当开关、插座和照明灯具靠近可燃物时,应采取隔热、散热等防火措施。同时,不将配电箱布置在进门处鞋柜之类家具内,也不在衣柜之类家具内设置照明灯具。

3 人身用电安全

3.1 电流通过人体时的效应

当人体接触不同电位的导电体时,即有电流流经人体,随着此电流大小和持续时间的不同,其在人体产生的效应也不同。如在医疗行业,极微量的电流通过人体能用于诊断和治疗,但当通过人体的电流超过一定的阈值,则会带来可怕的后果。家居生活主要使用交流电源,人体遭受电击时电流的常见路径为手到双脚,而电击引起的致命事故的主要原因是引起心室纤维性颤动。考虑到心脏位于人体左侧,因此以电流路径为左手到双脚的交流电流(15～100 Hz)对人体效应的时间-电流关系来加以说明。

电流路径为左手到双脚的交流电流(15～100 Hz)对人体效应的时间-电流关系如图3所示。

图3 电流路径为左手到双脚的交流电流(15～100 Hz)对人体效应的时间-电流关系

对时间-电流关系图的简要说明如表2所示。

表2 对时间-电流关系图的简要说明

图3中,直线a与横坐标交叉点0.5 mA即为反应阈值,定义为能引起肌肉不自觉收缩的接触电流的最小值,该值与电流通过人体的持续时间无关;折线b不受持续时间限制与横坐标交叉点为5 mA,IEC将此电流值确定为适用于所有人的摆脱阈值,即人体手握带电导体能自行摆脱时接触电流最大值,即接触电流超过此值,则受电流影响人体不能自主地活动,出现活动抑制这一电流效应。

由图3和表3可以看出,如果通过人体的电流和持续时间出现在AC-4区域,则人体就有受到电损伤甚至死亡的危险,但曲线c是在实验室规定的条件下得到的,实际生活中应为外界条件变化留有余量。因此,将曲线c1左侧一段距离不受时间限制与横坐标交叉点为30 mA(虚线)定义为RCD的额定剩余动作电流值,只要通过人体的电流小于30 mA,人体就不至于因发生心室纤维性颤动而致死。

值得注意的是,在任何潮湿环境下引发心室纤维性颤动的接触电流值均为30 mA,因此浴室等特别潮湿环境下配电回路选用的RCD额定剩余动作电流值IΔn仍为30 mA,若IΔn选用10 mA,则会导致断路器频繁跳闸和不必要的投资浪费。

3.2 等电位联结的作用

GB 50368—2005《住宅建筑规范》第8.5.7条规定,住宅配电系统的接地方式应可靠,并应进行总等电位联结;JGJ 242—2011《住宅建筑电气设计规范》第10.2.1条规定,住宅建筑应做总等电位联结,装有淋浴或浴盆的卫生间应做局部等电位联结;GB 50096—2011《住宅设计规范》第8.7.2条第5款规定,设有洗浴设备的卫生间应做局部等电位联结。本文以TN-C-S系统为例,将故障状态下设置重复接地、总等电位联结、局部等电位联结等不同情形对应的等效电路图绘制出来加以说明。TN-C-S系统在接地故障状态下不同情形的接触电压如图4所示。图4中,ZL、ZPE、ZPEN分别为相线、PE线、PEN线阻抗(阻值为毫欧级),Zt为人体总阻抗(为人体内阻抗与皮肤阻抗的矢量和,根据人体所处环境、接触电压、接触表面积、电流路径不同,阻值范围从千欧至万欧甚至十万欧不等),Rs为鞋袜和地板电阻(阻值为百欧级),RA为重复接地电阻(阻值设为10 Ω),RB为变电所接地电阻(阻值设为4 Ω)。

图4 TN-C-S系统在接地故障状态下不同情形的接触电压

(1) 由图4知,TN-C-S系统在电源进线配电箱处PEN线分PE线和N线,当发生接地故障时,故障电流Id将流经电器外壳后返回电源点,若未设置重复接地,考虑(Zt+Rs+RB)≫(ZPE+ZPEN),(Zt+Rs+RB)对(ZPE+ZPEN)的分流作用忽略不计,根据欧姆定律Id=U0/(ZL+ZPE+ZPEN),此时人体预期接触电压Ut=Id(ZPE+ZPEN)。

(2) 若设置重复接地,如图4(b)中虚线所示,RA与RB串联后再与ZPEN并联,RA上电压即为ZPEN上电压的分量,即IdZPENRA/(RA+RB),则人体预期接触电压Ut1=IdZPE+IdZPENRA/(RA+RB),Ut1

(3) 若设置总等电位联结,加在PEN上的电压已在总等电位联结范围以外,人体预期接触电压值与其无关,此时人体预期接触电压即为加在PE线(a-b)上的电压,即Ut2=IdZPE(a-b),Ut2

(4) 若设置局部等电位联结,加在PEN上电压在总等电位联结范围以外且加在PE线(c-b)上的电压也在局部等电位联结范围以外,此时人体预期接触电压仅为加在PE线上(a-c)的电压,即Ut3=IdZPE(a-c),Ut3

由分析得出,Ut3

3.3 局部等电位联结的现状

通过上述分析,了解到使用家用电器所面临的危险及其原因,尤其是在浴室内使用电热水器时若发生接地故障甚至会有生命危险。然而众多住宅项目中得到的反馈是:21世纪初期,国家政策法规及监管不完善,施工单位钻空子,认为局部等电位联结是无用之物,在工程施工阶段即将图纸上设计的局部等电位联结端子板取消,有的虽经后期整改加以补充,但实际效果大打折扣。近年来,在国家政策法规、监管到位的情况下,工程验收毛坯房交付时,局部等电位联结端子板及接地电阻测试都能到位,但99%住户在装饰施工时将其废弃掉,殊不知一旦发生电击事故,将带来严重后果。

3.4 浴室局部等电位联结的做法

IEC标准定义联结是“为实现电位相等而进行的连接”,即采用导线将多个可导电部分互相连通起来,使其电位相等或接近。联结也是一种连接,但其作用是传递电位,因此局部等电位联结线(LEB线)的截面选择比供电电缆线芯中的PE线要小得多。另外,LEB线与可导电部分的联结方式也多种多样,如卡子、抱箍、压接、焊接、熔接、螺栓连接等。根据国标图集15D502,浴室局部等电位联结做法如图5所示。局部等电位联结做法的具体应用如图6所示。