从TN-S系统的防电击保护谈施工现场安全用电

广东利通置业投资有限公司 黄日明

随着建筑施工的机械化与自动化程度不断提高，越来越多的电气设备投入到施工现场中，由于施工现场的用电环境比较复杂、临时性强、用电设备经常移动等因素，安全用电风险较大。随着国家安全生产管理的发展和健全、施工供用电规范的实施，触电伤害逐渐减少。从住建部近年统计数据看，触电伤害已不再是建筑施工中的前五大伤害，但施工现场用电安全仍然任重道远。建筑施工现场一般采用TN-S 供电系统，接地故障是引发电击伤害的常见故障。

1 采用TN-S 型式的临电供电系统

低压配电系统按接地型式分有IT 系统、TT 系统和TN 系统，其中TN 系统中根据中性线（N）和保护接零（PE）的不同组合情况又分为TN-C、TN-C-S、TN-S 三种接地型式系统。在这几种供电系统中，TN-S 系统的安全性能最好，安全要求高的场所一般都采用TN-S 系统，所以《施工现场临时用电安全技术规范JGJ46-2005》（下称《临电规范》）明确规定建筑施工现场临时用电须采用TN-S 系统，同时明确了建筑施工现场供电三大原则：三级配电、二级保护、TN-S 接零保护。

图1中总配电箱、分配电箱和开关箱组成了三级配电系统，二级保护是指设在开关箱处的K3和总配电箱处的K1形成的两级RCD 漏电保护。图中RB为变压器中性点工作接地，RB≤4Ω，RC1为PE 线在总配电箱处的重复接地电阻，由于总配电箱与变压器一般同时设在变电所内或设在相近的位置，所以一般RC1与RB共用接地极，也就是RC1=RB，RC为PE 线在配电系统中的重复接地电阻，RC≤10Ω。

图1 建筑施工现场典型临电供电系统示意图

2 接地故障与防电击保护措施分析

单相接地故障是供电系统中最常见也是最容易引起触电伤害的电气故障，它是电源线中一个相线（火线）由于绝缘破损、脱落等原因与设备外壳接触，使设备外壳可导电部分带电，人触摸到带电部分会引起人体触电。当图1所示临电供电系统末端设备处于正常供电状态时，K1～K3为导通状态，由于RC1=RB，在进行故障电路分析时可忽略RC1，设Ut是人体的接触电压，Zt是人体的阻抗，鞋袜和地板的电阻为Rs，临电供电系统的单相接地故障如图2。

图2 临电系统单相接地故障示意图

2.1 保护措施1：通过PE 线降低人体接触电压Ut

据图2分别画出PE 线断线（或没有PE 线保护）的故障等效电路图3和有PE 线并且PE 线作了重复接地的故障等效电路图4。从图3可看出，相线跟设备金属外壳接触后，由于没有PE 线则故障相线没有回流到变压器的电流回路，既没有短路电流也没有漏电电流流过前端的保护开关K1～K3，故障回路不能自动切除。这时接触电压Ut等于设备电源端的电压，即Ut=220V。

图3 PE 线断线接触电压

图4 PE 线接零保护接触电压

图4由于有PE 线，短路电流Id 经PE 线回流至变压器低压侧而形成电流回路。图4中的ZL、ZPE分别为相线和PE 线的阻抗（忽略变压器阻抗），其中ZPE1为分电箱处重复接地点到电源侧PE 线的阻抗，ZPE2为分电箱处到用电设备段PE 线的阻抗。因为在工频电路中，Zt+Rs、Rc、RB为若干千欧计，而ZPE、ZPE1、ZPE2为若干毫欧计，所以Zt+Rs、Rc、RB对ZPE的分流作用可忽略不计，则故障电流Id的计算公式为Id=UL/ZL+ZPE1+ZPE2。

另图4中可看出，Rc与RB串联再与ZPE1并联，也即Rc上的电压降为ZPE1上的电压降的分压，人体预期接触电压Ut’为ZPE2和Rc上电压降之和，即Ut’=Id×ZPE2+Id×ZPE1×RC/(RB+RC)。以一个常见的供电线路为例，分配电箱前使用VV-(4×95+1×50)电缆150米，分电箱到用电设备使用VV-(4×35+1×16)电缆30米，忽略变压器和线路阻抗，有ZL=0.045Ω，ZPE1=0.058Ω，ZPE2=0.035Ω，Rc=10Ω，RB=4Ω， 代入以上两式得出：Id=1594(A)，Ut’=122(V)。

从以上计算过程可看出：通过PE 线接零保护可降低故障接触电压，从220V 降到了122V，在一定程度上降低了触电伤害的程度；虽然PE 线降低接触电压到122V，但我国标准规定工频安全电压有效值限值为50V，明显这个电压对人体仍是一个危险电压。对此很多施工人员存在误区，以为PE 线做了重复接地就与大地一样零电位、连接到设备上就能保障安全，其实不然，除做好PE 线的连接外还需做好其他防护措施。

2.2 保护措施2：快速切断电源

由于PE 接零保护不能将故障电压降到安全值，TN 系统防电击的另外一个机制是通过电路中带过电流保护功能的断路器或RCD（剩余电流装置）快速切断电源，避免电击致人死伤。由于过电流保护动作依赖大幅值的故障电流，而故障电流回流到电源的金属通路中存在故障接触电阻、PE 线中的连接头电阻等种种不确定的回路电阻，使过电流防电击保护不太可靠。相对过电流保护，RCD 对接地故障引起的泄露电流具有很高的灵敏度；而且在线路长、导线截面小的情况下，过电流保护电器常不能满足自动切断电源的时间要求，则采用RCD 作专门的接地故障保护最为有效，所以在施工现场主要采用分级的RCD 快速切断电源实现防电击保护。《建设工程施工现场供用电安全规范》GB50194-2014的第6.4.7条对三级配电箱的RCD 分级配置有具体要求可以查阅。

对于TN-S 系统，第一位的安全作用是迅速切断电源。从图3图4及Id=1594(A)可看出，PE 线的导通作用使得故障点的剩余电流幅值很大，大大提高了RCD 的动作灵敏性，对迅速切断电源起着重要的作用；相反如果PE 线断线或不接PE 线，则保护电器不能动作切断电源，存在电击危险。同时需加强漏电保护开关的日常检查工作，这也是《临电规范》8.3.10“漏电保护器每天使用前应启动漏电试验按钮试跳一次，试跳不正常时严禁继续使用”规定的缘由，在以往的工作经验中，施工现场对此条规范要求严格执行的甚少，其中很大原因是工人对TN-S 系统的防电击措施没有很好的了解。

3 PE 线导通性检测电路接线方案

从上文分析可知，TN-S 系统的防电击保护2个措施都要求PE 线保持良好的导通性，不能出现断线或虚接不导通等状况。施工现场的用电临时性强，供电回路的拆除安装比较频繁，电箱中PE 端子板可能会出现螺丝松动造成的虚接或接触不良状况，由于PE 线在正常情况下不通过任何工作电流，PE线出现断线、接触不良等不会影响正常的用电，因此容易受忽视；加上PE 线排上的螺丝松动也难以用肉眼分辨，需用螺丝刀每个螺丝的拧紧试验，工作量繁多琐碎，人工排查有不可靠性。基于PE 线对TN-S 系统防电击保护的重要性，为提高PE 线导通性排查的可靠性，下面提出一种针对PE 线导通性检测的接线方案（图5）。

图5 PE 线导通性的检测线

在临电工程的安装时，随着PE 线的路径敷设1条BVR-4.0软线做检测线路，在各级配电箱中也跟PE 线一样独立设分接线排，全程独立敷设，一直敷设至末级配电箱/开关箱，并在末级配电箱/开关箱处设检测端子。图中Rt是末级配电箱/开关箱的测线端子与PE 线端子之间的直流电阻，用万用表检测Rt的数值，便可判断前端PE 线的连接导通情况。BVR4.0的软线直流电阻率为4.61Ω/km（20℃），按供电距离300米计算，加上线路的接头电阻，Rt正常值也在5Ω 以内。如检测出来的Rt 值较大，就需对沿线PE 线路及检测线路进行排查，排除线路接触不良或断线的隐患。

该检测方法可确认末级配电箱/开关箱的PE线端子前端的PE 线连接导通性，也可作为PE 线故障点判断的辅助检测。虽然要对每个末端箱都进行遍历性的检测、有点麻烦，但相对于PE 线路的人工排查操作更加简单方便且可靠性更高，安装成本也比较低廉，具有一定的实际推广意义。