配电回路的安全分析

2023-11-16洪永庆

电子元器件与信息技术 2023年8期

关键词：金属外壳电路图卫生间

洪永庆

汉嘉设计集团股份有限公司厦门分公司，福建厦门，361100

0 引言

网上报道的诸多电气事故屡见不鲜，确保电气安全已然成为当前刻不容缓的重要任务。本文对项目配电系统中几处经典的配电回路安全问题进行剖析，并提出合理的解决方案，供同行们学习探讨。

1 户内卫生间配电线路的安全分析

浴室的普遍特点是潮湿，稍有不慎就容易发生电气事故，其内部的电气安全应极度重视。随着科技的发展和人民生活水平的提高，各种方便使用的浴室电器产品正大量发明生产，用户应在确保安全下合理使用浴室电器。本次对本工程浴室的电热水器进行配电安全分析。

1.1 绘制电路图并计算

以1#楼33层的边套卫生间的电热水器配电回路为例。该配电回路如图1所示。

图1 浴室电热水器配电回路示意图

假设该卫生间的电热水器的金属外壳发生接地故障，配电箱处和浴室内均未做等电位。假设变压器中性点直接接地，其接地电阻为4Ω。根据《工厂与民用配电设计手册（第三版）》的表4-23和表4-25可知[1]：

变压器电阻为Rs=0.0017Ω；各对应线路电阻为：RL1=0.0197Ω；RL1(pe)=0.0383Ω；R L 2=R L 2(pe)=0.0 219Ω；R L3=R L3(pe)=0.0688Ω；则该配电回路可简化为下列电路图（其他未注明的阻抗均忽略），如图2所示。

图2 未设置等电位的配电电路示意图

依据《低压配电设计规范》（GB 50054—2011）第5.2.8条和条文说明第5.2.10条[2]，可计算该回路的接地故障电流（本次计算为简化计算，忽略工频条件下的回路导体电抗和变压器电抗）：

Id=220/[Rs+RL1+RL2+RL3+RL1(pe)+RL2(pe)+RL3(pe)]=912.5A

因此求得预期接触电压为：

Ud1=Idx[RL1(pe)+RL2(pe)+RL3(pe)]=117.7V。

1.2 电流对人的效应分析

上述求得预期接触电压为117.7V，因此考虑就近取值，将人体实际接触电压暂定为125V，并进行人体触电效应计算和分析。根据《电流对人和家畜的效应第1部分：通用部分》（GB/T 13870.1—2008）的表2可知[3]，水湿润环境、大的接触表面积、50Hz交流电流路径为手到手，95%被测对象的人体总阻抗值Zt=2675Ω（忽略皮肤阻抗，忽略接触持续时间对阻抗的影响）；根据本规范的图3，可估算出单手到双脚的阻抗为Z(H-2F)=1738.75Ω；可求得该路径下的人体电流为Ih=71.9mA。根据本规范的表12可知，路径为左手到双脚的人体电流为Iref=IhxF=57.52mA。根据本规范的表11和图20，两者结合分析可知：当接触持续时间小于100ms时，肌肉会不由自主收缩，无有害生理学效应；当接触持续时间约在100～1000ms时，肌肉会强烈收缩，呼吸困难，没有预期的器官破坏；当接触持续时间超过1000ms时，出现心搏停止、呼吸停止、烧伤、细胞被破坏等等[4]。

图3 楼层配电箱设置等电位的配电电路示意图

1.3 措施分析和探讨

通过上述计算可知，该配电回路会危及人民生命安全，属于不安全配电回路，应采取措施。

（1）经分析，若接触持续时间控制在100ms以下，则该回路发生接地故障时，不会对人体造成有害的生理学效应。因此可采取初步措施：在该末端回路装设漏电保护开关（RCD），并将漏电保护开关动作时间控制在100ms以下。不过此措施只能作为附加保护措施，不能作为唯一的保护措施。

（2）可采用防止直接接触的防护措施，采用遮挡物、置于伸臂之外等等，比如放置于卫生间外的干燥场所或设置于封闭吊顶内等等，不过此方法治标不治本。

（3）可采用间接接触防护措施，比如对产品进行等效绝缘处理、做电气分隔、设置等电位等等。接下来对间接接触防护措施中，设置等电位的方法措施进行计算分析。

①假设在主楼配电箱处设置等电位，卫生间内未设置局部等电位，则可绘制出该回路等效电路图如图3所示。

可求得，末端发生接地故障时，预期接触电压为：

Ud2= Idx[RL2(pe)+RL3(pe)]=82.8V。

经计算可知，潮湿场所的故障接触电压大于25V，此回路仍然是不安全的。

②假设在卫生间内设置局部等电位，局部等电位端子板配线至预埋件，预埋件与卫生间钢筋网可靠连接，采用BVR-1x4mm2铜线至热水器的金属外壳，长度约5m。查阅并计算得，R(LEB)=0.0215Ω。该配电回路可简化为下列电路图（忽略人体阻抗），如图4所示。

图4 卫生间设置局部等电位的配电电路示意图

根据规范可计算，该回路的接地故障电流：

Id=220/{Rs+RL1+RL2+RL3+[RL1(pe)+RL2(pe)+RL3(pe)]//[RA+R(LEB)]}=927.8A；Id2=28.8A；Ud3=0.62V。可知该潮湿场所的故障接触电压小于25V，该配电电路是安全的，此措施是可行的。

2 户外路灯配电线路安全分析

2.1 绘制电路图并计算

以小区路灯配电回路为例。该配电回路如图5所示。

图5 户外路灯配电回路示意图

户外配电的接地形式采用TN-S接地系统，假设户外路灯A的外壳发生接地故障，若该路灯的金属外壳没有直接接地，某人接触另一个户外配电回路的户外路灯B的金属外壳[5-6]。

本次计算为简化计算，忽略工频条件下的回路导体电抗和变压器电抗。假设变压器中性点直接接地，其接地电阻为4Ω。根据《工厂与民用配电设计手册（第三版）》（简称《配三》）可知：

变压器电阻为Rs=0.0017Ω；其他各配电线路电阻为：RL1=0.004Ω；RL1(pe)=0.007Ω；RL2=0.077Ω；RL2(pe)=0.121Ω；RL3=RL3(pe)=0.538Ω，则该配电回路可简化为下列电路图，如图6所示。

图6 路灯金属外壳未直接接地的配电电路示意图

根据规范可计算，该回路的接地故障电流：

Id=220/[Rs+RL1+RL2+RL3+RL1(pe)+RL2(pe)+RL3(pe)]=170.98A。

因此求得预期接触电压为：

Ud4=Idx[RL1(pe)+RL2(pe)+RL3(pe)]=113.9V。

该接地系统为TN-S系统，B处的路灯金属外壳通过PE线接于A处故障点两端，因此各配电回路的路灯金属外壳均带有113.9V的预期接触电压，此配电系统只要一处发生接地故障，其他各回路均带有故障电压，属不安全的配电回路[7-8]。

2.2 措施分析和探讨

通过上述计算可知，该配电回路发生接地故障时，预期接触电压大于25V，属于不安全配电回路，应采取措施。

（1）若采用遮挡物、置于伸臂之外等防止直接接触的防护措施，园林景观路灯被遮挡，会影响美观，此方法不切实际，不予采用。

（2）可在该路灯的末端回路装设漏电保护开关，此措施只能作为附加保护措施，不能作为唯一的保护措施。

（3）可采用24V安全电压的灯具。

（4）在不采用安全电压灯具的前提下，可设置局部TT系统，各路灯均打接地极，连接接地导体采用40×4镀锌扁铜与灯座焊接或螺栓连接，长约1.5m。接下来，对局部TT系统进行计算并分析其可行性。根据《配三》表4-24可知，R(PE)=0.0003Ω。采用局部TT系统的配电回路可简化为下列电路图，如图7所示。