配電回路的安全分析

洪永慶

漢嘉設(shè)計(jì)集團(tuán)股份有限公司廈門分公司，福建廈門，361100

0 引言

網(wǎng)上報(bào)道的諸多電氣事故屢見(jiàn)不鮮，確保電氣安全已然成為當(dāng)前刻不容緩的重要任務(wù)。本文對(duì)項(xiàng)目配電系統(tǒng)中幾處經(jīng)典的配電回路安全問(wèn)題進(jìn)行剖析，并提出合理的解決方案，供同行們學(xué)習(xí)探討。

1 戶內(nèi)衛(wèi)生間配電線路的安全分析

浴室的普遍特點(diǎn)是潮濕，稍有不慎就容易發(fā)生電氣事故，其內(nèi)部的電氣安全應(yīng)極度重視。隨著科技的發(fā)展和人民生活水平的提高，各種方便使用的浴室電器產(chǎn)品正大量發(fā)明生產(chǎn)，用戶應(yīng)在確保安全下合理使用浴室電器。本次對(duì)本工程浴室的電熱水器進(jìn)行配電安全分析。

1.1 繪制電路圖并計(jì)算

以1#樓33層的邊套衛(wèi)生間的電熱水器配電回路為例。該配電回路如圖1所示。

圖1 浴室電熱水器配電回路示意圖

假設(shè)該衛(wèi)生間的電熱水器的金屬外殼發(fā)生接地故障，配電箱處和浴室內(nèi)均未做等電位。假設(shè)變壓器中性點(diǎn)直接接地，其接地電阻為4Ω。根據(jù)《工廠與民用配電設(shè)計(jì)手冊(cè)（第三版）》的表4-23和表4-25可知[1]：

變壓器電阻為Rs=0.0017Ω；各對(duì)應(yīng)線路電阻為：RL1=0.0197Ω；RL1(pe)=0.0383Ω；R L 2=R L 2(pe)=0.0 219Ω；R L3=R L3(pe)=0.0688Ω；則該配電回路可簡(jiǎn)化為下列電路圖（其他未注明的阻抗均忽略），如圖2所示。

圖2 未設(shè)置等電位的配電電路示意圖

依據(jù)《低壓配電設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50054—2011）第5.2.8條和條文說(shuō)明第5.2.10條[2]，可計(jì)算該回路的接地故障電流（本次計(jì)算為簡(jiǎn)化計(jì)算，忽略工頻條件下的回路導(dǎo)體電抗和變壓器電抗）：

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

因此求得預(yù)期接觸電壓為：

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

1.2 電流對(duì)人的效應(yīng)分析

上述求得預(yù)期接觸電壓為117.7V，因此考慮就近取值，將人體實(shí)際接觸電壓暫定為125V，并進(jìn)行人體觸電效應(yīng)計(jì)算和分析。根據(jù)《電流對(duì)人和家畜的效應(yīng) 第1部分：通用部分》（GB/T 13870.1—2008）的表2可知[3]，水濕潤(rùn)環(huán)境、大的接觸表面積、50Hz交流電流路徑為手到手，95%被測(cè)對(duì)象的人體總阻抗值Zt=2675Ω（忽略皮膚阻抗，忽略接觸持續(xù)時(shí)間對(duì)阻抗的影響）；根據(jù)本規(guī)范的圖3，可估算出單手到雙腳的阻抗為Z(H-2F)=1738.75Ω；可求得該路徑下的人體電流為Ih=71.9mA。根據(jù)本規(guī)范的表12可知，路徑為左手到雙腳的人體電流為Iref=IhxF=57.52mA。根據(jù)本規(guī)范的表11和圖20，兩者結(jié)合分析可知：當(dāng)接觸持續(xù)時(shí)間小于100ms時(shí)，肌肉會(huì)不由自主收縮，無(wú)有害生理學(xué)效應(yīng)；當(dāng)接觸持續(xù)時(shí)間約在100～1000ms時(shí)，肌肉會(huì)強(qiáng)烈收縮，呼吸困難，沒(méi)有預(yù)期的器官破壞；當(dāng)接觸持續(xù)時(shí)間超過(guò)1000ms時(shí)，出現(xiàn)心搏停止、呼吸停止、燒傷、細(xì)胞被破壞等等[4]。

圖3 樓層配電箱設(shè)置等電位的配電電路示意圖

1.3 措施分析和探討

通過(guò)上述計(jì)算可知，該配電回路會(huì)危及人民生命安全，屬于不安全配電回路，應(yīng)采取措施。

（1）經(jīng)分析，若接觸持續(xù)時(shí)間控制在100ms以下，則該回路發(fā)生接地故障時(shí)，不會(huì)對(duì)人體造成有害的生理學(xué)效應(yīng)。因此可采取初步措施：在該末端回路裝設(shè)漏電保護(hù)開(kāi)關(guān)（RCD），并將漏電保護(hù)開(kāi)關(guān)動(dòng)作時(shí)間控制在100ms以下。不過(guò)此措施只能作為附加保護(hù)措施，不能作為唯一的保護(hù)措施。

（2）可采用防止直接接觸的防護(hù)措施，采用遮擋物、置于伸臂之外等等，比如放置于衛(wèi)生間外的干燥場(chǎng)所或設(shè)置于封閉吊頂內(nèi)等等，不過(guò)此方法治標(biāo)不治本。

（3）可采用間接接觸防護(hù)措施，比如對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行等效絕緣處理、做電氣分隔、設(shè)置等電位等等。接下來(lái)對(duì)間接接觸防護(hù)措施中，設(shè)置等電位的方法措施進(jìn)行計(jì)算分析。

①假設(shè)在主樓配電箱處設(shè)置等電位，衛(wèi)生間內(nèi)未設(shè)置局部等電位，則可繪制出該回路等效電路圖如圖3所示。

可求得，末端發(fā)生接地故障時(shí)，預(yù)期接觸電壓為：

Ud2= Idx[RL2(pe)+RL3(pe)]=82.8V。

經(jīng)計(jì)算可知，潮濕場(chǎng)所的故障接觸電壓大于25V，此回路仍然是不安全的。

②假設(shè)在衛(wèi)生間內(nèi)設(shè)置局部等電位，局部等電位端子板配線至預(yù)埋件，預(yù)埋件與衛(wèi)生間鋼筋網(wǎng)可靠連接，采用BVR-1x4mm2銅線至熱水器的金屬外殼，長(zhǎng)度約5m。查閱并計(jì)算得，R(LEB)=0.0215Ω。該配電回路可簡(jiǎn)化為下列電路圖（忽略人體阻抗），如圖4所示。

圖4 衛(wèi)生間設(shè)置局部等電位的配電電路示意圖

根據(jù)規(guī)范可計(jì)算，該回路的接地故障電流：

Id=220/{Rs+RL1+RL2+RL3+[RL1(pe)+RL2(pe)+RL3(pe)]//[RA+R(LEB)]}=927.8A；Id2=28.8A；Ud3=0.62V?？芍摮睗駡?chǎng)所的故障接觸電壓小于25V，該配電電路是安全的，此措施是可行的。

2 戶外路燈配電線路安全分析

2.1 繪制電路圖并計(jì)算

以小區(qū)路燈配電回路為例。該配電回路如圖5所示。

圖5 戶外路燈配電回路示意圖

戶外配電的接地形式采用TN-S接地系統(tǒng)，假設(shè)戶外路燈A的外殼發(fā)生接地故障，若該路燈的金屬外殼沒(méi)有直接接地，某人接觸另一個(gè)戶外配電回路的戶外路燈B的金屬外殼[5-6]。

本次計(jì)算為簡(jiǎn)化計(jì)算，忽略工頻條件下的回路導(dǎo)體電抗和變壓器電抗。假設(shè)變壓器中性點(diǎn)直接接地，其接地電阻為4Ω。根據(jù)《工廠與民用配電設(shè)計(jì)手冊(cè)（第三版）》（簡(jiǎn)稱《配三》）可知：

變壓器電阻為Rs=0.0017Ω；其他各配電線路電阻為：RL1=0.004Ω；RL1(pe)=0.007Ω；RL2=0.077Ω；RL2(pe)=0.121Ω；RL3=RL3(pe)=0.538Ω，則該配電回路可簡(jiǎn)化為下列電路圖，如圖6所示。

圖6 路燈金屬外殼未直接接地的配電電路示意圖

根據(jù)規(guī)范可計(jì)算，該回路的接地故障電流：

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

因此求得預(yù)期接觸電壓為：

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

該接地系統(tǒng)為TN-S系統(tǒng)，B處的路燈金屬外殼通過(guò)PE線接于A處故障點(diǎn)兩端，因此各配電回路的路燈金屬外殼均帶有113.9V的預(yù)期接觸電壓，此配電系統(tǒng)只要一處發(fā)生接地故障，其他各回路均帶有故障電壓，屬不安全的配電回路[7-8]。

2.2 措施分析和探討

通過(guò)上述計(jì)算可知，該配電回路發(fā)生接地故障時(shí)，預(yù)期接觸電壓大于25V，屬于不安全配電回路，應(yīng)采取措施。

（1）若采用遮擋物、置于伸臂之外等防止直接接觸的防護(hù)措施，園林景觀路燈被遮擋，會(huì)影響美觀，此方法不切實(shí)際，不予采用。

（2）可在該路燈的末端回路裝設(shè)漏電保護(hù)開(kāi)關(guān)，此措施只能作為附加保護(hù)措施，不能作為唯一的保護(hù)措施。

（3）可采用24V安全電壓的燈具。

（4）在不采用安全電壓燈具的前提下，可設(shè)置局部TT系統(tǒng)，各路燈均打接地極，連接接地導(dǎo)體采用40×4鍍鋅扁銅與燈座焊接或螺栓連接，長(zhǎng)約1.5m。接下來(lái)，對(duì)局部TT系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)算并分析其可行性。根據(jù)《配三》表4-24可知，R(PE)=0.0003Ω。采用局部TT系統(tǒng)的配電回路可簡(jiǎn)化為下列電路圖，如圖7所示。

圖7 局部TT 系統(tǒng)的配電電路示意圖

根據(jù)規(guī)范可計(jì)算，該回路的接地故障電流：

Id=220/{Rs+RL1+RL2+RL3+[RL1(pe)+RL2(pe)+RL3(pe)]/[RA+R(LEB)]}=184.6A；Id2=26.35A；Ud5=0.008V?？芍摮睗駡?chǎng)所的故障接觸電壓小于25V，此措施可行。

3 結(jié)語(yǔ)

本文列舉了兩個(gè)典型的配電回路，并對(duì)其進(jìn)行了計(jì)算和配電安全分析。在工程設(shè)計(jì)中存在著多種場(chǎng)所的配電回路，工程設(shè)計(jì)師應(yīng)該以認(rèn)真嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膽B(tài)度，對(duì)每個(gè)配電回路進(jìn)行分析計(jì)算，以確保每個(gè)配電回路的安全可靠性。