農(nóng)村家庭觸電保護系統(tǒng)的研討

郭行干

（水利部農(nóng)村電氣化研究所，浙江 杭州 310012）

電氣化是現(xiàn)代文明的基礎，這基礎的基礎就是電氣安全，其中農(nóng)村家庭電氣安全是重中之重。目前我國有2 個不同的標準在執(zhí)行中。第一個是國家能源局發(fā)布的DL/T 736—2021《農(nóng)村電網(wǎng)剩余電流動作保護器安裝運行規(guī)程》（以下簡稱D 規(guī)）；第二個是住建部發(fā)布GB 55024—2022《建筑電氣與智能化通用規(guī)范》（以下簡稱G 標）。這2 個標準在基本要求上是有矛盾的，例如，現(xiàn)在農(nóng)村是依據(jù)D 規(guī)，用戶的進線是相線和中性線共有進線2 根；如依G 標準，則是相線、中性線和PE（地線）3 根進線。本文分析這2 個標準的異同和優(yōu)缺點，探討如何改進是正確的。

1 西方電氣安全保護的變遷

當電器內(nèi)部故障時，使外殼帶電，人們接觸電器外殼就有危險，這時希望保護系統(tǒng)能起作用。西方是從先TT 系統(tǒng)發(fā)展出TN 系統(tǒng)，以后有彌補漏洞的措施，下面分別敘述。

1.1 TT 系統(tǒng)

TT 系統(tǒng)是最早的保護系統(tǒng)，由2 個部分組成：接地部分和保護開關，如圖1 所示。這是由電源中性點的T1 和被保護電器的T2 組成，其電阻分別為4 Ω 和10 Ω。

圖1 TT 系統(tǒng)保護圖

保護開關J1。目前農(nóng)村家庭常用的是16～32 A 的斷路器，它的快速跳閘電流48～160 A。

TT 保護系統(tǒng)的安全準則是：電器在發(fā)生內(nèi)部故障時，當外殼帶電壓Uj大于50 V 時，必須在0.4 s內(nèi)跳閘，使觸電人的人身安全得到保障。

這里有4 個參數(shù)是互相關連，它們的取值分別為：R1= 4 Ω，R2= 10 Ω，Uj= 50 V，T0= 0.4 s。

現(xiàn)在以常見的電熱水器為例進行安全核算。假設電熱水器的參數(shù)如下：功率1 000 W，供電電壓U0= 220 V，額定電流為IH= 4.54 A，則加熱管的電阻為48.4 Ω。

現(xiàn)在進行故障下的核算，被驗證的電熱水器發(fā)生碰殼接地故障。當X= 1 時，外殼帶電壓為220 V，當X= 0 時，外殼帶電壓為0 V?，F(xiàn)設X= 1 時發(fā)生碰殼故障，則外殼電壓為220 V，計算得接地短路電流Ik=220/(10+4)=15.7 A 。

若Ik太小則不能使J1 滿足在0.4 s 內(nèi)跳閘的條件。

再以50 V 準則進行核算。In= 50/(4 + 10) =3.6 A。達到3.6 A 時要求保護開關0.4 s 內(nèi)跳閘的要求，此時J1 的額定電流只能是小于1.8 A，這么小的開關是不常見、不常用的。

以上分析得出：TT 系統(tǒng)在一般情況下不能滿足要求。

1.2 TN 系統(tǒng)

TN 系統(tǒng)是西方在TT 系統(tǒng)基礎上改進的，參見圖2。TN 系統(tǒng)中增加PE 金屬導線，它連接中性點和電熱水器的外殼，設為Rpe 電阻為0.5 Ω。

圖2 TN 保護示意圖

設故障下外殼上的電壓Uj= 50 V 時，則短路電流Ik為：Ik=50/0.5=100 A 。此值大于電器的開關的快速跳閘電流46～80 A，這是滿足要求的。

結(jié)論：TN 系統(tǒng)比TT 系統(tǒng)有改進，外殼電壓50 V 以上時能快速跳閘。 但在潮濕地方（例如浴室等）仍是不夠安全的。這要求J1 和PE 線必須完好無損，但這在長期運行中難做到。

在同一戶內(nèi)乃至同一單元的用戶是使用同一根PE 線。一臺設備發(fā)生接地，因其中的一臺J1 有故障切斷不及時，例如，當Uj= 30 V 時，Ik= 30/0.5 =60 A，此值有可能使J1 不能快速跳閘，則故障電壓會擴到本單元其他設備上去。這時用戶有“麻電”現(xiàn)象，但一般不會有人身安全問題，如果有人洗澡則會有生命危險。

1.3 在TN 系統(tǒng)上增加觸電保護器

西方從20 世紀末至21 世紀初，開始在家庭中推廣觸電保護器，并依其物理原理正式命名為剩余電流動作保護器，符號為RCD。當動作電流≤30 mA時，可實現(xiàn)直接觸電保護，因此將動作電流 ≤ 30 mA 的剩余電流動作保護器也可簡稱為“觸電保護器”。在TN 系統(tǒng)上加裝RCD，參見圖3。RCD 是由剩余電流互感器、電子控制器及開關3 部分組成。電器外殼用PE 線和變壓器中性點連接，這樣在外殼上若出現(xiàn)10 V 電壓，就會產(chǎn)生接地剩余電流為Ik=10/1=10 A 。

圖3 TN + RCD 系統(tǒng)

這比TN 系統(tǒng)在安全上有重大進步，另外，IEC 標準規(guī)定使用RCD 后必須保留TN 系統(tǒng)。其原因是RCD 有一定的損壞率，萬一壞了電器就失去了保護，因此必須保留TN 系統(tǒng)保護。

1.4 西方家庭觸電的等地位保護

TN + RCD 系統(tǒng)在應用中取得很好的效果，但運行中又發(fā)現(xiàn)一個新情況：如果PE 線斷或接觸不良，或同單元中某用戶RCD 失效后，則會發(fā)生危險，電壓會沿PE 線傳播至全樓的其他電器外殼上，這使家家有“麻電” 現(xiàn)象。如果此時若有人洗澡，則很容易發(fā)生事故。

應對辦法之一是在各用戶的RCD 旁邊的PE 線上加裝一只保護器。在正常情況下，PE 線上無電流通過，一旦有電流通過，說明有故障，應立即將PE 線及相線、中性線切斷；但傳統(tǒng)要求在PE 線上不準安裝開關，以防止斷線。

IEC 推薦的另一辦法是將用戶的PE 線和本戶建筑物的鋼筋連接，這樣電機外殼、PE 線以及鋼筋等三者是等電位。這類似一個鋼筋組成的法拉第籠，人在籠內(nèi)就可以避免觸電事故。這在一定程度上減少了事故，但仍有風險。

2 中國特色的觸電保護系統(tǒng)

中國農(nóng)村電氣化最初是由農(nóng)民集資辦起步的。限于歷史條件，一切因陋就簡。采用的TT 系統(tǒng)，T1 有，T2 實際上沒有，因此事故頻發(fā)。在20 世紀70 年代初，這引起了國務院重視，責令水電部施行政府職能，降低了觸電事故。水電部先是建立村鄉(xiāng)縣市省部的多級統(tǒng)計監(jiān)察系統(tǒng)，后在杭州設立農(nóng)村電氣化研究所，大力推廣觸電保護器，并且編制SD 219—1987《漏電保護器農(nóng)村電網(wǎng)安裝運行規(guī)程》，規(guī)程的基本原則是實行分級觸電保護，后改為DL/T 736—2021《農(nóng)村電網(wǎng)剩余電流動作保護器安裝運行規(guī)程》，但原則沒有改變。水電部雙管齊下，使事故逐年下降。這彰顯我國的組織能力，這個過程分如下幾個階段。

2.1 初期總保階段

當時由于經(jīng)濟條件的限制，只能從總保開始，見圖4，這是在中性點接地中串入電磁鐵。當漏電電流大于30 A 時，電磁鐵將總開關斷開。這雖是小投入，但減少了很多事故的發(fā)生。這個裝置的缺點是一旦有故障，全村停電，供電可靠性大大下降。

圖4 初期總保階段

中西方在推廣RCD 上是不同的。西方是從末級保護開始發(fā)展的，中國是從總保上開始的。

2.2 推廣家保階段

改革開放后，農(nóng)村富裕起來，消費能力大大提高，安全意識加強，政府也加大投入，開始改進保護系統(tǒng)，如圖5 所示，是采用RCD 來實現(xiàn)家庭安全保障。目前我國家庭的RCD 規(guī)定動作電流為30 mA，能滿足直接觸電的要求。推廣后的效果較好，但存在2 個缺點：

無預防效果。這種保護方式，人體要承受一次電擊后，再由RCD 跳閘后才得救。人們希望有預防性跳閘，即出現(xiàn)故障電器時能自動跳閘，無須人觸電后再跳閘。

無后備保護。 如果RCD 損壞失效，則無第二層保護。

2.3 改進方案（加輕接地）

針對圖5 的方式，改進為圖6 的方式。在家庭電器上加裝輕接地，數(shù)值見表1。由于有RCD 的存在，對接地電阻R2要求大大降低，傳統(tǒng)接地保護的R2= 10 Ω。現(xiàn)在在不同情況下，電器外殼的允許電壓為10～220 V 時，對應接地電阻R2的值，見表1。

表1 接觸電壓與輕接地電阻

圖6 三級保護系統(tǒng)圖

RCD 動作電流為30 mA 時，接觸電壓Uj和輕接地電阻R2。

按IEC 標準在普通環(huán)境下規(guī)定安全電壓為50 V，查表1 得1 666 Ω，這是很容易實現(xiàn)的，用一根鐵棒簡單插地就能實現(xiàn)；但在潮濕環(huán)境下接觸電壓為50 V 是不夠安全，現(xiàn)在可以大大提高標準，例如在RCD 為30 mA 時，取R2為333 Ω 時，接觸電壓降為10 V。這樣在潮濕環(huán)境中，外殼一旦超過10 Ω就會跳閘，這時人身承受輕微剌激。

輕接地既實現(xiàn)預防性跳閘，又不會擴散故障電壓，形成“電樓”現(xiàn)象。

圖7 是輕接地的計算圖。某故障電器外殼帶220 V 電壓。如果經(jīng)100 Ω 連接到本樓鋼筋上，則擴散電壓為：(220/100) × 4 = 8.8 V，這是安全的。

圖7 輕接地的計算圖

以上分析積累了我國半個世紀的技術創(chuàng)新成果，從用戶家中至電源變壓器有J1、J2、J3 的三級保護器，是一個完整的系統(tǒng)。從圖2 看出中國人在家庭中受到J1 和J2 的雙重保護，這是能夠滿足IEC 標準要求。國家電網(wǎng)公司曾在河北省成安縣對這種三級觸電保護系統(tǒng)試點，試點取得成功，并受到農(nóng)民的歡迎。

3 初步結(jié)論

根據(jù)前面的論述，把中西方觸電保護系統(tǒng)在家庭用電上的對比總結(jié)如表2 所示。

表2 中西方觸電保護系統(tǒng)在家庭用電上的對比表

前面介紹了G 標和D 規(guī)是不同的。D 規(guī)是我國在政府引導下獨立自創(chuàng)的，G 標是改革開放后引進西方標準，前者已在農(nóng)村電網(wǎng)上廣泛應用。農(nóng)村電網(wǎng)是否依G 標而改動？這只會多化錢、增事故，農(nóng)民也不愿意配合。筆者認為是行不通的，G 標應依國情參考D 規(guī)和實踐進行改進。

現(xiàn)在，《中華人民共和國民法典 》開始實施，其中專門有一章是規(guī)范供電人和用電人關系的，也有條文專門闡述用電安全要求。本文是拋磚引玉，歡迎大家討論，共同促進我國農(nóng)村用電安全在技術上是更成熟，在法律上更站得穩(wěn)，做得好上加好。