2022年低压配电系统电击防护的电气设计

低压配电系统电击防护的电气设计导读：配电系统的平安防护中，电气装置的电击防护是非常重要的设计内容。在GB50054-2022《低压配电设计规范》中，电击防护分为直接接触防护及间接接触防护。在GB16895.21-2022/IEC60364-4-41：2022《低压电气装置

配电系统的平安防护中，电气装置的电击防护是非常重要的设计内容。在GB50054-2022《低压配电设计规范》中，电击防护分为直接接触防护及间接接触防护。在GB16895.21-2022/IEC60364-4-41：2022《低压电气装置第4-41部分：平安防护电击防护》中则分为基本防护及故障防护。住建部2022年12月14日发布的《低压配电设计标准》（征求看法稿2022-11）沿用IEC的分法将其分为基本防护及故障防护。

电击防护的基本原则是危急的带电部分必需不行触及，而可触及的可导电部分在正常状况下或在单一故障的状况下必需不带危急电位。

做好电击防护的电气设计，应学点电击防护的基础理论

电击概念

触及不同电位的导电部分时，电位差会使电流流经人体，这种接触称为"电接触'。视该电流大小和持续时间长短，它对人体产生不同的效应：电流小时于人体无害，如常用于诊断和治病的医疗电气设备，当这些微量电流通过人体某些部位时能治病救人，这种接触称为"微电接触'；假如通过人体的电流较大，持续时间较长，电流效应会使人受到损害，以致引起心室纤颤、心脏停搏、器官损伤等病态生理效应，这种电接触称为"电击'，电击危及人身平安，非常危急。因此电气设计及工应实行各类防电击措施，预防及避开电击损害事故的发生。

特殊要提出的是，按IEC标准规定进行心脏手术设备的正常泄漏电流不得大于10A；当发生一个接地故障时，其故障电流不得大于50A。由于通过人体心脏的电流如超过50A可导致病人心室纤颤而死亡，这种电击死亡称为"微电击死亡'。

人体的"电流效应'和学习"电流效应'的重要性

电流通过人体时的效应是"电流效应'。了解电流通过人体时的电流效应对学习、理解以及执行相关的电气规范供应关心，对电气设计工作有非常重要的意义。

人体能感觉到的最小电流值一般为0.5mA，也称为"感觉阈值'，该值与通过电流持续时间的长短无关。

GB50054-2022之5.2.9条第2款规定了在TN系统中配电线路的间接接触防护电器在供应手持式和移动式电气设备时，TN系统最长切断时间不大于0.4s，这种规定也与"电流效应'有关。当人用手持握带电导体时，如流过手掌的电流超过此值，手掌肌肉的反应将是不依人意地紧握带电导体而不是摆脱带电导体，从而使电流得以持续通过人体，导致此效应的最小电流称作"摆脱阈值'。在GB/T13870.1-2022/IEC/TS60479-1：2022《电流对人和家畜的效应第1部分：通用部分》规定："约10mA的值是针对成年男人而假设的'"约5mA的数值适用于全部人'。

在实际的配电设计中，手握式及移动式电气设备的特点是功率小、体量轻，便于手握及移动式设备，通常由插座供电。当发生接地故障时，因"摆脱阈值'的原因，难以摆脱故障设备，时间长了极易被电击致伤致亡，这也是插座回路要装设瞬间动作的剩余电流爱护器（RCD）的缘由。

为了爱护人身平安，无论是民用、居住及工厂建筑的插座均要装设额定剩余动作电流In=30mA的RCD，为什么对In作如此规定呢？

图1示出了沟通电流通过人体时的效应，图中的曲线c是IEC测试得出的导致心室纤颤的曲线，曲线的横坐标是通过人体的15~100Hz沟通电流Ib，纵坐标表示通电时间t。当通过人体电流大小在曲线c的右侧区域时，不仅会消失肌肉收缩、呼吸困难、心房纤颤等病理反应，还会消失导致死亡的心室纤颤、心室停搏、呼吸停止等反应。也就是说通过人体的电流和通电的持续时间在c曲线的右侧即在④区内，人体就有死亡的危急。另外曲线c是在试验室所指定的外界条件下测定和绘制，由于试验室所指定的外界条件可能与室外的条件有所不同，应为室外条件的变化留出一些余量，因此以在区域③内距离曲线c一段距离的曲线L作为人体是否平安的界限。查曲线L可知，当Ib30mA时，人体就不会因电击引起心室纤颤而致死。这就是国际上将防电击的高灵敏度剩余电流淌作爱护装置RCD的额定剩余动作电流In定为30mA的依据。

当电流Ib通过人体阻抗为Zs时，会产生电压Ut，电压Ut称为接触电压，电流Ib是接触电流，Ib越大，接触电压Ut也越大。实际工作时，计算Ib较困难，而计算接触电压比较便利，于是IEC又提出在干燥和潮湿环境条件下相应的预期接触电压Ut通电时间t的曲线L1和L2（如图2所示），这里预期的接触电压是最大的接触电压，为确保电气平安和简化计算，在实际应用中，接触电压都采纳预期接触电压。

从图2可知：

a.人电击致死的缘由是电流，而电流是因施加在人体阻抗上的电压产生的。例如，10kV架空线断线落在街边，街边的行人只要远离是不会被电击的，如若去接触断线的落地导体，由于不同电位差产生的电压施加在人体上，产生接触电流，令人患病电击而致伤致亡。

b.人体的阻抗是人体内部阻抗和皮肤阻抗之和，但主要是皮肤阻抗。在干燥场所，人的皮肤干燥，人体的阻抗大，一般要50V的接触电压才能达到30mA电击致死的接触电流。而在潮湿场所，达到上述的30mA只需要25V的接触电压。所以，IEC将50V和25V分别定为干燥场所和潮湿场所的接触电压限值UL1和UL2。

以上所述电击电流通过人体的通道环境是在地面上，接触电流经手、脚和不同电位导体接触，有可能经心脏引发电击事故。表1是不同电流路径的心脏电流系数，引自GB/T13870.1-2022/IEC/TS60479-1：2022《电流对人和家畜的效应第1部分：通用部分》表12。

电气工程师注册考试中有一个考题与表1有关，考题如下：沟通电通过人身达肯定数值，将引起人身发生心室纤维性抖动现象。假如电流通路为左手到右脚时这一数值为50mA，那么，当电流通路变为右手到双脚时，引起发生心室纤维性抖动相同效应的人身电流是多少？

［A］30mA［B］50mA

［C］62.5mA［D］100mA

解答过程：依据GB/T13870.1-2022表12可知：左手到右脚心脏电流系数为1.0，而右手到双脚心脏电流系数为0.8，则引发心室纤维性抖动电流为I=I/0.8=50/0.8=62.5mA，选答案C。可见，人体通过电流时不同的电流通道，人体的电流效应是不同的。

假如接触电流流经人体通道的环境是在水下，则状况非常危急及简单。一般来说，纯水是不导电或其导电性极弱，生活中的水不是纯水，或多或少含有杂质，含有杂质水的电阻率是依杂质的浓度和种类而不同，非常简单，当水中存在不同电位的导体时，两个不同电位导体间会形成电场和电位梯度。人体处于这种水下环境中时，不仅人体皮肤电阻大幅下降，而且接触电流会直接从胸骨间通过心脏，也可直接在头颅两侧通过大脑。和地面上人体通过电流的通道相比，水下的电流通道更为危急，也就是说水下环境的电流效应比地面上更严峻，所以IEC规定进入水下的电气设备的额定电压不得超过12V，若能采纳6V则更为平安。

在低压配电设计中，TN及TT低压配电系统的接地系统设计与防雷装置的接地设计是共用接地装置

在低压配电设计中，当任一电压等级的供电系统确定后，都要考虑及处理两个接地事宜，这就是通常所说的系统内电源侧接地和负荷侧接地，即系统的工作接地和负荷的爱护接地。IEC依据系统接地及爱护接地的不同构成对配电系统进行分类：TN（包括TN-S、TN-C及TN-C-S）、TT及IT系统，由于种种缘由，民用建筑大多采纳TN系统。不同接地方式的配电系统对其配电线路的间接接触防护电器的动作特性作了规定，这是属于电击防护设计范畴。

建筑物的外部防雷包括接闪器、引下线及接地装置。接闪器是直击雷防护措施中的重要一环，发生直击雷时接闪器将雷电流吸引过来，并通过后端的引下线、接地装置将雷电流泄放入地，这是防雷设计的功能要求，也就是说不论配电系统是何种接地方式，都不影响接闪器通过引下线、接地装置将雷电电流泄放入地的要求。"此接地非彼接地'，两种接地毫无任何关联。只是根据规范规定两类接地应共用接地装置，仅此而已。

在电气设计中，大多数设计者的电气设计说明都有"防雷与接地'这一节的描述，往往将配电系统的接地方式如TN-S等都纳入其内，这样一来将两种性质不同的接地混为一谈，是不妥的。

现在相关地区都在新修或扩建高校校内，其中最大的亮点是建设各种前端科学的物理、化学等试验室，于是仪表接地问题引起留意及争议。业主依据供应商或境外专家的看法，要求这些高精尖的仪表设置单独的接地装置，且要求接地电阻不大于0.5。这种要求合理否？一时间看法纷纭，莫衷一是，难以定案。

对此，笔者愿借一角谈谈看法及看法，以飨读者：

a.校内建筑配电系统的接地方式是TN-S，根据该接地方式的规定，负荷侧的接地应是"外露导电部分通过接地的电源中性点的连接而接地'，可知当配电系统接地方式确定后，负荷侧的接地方式也确定了。对于TN-S接地方式配电系统其负荷侧是通过与电源侧引出的PE线连接而接地，所以负荷侧即仪表不应要求单独再设接地装置，供应商等的要求只不过是给现有的TN系统做了一个重复接地而已。

b.假如供应商或境外专家坚持仪表设单独的接地装置，只能将配电系统的接地方式改为TT系统，设计人员应当明白，TT与TN系统的防电击爱护的措施是大相径庭的。当然，也可以在TN系统中采纳局部的TT系统，问题是在同一建筑物内实施TN与TT系统的兼容，从理论上说是可行的，而在施工中极为困难，似难实现。特殊应引起留意的是在"寸土寸金'的环境里，有无实现TT系统的可能!

c.说到仪表所使用的频率，设计人员竟一问三不知，如此一来无法争论0.5的必要性。对接大地的接地装置而言，是可以降低工频时接地极的接地电阻，却无法降低高频在接地线中的高频阻抗，这就是为什么信息系统电气装置要设计高频低阻抗等电位联结来替代通常用的接大地，从而削减信息设备对地电位的高频电位差的缘由。

表2是电阻及电抗随工作频率变化而变化的关系。由表2可知：对于同一截面（如25mm2）的铜导体在高频1MHz时，其感抗量为电阻量的625倍；频率为100MHz时，两者的倍数高达6250。当导体截面增大为107mm2、频率为1MHz时，其感抗量为电阻量的1284倍；频率为100MHz时，两者的倍数高达12840。

表2比较说明，工作频率越高、导体截面越大时，相对导体的感抗而言，导体的电阻几乎可以忽视不计。这就是说接地电阻再小（如0.5），也无法抵消高频在接地线中的高频阻抗影响，所以工作在高频条件下的信息设备，要求小接地电阻是无意义的。

d.仪器仪表的这种接地及接地电阻的要求，由来已久。过去由于"闭关自锁'，不明白缘由，只能照办。接触IEC后，GB50343-2022《建筑物电子信息系统防雷技术规范》5.2.4条条文说明中指出："对于某些特别而又重要的电子信息系统的接地设置等电位连接，可以设置专用的垂直接地干线削减干扰。'垂直干线由建筑物的等电位接地端子盘引出。在工频时，垂直接地干线的最小截面为50mm2；高频或高层建筑时，垂直干线截面还要酌情增加。详细做法详见图3。

防电击设计及理论得不到重视的缘由分析

电气设计时，设计人员都要进行各类爱护电器选用设计，为什么要这样做？答曰：为了平安。再进一步询问，无非是各类爱护电器动作的解释。直到接触IEC后，才知道"电击防护'，才知道选用爱护电器是"间接接触防护的自动切断电源防护措施'，也就是说"电击防护'是引进IEC后才知晓的。

2022年11月住建部发布的《建筑工程设计文件编制深度规定（2022年版）》并未按GB50054-2022第5章要求对电击防护的电气设计提出相应的深度规定。"深度规定'都如此，建筑电气设计忽视或者不重视电击防护就不足为奇了。

这些忽视或不重视主要表现在电气设计说明成百上千字，竟无"电击防护'一席之地！往往将配电系统接地方式纳入防雷接地中；将防电击附加措施的RCD归入开关的选用；将另一附加措施："等电位联结'不是与防雷设计的等电位要求混淆，就是并列在管道的设计中等等。

更有甚者，要求根据GB50057-2022《建筑物防雷设计规范》中等电位连接部件的最小截面作为设计浴室的防电击等电位依据，虽说这两种等电位联结（连接）的目的都是为了平安，然而两者平安防范对象、各自的特点等等均不相同，"此等电位连接非彼等电位联结'，两者不能通用，不能混为一谈。

RCD在防电击爱护的设计中是使用较为广泛的爱护电器设备，RCD与断路器在工作机理、用途及使用范围是不同的，它是"间接接触防护的自动切断电源防护措施'的附加措施之一。有的设计者在设计说明中要求RCD动作时间小于0.4s，这种要求全面吗？

GB50054-20225.2.9条第2款规定"供应手持式电气设备和移动式电气设备用电的末端线路或插座回路，TN系统的最长切断时间'当标称电压为220V，不应超过0.4s。明显，RCD是能满意这个要求的，很多厂家表示在In时（即额定剩余动作电流为30mA），RCD的动作时间可以达到0.1s。明显上述要求能满意规范的要求，然而设计者却忽视了GB50054-20225.1.12条的规定："额定剩余动作电流不超过30mA的剩余电流淌作爱护器，可作为其他直接接触爱护措施失效或使用者疏忽时的附加防护，但不能单独作为直接接触防护措施。'这表明RCD不仅是自动切断电源间接接触的附加防护，还是直接接触的附加防护。这是由于RCD在剩余电流为In时，t0.1s；在5In（即530=150mA）时，其动作时间仅为0.04s，远远小于规范要求的直接接触时间；当系统电压在120V＜U0230V，最长的切断时间不超过0.2s的要求，是可以作为直接接触的附加防护。所以设计者对RCD动作时间的要求是不妥的。

自动切断电源防护措施中，要重视附加防护措施的功效及实施

在自动切断电源防护措施中，不言而喻，应选用优质的爱护电器，确保自动切断电源防护措施牢靠实施。然而对"电'的平安而言，肯定确保不能消失"万一'的状况。再者，接地故障是一种发生几率远大于带电导体间的短路故障。接地故障分金属性短路及电弧性起火，故障状况比较简单，据统计断路器90%的故障跳闸是接地故障所致，但接地故障并不都能令断路器跳闸，它的存在给人们的平安造成极大的危害。为此"自动切断电源防护措施'的附加防护措施应运而生。

附加措施一：等电位联结

大部分建筑物的配电设计都采纳TN系统。规程、规范都规定TN系统在采纳自动切断电源措施时，肯定要辅以等电位联结。

在GB16895.21-2022/IEC60364-4-41：2022《低压电气装置第4-41部分：平安防护电击防护》及GB50054-2022都规定在低压配电系统中采纳自动切断电源的防电击防护措施，以及该措施失效时的附加爱护措施。对于TN系统而言，等电位联结是非常重要的且必需的附加爱护之一。

为了说明缘由，还得从TN系统的接线特点说起：TN系统的第一个字母表示电源的一点（通常是中性点N）与大地直接连接，其次个字母表示电气装置外露导电部分通过与接地的电源中性点的连接而接地。也就是说，TN系统电源侧的PE线是与负荷侧全程贯穿的。这样，当电源侧或负荷侧某处接地故障，故障电压会通过PE线传到其他负荷的外露可导电金属外壳，例如电动伸缩门的金属外壳。TN系统这种"城门失火，殃及池鱼'的特点，设计者应赐予关注。

之前媒体报道的浙江小女孩爬在未运行的电动门上玩耍、深圳一名保安无意触及静止的电动门均遭电击，不幸身亡，经查门卫处的配电箱并未发生过故障，唯恐都与系统内传导的危急故障电压有关！

依据电气设备和电气装置防间接接触电击的组合防护，可以将电气设备分为0、Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ类，最为广泛使用的电气设备是Ⅰ类，它是藉自动切断电源和经PE线接地而实现间接接触电击防护，这是在配电设计中采纳最多的一种电击防护。

各类爱护电器如断路器、熔断器等因各种缘由可能拒动，无法起到爱护作用，所以要辅以附加爱护来弥补其不足。而等电位联结及剩余电流爱护装置就是自动切断电源爱护措施的两个附加爱护措施。

防电击设计中，等电位联结常分为总等电位联结及帮助等电位联结。总等电位联结虽然能大大地降低接触电压，但当建筑物离电源较远，建筑物内爱护线路过长，则爱护电器的动作时间和接触电压都可能超过规定的限值，为此可实行帮助等电位联结或局部等电位联结。

IEC60364标准所规定的帮助等电位是2.5m伸臂范围内可同时触及的导电部分之间的联结。帮助等电位联结能使2.5m伸臂范围内可能消失的电位差降至0V或接近0V。

局部等电位联结好像我们自己的命名，现行IEC标准中未见此提法。局部等电位联结可视为局部范围内的"总等电位联结'，但它与总等电位联结的关系并非总配电箱与安排电箱之间的上下级关系。实施局部等电位联结使降低接触电压值须小于平安电压限值50V，方能认为局部等电位联结是有效的。

可见，无论局部等电位联结还是帮助等电位联结，其目的在于是接触电压减低至平安电压限值50V以下或接近0V，而不是缩短爱护电器动作时间。

等电位联结作为附加爱护不能单独使用，肯定要与自动切断电源爱护联合实施。还要说明的是等电位联结能爱护人身平安，是不能爱护电气设备的。

附加措施二：剩余电流爱护器（RCD）

剩余电流爱护器的原理是基于基尔霍夫定律，即电流流入同一节点之和等于零。它不同于TN系统与TT系统关于尽量减小电抗（阻抗）或电阻的基本思想。

现在各国多采纳电流型剩余电流爱护器（RCD）。追溯至1928年，德国人提出的"人体触及带电导体时所通过的电流，以剩余电流互感器检测，并在人受损害之前快速切断电流，从而达到爱护的目的'的专利，这无疑是从事电器灾难预防工作的人所盼望的抱负爱护方式。

RCD对电气回路接地故障的防护特别有效。由于其工作原理所限，RCD不能防止别处故障沿PE线或装置外导电部分传导来的故障电压所引起的电击事故，所以，RCD不是万能的，这点应引起设计人员重视！

还需说明的是，设计人员只留意额定剩余动作电流In的选用，以为In越小越好，由于灵敏度高嘛！但往往遗忘了还有一个In0需要考虑！

In0是额定剩余不动作电流。规范对此的解释是：额定剩余不动作电流的优选值为0.5In，如采纳其他值时应大于0.5In。通常，对于In=30mA的RCD，其额定剩余不动作电流In0=0.5In=0