电气安全第3章(1)

第三章电击防护 第一节电流通过人体产生的效应第二节电气设备及装置的电击防护措施第三节低压系统自身的电击防护性能分析第四节低压系统上专门的电击防护措施第五节作业场所的电击防护措施第六节电击防护措施的综合应用示例第七节间接电击防护工程设计计算 本章重点讨论以下问题 1 人体对低压工频交流电的承受能力 2 电击产生的途径与强度计算 3 工程上常用的电击防护措施 4 工程设计中电击防护措施的综合应用 第一节电流通过人体的效应 一 电击形式1 直接电击人或动物触及到正常工作时带电的导体所产生的电击 特点 电击强度为线电压或相电压 2 间接电击人或动物触及到正常工作时本不带电 但却因故异常带电的导体所产生的电击 特点 点击强度差异很大 多因故障产生 二 电流通过人体时的生理反映 1 反应阈 0 5mA 2 感知阈 以50 概率计 男 1 1mA 女 0 7mA 3 摆脱阈 以50 概率计 男 16mA 女 10 5mA 4 室颤阈 是电流持续时间的函数 最低值50mA 大于室颤阈的电流被认为是致命的 三 工程标准主要确定室颤电流与时间的关系 1 达尔基尔公式 认为室颤危险性与电击能量累积有关 在电流持续时间0 01 5s内 I2t KDKD 达尔基尔常数 取值1162mA2 s 2 柯宾公式 认为室颤危险性与电流时间积相关 在电流持续时间1s以内 It KKKK 柯宾常数 取值50mA s 3 电流 时间分区图 表 IEC及GB 四 人体阻抗与安全电压 人体阻抗为阻 容性 人体电阻为电压的函数还与接触面积 压力等有关 由以上曲线换算出接触电压与允许接触时间的关系 结论 正常环境条件下 人体阻抗取1000 近似纯阻性 工频安全电压取50V 一般潮湿环境下工频安全电压取25V 其他特殊环境条件下安全电压取值应非常谨慎 第二节设备及装置的电击防护措施 是根本性措施 预防性措施 主要防直接电击 基本思想 消除接触到带电导体的可能性 具体技术手段 绝缘 屏护与间距三种 设备 equipment device 工厂生产的具备特定功能的完整单元 作为整体提供给用户 装置 installation 一系列相关设备及零 部件组合而成的整体 具备更完整 复杂的功能 一般在工作现场组装完成 也不排除在工厂 部分 组装 一 用电设备按电击防护方式的分类1 分类所考虑的因素绝缘 外壳上提供的保护可能 电压值 1 绝缘的作用1 工作绝缘 防止不同电位导体间发生电气接触 保证设备正常工作 又称功能性绝缘 如三相设备的相间绝缘 2 保护绝缘 防止发生电击 保护绝缘失效是发生间接电击的主要原因 保护绝缘失效的直接结果是设备外露可导电部分带电 因此常将其称为 碰壳 故障 2 外壳上提供的保护可能 指金属外壳上是否预置电气连接环节 以使外壳可以与地 固定布线系统或别的设备 设备外导电部分等进行电气连接 作为电击防护用 预置的电气连接环节一般是一个PE接线端子 或引出的一根一端已与外壳相连的PE线 该PE线通常与电源线 相线 中性线 一同引出 3 设备额定电压 可以使用低的额定电压来换取电击防护安全性 前提是固定布线系统 即工作场所的电网 能够提供这种低电压 2 按电击防护方式划分的四类设备0类设备 仅依靠基本绝缘作电击防护的设备 外壳上无保护连接环节 I类设备 具有基本绝缘 且金属外壳上提供保护连接环节的设备 II类设备 采用双重绝缘或加强绝缘的设备 外壳上无保护连接环节 III类设备 由安全特低电压供电的设备 3 设备分类与电击防护的关系 1 0类设备现只能用于非导电场所 2 I类设备用于正常电压供电的TT TN IT系统 不仅靠设备本身提供电击防护 一旦发生碰壳漏电 还可通过系统进行间接电击防护 3 II类设备用于正常电压供电的系统 完全靠设备自身进行电击防护 从工程角度看 不考虑该类设备发生绝缘损坏的可能 4 III类设备用于特低电压 ELV 系统 若满足一系列的相关条件 即可不考虑电击发生的可能 本段小结 二 电气设备外壳防护等级1 外壳防护的形式 代号与等级 1 外壳 指属于电气设备组成部分并界定设备空间范围的壳体 在装置现场设置的栅栏 围护等不能称作外壳 2 外壳防护 指设备外壳对固体异物和水进入其内部的防范作用 这些作用完全由外壳的机械结构所决定 3 外壳防护的作用 A 防固体异物 尘埃 水等进入设备 造成设备损坏 B 防人体手 头等部位进入设备造成机械伤害或电击伤害 2 外壳防护等级的代号及划分第一种防护形式 防止人体触及或接近壳内带电部分及触及运动部件 防止固体异物进入外壳内部 第二种防护形式 防止水进入外壳内部 1 外壳防护的表征方式用IPXX来表示 IP 表征字母 XX 表征数字 第一位表示第一种防护方式等级 第二位表示第二种防护方式等级 2 外壳防护等级将第一种防护方式分为0 6级 数字越大 能防止进入的固体异物尺寸越小 防护越严密 将第二种防护方式分为0 8级 数字越大 对水的防护越严密 最高可防潜水影响 例 IP20防护的外壳 可防止大于12mm的固体异物进入 但不防水 3 外壳防护等级与电击防护的关系起防止直接电击的作用 对其他一些有害因素的防范 外壳可能作为措施之一考虑进去 但不是唯一措施 这些情况不属于此处外壳防护讨论的问题4 外壳防护的IK等级 知识拓展 国内尚未有专门规范 防各种方向机械冲击的等级 也与电气安全有关 三 屏护屏护是通过机械隔离来防止直接电击的技术措施 主要用于工作场所不便于绝缘的电气装置 包括阻隔和障碍两种方法 1 阻隔 屏蔽 防止无意或有意 一定程度上 接近带电导体而产生电击危险 技术要求 有足够的机械强度 防火 金属阻隔须接地 开孔者根据孔的大小 靠带电侧应有足够的安全净距 常见如金属挡板 网眼遮拦等 2 障碍 只能防止无意识接近带电导体的行为 一般只用于专业场所 常见如栅栏等 从法律角度看 阻隔和障碍有明显的差异 在非专业场所 仅靠障碍 包括警示标志 防护 不能规避事故责任 尤其是对行为能力受限的人 如幼儿 残障人等 可能出现有意识地越过障碍物接触到带电导体的行为 四 间距通过保持带不同电位导体间足够的空间距离 使人不能同时触碰带不同电位的导体 从而避免电击 足够的空间距离一般情况下为2 5m 系指人的伸臂长度加上一定的安全裕量 但对于站立面以下的空间 伸臂距离有所变化 第三节低压系统自身的电击防护性能分析 指TT TN IT系统在没有附加其他专门电击防护措施的情况下 对电击事故的防护能力 均无直接电击防护功能 只对I类设备因碰壳故障产生的间接电击有防护作用 防护途径为 1 降低接触电压 2 切断电源 约定 按正常环境条件 安全电压UL 50V 人体阻抗RM 1000 分析 一 低压系统接地故障1 接地故障定义相导体与大地或与大地有联系的导体之间的非正常电气连接 称为接地故障 如 相线与接地的PE线 PEN线 建筑物金属构件的电气连接 相线跌落大地等 2 接地故障与电击事故的关系对电击防护I类用电设备而言 在TT TN IT系统中 设备外壳都通过PE线与大地相连 设备相导体碰壳 漏电 故障即相导体与PE线电气连接 因此均为接地故障 大多数直接电击也可看成是接地故障 相导体通过人体阻抗接地 3 接地故障与单相短路故障的异同是按两种标准对故障进行的不同分类 1 TT TN IT系统中 相线与中性线 如果有的话 间的金属性连接均为单相短路故障 但只有TT和TN系统中同时又是接地故障 2 TT TN IT系统中 相线与PE线间的金属性连接均为接地故障 但只有TN系统中同时又是单相短路故障 二 TT系统的电击防护分析 设备外壳上预期接触电压 系统接地电阻与设备接地电阻对相电压分压 设备接地电阻所分得的部分 故障模型与等效电路 一 原理分析1 降低接触电压分析对220 380V系统 按RN 4 计算 若RE 4 则设备外壳上的预期接触电压Ut 110V 要使设备外壳上的预期接触电压Ut 50V 计算得设备接地电阻RE不能超过1 18 工程上 要将RE做到4 以下是非常困难的 做到1 18 基本上不可能 因此 TT系统有降低碰壳故障预期接触电压的作用 但通常不能将其降低到安全电压以下 2 自动切断电源分析TT系统为保证系统自身安全 必须设置过电流保护 如熔断器 低压断路器等 碰壳 也即接地 故障电流Id能否驱动过电流保护电器在规定时间内动作 通过切断电源来保证安全呢 假设RN RE均为4 则 如此小的电流在绝大多数情况下都不能使过电流保护电器动作 因此 TT系统基本不可能靠切断电源保证安全 二 相关问题1 中性点对地电压偏移问题 UNE即系统中性点对地电位点电压 三个后果 1 N线带较高对地电压 2 系统接地点附近跨步电压 3 各相对地电压变化 有的高于相电压 以故障设备外壳对地电压为50V作为示例的相量图 2 TT TN系统混用的危险 TT设备碰壳 其他设备外壳全部带电 三 TN系统的电击防护分析 接地故障电流为 RN上无电流 无压降 故障模型与等效电路 一 原理分析1 降低接触电压分析 PE线阻抗不可能小于相线阻抗 why 故Ut不会小于相电压的一半 因此 TN系统有降低碰壳故障预期接触电压的作用 但通常不可能将其降低到安全电压以内 2 自动切断电源分析 1 接地故障电流性质分析 TN系统相端子碰壳接地故障电流即相保单相短路电流 按系统过电流保护设计要求 过流保护电器 QF或FU 应能灵敏地感知故障并可靠切断 2 切断时间分析 电击防护有确定的切断时间要求 如TN系统典型值为0 4s 但过电流保护切断时间是按热稳定要求制定的 不一定满足电击防护要求 按热稳定要求的切断时间为 因此 TN系统有可能靠切断电源进行电击防护 关键是切断时间是否满足要求 二 TN C系统相关问题 1 正常时设备外壳带电 不平衡电流 3n次谐波电流 2 PEN线断线后 断点后所有设备外壳带相电压 非常危险 采用重复接地可一定程度上抑制电压值 1 正常运行分析 中性点 N点 电位等于地 E点 电位 why 因此 三相对地电容电流之和等于零 即互为回路 四 IT系统间接电击防护性能分析 一 原理分析 正常工作时 中性点为地电位 各相对地电压为相电压 三相对地电容电流之和等于零 2 碰壳接地故障分析 流过碰壳设备的故障电流为接地故障电流 其量值为非故障相对地电容电流之和 量值很小 1 故障相U相对地电压降为0V 2 非故障相V相 W相对地电压升高为线压 3 非故障相对地电容电流从碰壳接地点流入系统 其量值为正常时每相对地电容电流的3倍 等效电路与电击危险性分析 1 为什么采用电流源等效电路 IT系统接地故障电流可认为是系统本构参数 2 电击电流强度 人体电阻与接地电阻分流 以Rt 1000 RE 10 代入估算 IM 0 01IC 安全性很高 二 相关问题1 一次接地与二次接地 两个设备接地电阻对线电压分压 总有一个设备外壳对地电压不低于190V 采用共同接地措施人为造成短路的防护方法 2 中性线设置与相电压获取问题可引出中性线 但IEC强烈建议不引出中性线 为什么 中性线只要有一点发生接地 系统接地形式由IT变为TT IT系统电击防护的优势荡然无存 十分危险 旧观念将N线称为零线 且认为零线接地总是会更安全 造成IT系统几乎最终都变成为TT系统 我国农网中曾试行IT系统 且引出中性线 导致电击事故率剧增 教训深刻 无N线 相电压用电设备怎么办 供电端10 0 23kV变压器 或终端380 220V变压器 本节小结1 TT TN系统均无直接电击防护能力 IT系统对相 地间直接电击可能有一定的防护能力 这取决于系统接地故障电流大小 2 TT系统靠接地电阻降低预期接触电压 但通常不能将其降至安全电压以内 自身电击防护性能不能满足电击防护要求 3 TN系统将碰壳接地故障转化为单相短路故障 靠过电流保护电器切断电源进行电击防护 有效性取决于切断时间 4 IT系统自身电击防护性能良好 只要系统线路总长度不超过规定值 发生一次碰壳故障时无电击危险 但二次碰壳故障有电击危险性 共同接地时靠过流保护电器切断电源进行电击防护 有效性取决于切断时间 分别接地时无防护 第四节低压系统上专门的电击防护措施 一 剩余电流保护电压型漏电保护简介 存在两大问题 1 人体预期接触电压与保护脱扣器电压不对应 2 不能用于直接电击防护 一 剩余电流保护电器1 工作原理1 理论基础 KCL 2 技术途径 通过带电导体检测非带电导体 系统本身的或系统以外的 上是否流有电流 剩余电流 ResidualCurrent 从工作端子以外的地方流过的电流 俗称漏电电流 2 剩余电流保护电器 RCD 分类 1 带切断触头 RCD C 又分漏电开关和漏电断路器 2 不带切断触头 RCD O 如漏电继电器等 其他分类方式 电磁式与电子式 整体式与组合式 固定式与移动式等 3 特性参数 1 额定电压 额定电流 极数等开关电器一般参数 2 额定漏电动作电流I n 指在规定条件下 使RCD一定动作的最小剩余电流值 3 额定漏电不动作电流I no 指在规定条件下 使RCD一定不动作的最大剩余电流值 4 漏电动作电流I 使RCD刚好动作的剩余电流值 非铭牌 样本 参数 辩异 I n I no I 工程意识 5 RCD C 分断时间 二 剩余电流保护设置 TT系统中RCD的应用 TN S系统中RCD的应用 TN C系统中RCD的局部应用示例 纯粹的TN C系统是不能应用RCD的 三 剩余电流保护的相关问题1 系统对地泄漏电流造成RCD误动作问题电击防护用RCD额定漏电动作电流为30mA 三相系统三相对地电容电流大致平衡 RCD只测得三相不平衡部分 量值一般达不到使RCD误动作的程度 单相系统长度一般有限 对地电容电流通常也达不到使RCD误动作的程度 工程中RCD误动作绝大多数是由于结线错误造成的 两种典型结线错误为 1 未将N线接入RCD 2 TN S系统在RCD后误将N线与PE线连接 2 剩余电流保护与短路保护的异同 剩余电流保护是接地故障保护 短路保护是一种过电流保护 这是两种不同的保护形式 TN S系统相 保短路是一个特例 它既是接地故障又是单相短路故障 因此剩余电流保护与短路保护都会动作 通常将这两种保护合并 由漏电断路器实施 TN TT IT系统中L N短路 只能靠短路保护动作 剩余电流保护不起作用 因为这时单相短路电流尽管很大 但性质上不属于剩余电流 3 剩余电流与零序电流的区别 零序电流是三相电流之和不等于零的那一部分 剩余电流是所有带电导体 相线与N线或PEN线 电流之和不等于零的那一部分 三相四线制系统中 N线上流过的电流即零序电流 但非剩余电流 PE线上流过的电流才是剩余电流 4 剩余电流保护具有防直接电击的作用发生直接电击时 流过人体的电流性质为剩余电流 可通过RCD保护 工程上只允许剩余电流保护做直接电击的补充保护 不能取代绝缘等直接电击防护措施 二 电气隔离 一 原理分析1 概念将一个器件或电路与另外的器件或电路在电气上完全断开的措施 以提供一个完全独立的规定的防护等级 使得即使基础绝缘失效 在机壳上也不会发生电击危险 常见方式 电动机 发电机组 隔离变压器等 2 电击防护原理以1 1隔离变压器为例 重点找与地的关系 通过二次侧线路对地电容与地发生联系 等效电路简化 正常时二次两根线均为相线 对地电压为一次相电压一半 电击强度计算 是否有电流入地 证明 ZC通常在2M m以上 即每米线路在人体上的电流为0 1mA以下 只要控制线路长度 可保无电击危险 二 安全条件使电气隔离在工程上有效承担电击防护任务所必须限定的各种因素 称为电气隔离的安全条件 1 通用技术条件 1 电源 电压 容量 隔离程度 2 回路 独立性 唯一性 电压长度积控制等 2 对单一设备隔离的补充要求 3 对多台设备隔离的补充要求 被隔离回路独立性示例 多台隔离设备处理 不接地PE线的作用 相邻设备异相碰壳时 制造短路以切断电源 以消除电击危险性 三 特低电压 一 分类 SELV 安全特低电压 不能接地 PELV 保护特低电压 可一点接地 FELV 功能特低电压 工作本身需要低电压 解释 安全 的相对性 系统性 二 特低电压的量值1 电压区段GB T18379 2001 建筑物电