等电位联接在建筑电气中的应用

等电位联接在建筑电气中的应用

中国在建筑物的电气设计中通常要求签署高压供电，并要求接地电阻不超过1m，以确保安全。但一些发达国家几十年来早已很少提这些要求,他们重视的是等电位联结的设置。这一差异充分说明这些年来我们对外交流沟通不够,信息闭塞导致我国建筑电气技术过时落后的现状。电气装置的事故或不正常现象每因过大的电位差而引起,等电位联结的作用就是消除或减小过大的电位差,以保障人身和财产安全,并使电气装置正常实现其功能。建筑物电气装置依附于地球大地,所以电气装置的接地不过是将它与大地连接,以实现与大地的等电位联结,减小与大地间的电位差,并以大地电位为参考电位,所以等电位联结较之接地具有更广泛的内涵。接地可认为是等电位联结的体现形式之一,由于接地存在较大的接地阻抗,减小电位差的等电位效果较差,但它具有向大地泄放雷电流和静电荷等不可替代的功能。在建筑物电气装置中等电位联结的应用是多方面的,下文试举数例。1《在气体环境中的电气装置》在存在有爆炸危险气体的场所,星星电火花就可招致爆炸和火灾的严重后果。IEC60079-14Electricalapparatusforexplosivegasatmospheres—Par14:Electricalinstallationsinhazardousareas(otherthanmines),《爆炸性气体环境中的电气装置第14部分:危险场所(矿井除外)中的电气装置》不规定该场所内接地和接地电阻的要求,只规定该场所内必须实施等电位联结,以避免电位差导致电火花的发生。它还要求金属结构间的联结至少须具有相当于10mm2截面铜导体的电导以尽量减少可导电部分间的电位差。等电位联结是电气防爆技术中一个极其重要的措施。2地下地下等电位按IEC62305防雷标准和IEC60364-5-53建筑物电气装置标准,无论是建筑物的外部防雷或内部防雷,都离不开等电位联结的应用。例如35kV及以上的户外变电所是位于无等电位联结作用的大地平面上的,为此需要在该处地下铺设金属网格并将其与设备外壳相连接以实现等电位的环境条件,消除或降低雷电接触电压和跨步电压并减轻高压电气设备绝缘故障引起的危害。又如一般建筑物防雷装置的接地极必须和建筑物总等电位联结接地母排相连通而实现等电位,以防雷电冲击接地电阻R上的大幅值雷电电压降IR对建筑物发生跳击而引起事故。高层建筑防雷引下线每隔约20m也需和建筑物内等电位联结系统相连通而等电位,以防雷电流在引下线上的大幅值电压降产生的高电位对建筑物发生跳击。不用担心高电位引入建筑物内,担心的是电位差引起的电气危险。这和鸟能安全地站在1000kV超高压架空线上,两脚等电位,鸟连麻电的感觉都没有的道理是一样的。4生设备碰撞接地故障的消除作用等电位联结对低压配电系统内的防电击有两个主要作用:一个是当楼房内发生电气设备碰外壳接地故障时,它可较TN系统的PE线重复接地更大幅度地降低接触电压;另一个是它可完全消除TN系统内由PE线或其他金属导体从楼外导入的故障电压引起的电击事故。下文将对此两个作用作一简述。4.1id与zpen图3所示一楼房内电气设备发生碰外壳接地故障。其故障电流Id系经阻抗小的PE线和PEN线返回电源。预期接触电压为Ut=Id(ZPE+ZPEN)。虽然在楼房电源进线处将PE线重复接地,但重复接地的接地电阻和电源处系统接地的接地电阻RB之和远大于ZPEN,其分流和降低Ut的作用有限。如果如图4中点划线所示做了等电位联结,则Ut降为Id×ZPE。其降低Ut的效果远优于做重复接地。详见拙著《低压电气装置的设计安装和检验》(第2版)中第六章第四节的具体分析。本文不赘述。4.2故障电流和电位差图5中的楼房不具备人为的或自然接触形成的等电位联结的作用。当如图示配电系统内楼外某处发生故障电流Id不是经PE线而是经大地返回电源的接地故障时,例如配电系统内楼外某处的相线绝缘损坏与接大地的金属结构短路,但相线并未断线,故障电流Id受图示RE和RB的限制,其值未超过电源出线过电流防护电器的整定值,不能使其切断电源,此故障将长期持续存在。故障电压Uf=Id×RB将如图5中虚线所示沿PEN线和PE线传导至设备外壳引起电气事故。如果楼内做了等电位联结(如图6点划线所示),则楼内电气设备外露可导电部分和电气装置外可导电部分的电位(如图6中虚线所示)同时升高为Uf,楼内不出现电位差就不可能引起任何电气事故。等电位联结的这一作用对于我们常用的TN系统尤为重要。4.3等电位联营是一种独立的措施现时生活水平提高,家用电器增多,各地不少出现楼房内电器持续长期带电压使人麻电甚至发生电击致死的事故。即使拉闸断电麻电现象依旧。该楼房称作“电楼”。出现“电楼”现象可能有种种原因,但最常见的原因是4.2节所陈述的楼外配电系统内接身安全。对这一电气危险,变电所内应采取有效措施予以防止。而就低压用户本身而言最有效的防护措施就是如本文4.2节所陈在楼内实施等电位联结。在具备等电位联结作用条件下,无论从变电所传导来的暂时过电压的幅值多高,楼内都不出现电位差,人身是确保安全的。变电所的暂时过电压是一个比较复杂的问题,可参见前述拙著第十二章,本文内不赘述。d.从图5和图6可知,配电系统内发生相线接大地故障时,中性线也同时带对地故障电压Uf。如果楼房内未作等电位联结,只用三极开关断开相线未断开中性线,电气检修人员检修电气路线接触中性线时可能遭受电击。为此需装用四极(或二极)的隔离开关同时断开相线和中性线以保证检修人员的人身安全。但从图6可知,我们常用的TN系统内中性线和等电位联结是连通和等电位的,两者间不存在电位差,电气线路检修接触中性线时没有电击危险。可以在回路上装用三极开关,不必装用四极开关来进行电气隔离。这样除节约投资外还避免了装用四极开关因中性触头导电不良招致“断零”事故烧坏大量用电设备的风险。等电位联结的应用是很广泛的,在发达国家受到普遍的重视。限于篇幅本文内不一一枚举。6结束语各种电气系统内的等电位联结能使有关可导电部分的电位相等或接近,从而实现其安全性和功能性的目的。它是一个非常重要的独立的电气技术措施。例如就一般防电击而言,不外两个途径,一是作等电位联结来消除或降低接触电压;另一是安装防护电器自动切断电源来缩短人体通电时间。本文图4说明等电位联结可有效降低接触电压。图6说明发生接大地故障时如果防护电器不能自动切断电源,故障防护失效,则只能藉等电位联结消除接触电压来避免人身电击事故。在不少情况下,等电位联结可弥补自动切断电源措施的缺陷和不足,它是一个独立的措施。正因为此,在IEC60364-4-41防电击标准中特别强调地规定了设置等电位联结的要求。有的同行就此以为等电位联结只是自动切断电源措施的一部分,而不是一个能脱离自动切断电源的独立的措施,这一理解恐怕有误。有的同行在技术文件行文中往往将“等电位联结”写作“等电位联结接地”。似乎没有接地等电位联结就不成其为电气防护措施。这同样也恐是出于对等电位联结的误解,讵不知在IEC防电击标准中还规定有不接地的等电位联结防电击措施。在这一措施中等电位联结防电击措施是不允许接地的,不然由于引进了大地电位反而招致电击危险。等电位联结在高压和低压、高频和低频诸多电气系统中有其独立的不可替代的保护性和功能性作用。从接地升华到等电位联结是半世纪多以来国际上建筑电气和用电技术的一大进步。我们在这方面的理论水平和国际水平相比差距不小。需我们迎头赶上。笔者的理解十分肤浅,所陈定多谬误。抛砖引玉,希同行不吝批评指正。为保护信息技术设备(informationtechnologyequipment,简称ITE)免受雷电危害而装设的电涌防护器(SPD),其实是一个用以实现等电位联结的器件。如图1所示,当ITE电源回路上出现高幅值雷电涌压时(也包括邻近大功率设备操作产生的涌压),SPD被涌压击穿导通,相线和PE线被SPD等电位,从而降低了涌压,保护了ITE。雷电瞬间即逝,SPD又恢复绝缘状态。所以SPD是一个起瞬时等电位联结作用的器件。在装用SPD保护ITE防雷电涌压危害的国际电工标准IEC60364-5-53Electricalinstallationsofbuildings—Part5-53:Selectionanderectionofelectricalequipment—Isolation,switchingandcontrol第534节中要求图1中相线和PE线间的连接线不宜超过0.5m,以尽量减少此连接线上的电压降,降低ITE上的雷电残压,提高SPD作高频低阻抗等电位联结的保护效果。3在抗电磁干扰技术中的应用由于信息技术在建筑电气中被广泛应用,电磁干扰问题也随之而来。我国有的建筑电气设计规范规定电子信息系统宜与防雷系统共用接地网,这基本上是正确的。但它要求共用接地网的接地电阻不大于1Ω,却未说明要求如此低的接地电阻的依据和原由。这一规定给建筑电气的设计和安装带来许多困难和麻烦。而即使接地电阻达到1Ω却仍未能解决信息设备信号接地的地电位不均等导致的电磁干扰问题。笔者查阅有关国际电工标准和发达国家标准,也均无此1Ω接地电阻的苛刻要求。大家知道信息技术系统的电磁干扰源是复杂多样的。其中之一是同一系统内的各ITE的信号接地的地电位不均等。取大地电位为地电位是难以获得均等的地电位的。因为对工作频率以若干MHz计的信息系统的信号接地而言,接大地阻抗Z中的高频电抗(X=2πfL)分量甚大。相比之下接地电阻(R)分量微不足道。因此重要的是尽量减小ITE与“地”间的高频电抗X。为此如图2所示的IEC60364-4-444防电磁干扰标准不以大地而以铜质网格之类的导体作为地,以该类导体的电位作为诸ITE信号接地的地电位,采用尽量小的高频低阻抗连接方式与该类导体进行连接来实现信号接地,使诸ITE信号地间等电位以消除电磁干扰,信息技术系统得以正常发挥其功