浅议局部等电位在现代建筑中的应用

浅议局部等电位在现代建筑中的应用

胡海安

联化科技股份有限公司 浙江省台州市 318000

摘要：阐述了在建筑中应用局部等电位的重要性，并重点分析了有局部等电位时电气设备因故障接地导致未发生故障接地的手持式设备对人身触电的危害和没有局部等电位时发生上述故障时的比较。

关键词：TN系统 局部等电位 电击 间接接触触电防护

前言：

根据全球电气事故相关数据统计，所产生的电气事故主要存在于低压系统上，而低压系统的事故很多都是因为相线出现故障从而接触到设备的外壳、金属护罩等导电性结构而引起的接地短路，这些故障所产生的故障电压会通过可导电的部位引起人身电击或者电气火灾事故。对于人身电击事故，根据中国消费者协会《中国家庭用电环境调查报告》中的统计，国内每年在卫生间都会发生上千例因电气故障所造成的伤亡，这是非常令人痛心的。对于电气火灾事故，据火灾事故数据表明，我国电气火灾每年呈上升的态势，并且仅次于明火产生的火灾。

1. 等电位联结概述：

等电位联结的根本作用是降低各导电体的电位差异，而减少电位差异的方法之一就是将建筑中所有可导电的部位全部通过导线联结起来并与自然接地体或人工接地体做可靠的电气连接。等电位联结能减少因雷击时电气系统与各导电体的电位差，能减少电气系统故障时与其他导电体之间的电位差，有利于消除外界磁场对保护范围内的电子设备的干扰。等电位联结按作用可分为三类，即总等电位联结、辅助等电位联结和局部等电位联结。本文重点讲的是局部等电位联结，在JGJ242-2011中的第10.2.1条中对于局部等电位也有非常明确的要求。

二、电击防护分类

国内最常用的电力系统为TN系统，TN系统中的第一个字母T是“大地”一词法文Terre的第一个字母；第二个字母N是“中性点”一词法文Neutre的第一个字母。TN系统又分为三类，即TN-C系统，TN-C-S系统，TN-S系统，其中TN-C系统已经逐渐淘汰了。从保护的角度简单的来讲一下：TN系统的电源侧的中性线直接接地，设备侧的接地（PE线）也需要回到电源侧的中性线，所以当发生单相接地故障时，相线与接地线（PE线）会造成金属性短路，从而产生极大的短路电流使保护侧的断路器瞬间跳闸，从而起到保护的作用。

电击防护分为两种，一种为基本防护（直接接触防护），另一种为故障防护（间接接触防护）

直接接触防护分为：①将带电部分绝缘；②采用遮拦或外护物；③采用阻挡物；④置于伸臂范围之外；⑤用剩余电流动作保护器的附加防护

间接接触触电防护：具备金属护罩等的外露可导电的设备，因故障造成设备外壳带电，当人体触及这些外露可导电部分的时候，就叫做间接接触触电。外露可导电的电气设备、线路等出现故障的情况下，为了避免发生人身触电伤害事故而进行的防护，称为间接接触触电防护，或着称之为防止间接接触带电体的保护。

三、电气设备因故障接地导致没有故障的手持设备带电，从而对手持设备人身员造成危害，在有无局部等电位时的对比

TN系统中配电线路的间接接触防护电器切断故障回路的时间是不同的，按IEC要求，固定式设备不大于5S，手持式设备、移动式设备不大于0.4S。如果以上设备的供电回路从同一配电箱或配电回路引出，可能因切断时间的不同而引起电击事故。

现以图1为例简单分析下。图1中所示为一栋高层建筑中的电气装置。在其底层中有总等电位联结用的接地母排MEB和电源进线配电柜。顶层中的末端配电箱引出回路分别供电给固定式设备M和手持式设备N。当固定式设备M发生接地故障时，故障电压通过PE线会在小人2上产生接触电压，见等效电路图2。

分析小人2的情况，因为结构钢筋在整个建筑里面是可以认为全部联通的，所以小人2所站立的位置的电位与底层MEB的电位是等同的，由等效电路图2可知，小人2上的故障电压降为I_dZ_b-c，但由于是高层建筑，所以b-c这段线很长，TN系统接地故障电流I_d又很大（需要保证保护电器灵敏度），导致b-c段的故障压降大大超过了50V，这一故障压降会通过PE线和导电地面在人的一手和两脚上施加了危险的接触电压，从而使小人2遭受电击的一个事故。而有故障的固定式设备M的切断电源时间可长达5S，它不能瞬时切断电源而使使用手持式设备N的人免于死亡。虽然手持式设备的回路上装有30mA的RCD，但此回路本身并没有发生接地故障，RCD是不会动作的。在这样过高的接触电压和过长的人体通电时间作用下，使用手持式设备N的人将因遭受电击并且不能摆脱设备而导致死亡。

防范TN系统这类电击事故有几种措施可供选择：一种是放大线路截面，以减少线路b-c段的阻抗Z_b-c，使其上的故障电压降小于50V，以公式表示为Z_b-c≤50Zs/U₀，即Z_b-cI_d≤50V，式中Zs：接地故障回路阻抗；U₀：相线对地标称电压。另一种措施是在固定设备M的供电回路上加装RCD，以保证在0.4S时间内切断电源。这两种措施都有其缺点而不实用。

IEC推荐采用的措施是在此楼层内作前述的局部等电位联结。如图1 中点划线所示。图1中LEB为局部等电位联结的接线端子母排。做局部等电位联结后，将b点联结至LEB，而LEB是与结构钢筋联结的，即d点与LEB、b点实现等电位联结，即等效电路图2中的b点与d点电位相同，即使用手持式设备N的人的手部(b点）与足部（d点）的电位相等，预期接触电压几乎为0V，不存在电击危险。

接着分析小人1的情况，从图1可知，小人1所站立的位置的电位与底层MEB的电位也是等同的，由等效电路图3可知，小人1上的故障电压降为I_d（Z_a-b+Z_b-c），也同样因为建筑为高层，所以线路b-c段很长，TN系统接地故障电流I_d很大（需要保证保护电器灵敏度），导致故障压降也大大超过了50V。

IEC对切断固定式电气设备电源的最长时间规定为5S，其原因是，当固定式设备发生故障时，人体触及它时通常是比较容易摆脱的，并且这个时间是综合考虑了线路的热承受能力，保护电器的动作灵敏度等因素。可是如果我们在此楼层内作一局部等电位联结，b点联结至LEB，而LEB是与结构钢筋联结的，即e点与LEB、b点实现等电位联结，即等效电路图3中的b点与e点电位相同，那么小人1上的接触电压变为I_dZ_a-b ，又因为导线a-b的距离是非常短的，所以阻抗Z_a-b 就非常小，由此可见在此楼层作局部等电位联结后固定设备M的接触电压也大幅度的降低，极大的减少了人体因故障电压所产生的电击危害。

四、结语：

综上所述，局部等电位联结可以大大减少间接接触触电事故以及降低触电事故所造成的危害。另外，局部等电位还可以有效减少雷害对人身和信息设备的伤害和干扰，并且还可以避免爆炸危险场所因电位差而产生的电火花，而所增加的不过是寥寥几根不需要复杂维护和管理工作的联结线，因此在一些发达国家常常会在高层建筑的每一层楼都做一次局部等电位联结。

参考文献

[1] 中国航空规划设计研究总院有限公司.工业与民用配电设计手册[M].第四版.中国电力出版社.2016.12.

[2] 住房和城乡建设部标准定额研究所.民用建筑电气设计标准S].中国建筑工业出版社出版.2019.11

[3] 住房和城乡建设部标准定额研究所.低压配电设计规范[S].中国电力出版社.2012.6.

[4] 中国航空规划建设发展有限公司.建筑物电气装置600问[M].中国电力出版社.2018.12.