低压系统中电击防护措施的原理分析

知识点：电击防护措施

一、防护措施的原理

    属于IEC 60364-4-41规定的采用自动切断电源的防措护施，是用于防止在绝缘故障的情况下，人员遭受危险的接触电压的时间足以造成器质性的损害。

为满足这种要求，在这样的故障情况下，该电路和保护器必须以足够快的速度切断有效的故障电流，以防止接触电压的持续时间长到足以构成危险。

由此得出，这种防护措施取决于如下两种条件的组合：

a) 规定一条被称为“故障回路”的传导路径，以便故障电流流通。故障回路的组成取决于系统（TN，TT或IT）接地的形式。  

TN系统接地故障回路

TT系统接地故障回路

IT系统接地故障回路

b)   采用适当的保护器，在一最大的时间区段内，切断故障电流。这个最大的时间取决于这样一些参数，例如，最高的接触电压的幅度，故障的概率以及在故障期间人员触及设备的概率。接触电压和持续时间的可接受的极限值。是以人们关于电流对人体效应的知识为基础的。

条件a)要求用保护导体将所有的由装置供电的电气设备的外露可导电部分都连接到接地系统上，而且要保证满足连接的可靠性的条件。

条件b)要求保护装置要具有按TN、TT或IT系统接地形式所定义的特性。

二、电流对人体的效应

电流对人体的效应问题，已有许许多多的研究和试验题目，其结果已被汇集和介绍在IEC 60479报告中。该报告明确了两个部分：

——  以下不同幅度和持续时间通过人体流动的电流对人体的效应；和

——  作为接触电压函数的人体的电气阻抗。

这两种组成部分容许在预期的接触电压，与其持续时间之间确立关系，而这种关系，对于遭受那种接触电压的任何人而言，通常不会导致有害的生理学效应的结果。

对于交流电流（15H_Z至100H_Z），这种关系是从IEC 60479—1报告中所提供的资料中开始推算出的，见图1。

本图的相关部分是AC—3区域（在b和c ₁ 之间）。在该区域内，预期的没有器质性损害。在没有心室纤维性颤动的情况下，对心脏博 动不可逆性损害的概率随着电流和持续时间的增加而增加。但是这种效应一般认为， 在电流中断后并不继续存在。

在C1曲线以上（在AC—4区域中），存在着危及生理学效应的风险，例如：心跳停止、呼吸停止和严重的发烧。这种风险的概率，随着电流的幅度和时间的增加。直至C2曲线附近约5%为止。

问题是要定义在AC—3区域以内如何确定“电流—持续时间”的适当的关系。这种关系可根据人体阻抗转化为“电压—持续时间”，从其中可以推算出关于实际的接触电压和持续时间的极限值。

AC—3区域的两个边界是没有特别的具体意义。采用下限值明显是过于保守的，但采用上限值又必须保持一定的安全裕度。考虑到这种观点，在图1中假设了一条标有“LC”的曲线,因为它同在先前关于在AC—4区域边界线以下的安全裕度的大小所作出的判断是一致的。并在同时，关于通过人体的由不同持续时间的电流所引起的危险程度，已被世界公认。

曲线“LC”被认为（切断时间和电流的函数）是关于按预期的接触电压的函数确定切断时间，要与采用自动切断电源的防护方法一起使用的合理的基础。LC曲线的最左侧对应30mA，也即是用于人身安全的剩余电流保护的动作阈值的来源。低于30mA的数值对于正常环境下是没有必要的。

三、人体的电气阻抗

为确定接触电压而需要考虑的关于人体的电气阻抗，相关的有两种情况：

——故障电流在人体上最有可能流经的路径；

——环境条件，主要是关于水的存在和人与地接触的情况。

在人体不同部分的电气阻抗路径在IEC 60479报告中具体说明，其阻抗值的大小取决于所采用的电压。阻抗的相当大部分是与皮肤的条件相关的。为了使由人体阻抗推算出的接触电压极限值能处于安全一方，在IEC 60479-1（表1）所给出的最低阻抗值是超过所有选样总数的95%的。由两手到双脚的电流路径是假设的。这是一条有最小电阻而且又最大范围地牵涉到心脏肌肉的路径。

考虑到实际中所遇到情况，所定义的正常场所具有下列的一般特性：

——干燥或潮湿的地方（或地带）；

——显现有效电阻的地面。

注：关于特殊场所，各标准中都有更严格且具体的规定。

对于正常场所的防护条件是在考虑到电气阻抗Z的情况下确定的：

Z=1000+0.5Z_T5%    （Ω）         （1）

1000Ω电阻值是考虑到包括鞋袜和地面电阻都存在的偶然性而折中选择的。对干燥地方的试验和剂量所显示的实际量值是处于一个非常宽的范围，典型的鞋袜和地表面所具有的阻值至少为1000Ω。人们认为，采用这样的阻值实质上提供了一个附加的安全裕度。公认的是，在环境条件很不适宜的场合，例如，暴露于潮湿的条件，应采用较低的阻抗值。

按IEC 60479-1报告的说明，Z_T5%是指全部的人体阻抗而言，则是不超过对象全体（制成表的最小的数目）的5%。

Z _T5%的值是以假设人体电阻取决于预期的接触电压（U_t）而言，如果不存在电流流动的危险，则接触电压就是施加于人体的电位。实际上对人体的试验，在电流流通时多半都采用更低的预期接触电压（Uc），这样的假设意味在推算的接触电压值中具有更多的安全裕度。

等式（1）中的0.5系数是考虑到两手至两脚的双倍接触情况，而IEC 60479-1报告的图2中给出的是两手之间的接触。

像上面那样解释中所采用的IEC资料，对于正常场所，在预期的接触电压和切断的时间之间所要求的关系，如表A所示，是推算出来的，并在图2中予以说明。

在表A中所给出的作为预期接触电压U_t函数的特定值是：

——  像先前所指出那样确定的电气阻抗Z；

——  通过人体的电流I；

——由图1的Lc曲线确定的切断时间t

表A——预期接触电压与最大切断时间之间的关系

预期的接触电压（V）	Z （Ω）	流过人体的电流 （mA）	切断时间 （s）
25	1700	14.71	-
50	1550	32.26	-
75	1450	51.72	0.60
100	1396	71.63	0.40
125	1360	91.91	0.33
225	1310	171.76	0.18
400	1280	312.50	0.07
500	1250	400.00	0.04

上表代换为预期接触电压和切断时间的曲线如下：

50V的值是规定作为约定接触电压（U_t）的极限值。IEC 60364-4-41标准所涉及的与正常和潮湿场所相应的一般情况的约定接触电压极限值是交流50V或无纹波直流120V。

考虑系统最不利的方式下，预期接触电压计算公式为：      

U _t  =U_OR_PE /Z_S        

其中

U _O    是该装置相线与中性点之间的电压；

R _PE    是所考虑的外露可导电部分与参照点B（见图4）之间保护导体的电阻；

Z_S    是由电源，出现故障的带电导体组成的故障回路和故障设备的外露可导电部分与电源之间的保护导体的阻抗（Z_S=Z_O+Z_L+Z_PE）。

四、结论

考虑较为正常的情况，220/380V供电系统的接触电压Ut都是较为小值的，即Ut≤1/2U0，常规在88~110V之间，即采用0.4s作为切断电源的时间要求是合理的。在TT系统中，接触电压一般低于220V，因此按0.2s切断，如果具备等电位联结时，才允许按TN系统切断时间一致。以上数值考虑了较为极端的5%身体阻抗最低群体的大接触面积双手双脚触电的情况下的最不利状况。因此本数值是可靠且世界公认的。

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