基于风险分析的电气安全防护措施

安全和危险

>   >   >   >         安全概念

安全（safety）被定义为无不可接受的风险。这意味着，安全不是没有风险，而是排除了不可接受的风险，仅存在可允许的风险。

安全是人类生产过程中，将系统的运行状态对人类的生命、财产、环境等可能产生的损害控制在人类能接受水平以下的状态。安全是人类活动中不可或缺的基本要求，是工程标准化的优先要素；在电能使用中，应优先保障人身安全。

> > > >        可容许风险

风险（risk）指伤害发生的概率和严重程度的综合。可容许风险（tolerable risk）是基于当前社会价值观，在给定的情景下可以接受的风险。

可容许风险涉及技术和知识的发展，以及经济上的可行性，还与所处的工作场所、公共环境或者家庭环境有关。在多数情况下，受过培训的人员往往能更好地控制工作场所、公共场所的风险；相对而言，家庭和室外环境的人员则很难受到相应的培训。

> > > >       剩余风险

剩余风险（residual risk）是在实施防护措施后还存在的风险。剩余风险分为：

a. 设计人员采取了防护措施之后的剩余风险；

b. 使用者实施了全部防护措施之后的剩余风险。

实际工程中，应尽可能采取措施降低剩余风险；任何时候，剩余风险都不应超过可容许风险。安全概念原理是将低压电气设备的剩余风险降到可容许风险以下，见图1。

欧洲共同体的低压指令（73 / 23 / EWG）列出了电气安全目标，以确定风险的边界。低压电气设备的安全目标：

a. 在电气设备上注明需要了解和遵守的正确和安全使用所依赖的基本特性。

b. 制造商的标志或商标应清楚地贴在电气设备上，或者贴在包装上。

c. 电气设备及其部件的设计应使其能够安全和正确地连接；

d. 电气设备的设计和制造应确保在正确使用和维护的情况下，避免出现下述的危险。

还应为以下方面规定技术措施：

a. 使人类和牲畜得到充分保护，免受直接或间接接触可能造成的伤害或其他伤害的风险。

b. 不产生可能造成危险的温度、电弧或辐射。

c. 人、牲畜和财产得到充分保护，免受经验表明由电气设备引起的非电气危害。

d. 绝缘与预期应力相适应。

  因此，电气标准规定了最高的可允许风险。

风险要素

>   >   >   >      风险函数  
 

风险要素是最广泛意义上影响风险的因素，根据技术规范定义的规则连接起来，并形成预期的风险。风险（R）概率是由预期伤害的严重程度（S）和预期伤害发生的概率（h）组成的函数：

R = S · h

与具体危险相关的风险取决于以下因素：

a. 预期伤害的严重程度，包括：轻微、严重、死亡。

b. 预期伤害发生的概率，包括：人在危险中的暴露程度；危险事件发生的概率；避免危险或限制伤害的可能性。

人在危险中的暴露程度涉及暴露的频率和（或）停留的时间，例如：

a. 偶然至经常，和（或）持续时间短；

b. 频繁至连续，和（或）长期停留。

危险事件发生的概率，包括低概率、中概率和高概率，并应考虑以下因素：

a. 事故历史记录；

b. 相关统计数据；

c. 可参照的风险比较。

避免危险或限制伤害的可能性包括：某些条件下可能、几乎不可能的风险降低措施，并应考虑以下因素：

a. 受过训练的人群和非熟练人群；

b. 对风险认识的程度；

c. 实践经验和知识的差别。

  风险要素函数如图2所示。

>   >   >   >      风险图示例

以施工现场装置为例，根据风险示例图（如图3所示）进行初始风险估计：

a. 向额定电流不大于32 A的电源插座和手持式设备供电的回路：① 电击的最严重程度为死亡S2；② 操作人员在危险施工现场的暴露程度高F2。供电线路并非全程固定敷设，有可能触碰、拉扯电源线路造成绝缘损坏，或条件恶劣加速线路老化，引起直接接触带电导体，发生严重的电击事故。③ 从统计角度，这类手持式用电设备是人致死的主要因素，发生危险事件的概率高O3。④ 施工场所人员多数是受过训练的人群，对风险有一定的认识，具有避免危险或限制伤害的可能性A1。

b. 向额定电流大于32 A的电源插座和固定式设备供电的回路：① 电击的最严重程度为死亡S2。② 操作人员具有中等暴露程度F2。供电线路全程固定敷设，配电箱有管理措施，不可能直接触及带电导体，但设备外壳有发生绝缘故障的可能性。③ 固定设备造成电击死亡的概率较低，发生危险事件的概率不高O2。④ 施工场所大容量固定式设备通常由专业人员管理和使用，对风险有较高的认识。具有避免危险或限制伤害的可能性A1。

将以上初始风险估计的结果填入风险示例图，可得到风险指数，其中：① 风险指数1 ~ 2对应于采取措施的最低优先级；② 风险指数3 ~ 4对应于采取措施的中等优先级；③ 风险指数5 ~ 6对应于采取措施的最高优先级。

根据风险示例图：① a的初始风险指数为5，应采取最高优先保护措施，应增加附加防护；② b的初始风险指数为4，可采取中等优先保护措施，仅设置故障防护。

保护措施

安全技术的任务是定义一种或多种保护措施，在危险发生时，实现安全的目的。20世纪70年代末，为了提高设备和系统的安全性而规定了一些特定的安全措施。直到20世纪80年代初，国际上形成了更加统一的观点，根据预期风险制定了相关的技术要求，从而在共同的基础上降低风险。由此产生了TT、TN和IT接地系统的分类及组合，并于1977年正式列入IEC 60364标准，被大多数国家吸收进国家标准。

电击防护理论进一步发展，基本防护提供正常状态下的防护。低压设备的带电部件，必须在整个过程中保持绝缘，或通过位置、布置或特殊装置防止直接接触，在此情况下采取的措施称为基本防护。基本防护失效使外部导电部件出现故障电压，采用故障电流保护措施可以及时切断电源，避免电击风险，称为故障防护。故障防护提供单一故障状态下的防护。

> > > >     附加防护

实际工程中，基本防护和故障防护都有可能失效。例如：  

a. 直接触及带电部件；

b. PE线断开，设备发生接地故障；

c. PE线接线错误；

d. Ⅱ类设备发生绝缘故障；

e. Ⅱ类设备落入浴缸等。

其中，Ⅱ类设备不仅有基本绝缘，还具备像双重绝缘或加强绝缘这样的附加安全措施，这种设备不采用保护接地的措施，可以省略其他故障防护。理论上，存在基本绝缘和加强绝缘均损坏的情况。完好的Ⅱ类设备落入浴缸的特殊情况下，通过浴缸金属下水管形成故障电流回路也会造成电击风险，见图4。

基于20世纪70年代开始的一系列研究，奥地利电工委员会于1994年提交对IEC 60364结构的重大修改议案，其中包括三重保护概念：基本防护、故障防护和附加防护，见图5。

IEC 60364 - 4 - 41：2001《Low?voltage electrical installations Part 4 Protection for Safety - Chapter 41 Protection against Electric Shock》第四版正式提出“412.5用剩余电流保护器的附加防护 412.5.1 采用额定剩余动作电流不超过30 mA的剩余电流保护器被认为是其他防护措施失效时，且使用者疏忽时的附加防护。”

采用30 mA RCD时的故障阻抗为：R = 50 V / 0.03 A   = 1 667 Ω，R针对的是人体阻抗   ，此时全部故障电流经过人体，属于人体直接接触相线的最严重情况。故而，文献《BS 7909：2011 Code of practice for temporary electrical systems for entertainment and related purposes》称附加防护为直接接触的附加保护措施。

  通过30 mA剩余电流断路器的附加保护可以建立第三重保护，附加防护是将风险降至可允许风险的防护，在技术上实现最低剩余风险。

IEC 60364 - 4 - 41：2017第415.1.1条规定：在交流系统内装设额定剩余动作电流不大于30 mA RCD，用以在基本防护失效和 / 或故障防护失效或用电不慎时的附加保护措施。必须注意第415.1.2条：“不能将RCD的装设作为唯一的保护措施，也不能由于他的装设的而取消采用411 ~ 414规定的其中一种保护措施。”

以上施工现场用电设备中，向额定电流不大于32 A的电源插座和手持式设备供电的回路可能发生直接接触带电导体，不大于30 mA RCD可以确保人身安全；对于额定电流大于32 A的电源插座和固定式设备供电的回路，不太可能发生直接接触带电导体，对于间接接触故障，采用不小于100 mA RCD已经充分。

> > > >     附加防护不能替代故障防护

IEC 60364 - 5 - 53：2020《Low?voltage electrical installations Part 5 - 53：Selection and erection of electrical equipment - Devices for protection for safety，isolation，switching，control and monitoring》531.6在设备选择和安装部分提出“在交流装置终端电路的起点，允许（may）额定剩余电流不超过30 mA的RCD同时具有故障保护和附加保护功能。”类似的表述在相关文献中也出现过，最终的结论是“令人担忧的（德语bedenklich）”。

首先，附加防护被定义为基本防护和 / 或故障防护之外的电击防护，逻辑上，用于附加防护的剩余电流保护装置不能用于故障防护，缺少故障防护的剩余电流保护装置不能用于附加防护。

其次，从风险分析的角度，故障防护和附加防护应是两个独立的保护措施，必须采用两个保护电器。如果故障防护兼做附加防护，一旦故障防护装置出现故障或失效，则同时失去了附加防护和故障防护，大大降低了系统的可靠性。

第三，设置附加防护源于剩余风险超过可容许风险的情况，如果缺少故障防护，则剩余风险极高，仅靠两重保护（基本防护和附加防护）是“令人担忧的”，必然不符合三重保护的基本原则。

> > > >       TT系统附加防护

对于TT系统（故障阻抗较大的情况下），为实现三重保护，通常应由两个RCD分别承担故障防护和附加防护，见图6。终端回路不大于30 mA RCD仅作为附加防护，其电源侧300 mA RCD可作为故障防护，故障保护灵敏度应按电源侧RCD进行校验。电源侧RCD可延时0.06 s（2I _Δn ），最小不动作时间0.05 s（5I _Δn ），最大分断时间0.15 s（5I _Δn ）；终端回路RCD最大分断时间0.04 s（5I _Δn ），见表1。两级RCD之间应满足选择性，电源侧RCD也满足TT系统分断电源时间（≤0.2 s），提高了供电电源的可用性。

> > > >       TN系统附加防护

TN系统，当终端回路采用带过电流保护的剩余电流动作断路器（不大于30 mA RCBO）作为附加防护时，过电流保护和剩余电流保护虽不是两个独立的保护电器，但是，它们是两个独立的保护，则允许过电流保护兼做故障防护，而剩余电流保护作为附加防护，见图7。此时，过电流保护尚应校验保护灵敏度，尤其是，对于插座供电的手持式设备的延长线阻抗应计入。

如果受条件限制，灵敏度校验有困难，如距离较长，阻抗较大，或者为减小线径，降低线缆成本，也可以在电源侧设置一个RCD，作为故障防护，见图8。两级RCD之间也应满足选择性，终端回路RCBO的过电流保护可仅作为线路的过电流保护，不参与电击防护。

 

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