电击防护的故障保护措施

核心提示：故障保护以电流对人体的效应为基础，通常以约定时间/电压区域做为判断依据。保护等电位联结和自动切断电源的故障保护应根据最新的IEC60479系列标准对约定时间以及接触电压阈值做出相应调整，以保障人身安全。　　 1 电流对人体的效应

　　1.1 电流对人体效应的约定时间/电流区域

　　在电气装置的选择和应用中，首先应保障人身安全。设备或装置发生电气故障时，电流对人体的危害主要取决于电流的数值和通电时间的长短。电流对人体的效应中，心室纤维性颤动是致命的最主要因素。为了探索纤维性颤动的阈值，奥地利专家毕格麦亚教授曾经用自己的身体做通电试验，为IEC60479系列标准提供了早期必要的试验数据。

　　最新的研究发现，决定心室纤维性颤动阈值的电气参数是电流的持续时间、路径和电流的特性等。从电击事故统计资料得知，心室纤维性颤动主要由从手到脚流过人体的纵向电流产生；由动物实验得知，更高强度的横向电流也会导致心室纤维性颤动。

　　交流电流对人体效应的约定时间/电流区域见图1所示[1]。


　　当电击持续时间小于0.1s，电流大于500mA时；或者当长时间通过的电流大于30mA时，纤维性颤动就有可能发生。

　　根据对动物实验结果的统计计算，建立了5%和50%的纤维性颤动概率曲线C2和C3；把动物实验应用于人体，从左手到双脚的路径，得到C1曲线；C1曲线以下，纤维性颤动不太可能发生。

　　1.2 电流对人体效应的约定时间/电压区域

　　电流和时间特性图不便于进行电击防护的设计选型，通常以时间和接触电压允许值作为安全判断的标准。

　　接触电压等于通过人体的电流和人体阻抗的乘积。其中，人体阻抗不易确定，它和很多因素有关，特别是，电流的路径、接触电压、电流的持续时间、皮肤的潮湿程度、接触面积大小、施加的压力等。


　　通过对表1中人体阻抗和生理效应的电流阈值进行分析，IEC标准提供了接触电压－持续时间组合阈值曲线（见表2）[2]。

　　表2中的分析表示，考虑到人口的5th百分比的人体阻抗值，相当于覆盖了95％以上的人口，该阻抗值被认为是保守的，它们对应的是人体流过较高的电流。表中，大的接触面积考虑为整只手接触带电面，面积为82cm；中等接触面积按12.5cm考虑，代表一只手的掌心接触导电部分情况；小的接触面积按1cm考虑，代表用手接触一个小的带电部分。

　　表2的曲线未涵盖以下因素：
　　①减少接触的可能性（通过障碍物、遮栏、警示标志，置于伸臂范围以外的防护措施，进行人员培训等）；
　　②降低相对于故障电压的接触电压（例如通过等电位联结）；
　　③和人体串联的附加电阻（例如手套、鞋、地毯等）[2]。
　　也不考虑高压事故致死的因素，高压电击一般导致心跳骤停，不会出现心室纤维性颤动。
　　图中有三条重要的生理效应阈值曲线a、b和c1：
　　①当电流大于曲线a时，可能发生惊吓反应；
　　②当电流大于曲线b时，会发生较严重和不希望的生理学效应；
　　③当电流超过曲线c1时，有出现心室纤维性颤动的可能性。

　　 2 故障保护措施

　　故障保护是设备或装置发生单一故障条件下的保护。由单一故障导致一个或多个随后的故障仍然属于单一故障条件。

　　等电位联结和自动切断电源是故障保护中两个最主要的保护措施。等电位联结的保护注重降低预期接触电压，使得故障电压低于预期接触电压阈值；而自动切断电源的保护强调在约定的时间内切断电源回路。从单一故障保护的角度，采用自动切断电源属于有效的保护措施，可以独立地完成故障保护功能。表1节选自文献[3]附录A，图A.1.

　　然而，配电系统和电气装置并非只存在单一故障，例如，TN系统由于接地故障可能在电气装置中产生转移故障电压，并能沿PE或PEN导体蔓延到整个TN配电系统中[4]。那么，无论何种接地形式，等电位联结都能显示其独特的均衡电位的能力：

　　（1）平衡建筑物内的地电位；
　　（2）消除建筑物外引入的危险电位；
　　（3）降低建筑物内的故障接触电压。

　　因此，IEC标准从降低低压电气装置预期接触电压的角度，把等电位联结的保护作为故障保护的前提是有道理的[5]。

　　等电位联结和自动切断电源最好能同时存在，互相配合，以期达到最佳的保护效果。但是，从上述表1中得知，IEC61140最新的CDV版本也把保护等电位联结列为单独的故障保护措施（但应注意，不是用于附加保护的局部或辅助等电位联结）。

　　 3 保护等电位联结

　　3.1 总等电位联结的保护效果

　　从整个电气装置的角度，每个建筑物内都应设置总等电位联结。通过将总保护导体、电气装置的总接地导体、装置外可导电部分和建筑物金属结构等联结到总接地端子上，以便在发生接地故障时，达到降低预期接触电压的目的。

以TN-C-S系统为例，依据文献[6]，预期接触电压Ut″=Id×ZPE
　　其中：
　　Id—故障电流；
　　ZPE—故障点到MET（总接地端子）之间的PE导体上的电压降.
　　由上式可知，设置总等电位联结后，预期接触电压会降低，具体降低的数值需要根据实际PE导体和PEN导体的阻抗比值来确定。例如，当故障回路相导体和PE导体同线径，PE导体和PEN导体的阻抗比为1：1.预期接触电压为：
　　Ut″=0.8×U0/2×2=0.8×220/4=44V
　　其中：
　　0.8为发生短路时的电压降低因子，具体数值取决于短路点到电源端的距离。然而，设置总等电位联结是否一定会降低预期接触电压值得研究。

　　3.2 变压器在建筑物内的总等电位联结

　　当变压器设于TN-S系统的建筑物内，总等电位联结板通常设于低压总配电柜处（见图3）。


　　预期接触电压Ut″=Id×ZPE

　　上式中ZPE是定值时，Ut″没有因总等电位联结而降低。此时的总等电位联结依然具有另两个重要作用：①平衡建筑物内的地电位；②消除建筑物外引入的危险电位。

　　可见，变压器设于建筑物内时，总等电位联结并不能降低接地故障产生的故障电压；当变压器设于建筑物外时，总等电位联结只是降低而没有完全消除接地故障产生的故障电压。

　　3.3 保护等电位联结的故障保护

　　虽然IEC标准不再提及局部等电位联结，但是，独立于自动切断电源的保护等电位联结故障保护措施势必要设置局部等电位联结，而且，必须经过有效性校验。

　　类似于辅助等电位联结，交流系统内的局部等电位联结应满足下列公式：
　　R≤50V/Ia
　　Ia为保护电器的动作电流，单位为安（A）.此时，局部等电位联结有效性的判定应符合最新的时间/电压区域的要求。根据图2表示，盐水湿润、水湿润和干燥等环境条件下，大、中、小接触面积时的心室纤维性颤动的交流接触电压阈值（见表2）[2]。


　　在预期的环境条件下，如果可达到的最大电压很低，那么将不足以产生导致生理学效应的接触电流。低于不大可能产生危险的临界电压值，通常称为特低电压（ELV）。IEC/TR60479-5-2007引言中明确，“基于这份资料，各技术委员会可以要求复查他们已规定的特低电压值[2]”。

　　以表2显示，双手到双脚的心室纤维性颤动电流阈值最低，危险性最高。干燥场所，长持续时间大接触面积的交流接触电压阈值为33V.据此，以上有效性校验的公式应调整为：R≤33V/Ia.

　　4 自动切断电源

　　4.1 最长切断时间

　　自动切断电源是电气装置中最常用的保护措施。对于高出接触电压阈值，时间/电压区域给出了人体可承受的最大时间。例如，不大于32A的TN系统终端回路最长切断电源时间为0.4s[5].然而，根据图2所示，时间应调整为0.24s.新旧标准最长切断时间对比见表3.


　　左侧是根据上一版IEC60479标准制定最长切断时间，右侧是最新IEC60479标准中较为保守的前提下的数据，即按干燥场所，双手到双脚的路径，大接触面积下的数据。经过对比显示，现行标准的自动切断电源时间已经不够安全，有发生心室纤维性颤动致死的风险。

　　然而，断路器固有的自动切断电源的时间一般小于0.1s，只要设计人员不是机械地按照0.4s（TN系统）或0.2s（TT系统）来设计，或者说，只要不是故意地利用断路器的延时动作或者熔断器的反时限动作特性来切断电源，一般来说，没有安全问题。

　　尽管多数情况下不会造成生命危险，国际和国内标准还是应当及时修改最长切断电源时间数值。

　　4.2 RCD的故障保护

　　自动切断电源的故障防护也可由剩余电流保护器（RCD）来提供。RCD根据动作方式可分为：动作功能与电源电压有关的RCD（电子式RCD）和动作功能与电源电压无关的RCD（电磁式RCD）。我国使用的RCD主要是电子式RCD.IEC/TC64有关专家的意见：电子式RCD的电子元件持续接至配电系统主回路，导致对过电压特别敏感以及电子元件易老化。故而，GB16895.21-2011/IEC60364-4-41：2005411.5.2但这里应注意本部分不涉及故障电压动作型保护器的应用[5]。此处的“本部分”英文版本为“thisstandard”，应理解为本标准。

　　对于电子式RCD，IEC60364-5-53：2002531.2.2.2要求，只有满足以下两个要求之一时，动作功能与电源电压有关的RCD必须方可使用：

　　（1）即使在辅助电源失效的情况下，仍能满足IEC60364-4-41的413.1规定的防间接接触保护的要求。
　　（2）安装在电气装置中的保护电器由专职人员（BA4）或熟练人员（BA5）进行操作、试验和检查。[7]”
　　IEC标准从安全的角度，根据预期的使用功能和外界影响把电气设备分为五类：BA1一般人员；BA2儿童，BA3残疾人，BA4受过培训人员，BA5熟练技术人员。
　　电子式RCD在产品标准和性能没有改善的前提下，不太可能满足条件：1）按照条件；2）电子式RCD应属于BA4或BA5类，要求由熟练技术人员或具有足够经验的人员使用，以避免产生危险。

　　国家标准GB/Z6829-2008/IECTR60755：2008《剩余电流动作保护电器的一般要求》8.3.3动作功能与电源电压有关的RCD的附加要求：“当电源故障时，RCD必须动作；当IΔn≤0.03A电子式RCD，当电源电压降低到50V时，当出现大于或等于IΔn的剩余电流时，RCD必须自动动作。[8]”虽未达到上述条件1）的要求，但毕竟有了提高。

　　GB13955-2005《剩余电流动作保护装置安装和运行》7.5“电子式剩余电流保护装置，根据电子元器件有效工作寿命要求，工作年限一般为6年。如果超过规定年限应进行全面检测，根据检测结果，决定可否继续运行。[9]”

　　还要注意RCD的额定剩余动作电流值的选择，尤其是TT系统，满足切断电流时间0.09s的预期额定剩余动作电流应不小于5IΔn，小于等于30mA的RCD应按0.25A校验其预期额定剩余动作电流。

　　5 结束语

　　IEC标准基于大量的基础研究得出电流通过人体的效应区域，据此应相应调整故障保护的相关阈值；经过有效性校验的保护等电位联结可以作为单独的故障保护措施；对电子式RCD的应用和维护应有适当的监督和管理，以保障一般人员使用安全。