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关于对低压电气安全保护技术存在“漏洞”与缺欠的思考(一)

发布于:2015-08-01 00:03:01 来自:电气工程/供配电技术 [复制转发]
因人类使用电能基本上是依靠低压配电来实现的,则做好低压安全用电工作其意义十分重大。故应遵照我国的“安全第一,预防为主”的方针,设置可靠的安全保护装置。其除非必须有正确理论的支持,与确实可行的方法外,宜自身简单可靠、且其功能必须完整有效;反之,若其保护技术存在“漏洞”或缺欠,则发生各种“意外的”电气灾害事故即是不可避免的。

1 关于现行的低压电气安全保护技术存在的“漏洞”

首先,按我国采用IEC标准所制定的国标,《低压配电设计规范》(以下简称为“该规范”)GB50054[1]的GB50054-95第四章配电线路的保护,其4.1.1条的规定:“配电线路应装设短路保护、过负载保护和接地故障保护,作用于切断供电电源或发出报警信号。”,这就是说它仅对用电端出现的异常电流做有规范与规定;从而缺少了在用电端应对配电线路载有的故障电压UJ做有规范与规定,少了一半的保护技术内容。

其次,其修订的标准GB50054-2011,它将其内容分为第五章“电气装置的电击防护”与第六章“配电线路的保护”后,并未补正此“漏洞”;特别是其新增加的第4.6条“配电线路电气灾害防护”,一是其缩小了保护范围,而限定只能防护配电线路可出现的故障,二是其核心技术仍为采用存在缺欠的RCD装置(详见附注2),三是将RCD装置的整定动作电流值由500mA,并未提出任何措施改为300mA后,将造成使其更加可发生误动作与更加不可操作。

这种情况产生的原因,笔者认为,首先在主观上,可能是制定“该规范”时,无法对IEC标准的较为重视由用电场所造成的事故与连续用电的安全技术、缺少对供电质量进行全面监督与管理的技术,按我国的国情与党的构建和谐社会的精神加以完善与补充它所造成的。

它缺少维护用电者权益的安全用电与知情权等技术:如若在住宅楼的每个单元只设置一块电压表,即可使许多住户得知其电压质量的好与坏;进一步如若设置其记录装置,还可监测其事故与责任等。则这种长期几乎是不公平现象的存在,既可导致用电者合法权益的被危害;又促成了在最广泛的低压共用配电领域“可”不需对UJ设置保护装置。

其次在客观上,是否主要是由于按现行的保护技术,存在无法直接取出配电线路所载有的故障电压UJ信号的难题。如发生N线断线故障时,在用电端只有零偏电压,找不到供电源中性点的电位;发生漏电故障时,其用电设备的外壳(以下简称为D′点)变为载有的漏电电压U△,也无法直接取出它等。即因其取不出确切的故障信号,而无法规范设置其对UJ危害性的可靠的保护装置;甚至将某些故障电压称为电压骚扰[2],在排除其对UJ的危害应加以规范与规定的责任(见附注1)。

在大量的低压用电设备、家用电器已被人们广泛应用的今天,即出现了现行的保护技术既不能全面防护UJ直接对用电设备的危害;又可发生用电场所自身无法排除其隐患的、纯属由UJ引发的起火等灾害(例证:如已被世界各国公认的N线断线等故障对人们所造成的巨大灾害。及因世界各国均有大量的报导,故具体实例此处从略);以及还可发生用电者难以预料与防护的纯属由UJ所造成的人身被电击的伤亡事故(见附注2)等。

2 关于对配电线路载有UJ的认识

2.1 配电线路发生载有UJ的故障是不可避免的(见附注3)

首先是三根相线均可由外部引入故障电压UW,其次是其发生断线故障时又可使相线产生欠电压,均可视其为载有故障电压ULJ;N线也可由外部引入UW、与发生断线故障时还可产生零偏电压UZ,也可载有故障电压UNJ(尚应包括由电源端的接地电阻RB与用电端的接地电阻RA可引入的故障电压);同样PE线(包括D′点)也可载有故障电压UPJ(它应包括各种由外部引入的UJ、或发生漏电故障时载有的相线漏电电压U△、和通过PEN与PE线传导的N线或D′点载有的故障电压。)。

2.2 各种UJ的危害性极大

它们既可使相线L产生过电压U′、又可使其产生欠电压U″;它们既可使L线与D′点(包括N线与D′点)间的绝缘体被击穿,又可引发非故障相的Lf线与D′f点间的绝缘体被击穿故障,及其D′点载有的高电位UD′还可对大地(D点)、与装置外的导电体(D″点)间产生火花与放电,引发各种火灾爆炸等事故;以及还可造成人身的伤亡事故。

如当UL′大于242V时,即可加速对用电设备的损害(当UL′<Ue时,不但可降低人们的生活质量、生产产品的效益与质量、至无法用电,还可引发各种灾害,此处从略。);当UL′大于250V时(其UZ的限值电压为大于52V),即可引发爬电起火与人身间接被电击等灾害;

特别是当人身预期的接触电压(即D′点载有的异常电压UD′)大于50V时,也可引发人身伤亡的事故等。

这里必须说明的是,按照规范的规定,上述状况只能当配电线路产生的过电流符合其动作条件、或其必须产生剩余电流且可检测到它时,其所设置的各种装置才可起保护作用。故此现行的过电流装置对它的保护作用极其有限;又由于有的UJ(如N线断线故障产生的UZ)可不产生剩余电流I△,或各种UJ既使产生IJ,因其非为I△,则RCD装置也无法防护其危害,即按“该规范”的规定,各用电场所自身根本无法防护由UJ引发的大量火灾事故(本文称其为“被动起火”)、与电击人身伤亡事故(本文称其为“它杀式电击”人身伤亡事故)等灾害。

现简要说明如下:

(1)由ULJ引发的事故,其示意图见图1.L断线故障其危害性,相线引入UW时:①产生U′或U″;②产生ULD′:使用电设备过热与可引发爬电、击穿绝缘体等“被动起火”、“它杀式电击”人身伤亡等事故。

(2)由UNJ引发的事故,其示意图见图2,共5种情况。

  ①由外部引入UJ时(N线载有UW);

  ②相间发生短路或漏电故障时(N线载有UN′或U△);

  ③发生PEN线断线故障时(N线可载有UZ);

  ④高压侧发生接地故障时(其N线可载有故障电压Uf′);

  ⑤低压侧发生接地故障时(其N线可载有故障电压Uf)。

  其故障电压叠加在各相后,均可使相线产生U′或U″;此外,对于TT系统还可产生过高的UND′、对于TN系统还存在载有UPJ引发的事故等,均可引发各种灾害。


(3)由UPJ引发的事故(见图3)

  可使D′点载有U△、UW(此外TN系统还可载有UZ、Uf′、Uf等)。

  其危害性:只要D′点载有过大的UJ,即可引发“它杀式电击”人身伤亡的事故。此外还可引发各种“被动起火”等灾害。

  ①其产生的IJ可直接引发起火灾害;

  ②ULD′(对于TT系统还有UND′)过大时也可引发起火;

  ③UD′D″与UD′D过大,产生放电、电火花时也可引发起火;

  ④非故障相的UFJ引发的起火等灾害。


(4)由UFJ引发的事故,示意图见图4.主要为当用电场所的PEN或PE线,由外部引入UJ时,或其所设置的RCD装置检测不到由其UJ产生的IJ(包括I△)时,或其未设置RCD装置(如1990年代前修建的住宅楼)或其失灵时,其用电场所非故障相的两相配电线路的相线L与PE线(包括用电设备的D′点)间的电压。UFJ=Ue+U△(W)可→380V(或更高),所引发的“被动起火”等灾害。

故目前世界各国仅重视对“N线断线”故障、变电所高压侧接地故障使低压侧产生的过电压,与只能有限的防护其危害显然是不能彻底解决问题的;即目前在低压用电领域仍可发生各种人身伤亡与火灾等事故将是不可避免的。

3 对UJ危害性的防护

本文笔者认为,目前的状况主要是世界各国对配电线路可载有的故障电压与其危害性尚无全面的分析与报导,与无有效可靠的保护装置。其仅对N线断线故障的危害做了大量的报导以及力所能及的防护工作;及对低压变电所高压侧发生的接地故障,采用高、低压侧分开接地等办法解决其危害。

3.1 N线断线故障

(1)它的隐蔽性与危害性。其事故状况与电压相量分析见图5

其Uz的限值为0~220V、其U′的限值为220~380V,其U″的限值为220~0V.该故障既可是N线的阻抗逐渐变大,又可是立即最大(断线)的故障。

当它为阻抗逐渐变大的故障时(如导电体的接触不良等),开始:→(烧)1个设备→零偏电压更大→U′过大加快,待大量烧损用电设备时,人们才知道它的危害性,但已为时已晚,这种现象多为工矿企业;当它为阻抗立即最大时(多发生在对城市居民与农村的供电架空配电线路),它在理论上可烧损其故障点后部两相所接入的全部用电设备。因供电部门无法推托责任,我国自1980年起,已无需证据就应向居民住户赔偿巨大的经济损失。

但现行的我国于1996年颁发的现今还在执行的“电力法规”《居民用户家用电器损坏处理办法》中:因多条款项欠妥,且一直由电力行业“执法”,而难以做到公平赔款;它不但压抑与阻碍了科技的进步,还因其将赔款打入成本由全民负担后,使国家与用电者的利益被危害成为“合法”化。

(2)目前的防护技术与方法

如前所述,因其在用电场所无法取得N线断线处后部的“零电位”点;以及在采用取其接地装置所产生的“残压”信号替代它时,又因各用电场所的接地电阻随时随地均可能发生变化,故按其方法所设置的保护装置,不但在国外被摒弃不用了,在我国也没有取得成功。

①目前各国均在增大中性线的截面积SN:但它既无科学依据,又不能保证不发生N线断线的故障。

②西方国家(如美国等)还对某些场所采用了倒退的技术,改为了三相六线式配电。其缺欠之处在于:投资增大了;能耗增多了;却仍不能防护N线由外部引入UJ时,所引发的“被动起火”、“它杀式电击”人身伤亡事故等灾害。

③我国制定“该标准”时,由于也未对过电压、欠电压保护做任何说明与规定,则各地自主开发的一大批过(欠)电压保护装置,均存在混乱无序的问题[3]。

新疆地区最早,1990年已有产品,2004年已列入国家重点新产品计划(编号2004ED890008);天津其次(1993年已有产品)但没有成功;再次为近年来我国南方的相关企业开发的产品(其中“小武松”于2006年已有国家行业,强制性产品CCC认证,证书编号:2006010306171633)。

1)共同特点:工作原理为将用电端正常情况下的相电压UL进行稳压、与故障情况下的相电压UL′相比较,取出其偏差电压后,用以整定相线过(或欠)电压的U动动作值。

  故均存在其对UL的稳压元件当UJ过大时,不一定能可靠工作的问题;以及其U动与动作时间T必须避开用电端的电压受配电线路的电压降△U、与电压波动等因素的影响(见图6)。当考虑用电端的电压偏差允许值为±7% Ue、取配电线路允许的电压降为5% Ue,与取可靠系数K仅为1.1时,则:

  U动=(1+0.07+0.05)Ue•K=271V,故其整定的动作过电压值U动只能均为264~280V及以上,与T=5~10s,否则将可能发生误动作。

  B、其缺欠为:a.不能满足 电气设备安全用电要求的事故情况下,U′应≤242V的规定;

  b.不能满足防护爬电起火要求的,相、地间持续电压UL′不得大于250V的规定[4]。

  这里需介绍一下爬电起火:①现行资料仅称它为绝缘体故障,易误导人们的安全用电意识;②IEC标准已有绝缘配合标准,系按技经比较有:Ue=220V时,UL′不得大于250V;③目前已对各种电气产品做有完整的规范与规定,只是缺少尚应对由UL′引发的灾害设置保护装置的规范与规定;④事实上现在已经由此引发了各种灾害。)

  c.不能防护D′点载有过高的UJ时,对装置外的导电体D″点与大地的D点的放电等所引发的火灾、与爆炸事故等灾害。

  d.不能防护PE线载有过高的UJ,对非故障相用电设备等的危害。

  e.既使仅取U动=264~280V,因对于N线断线等故障,其零偏电压UZ′的限值可达73.3~95.7V,若此时人体接触它的时间大于0.6~0.43S,即可危及人身的安全;以及因其T可大于5s,则当UZ′=50V时,已可危及人身的安全。


3.2 对由接地装置RB引至PEN(或N)线的故障电压的防护

按GB/T16895.10-2010/IEC60364-4-44:2007的规定,它们因只能防护本文的图2中高压接地故障对低压系统过电压的危害,故仍无法防护低压相线接地故障(见图2),使用电端产生过(或欠)电压时对人们的危害。

“该规范”要求:由于其存在漏洞(且目前的电压型保护装置对UJ的危害性只能起有限的保护作用,存在混乱无序的状况),已误导了人们的安全用电意识。

4 “该规范”中保护技术存在的欠缺

因而在理论上是否可以说,在低压用电领域,因目前尚无任何完整有效的保护切断UJ的技术(与装置),可防护:其众多的电器被危害、“被动起火”与“它杀式电击”人身安全等事故的隐患,已不存在任何可供人们安全用电的场所,则特别是在年久失修、或无专职人员维护或生产或存有大量可燃、易爆物质的用电场所,发生各种“意外的”电气灾害的事故基本上是不可避免的。

故此本文认为,只有全面的研究与认知这一关系到国计民生、最广大的用电者不该蒙受各种UJ对人们的巨大危害,有针对性的研制与开发新技术、新产品,才能消除与防护其各种安全隐患;才能解决某些无科学依据的加大N线截面积,与不重视现行相关标准的规定,设置混乱无序的过(或欠)电压保护装置等状况;则“该规范”的一切条款是否均应遵循IEC标准的规定或给予进行创新技术留有一定的空间,以便符合我国或各国的国情,可请有关专家进行酌定。

附注:

  (1)按国标GB/T16895.10-2010/IEC60364-4-44:2007《低压电气装置第4-44部分:安全防护电压骚扰和电磁骚扰的防护》

  ①其第440.1条范围称:“本部分不适用于共用配电系统或此系统的发电和输电(见GB/T16895.1范围)尽管此骚扰可在电器内部或电气装置之间通过电源系统传导。”

  它彻底的排除了对我国低压电网的配电线路所载有的故障电压UJ做有规范与规定;即至目前为止,IEC标准一直在忽视或回避绝大多数的低压用电场所(特别是居民用户)由UJ所造成的各种被动被危害的问题。

  ②其第442条“因高压系统接地的故障和低压故障引起的低压装置暂时过电压的保护。

  442.1的适用范围

  本条规定了低压装置在以下故障时的安全要求:

  ①为低压装置供电的变电所内高压系统与地之间的故障;

  ②低压系统中性导体中断;

  ③线导体与中性导体之间短路;

  ④低压IT系统导体非正常接地的规定。

  它仅适用于上述四种故障(其全部内容不应均属电压骚扰),且仅对其暂态过电压做有防护标准与规定,故它们对其可出现的持续过电压,甚至是其它故障引起的UJ仍无任何规范与规定。


(2)关于人身电击伤亡事故例证

①2005年3月11日武汉宜昌有一篇报导:一丈夫用电热水器洗澡时不幸被电击致死,妻子为讨回公道,经四审三败,五年后至今终获湖北省电力公司宜昌城区供电公司11万元的赔偿。

经技术监督局技术人员检验,电热水器并无缺陷,其事故原因是地线(PE线)带电,导致地线带电的直接原因是由于该单元楼,三至五楼电表箱之间火线与地线短接,进而引起事故的发生(见图7)。

无独有偶,长沙、北京、石家庄、沈阳等地都出现了类似的事件,它们的共同特点都是电气产品本身质量均合格(见《长沙晚报》电子版)。

②2008年浙江省某单位曾发生电动伸缩门使小孩电击致死事故。事后检测出电动门对地电压仅为12V,不足以引起电击致死事故(见国际铜业协会——中国的《电气信息快递》2009年第二期15页的专家论文)。

本文认为,文章介绍说事故原因至今未查明;及电动伸缩门处小孩又无法直接触电,只能是电动大门已做为PE线,当其载有故障电压UJ′时,将小孩电击致死(前例为UJ′可长时间存在的事故;本例则不然,它属于事故后可立即消失的故障)。它可能为10/0.4kV的变电所,当其高压侧发生接地故障,与高低压侧共用同一接地装置时,其高压电容漏电电流Id(C)在接地电阻RB上产生的电压降UJ′,其电压很高(足以将小孩电击致死),可直接通过PEN线传至电动大门上,且小孩正在触及该电动门(见图8),但因10kV线路的保护装置将很快切除该故障,故难以取证之;此外,低压配电线路的相线接地故障,其故障电流Id经接地电阻RD,可在电源端N线总的有效并联接地电阻RB′上产生电压降UJ′,该UJ′也可通过PEN线传至电动大门上(见图9),当RD≤3.4RB′时,即可危及人身的安全,该故障时间也较短,也难以取证;还可能为高压线或低压相线对PEN线(或PE线)暂短的放电或搭接后立即拉开的故障,但也难以取证。

③2009年1月14日,在福州工作的江良生,带28岁的妻子坐火车回老家武夷山过年。下午其妻子留在商贸城5号A幢203室哥哥家,用电热水器洗澡时,不幸被电击身亡。

事后经有关专家检测,其热水器绝缘良好,但其外壳却载有174.7V的故障电压;最后发现,该楼总计四个楼道的配电箱处地线全部带电,里面的住户都生活在“电楼”之中(见图10)。几乎所有住户在家中时常均有触电的感觉,有的住户介绍:“一碰到微波炉和电冰箱,手就感到发麻,过去我们还以为是静电使我们的手发麻呢!”,有的说:“其妻煮饭时,不小心碰到 户,忽然感到一阵发麻,赶紧把手缩回来。”

现在“这栋楼里面的住户,要么搬走,无法搬走的一律不用带地线的电器,坚决不敢在家中洗澡,里面住的人越来越少。”

此处必须说明:上述三例应属受害者申诉的结果。故尚应对最为广泛的低压用电者,因缺少电学专业知识,被认定为“误触电”或不知之其被危害,或极难进行取证等死亡事故加以分析与研究。

(3)关于低压配电线路载有故障电压UJ的不可避免性。

①首先是它可由外部引入UJ

除雷电电击灾害外,有很多自然灾害或意外的机械事故,使架空线路的高压线对低压线路的相线L与中性线N的搭接或放电故障;电缆沟中各种电压等级的线路对L线或N线的放电,不同线路的L线或与N线间的漏电与短路故障(特别是室内RCD装置前端发生的漏电故障);与人为的将L线与N线间的误连接等,均可使配电线路的L线、N线与相关的保护接地线PE载有UJ.

②其次是配电线路的阻抗变大直至断线的故障:当三相共用的N线发生断线故障时,其后部的中性线N′的电位将发生偏移;当三相三线式的配电线路的L线发生断线故障时,其△接线三相电机固有中性点O′的电位将发生偏移,可视它们均可产生UJ.

如上述的天灾与人祸等事故即可发生L线与N线的断线;周围环境对导电体的腐蚀、机械损伤、导电体间的接头接触不良与老化使其在变化;各种开关触头的接触不良或不同期动作、开关触头的松动或烧毁;三相的各熔断器的不同期熔断或未全部熔断等,均可等同为配电线路的断线故障。

③对于TN、TT接地系统还存在可由电源端中性点O(通过接地装置)引入的UJ;对于TT、IT接地系统还存在可由用电端接地装置引入的UJ.

④由于有PE线或PEN线的存在,还可使众多的用电设备的D′点载有互相传导的某一故障点产生的UJ(还应包括在RCD装置所控电路内部的不产生漏电电流的UJ,与其保护功能失灵时用电设备产生的U△等)。

因此,故低压配电线路载有故障电压UJ是不可避免的。
  • 黎明前的
    黎明前的 沙发
    感谢分享:)
    2015-08-01 08:33:01

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这个家伙什么也没有留下。。。

供配电技术

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