高层建筑低压配电系统用电安全研究
作者：张剑飞
摘 要：探讨了低压供电系统中出现漏电时的人身触电危险性，得出一定要明确高层低压三相供电系统是采用那种运行方式的系统，再确定采用相应的防触电保护方式的结论。文章还对高层建筑中的常用模式进行详细研究，对其实际应用有一定意义
关键字：高层建筑，低压配电系统，用电安全
Research on High-rise Building
Low-voltage Power Distribution System Safety
Abstract: The emergence of low-voltage power supply system at the time of leakage of personal electric shock hazard, must come to a clear high-level low-voltage three-phase power supply system is the kind of operation mode of the system, and then adopt the appropriate conclusions of protection against electric shock . The article also commonly used in high-rise building models for detailed study, its practical applications has certain significance
Keywords: high-rise buildings, low-voltage distribution system, electricity safety
1. 引言
按照我国《高层民用建筑设计防规范》GB50045-95的规定，凡十层及十层以上的住宅及建筑高度超过二十四米的其它民用建筑均属高层建筑，随着现代社会的发展，建筑物的规模不断扩大，其内各种电气设备的使用日趋增多，尤其是计算机网络信息技术的普及，建筑物越来越多采用各种信息化的电气设备。这就对供电系统的安全、可靠性提出了更高的要求，对高层建筑物内电子设备的外部环境提出了更高的要求。本文将探讨了低压供电系统中出现漏电时的人身触电危险性及由漏电引起的火灾危险性的原因，并提出了相应的防范措施。这些问题在以前的高层建筑电气设计中容易被忽视。
2. 低压供电系统中漏电触电危险性及其防范
2.1. 相关背景
当电气设备发生漏电时，电流将沿设备外壳、保护接零线（保护接地线）零线（大地）形成闭合回路，但由于下述原因的存在，使过流保护装置并不{jd1}可靠：熔断器规格可能发生人为变化，起不到过流保护作用；故障点在系统的远端，故障回路阻抗大，漏电短路电流使熔断器动作；若电气设备容量较大，熔体额定电流超过漏电电流时，熔断器也不会动作；接地装置造成接地电阻大，使漏电短路电流较小也不动作；采用过电流自动保护开关时，开关失灵或其他原因，自动保护开关不动作；保护接零线的接线端子虚接，接触电阻过大，使故障电流变小，导致熔断器不动作。
在实际工程中上述现象并不少见，或存在一种或同时存在几种且不被人重视，因此漏电一旦发生，过电流保护装置不能可靠动作而切断电源，这种漏电的触电危险性就不可避免。漏电的持续存在，导致触电，乃至发生人身伤亡事故。
2.2. 系统接地形式及出现漏电时触电危险分析
国际电工委员会（IEC）规定的低压配电系统有三种方式，即IT系统、TT系统、TN系统。目前，我国低压配电系统已与IEC接轨，在《民用建筑电气设计规范》JGJ/T16-92中也将低压配电系统分为IT、TT、TN系统。这三种形式各有优缺点和适用范围，但是在建筑电气设计及施工过程中，还存在低压配电系统接地形式混用的作法，导致了许多不该发生的人身伤亡事故。为防止以上事故的发生，在低压配电系统中，广泛采用了剩余电流动作保护电器（RCD），但如果设计、选择不当，同样会造成事故和损失，只有选择参数合适、适用正确的RCD，方能防患于未然。本节将以IT系统和TN-S系统为例来进行分析。
2.2.1. IT系统
配电系统的中性点不接地或经高阻抗接地，受电设备的外露可导电部分通过保护线接至接地装置上，即构成IT系统。如图1所示，当发生相线碰壳事故时，短路电流Ik将同时沿着接地体和人体两条通路流过。在低压供电系统中，可忽略导线对地电容的影响，按纯电阻电路分析。
图 1 IT系统（中性点经高阻抗接地系统的保护接地和等效电路）
有以下两公式： ， 。其中：Ir为流过人体的电流；Id为接地体流入大地的电流；Rd为接地体的接地电阻；Rr为人体的电阻，约为1700 ；R为导线对地的电阻； 为相电压。
如R=5000 ，当Rd=4 时，根据以上公式可算出流过人体的电流只有0.31毫安。由此可见，IT系统漏电的触电危险性不大。IT系统适用于环境不良、易发生单相接地或火灾爆炸的场所，如：煤矿、化工厂、纺织厂，也可用于农村地区。近几年也逐步应用于重要建筑物内的应急电源、医院手术室等重要场所的动力和照明系统。但此种接线方式只在一些有特殊要求的场合应用，如矿井、水泵房等。在高层建筑中的柴油发电机适宜于采用IT系统的接线方式，在机组发生故障时，只发出故障信号而不切断电源，以保证火灾发生时消防设施的电源供给。
2.2.2. TN-S系统
TN系统供电系统有一点直接接地，受电设备的外露可导电部分通过保护线与接地点连接。按中性线与保护线组合情况，又可分为三种型式：TN-C、TN-S、TN-C-S三种系统，本节以在高层建筑中常用的TN-S系统为例进行分析。
整个TN-S系统的中性线（N）与保护线（PE）是分开的，如图2所示。
图 2 TN-S系统
当电气设备相线碰壳直接短路，如短路电流较大，可采用一般过电流保护电器切断故障线路。如线路较长，可在线路首端装设RCD切除故障线路。当N线断开，如三相负荷不平衡，中性点电位会升高，但外壳无电位，PE线也无电位，这是TN-S区别于TN-C的重要特点。TN-S系统的N线不宜重复接地，因为重复接地后对N线断线后保护设备不明显，但必要时PE线可以重复接地。TN-S系统适用于工业企业、大型民用建筑。在高层建筑的低压配电系统中，现在推荐使用的是TN-S系统，不宜使用TN-C系统，属于高层建筑的电气改造项目，可以使用TN-C-S系统。
通过以上对IT系统和TN-S系统的简单分析，接下来本文将对触电事故的防范进行讨论研究。
3. 解决措施探讨
3.1. 应用漏电保护器
从以上的分析中可以看出，保护接地对接地电阻值要求较高，在土壤电阻率 值较大的地区很难实现，而接零保护系统中存在着保护零线断线后不能保证安全的缺陷，重复接地也只能起到平衡电位、减轻故障程度的作用。为提高安全程度，就要配合使用漏电保护器。漏电保护是从泄漏电流，人体触电等非金属性单相接地等故障考虑，用来保护人身及设备安全的一种保护方式，在实际使用中，由于电流动作型的检测特性好，即可作全系统的总保护，也可作为各干线，支线的分级保护，因此，电流型的漏电保护器是应用较普遍的一种。由于漏电保护采用的是“差动”保护，当配电线路中发生相一地故障或绝缘破坏时，漏电保护能否可靠动作，主要取决于故障电流或漏电电流的路径。因此，漏电保护与接地系统的形式有很大的关系。
TN系统中应用漏电保护器，主要是防止保护零线断线后所发生的触电事故，如图3所示，当发生断线时，如电气设备发生因为碰壳短路事故，则会有漏电电流存在，可使漏电保护器动作，能起到有效的保护作用。但在实际应用中要注意：TN-S系统干线首端不能装设RCD；TN-C系统不宜采用RCD，因为如相、零导线错接，220v接触电压通过PEN传到所有接零设备的外壳；同时因PEN不允许通过RCD而无法装设RCD，一般采用零序过流保护，如有必要装设RCD，则采取以下两种措施之一：
图 3漏电保护器应用于TN系统中
①当TN-C系统进户后，从总配电箱开始改为TN-C-S系统，即将PEN分为N线和PE线，分开后不允许重新合并为PEN线。也就是说保护线和零线分开，且中性线绝缘水平应与相线相同，将相线和中性线穿过漏电保护器的零序电流互感器中，而保护线不得穿在零序电流互感器中，如图3所示，当发生碰壳故障时，漏电电流流经设备外壳、保护线回到电源中性点，从而使零序电流互感器中能检测出电流差值，以使保护动作。
②保护线PE要进行重复接地，因为当PEN线发生断线时，如发生因为碰壳故障，漏电电流通过设备外壳、保护线重复接地点、电源中性点形成闭合回路，漏电电流将使漏电保护装置动作。因此，在保护接零系统中，保护线实施了重复接地以后，即使发生保护线断裂，漏电保护也能起到安全保护作用，解决了保护零线断线后接零保护不安全的缺陷。
对于IT系统，因为一般只能供给小容量的负荷，而且IT系统必须装设绝缘监视及接地鼓掌报警或显示装置。当IT系统供电容量较大时，必须采用RCD。
3.2. 采用等电位联结
等电位联结是指将保护接零总线与建筑物的总水管、总煤气管、暖通管等金属管道或装置用导线联结的措施，以达到均衡建筑物内电位的目的，降低接触电压，防止因TN系统相线接地及其它原因所引起故障电压的电击，防止因TN系统PEN线断线而形成危险电压的电击。等电位联结对防止或减轻接触电压是一种很有效的措施。但不能认为设置了总等电位联结就能防止单相接地故障的电击危害，装置自动切断故障电源的保护装置仍为主要保护措施。对此IEC规定，在采用自切断电源的防间接接触保护措施中应作总等电位联结。IEE则将总等电位联结与自动切断电源合为一条措施，即如果不设置总等电位联结，几自动切断电源这一保护措施不能单独成立，除非补充其它安全措施。
4. 结束语
本文主要探讨了低压供电系统中出现漏电时的人身触电危险性，为避免电气设计与施工过程中不应有的错误，首先一定要明确低压三相供电系统是采用那种运行方式的系统，然后确定采用相应的防触电保护方式，再根据情况考虑配合使用漏电保护器，一定要确保接线正确。在整个文章中，讨论都是基于高层建筑中的应用模式展开，因此对于高层建筑的低压配电系统用电安全具有一定意义。
参考文献：
[1]田方英.接地故障引起的电气火灾及其防范措施.电气与智能建筑，2003，(4):74-75.
[2] Gammon T, Matthews J. Conventional and co-dependent methods for predicting RMS arc currents in building systems Industrial and Commercial. Power Systems Technical Conference, 2005 Conferred Record, Papers Presented at the 2005 Annual Meeting, 2005 IEEE, 2005.
[3] Rake V A, Unman M A, Fernandez M I, Meta C T, et al. Direct lightning strikes to the lightning protective system of a residential building: triggered-lightning excrement. Power Engineering Society Summer Meeting, 2006 IEEE, 2006.
[4]戴瑜兴.高层建筑电气设计及电气设备选型手册,长沙:湖南科学技术出版社，2003.
作者：张剑飞
摘 要：探讨了低压供电系统中出现漏电时的人身触电危险性，得出一定要明确高层低压三相供电系统是采用那种运行方式的系统，再确定采用相应的防触电保护方式的结论。文章还对高层建筑中的常用模式进行详细研究，对其实际应用有一定意义
关键字：高层建筑，低压配电系统，用电安全
Research on High-rise Building
Low-voltage Power Distribution System Safety
Abstract: The emergence of low-voltage power supply system at the time of leakage of personal electric shock hazard, must come to a clear high-level low-voltage three-phase power supply system is the kind of operation mode of the system, and then adopt the appropriate conclusions of protection against electric shock . The article also commonly used in high-rise building models for detailed study, its practical applications has certain significance
Keywords: high-rise buildings, low-voltage distribution system, electricity safety
1. 引言
按照我国《高层民用建筑设计防规范》GB50045-95的规定，凡十层及十层以上的住宅及建筑高度超过二十四米的其它民用建筑均属高层建筑，随着现代社会的发展，建筑物的规模不断扩大，其内各种电气设备的使用日趋增多，尤其是计算机网络信息技术的普及，建筑物越来越多采用各种信息化的电气设备。这就对供电系统的安全、可靠性提出了更高的要求，对高层建筑物内电子设备的外部环境提出了更高的要求。本文将探讨了低压供电系统中出现漏电时的人身触电危险性及由漏电引起的火灾危险性的原因，并提出了相应的防范措施。这些问题在以前的高层建筑电气设计中容易被忽视。
2. 低压供电系统中漏电触电危险性及其防范
2.1. 相关背景
当电气设备发生漏电时，电流将沿设备外壳、保护接零线（保护接地线）零线（大地）形成闭合回路，但由于下述原因的存在，使过流保护装置并不{jd1}可靠：熔断器规格可能发生人为变化，起不到过流保护作用；故障点在系统的远端，故障回路阻抗大，漏电短路电流使熔断器动作；若电气设备容量较大，熔体额定电流超过漏电电流时，熔断器也不会动作；接地装置造成接地电阻大，使漏电短路电流较小也不动作；采用过电流自动保护开关时，开关失灵或其他原因，自动保护开关不动作；保护接零线的接线端子虚接，接触电阻过大，使故障电流变小，导致熔断器不动作。
在实际工程中上述现象并不少见，或存在一种或同时存在几种且不被人重视，因此漏电一旦发生，过电流保护装置不能可靠动作而切断电源，这种漏电的触电危险性就不可避免。漏电的持续存在，导致触电，乃至发生人身伤亡事故。
2.2. 系统接地形式及出现漏电时触电危险分析
国际电工委员会（IEC）规定的低压配电系统有三种方式，即IT系统、TT系统、TN系统。目前，我国低压配电系统已与IEC接轨，在《民用建筑电气设计规范》JGJ/T16-92中也将低压配电系统分为IT、TT、TN系统。这三种形式各有优缺点和适用范围，但是在建筑电气设计及施工过程中，还存在低压配电系统接地形式混用的作法，导致了许多不该发生的人身伤亡事故。为防止以上事故的发生，在低压配电系统中，广泛采用了剩余电流动作保护电器（RCD），但如果设计、选择不当，同样会造成事故和损失，只有选择参数合适、适用正确的RCD，方能防患于未然。本节将以IT系统和TN-S系统为例来进行分析。
2.2.1. IT系统
配电系统的中性点不接地或经高阻抗接地，受电设备的外露可导电部分通过保护线接至接地装置上，即构成IT系统。如图1所示，当发生相线碰壳事故时，短路电流Ik将同时沿着接地体和人体两条通路流过。在低压供电系统中，可忽略导线对地电容的影响，按纯电阻电路分析。
图 1 IT系统（中性点经高阻抗接地系统的保护接地和等效电路）
有以下两公式： ， 。其中：Ir为流过人体的电流；Id为接地体流入大地的电流；Rd为接地体的接地电阻；Rr为人体的电阻，约为1700 ；R为导线对地的电阻； 为相电压。
如R=5000 ，当Rd=4 时，根据以上公式可算出流过人体的电流只有0.31毫安。由此可见，IT系统漏电的触电危险性不大。IT系统适用于环境不良、易发生单相接地或火灾爆炸的场所，如：煤矿、化工厂、纺织厂，也可用于农村地区。近几年也逐步应用于重要建筑物内的应急电源、医院手术室等重要场所的动力和照明系统。但此种接线方式只在一些有特殊要求的场合应用，如矿井、水泵房等。在高层建筑中的柴油发电机适宜于采用IT系统的接线方式，在机组发生故障时，只发出故障信号而不切断电源，以保证火灾发生时消防设施的电源供给。
2.2.2. TN-S系统
TN系统供电系统有一点直接接地，受电设备的外露可导电部分通过保护线与接地点连接。按中性线与保护线组合情况，又可分为三种型式：TN-C、TN-S、TN-C-S三种系统，本节以在高层建筑中常用的TN-S系统为例进行分析。
整个TN-S系统的中性线（N）与保护线（PE）是分开的，如图2所示。
图 2 TN-S系统
当电气设备相线碰壳直接短路，如短路电流较大，可采用一般过电流保护电器切断故障线路。如线路较长，可在线路首端装设RCD切除故障线路。当N线断开，如三相负荷不平衡，中性点电位会升高，但外壳无电位，PE线也无电位，这是TN-S区别于TN-C的重要特点。TN-S系统的N线不宜重复接地，因为重复接地后对N线断线后保护设备不明显，但必要时PE线可以重复接地。TN-S系统适用于工业企业、大型民用建筑。在高层建筑的低压配电系统中，现在推荐使用的是TN-S系统，不宜使用TN-C系统，属于高层建筑的电气改造项目，可以使用TN-C-S系统。
通过以上对IT系统和TN-S系统的简单分析，接下来本文将对触电事故的防范进行讨论研究。
3. 解决措施探讨
3.1. 应用漏电保护器
从以上的分析中可以看出，保护接地对接地电阻值要求较高，在土壤电阻率 值较大的地区很难实现，而接零保护系统中存在着保护零线断线后不能保证安全的缺陷，重复接地也只能起到平衡电位、减轻故障程度的作用。为提高安全程度，就要配合使用漏电保护器。漏电保护是从泄漏电流，人体触电等非金属性单相接地等故障考虑，用来保护人身及设备安全的一种保护方式，在实际使用中，由于电流动作型的检测特性好，即可作全系统的总保护，也可作为各干线，支线的分级保护，因此，电流型的漏电保护器是应用较普遍的一种。由于漏电保护采用的是“差动”保护，当配电线路中发生相一地故障或绝缘破坏时，漏电保护能否可靠动作，主要取决于故障电流或漏电电流的路径。因此，漏电保护与接地系统的形式有很大的关系。
TN系统中应用漏电保护器，主要是防止保护零线断线后所发生的触电事故，如图3所示，当发生断线时，如电气设备发生因为碰壳短路事故，则会有漏电电流存在，可使漏电保护器动作，能起到有效的保护作用。但在实际应用中要注意：TN-S系统干线首端不能装设RCD；TN-C系统不宜采用RCD，因为如相、零导线错接，220v接触电压通过PEN传到所有接零设备的外壳；同时因PEN不允许通过RCD而无法装设RCD，一般采用零序过流保护，如有必要装设RCD，则采取以下两种措施之一：
图 3漏电保护器应用于TN系统中
①当TN-C系统进户后，从总配电箱开始改为TN-C-S系统，即将PEN分为N线和PE线，分开后不允许重新合并为PEN线。也就是说保护线和零线分开，且中性线绝缘水平应与相线相同，将相线和中性线穿过漏电保护器的零序电流互感器中，而保护线不得穿在零序电流互感器中，如图3所示，当发生碰壳故障时，漏电电流流经设备外壳、保护线回到电源中性点，从而使零序电流互感器中能检测出电流差值，以使保护动作。
②保护线PE要进行重复接地，因为当PEN线发生断线时，如发生因为碰壳故障，漏电电流通过设备外壳、保护线重复接地点、电源中性点形成闭合回路，漏电电流将使漏电保护装置动作。因此，在保护接零系统中，保护线实施了重复接地以后，即使发生保护线断裂，漏电保护也能起到安全保护作用，解决了保护零线断线后接零保护不安全的缺陷。
对于IT系统，因为一般只能供给小容量的负荷，而且IT系统必须装设绝缘监视及接地鼓掌报警或显示装置。当IT系统供电容量较大时，必须采用RCD。
3.2. 采用等电位联结
等电位联结是指将保护接零总线与建筑物的总水管、总煤气管、暖通管等金属管道或装置用导线联结的措施，以达到均衡建筑物内电位的目的，降低接触电压，防止因TN系统相线接地及其它原因所引起故障电压的电击，防止因TN系统PEN线断线而形成危险电压的电击。等电位联结对防止或减轻接触电压是一种很有效的措施。但不能认为设置了总等电位联结就能防止单相接地故障的电击危害，装置自动切断故障电源的保护装置仍为主要保护措施。对此IEC规定，在采用自切断电源的防间接接触保护措施中应作总等电位联结。IEE则将总等电位联结与自动切断电源合为一条措施，即如果不设置总等电位联结，几自动切断电源这一保护措施不能单独成立，除非补充其它安全措施。
4. 结束语
本文主要探讨了低压供电系统中出现漏电时的人身触电危险性，为避免电气设计与施工过程中不应有的错误，首先一定要明确低压三相供电系统是采用那种运行方式的系统，然后确定采用相应的防触电保护方式，再根据情况考虑配合使用漏电保护器，一定要确保接线正确。在整个文章中，讨论都是基于高层建筑中的应用模式展开，因此对于高层建筑的低压配电系统用电安全具有一定意义。
参考文献：
[1]田方英.接地故障引起的电气火灾及其防范措施.电气与智能建筑，2003，(4):74-75.
[2] Gammon T, Matthews J. Conventional and co-dependent methods for predicting RMS arc currents in building systems Industrial and Commercial. Power Systems Technical Conference, 2005 Conferred Record, Papers Presented at the 2005 Annual Meeting, 2005 IEEE, 2005.
[3] Rake V A, Unman M A, Fernandez M I, Meta C T, et al. Direct lightning strikes to the lightning protective system of a residential building: triggered-lightning excrement. Power Engineering Society Summer Meeting, 2006 IEEE, 2006.
[4]戴瑜兴.高层建筑电气设计及电气设备选型手册,长沙:湖南科学技术出版社，2003.
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