等電位聯(lián)接在建筑電氣中的應(yīng)用

等電位聯(lián)接在建筑電氣中的應(yīng)用

中國在建筑物的電氣設(shè)計中通常要求簽署高壓供電，并要求接地電阻不超過1m，以確保安全。但一些發(fā)達(dá)國家?guī)资陙碓缫押苌偬徇@些要求,他們重視的是等電位聯(lián)結(jié)的設(shè)置。這一差異充分說明這些年來我們對外交流溝通不夠,信息閉塞導(dǎo)致我國建筑電氣技術(shù)過時落后的現(xiàn)狀。電氣裝置的事故或不正?，F(xiàn)象每因過大的電位差而引起,等電位聯(lián)結(jié)的作用就是消除或減小過大的電位差,以保障人身和財產(chǎn)安全,并使電氣裝置正常實(shí)現(xiàn)其功能。建筑物電氣裝置依附于地球大地,所以電氣裝置的接地不過是將它與大地連接,以實(shí)現(xiàn)與大地的等電位聯(lián)結(jié),減小與大地間的電位差,并以大地電位為參考電位,所以等電位聯(lián)結(jié)較之接地具有更廣泛的內(nèi)涵。接地可認(rèn)為是等電位聯(lián)結(jié)的體現(xiàn)形式之一,由于接地存在較大的接地阻抗,減小電位差的等電位效果較差,但它具有向大地泄放雷電流和靜電荷等不可替代的功能。在建筑物電氣裝置中等電位聯(lián)結(jié)的應(yīng)用是多方面的,下文試舉數(shù)例。1《在氣體環(huán)境中的電氣裝置》在存在有爆炸危險氣體的場所,星星電火花就可招致爆炸和火災(zāi)的嚴(yán)重后果。IEC60079-14Electricalapparatusforexplosivegasatmospheres—Par14:Electricalinstallationsinhazardousareas(otherthanmines),《爆炸性氣體環(huán)境中的電氣裝置第14部分:危險場所(礦井除外)中的電氣裝置》不規(guī)定該場所內(nèi)接地和接地電阻的要求,只規(guī)定該場所內(nèi)必須實(shí)施等電位聯(lián)結(jié),以避免電位差導(dǎo)致電火花的發(fā)生。它還要求金屬結(jié)構(gòu)間的聯(lián)結(jié)至少須具有相當(dāng)于10mm2截面銅導(dǎo)體的電導(dǎo)以盡量減少可導(dǎo)電部分間的電位差。等電位聯(lián)結(jié)是電氣防爆技術(shù)中一個極其重要的措施。2地下地下等電位按IEC62305防雷標(biāo)準(zhǔn)和IEC60364-5-53建筑物電氣裝置標(biāo)準(zhǔn),無論是建筑物的外部防雷或內(nèi)部防雷,都離不開等電位聯(lián)結(jié)的應(yīng)用。例如35kV及以上的戶外變電所是位于無等電位聯(lián)結(jié)作用的大地平面上的,為此需要在該處地下鋪設(shè)金屬網(wǎng)格并將其與設(shè)備外殼相連接以實(shí)現(xiàn)等電位的環(huán)境條件,消除或降低雷電接觸電壓和跨步電壓并減輕高壓電氣設(shè)備絕緣故障引起的危害。又如一般建筑物防雷裝置的接地極必須和建筑物總等電位聯(lián)結(jié)接地母排相連通而實(shí)現(xiàn)等電位,以防雷電沖擊接地電阻R上的大幅值雷電電壓降IR對建筑物發(fā)生跳擊而引起事故。高層建筑防雷引下線每隔約20m也需和建筑物內(nèi)等電位聯(lián)結(jié)系統(tǒng)相連通而等電位,以防雷電流在引下線上的大幅值電壓降產(chǎn)生的高電位對建筑物發(fā)生跳擊。不用擔(dān)心高電位引入建筑物內(nèi),擔(dān)心的是電位差引起的電氣危險。這和鳥能安全地站在1000kV超高壓架空線上,兩腳等電位,鳥連麻電的感覺都沒有的道理是一樣的。4生設(shè)備碰撞接地故障的消除作用等電位聯(lián)結(jié)對低壓配電系統(tǒng)內(nèi)的防電擊有兩個主要作用:一個是當(dāng)樓房內(nèi)發(fā)生電氣設(shè)備碰外殼接地故障時,它可較TN系統(tǒng)的PE線重復(fù)接地更大幅度地降低接觸電壓;另一個是它可完全消除TN系統(tǒng)內(nèi)由PE線或其他金屬導(dǎo)體從樓外導(dǎo)入的故障電壓引起的電擊事故。下文將對此兩個作用作一簡述。4.1id與zpen圖3所示一樓房內(nèi)電氣設(shè)備發(fā)生碰外殼接地故障。其故障電流Id系經(jīng)阻抗小的PE線和PEN線返回電源。預(yù)期接觸電壓為Ut=Id(ZPE+ZPEN)。雖然在樓房電源進(jìn)線處將PE線重復(fù)接地,但重復(fù)接地的接地電阻和電源處系統(tǒng)接地的接地電阻RB之和遠(yuǎn)大于ZPEN,其分流和降低Ut的作用有限。如果如圖4中點(diǎn)劃線所示做了等電位聯(lián)結(jié),則Ut降為Id×ZPE。其降低Ut的效果遠(yuǎn)優(yōu)于做重復(fù)接地。詳見拙著《低壓電氣裝置的設(shè)計安裝和檢驗(yàn)》(第2版)中第六章第四節(jié)的具體分析。本文不贅述。4.2故障電流和電位差圖5中的樓房不具備人為的或自然接觸形成的等電位聯(lián)結(jié)的作用。當(dāng)如圖示配電系統(tǒng)內(nèi)樓外某處發(fā)生故障電流Id不是經(jīng)PE線而是經(jīng)大地返回電源的接地故障時,例如配電系統(tǒng)內(nèi)樓外某處的相線絕緣損壞與接大地的金屬結(jié)構(gòu)短路,但相線并未斷線,故障電流Id受圖示RE和RB的限制,其值未超過電源出線過電流防護(hù)電器的整定值,不能使其切斷電源,此故障將長期持續(xù)存在。故障電壓Uf=Id×RB將如圖5中虛線所示沿PEN線和PE線傳導(dǎo)至設(shè)備外殼引起電氣事故。如果樓內(nèi)做了等電位聯(lián)結(jié)(如圖6點(diǎn)劃線所示),則樓內(nèi)電氣設(shè)備外露可導(dǎo)電部分和電氣裝置外可導(dǎo)電部分的電位(如圖6中虛線所示)同時升高為Uf,樓內(nèi)不出現(xiàn)電位差就不可能引起任何電氣事故。等電位聯(lián)結(jié)的這一作用對于我們常用的TN系統(tǒng)尤為重要。4.3等電位聯(lián)營是一種獨(dú)立的措施現(xiàn)時生活水平提高,家用電器增多,各地不少出現(xiàn)樓房內(nèi)電器持續(xù)長期帶電壓使人麻電甚至發(fā)生電擊致死的事故。即使拉閘斷電麻電現(xiàn)象依舊。該樓房稱作“電樓”。出現(xiàn)“電樓”現(xiàn)象可能有種種原因,但最常見的原因是4.2節(jié)所陳述的樓外配電系統(tǒng)內(nèi)接身安全。對這一電氣危險,變電所內(nèi)應(yīng)采取有效措施予以防止。而就低壓用戶本身而言最有效的防護(hù)措施就是如本文4.2節(jié)所陳在樓內(nèi)實(shí)施等電位聯(lián)結(jié)。在具備等電位聯(lián)結(jié)作用條件下,無論從變電所傳導(dǎo)來的暫時過電壓的幅值多高,樓內(nèi)都不出現(xiàn)電位差,人身是確保安全的。變電所的暫時過電壓是一個比較復(fù)雜的問題,可參見前述拙著第十二章,本文內(nèi)不贅述。d.從圖5和圖6可知,配電系統(tǒng)內(nèi)發(fā)生相線接大地故障時,中性線也同時帶對地故障電壓Uf。如果樓房內(nèi)未作等電位聯(lián)結(jié),只用三極開關(guān)斷開相線未斷開中性線,電氣檢修人員檢修電氣路線接觸中性線時可能遭受電擊。為此需裝用四極(或二極)的隔離開關(guān)同時斷開相線和中性線以保證檢修人員的人身安全。但從圖6可知,我們常用的TN系統(tǒng)內(nèi)中性線和等電位聯(lián)結(jié)是連通和等電位的,兩者間不存在電位差,電氣線路檢修接觸中性線時沒有電擊危險。可以在回路上裝用三極開關(guān),不必裝用四極開關(guān)來進(jìn)行電氣隔離。這樣除節(jié)約投資外還避免了裝用四極開關(guān)因中性觸頭導(dǎo)電不良招致“斷零”事故燒壞大量用電設(shè)備的風(fēng)險。等電位聯(lián)結(jié)的應(yīng)用是很廣泛的,在發(fā)達(dá)國家受到普遍的重視。限于篇幅本文內(nèi)不一一枚舉。6結(jié)束語各種電氣系統(tǒng)內(nèi)的等電位聯(lián)結(jié)能使有關(guān)可導(dǎo)電部分的電位相等或接近,從而實(shí)現(xiàn)其安全性和功能性的目的。它是一個非常重要的獨(dú)立的電氣技術(shù)措施。例如就一般防電擊而言,不外兩個途徑,一是作等電位聯(lián)結(jié)來消除或降低接觸電壓;另一是安裝防護(hù)電器自動切斷電源來縮短人體通電時間。本文圖4說明等電位聯(lián)結(jié)可有效降低接觸電壓。圖6說明發(fā)生接大地故障時如果防護(hù)電器不能自動切斷電源,故障防護(hù)失效,則只能藉等電位聯(lián)結(jié)消除接觸電壓來避免人身電擊事故。在不少情況下,等電位聯(lián)結(jié)可彌補(bǔ)自動切斷電源措施的缺陷和不足,它是一個獨(dú)立的措施。正因?yàn)榇?在IEC60364-4-41防電擊標(biāo)準(zhǔn)中特別強(qiáng)調(diào)地規(guī)定了設(shè)置等電位聯(lián)結(jié)的要求。有的同行就此以為等電位聯(lián)結(jié)只是自動切斷電源措施的一部分,而不是一個能脫離自動切斷電源的獨(dú)立的措施,這一理解恐怕有誤。有的同行在技術(shù)文件行文中往往將“等電位聯(lián)結(jié)”寫作“等電位聯(lián)結(jié)接地”。似乎沒有接地等電位聯(lián)結(jié)就不成其為電氣防護(hù)措施。這同樣也恐是出于對等電位聯(lián)結(jié)的誤解,詎不知在IEC防電擊標(biāo)準(zhǔn)中還規(guī)定有不接地的等電位聯(lián)結(jié)防電擊措施。在這一措施中等電位聯(lián)結(jié)防電擊措施是不允許接地的,不然由于引進(jìn)了大地電位反而招致電擊危險。等電位聯(lián)結(jié)在高壓和低壓、高頻和低頻諸多電氣系統(tǒng)中有其獨(dú)立的不可替代的保護(hù)性和功能性作用。從接地升華到等電位聯(lián)結(jié)是半世紀(jì)多以來國際上建筑電氣和用電技術(shù)的一大進(jìn)步。我們在這方面的理論水平和國際水平相比差距不小。需我們迎頭趕上。筆者的理解十分膚淺,所陳定多謬誤。拋磚引玉,希同行不吝批評指正。為保護(hù)信息技術(shù)設(shè)備(informationtechnologyequipment,簡稱ITE)免受雷電危害而裝設(shè)的電涌防護(hù)器(SPD),其實(shí)是一個用以實(shí)現(xiàn)等電位聯(lián)結(jié)的器件。如圖1所示,當(dāng)ITE電源回路上出現(xiàn)高幅值雷電涌壓時(也包括鄰近大功率設(shè)備操作產(chǎn)生的涌壓),SPD被涌壓擊穿導(dǎo)通,相線和PE線被SPD等電位,從而降低了涌壓,保護(hù)了ITE。雷電瞬間即逝,SPD又恢復(fù)絕緣狀態(tài)。所以SPD是一個起瞬時等電位聯(lián)結(jié)作用的器件。在裝用SPD保護(hù)ITE防雷電涌壓危害的國際電工標(biāo)準(zhǔn)IEC60364-5-53Electricalinstallationsofbuildings—Part5-53:Selectionanderectionofelectricalequipment—Isolation,switchingandcontrol第534節(jié)中要求圖1中相線和PE線間的連接線不宜超過0.5m,以盡量減少此連接線上的電壓降,降低ITE上的雷電殘壓,提高SPD作高頻低阻抗等電位聯(lián)結(jié)的保護(hù)效果。3在抗電磁干擾技術(shù)中的應(yīng)用由于信息技術(shù)在建筑電氣中被廣泛應(yīng)用,電磁干擾問題也隨之而來。我國有的建筑電氣設(shè)計規(guī)范規(guī)定電子信息系統(tǒng)宜與防雷系統(tǒng)共用接地網(wǎng),這基本上是正確的。但它要求共用接地網(wǎng)的接地電阻不大于1Ω,卻未說明要求如此低的接地電阻的依據(jù)和原由。這一規(guī)定給建筑電氣的設(shè)計和安裝帶來許多困難和麻煩。而即使接地電阻達(dá)到1Ω卻仍未能解決信息設(shè)備信號接地的地電位不均等導(dǎo)致的電磁干擾問題。筆者查閱有關(guān)國際電工標(biāo)準(zhǔn)和發(fā)達(dá)國家標(biāo)準(zhǔn),也均無此1Ω接地電阻的苛刻要求。大家知道信息技術(shù)系統(tǒng)的電磁干擾源是復(fù)雜多樣的。其中之一是同一系統(tǒng)內(nèi)的各ITE的信號接地的地電位不均等。取大地電位為地電位是難以獲得均等的地電位的。因?yàn)閷ぷ黝l率以若干MHz計的信息系統(tǒng)的信號接地而言,接大地阻抗Z中的高頻電抗(X=2πfL)分量甚大。相比之下接地電阻(R)分量微不足道。因此重要的是盡量減小ITE與“地”間的高頻電抗X。為此如圖2所示的IEC60364-4-444防電磁干擾標(biāo)準(zhǔn)不以大地而以銅質(zhì)網(wǎng)格之類的導(dǎo)體作為地,以該類導(dǎo)體的電位作為諸ITE信號接地的地電位,采用盡量小的高頻低阻抗連接方式與該類導(dǎo)體進(jìn)行連接來實(shí)現(xiàn)信號接地,使諸ITE信號地間等電位以消除電磁干擾,信息技術(shù)系統(tǒng)得以正常發(fā)揮其功