经常询问等电位联结相关要求,它应该安装在哪里,如何安装。作为指导全球各国制定本国标准的国际电工IEC以及国际电信联盟ITU标准,以及具体实施落地IEC的英国BS标准,都是全球性、普遍认可的技术文件,均对等电位联结有相关要求,本文着眼于此,结合现行国家规范和图集,谈谈目前国内等电位联结做法的常见问题。
首先,术语的正确性很重要。等电位联结与接地是两个不同概念,不应混淆,但这些术语经常一起使用。
接地(GB/T 2900.73-2008:195-01-08),在系统、装置或设备的给定点与局部地之间作电连接。 保护接地,是出于安全目的(如电击防护)通过保护接地导体将装置的外露可导电部分连接到该装置的主接地端子。保护接地的一个例子是如图1中的图例1,I 类设备的金属外壳通过保护接地导体PE(英国标准BS7671:2018《电气装置规范》称之为回路保护导体Circuit protection conductor缩写为CPC)连接到接地装置,为故障或高泄漏电流(剩余电流)提供导通路径,产生较大的接地故障电流促使保护开关自动切断电源。
从图1可以看出,外露可导电部分通过保护接地导体PE与总接地端子MET相连。外露可导电部分是指电气设备上能触及到的可导电部分,它在正常状态下不带电,但在基本绝缘损坏时会带电,其包括如:用电器具的金属外壳(不包括双重绝缘器具)、电气配电箱的金属外壳等(GB/T 2900.73-2008:195-06-10)。外露可导电部分最大的特点是电气装置的一部分。
等电位联结,为等电位而电气连接多个可导电部分。注:等电位联结的有效性可能取决于联结中电流的频率(GB/T 2900.73-2008:195-01-10,GB /T 17045-2020/ IEC 61140 : 2016 修改-添加了注)。等电位联结是避免在系统的不同构件间产生较大的电位差,其作用如下:
——保护设备和人身安全;
——可靠的信号参考电平;
——更好的EMC性能;
——提高防雷性能。
等电位联结从保护功能上分有两种类型:
(1)保护等电位联结(又称总等电位联结(GB 50054-2011:2.0.21))
保护等电位联结是指为了安全目的(例如电击防护)的等电位联结。保护等电位联结主要是使各种外露可导电部分和外界(装置外)可导电部分保持基本相同电位的电气连接。如图1中的图例2,外界可导电部分通过保护联结导体与总接地端子MET相连。用于将每个建筑物内容易引入危险电位差的非电气装置的进户金属部分例如金属水管等外界可导电部分,连接到总接地端子MET,以防止建筑外部传导危险电位。
——为建筑物提供服务的管道,例如气、水、区域供热系统等;
——外界可导电结构件;
——钢筋混凝土结构上可触及的钢筋。
由此可以看出,保护联结导体的对象是非电气装置的金属部分即外界可导电部分,其特点有三个:
——非电气装置;
——可导电;
——易引入危险电位,通常为地电位。
因此保护等电位联结很重要的作用是,可通过人为建立建筑物内部等电位网络降低接触电压,削弱外部危险电位的影响。
(2) 辅助保护等电位联结导体(需要时设置)
如图1中的图例3,辅助保护等电位联结有助于防止同时接触的外露可导电部分和外界可导电部分间出现危险的接触电压。作为故障防护的附加防护,辅助保护等电位并不是必须设置的。辅助等电位主要应用于以下情况:
——伸臂范围内同时触及的固定式电气设备的外露可导电部分和/或外界可导电分;
——以及如浴室、泳池等特殊装置或场所。
由此可以看出,虽然保护接地和保护等电位联结二者连接的都是平时不带电的可导电部分,但是一个是电气装置的一部分,一个是非电气装置的一部分(辅助等电位除外),连接对象区别较大。
GB/T 50065-2011《交流电气装置的接地设计规范》第7.2.2条要求,配电变压器设置在建筑物外其低压采用TN系统时,低压线路在引入建筑物处,PE或PEN应重复接地,接地电阻不宜超过10Ω。
GB 51348-2019《民用建筑电气设计标准》第12.3.1条也有同样的要求,且条文说明进一步解释:“为了防止保护接地导体(PE)或保护接地中性导体(PEN)断线所造成的危害,保护接地导体(PE)或保护接地中性导体(PEN)应重复接地”。第12.3.2条要求“向建筑物供电的配电变压器安装在该建筑物内,建筑物内应做总等电位联结”。
因此有一种说法,貌似配电变压器不在建筑内是可以不设置保护等电位联结,只要做了接地或重复接地,就能实现防人身电击。是否如此呢?
2.1 保护接地降低接触电压的作用有限
如图2所示,以TN-C-S系统为例,PEN进入建筑物后,N和PE分离处重复接地。当PEN导体发生中断,电路原理图见图3。 因人体阻抗和鞋袜及地板电阻之和Zt千欧级别远大于流过毫欧级别的导线电阻RL、RN、RE以及系统接地电阻RB,流过的接地故障电流非常少,接地故障电流主要经N线和PE线并联,再与RA和RB串联返回电源,因此:
接地故障电流
人体预期接触电压
设 U0 = 220 V, RB = 4Ω, RA = 10 Ω, RL = 0.5 Ω, RE= 0.5 Ω,
则人体预期接触电压
可以看出系统设置了重复接地,人体预期接触电压最大值也会超过人体安全电压50V,因此就算设置重复接地,对于PEN中断的电击防护无法起到有效的保护作用。而设置保护等电位联结,预期接触电压可比重复接地降低3.5倍(详见《建筑物电气装置600问》王厚余著),这充分说明做保护等电位联结的效果远优于做重复接地。
2.2 保护等电位联结比接地更有效地降低接触电压
保护接地的目的是接地故障电流通过阻抗较小的导通路径,使保护器动作于自动切断电源,同时也可以使外露可导电部分的接触电压降低。而保护等电位联结的作用是通过等电位联结导体,进一步降低外露可导电部分与外界可导电部分的接触电压。下面以自动切断电源措施为例加以说明保护等电位联结的作用。
(1)自动切断电源(第411章);
(2)双重或加强绝缘(第412章);
(3)向单台用电设备供电的电气分隔(第413章);
(4)特低电压(SELV和PELV)(第414章)。
作为其中最为常用的自动切断电源措施,基本防护包括带电部分的基本绝缘、遮拦或外护物,故障防护包括保护接地、保护等电位联结和故障时自动切断电源(GB /T 17045-2020/ IEC 61140 : 2016第5.5.2条)。(总)保护等电位联结的作用往往低估,在电击防护方面相对重复接地更有效:
——当建筑物内发生接地故障时,可进一步降低由此引起的接触电压;
——当建筑物外电源侧发生接地故障时或PEN断线时,可消除沿PEN/PE线导入的对地电压。
——当户外管线和电气线路因故出现危险高电位时,降低由其导入的对地电压。
2.2.1 TT系统
保护等电位联结降低接触电压的作用以TT系统效果最为显著。如图4所示,TT系统中电气装置发生接地故障时:
接地故障电流Id=U0/(RL+RE+RA+RB)(忽略电源内阻)
在无保护等电位联结时,接触电压为:Ut=Id(RE+RA)
当设置保护等电位联结时,外界可导电部分视为地电位,接触电压为:Ut’=Id RE
设 U0 = 220 V, RB = 4Ω, RA = 10 Ω, RL = 0.5 Ω, RE= 0.5 Ω,则
Id=U0 /(RL+RE+RA+RB)=220/15=14.7A
Ut=Id(RE+RA)=14.7×10.5=154V
Ut’=Id RE =14.7×0.5=7.3V
由此可以看出,设置保护等电位联结的接触电压远小于仅做保护接地。但是需要说明,TT系统的故障防护主要靠RCD来实现,接触电压的降低已不十分重要。
2.2.2 TN系统
如图5所示,TN-C-S系统电气装置发生接地故障时,设 U0 = 220 V, RB = 10Ω, Z0 = 0.45 Ω, RL = 0.3 Ω, RE1 = 0.25 Ω,RE2 = 0.3 Ω,则:
故障电流Id = U0 /(Z0+RL+RE1+RE2 )=220/1.3=169A
无保护等电位联结时,接触电压Ut=Id(RE1 +RE2 )=169×0.55=93V
有保护等电位联结时,外界可导电部分视为地电位,
接触电压Ut’=Id RE2 =169×0.3=50.7V。
可以看出,在TN系统中,设置保护等电位联结比保护接地可进一步降低接触电压。
同理,当PEN中断,TN-C-S系统将会变成类似TT系统,过流保护器无法启到保护作用,保护等电位联结降低接触电压效果更为明显。
由此可见,在TN系统中设置保护等电位联结也会比仅有保护接地更有效。需要说明,保护等电位联结不应是设计者的首选保护,只能作为基本的故障防护措施,毕竟它只是降低接触电压,而不是缩短保护电器动作时间。
2.3 每个建筑物均应设置保护等电位联结
由以上保护等电位联结的作用可以看出,无论是何等接地形式,每个建筑物设置保护等电位是必不可缺的。
GB/T 17045 - 2020/IEC 61140 : 2016《电击防护装置和设备的通用部分》第5.3.3.2 条规定,基本防护一旦损坏可能带有危险接触电压的可触及的可导电部分,即外露可导电部分和任何的保护屏蔽体,都应与保护等电位联结系统连接。
——入户为塑料绝缘、户内为金属的管道;
——具有绝缘外护套的金属管道;
——绝缘段长度不小于100mm且入户点300mm以内的金属管道(英国IET标准指南《On-SITE Guide BS 7671:2018》)
需要判断进出建筑物的管线是否为外界可导电部分,可根据香港标准《电力线路规例工作守则》(2020版),对地阻抗不大于45kΩ的可导电部分被视为外界可导电部分(根据 IEC 60479-1:2005 计算得来)才需要做保护等电位联结。
那无论是否为外界可导电部分,连了就比不连好呢?不一定。对地阻抗较大、视为绝缘的导体本身是安全可靠的,因为连之后变得阻抗小,传导危险电压,就会有电击风险,特别是等电位联结效果不理想的时候。
如图6,通常在总配电间设置 总等电位联结箱MEB,在设备机房(如水泵房、空调机房、燃气表间等) 、电气竖井的接地干线设 等电位联结端子板与接地装置连接, 不与MET连接。这是不符合IEC规定的。
——保护联结导体;
——接地导体;
——保护接地导体;
——功能接地导体,若有。
IEC为何强调如此等电位做法呢,把上述各导体均连接到MET的好处如下:
(1)消除接地基础间的共模电位差
如GB50057-2010《建筑物防雷设计规范》第4.2.4条的条文说明所述:“当Iearth为雷击电流或50Hz短路电流时,在电子系统与PE线或其周围共用接地系统之间将会产生跳击而损坏设备;当Iearth为干扰电流时,将对电子系统产生干扰。因此,美国的国家电气法规NEC和国际电工委员会IEC的一些标准都规定,每一建筑物(每一装置)的所有接地体都应等电位直接连接在一起,通常是在总等电位连接带处,见图7。这样就消除了上述的共模电位差U。”
因此当建筑基础钢筋稀少,网孔尺寸交大以及基础面积较大的情况下,就算是大底盘的建筑物混凝土基础,依然会在多个接地导体之间产生电位差。(多个)保护等电位联结通过专用联结导体以消除共模电位差。
(2) 统一对地参考电压
(3) 便于检测
第 542.4.2条规定,“连接到总接地端子上的每根导体,都应能被单独地拆卸。此连接应当可靠,且只有用工具才能拆卸。必须主接地端子 (MET) 或附近提供接地导体的断开装置,以便于测量接地装置的电阻”。如图8,对于较大的MET,通常提供螺栓连接来满足要求,方便总接地端子处卸下接地导体。多个等电位接地端子配置场所,其接地端子应相互连接。