电气安全 第三章 电击防护技术原理与措施(第3版)

第三章电击防护技术原理与措施第一节电流通过人体产生的效应第二节电气设备及装置的电击防护措施第三节低压系统间接电击防护性能分析第四节剩余电流保护第五节电气分隔防护第六节特低电压防护第七节非导电环境与等电位联结•本章重点讨论以下问题。1、人体对低压工频交流电的承受能力。2、电击产生的途径与强度计算。3、电击防护技术原理与工程上常用的电击防护措施措施。第一节电流通过人体产生的效应一、电击形式及电击防护形式“电击”指电流通过人或动物躯体产生的生理效应，也指人或动物因电流通过而受到生理伤害的事件。1、直接电击与基本防护直接接触（directcontact）：人或动物与带电部分的电接触（195-06-03）。又称直接电击特点：电击强度为线电压或相电压。基本防护（basicprotection）：无故障条件下的电击防护（826-12-05）。直接接触防护主要依靠基本防护。2、间接电击与故障防护间接接触（indirectcontact）：人或动物与故障状况下带电的外露可导电部分的电接触（826-12-04）。疑问：外界可导电部分上的电击算什么？如漏电进水产生的电击。特点：电击强度差异很大。故障防护（faultprotection）：单一故障条件下的电击防护（826-12-06）。单一故障条件：①可触及的非危险带电部分变成危险带电部分；②可触及的非带电部分变成了危险带电部分；③危险带电部分变成了可触及的。4.2——GB17045-2008《电击防护装置和设备的通用部分》。二、人体通过电流时的生理反应1、研究历程简介2、生理效应（1）反应阈：0.5mA。（2）感知阈：以50％概率，男/女：1.1/0.7mA。（3）摆脱阈：以50％概率，男/女：16/10.5mA。（4）室颤阈：是电流持续时间的函数。大于室颤阈的电流被认为是致命的。①达尔基尔公式。认为室颤危险性与电击能量累积有关，在电流持续时间0.01~5s内：I2t=KDKD——达尔基尔常数，取值1162mA2·s。②柯宾公式。认为室颤危险性与电流时间积相关，在电流持续时间1s内：It=KKKK——柯宾常数，取值50mA·s。三、人体阻抗V接触电压人体总阻抗95%50%5%10020030040050060070050010001500200025003000350040004500500055006000人体电阻为电压的函数还与接触面积、压力等有关皮肤体内~220V电压下，人体阻抗小于1000Ω的比例不大于5%人体阻抗为阻、容性皮肤四、工程标准与典型量值IEC/TS60479-1《第1部分：通用部分》。IEC/TS60479-2《第2部分：特殊情况》。IEC/TS60479-3《第3部分：电流通过家畜躯体的效应》。IEC/TR60479-4《第4部分：雷电流通过人体和家畜躯体的效应》。IEC/TR60479-5《第5部分：对于生理学效应的接触电压限值》。TS已经转化成GB13870.1~3，13870.1应用最多，最新版为-2008。1、人体效应的约定时间/电流区域（GB13870.1-2008）电流路径左手-双脚，交流15~100Hz要点：只与电流通路有关，与接触面积、压力、潮湿程度、皮肤破损等均无关。是本质特性区域代号区域界限生理效应AC-10.5mA直线a左侧有感知的可能性，但通常不会被“吓一跳”AC-2直线a至折线b①通常无有害的电生理效应，但可能有感知和不自主的肌肉收缩AC-3折线b至曲线C1通常不会发生器质性损伤。可能发生肌肉痉挛似的收缩。呼吸困难。随着电流量和通电时间增加，使心脏内心电冲动的形成和传导有可以恢复的紊乱，包括心房纤维性颤动和心脏短暂停搏。但不发生心室纤维性颤动。AC-4在曲线c1以右可能发生心跳停止、呼吸停止以及烧伤或其他细胞破坏等病理生理效应。心室纤微颤动的概率随电流增大和时间加长而增加AC-4-1c1至c2心室纤维性颤动概率可增加到5%AC-4-2c2至c3心室纤维性颤动概率可增加到约50%AC-4-3超过曲线c3心室纤维性颤动概率超过50%交、直流对比交流直流2、人体效应的约定时间/电压区域（IEC60479-5：2007）要点：不仅与电流通路有关，还与接触面积、压力、潮湿程度、潮湿溶液性质、皮肤有无破损等有关。非本质特性，系转换表征特性。电流才是电击强度的本质表征参量。由于电压与电流相关，可将电流参量转换为电压间接表征，中间涉及另一个参量——人体阻抗——麻烦了！大接触面积盐水湿润中接触面积盐水湿润接触面积对比大接触面积盐水湿润大接触面积干燥潮湿情况对比现状工程应用中常用接触时间/电压区域曲线。L1：正常环境条件L2：潮湿环境条件注：以上环境条件划分比较粗略，对于特殊环境条件，有更细致的划分。101020205010020010000200050010005000500100502001000L21L接触电压人体允许最大通电时间(ms)(V)不同接触电压下人体允许最大通电时间3、典型量值约35~40mA以下电流，长时间（10s以上）通过引起的室颤概率不高于5%。500mA电流下室颤概率不高于5%的允许时间小于10ms。现绝大多数保护电器都不能在如此断的时间内开断。仅限流型熔断器和带能量脱扣器的低压断路器在极大动作电流倍数下（如25倍以上）能够做到。正常环境条件下，按95%概率取人体阻抗1000Ω。故障防护预期接触电压限值取50V。第二节电气设备及装置的电击防护措施•是根本性措施，预防性措施。主要防直接电击。•基本思想：消除接触到危险带电部分的可能性。•具体技术手段：绝缘、屏护与间距三种。设备（equipment，device）：工厂生产的具备特定功能的完整单元，作为整体提供给用户。装置（installation）：一系列相关设备及零、部件组合而成的整体，具备更完整、复杂的功能。一般在工作现场组装完成，也不排除在工厂（部分）组装。一、绝缘措施基本绝缘：用作基本防护。只有被破坏才能完全除去。附加绝缘：用作故障防护。双重和加强绝缘：用作加强防护。低压系统配、用电设备一般为固体绝缘。二、机械阻隔类防护措施1、外壳外壳（或外护物，enclosure）：能提供与预期目的相适应的防护类型和等级的外罩。电气外壳：预防可预见的电气危险的外壳。电气保护外壳：防止人员从任何方向无意或有意接近危险带电部分并围住设备内部部件的外壳。一般，本课程“外壳”均指“电气保护外壳”。设备称外壳，装置现场处称外护物。2、保护遮拦保护遮拦（protectivebarrier）：防止人员从任一通常方向无意或有意接近危险带电部分而设置的机械阻隔物。与外护物区别：部分方位与全方位阻隔的区别。如：开关柜中带电部分，需全方位阻隔，封闭式柜体即外护物；顶上裸母排，只需下方和侧面阻隔，设置遮拦。3、保护阻挡物保护阻挡物（protectiveobstacle）：通过机械阻挡的提醒，防止人员从通常方向无意识接近危险带电部分的技术措施。与保护遮拦的区别：有无防有意识接近的功能。保护阻挡物只能用于特定场所，即只有BA4和BA5人员的场所，通俗说就是“闲人免进”的电气专业场所，如变电所、开关站等。三、空间间距阻隔类措施伸臂范围（arm’sreach）：从人通常站立或活动的表面上的任一点，延伸到人不借助任何手段、从任何方向能用手达到的范围。置于伸臂范围以外：避免伸臂范围内存在危险电位差的两个及以上可导电部分的电击防护措施。适用于低压电气装置电击防护。若用于高压电气装置，伸臂范围内应无危险区域，而危险区域是危险带电部分周围的一个空间，与电压等级有关。适用于只有BA4、BA5人员的特定场所。四、外壳防护等级1、外壳防护的形式外壳防护：保护人身安全、设备安全及环境安全等。此处外壳防护形式针对以上前两者。人身安全包括电击和机械损伤防护；设备安全主要是防固体异物和水。第一种防护形式：防止人体触及或接近壳内带电部分和触及壳内运动部件，防止固体异物进入壳内。第二种防护形式：防止水进入壳内而产生有害影响。两种防护形式都由外壳机械结构唯一确定。2、外壳防护代号及等级划分用IPXX表示。IP——表征字母；XX——表征数字，第一位表示第一种防护方式等级，第二位表示第二种防护方式等级。第一种防护方式等级分为0～6级，数字越大，能防止进入的固体异物尺寸越小，防护越严密。第二种防护方式等级分为0～8级。数字越大，防水越严密，最高可防潜水影响。例：IP20防护的外壳，可防止大于12mm的固体异物进入，但不防水。3、外壳防护与电击防护的关系（1）防止直接接触产生电击伤害。（2）防止水将壳内带电部分电位引出，在外露或外界可导电部分上产生电击危险。五、用电设备电击防护形式类别1、类别规定0类设备：仅依靠基本绝缘作电击防护的设备。外壳上无保护连接环节。I类设备：具有基本绝缘、且外露可导电部分上有保护连接条件的设备。II类设备：采用双重绝缘或加强绝缘的设备。外壳上无保护连接环节。III类设备：额定电压为特低电压的设备。类别O类I类II类III类设备主要特征基本绝缘，无保护连接手段基本绝缘，有保护连接手段双重绝缘或加强绝缘，没有保护连接手段由安全特低电压供电安全措施非导电环境或配合隔离变压器使用可与固定配线系统保护接地相连不需要接于安全特低电压设备示例部分金属外壳灯具（现已不能采用）洗衣机、冰箱、空调、微波炉两芯插头的DVD、电视机顶盒等机床照明灯、电焊枪2、与电击防护的关系用电设备电击防护类别与需要采用的电击防护措施和允许使用范围密切相关。（1）0类设备：只能用于非导电环境或单独的电气分隔系统。（2）I类设备：用于TT、TN或IT系统，需要系统防护措施作故障防护。（3）II类设备：不考虑间接接触的可能性。（4）III类设备：用于特低电压系统。第三节低压系统电击防护性能分析•指TT、TN、IT系统在没有附加其他专门电击防护措施的情况下，对碰壳漏电电击危险性的防护性能。•均无直接电击防护功能，只对I类设备因碰壳故障产生的间接电击有防护作用，防护途径为：（1）降低接触电压；（2）切断电源。约定：按正常环境条件，预期接触电压限值UL=50V、人体阻抗RM=1000Ω分析。（1）接地故障定义带电导体与大地或与大地有联系的可导电部分之间的非正常电气连接，称为接地故障。如：相线与接地的PE线、PEN线、建筑物金属构件的电气连接，相线跌落大地等。（2）接地故障与电击事故的关系电击防护I类设备，在TT、TN、IT系统中，设备外壳都通过PE线与大地相连，设备漏电碰壳故障即为接地故障。带电导体-地之间的直接电击也是接地故障。（3）接地故障与单相短路故障的异同是对故障进行的不同分类。1）TT、TN、IT系统中，相线与中性线（如果有的话）间的金属性连接均为单相短路故障，但只有TT和TN系统中同时又是接地故障。2）TT、TN、IT系统中，相线与PE线间的金属性连接均为接地故障，但只有TN系统中同时又是单相短路故障。低压系统短路与接地故障单相短路与电源是否接地没有关系带电导体直接接大地都不是单相短路接地故障是一种专门的故障类别，但并不仅指带电导体直接接大地有的接地故障是单相短路，有的不是k3、k2与中、高压系统相同低压系统接地故障与单相短路故障在划分标准上没有关系，但划分结果有交叉，容易混淆。低压系统接地故障是指带电导体与大地（或与大地有联系的金属体）之间意外的电气连接。接地可能形成短路，也可能不形成短路（此时故障回路阻抗远大于短路阻抗）。，N-E一、、TT系统间接电击防护性能分析设备外壳上预期接触电压：系统接地电阻与设备接地电阻对相电压分压，设备接地电阻所分得的部分故障模型与等效电路1、原理分析（1）降低预期接触电压作用及效果分析220/380V系统：按RN=4Ω计算，若RE=4Ω，则设备外壳上的预期接触电压Ut=110V。要使Ut≤50V，得设备接地电阻RE不能超过1.18Ω。工程上，将RE做到4Ω以下是非常困难的，做到1.18Ω以下困难更大。因此，TT系统有降低碰壳故障预期接触电压的作用，但通常不能将其降低到安全电压以下。（2）过电流保护自动切断电源分析TT