設備機房內局部等電位接地設置探討

摘要：介紹了TN系統中的間接防護措施，以某工程項目為例，通過詳細計算復核了TN系統中的間接防護措施是否到位，為今后設備機房的等電位接地施工提供了良好借鑒。

關鍵詞：TN系統：間接防護：局部等電位聯結

0 引言

隨著建筑機電系統越來越復雜，設備機房也越來越多。為了滿足人們對建筑電氣系統運行安全方面的需求，保證機房內設備的正常運行，需要確保相關工作人員的操作安全、正確。通常當人觸及電氣設備的帶電部分，稱為直接接觸;電氣設備的外露導電部分出現故障時會帶電，當人接觸這種帶電的金屬部分，稱為間接接觸。直接接觸和間接接觸所造成的電擊稱為直接電擊和間接電擊。防止直接電擊的措施包括：將帶電體進行絕緣處理;用阻擋物防護;將帶電體置于人可觸摸范圍以外。以TN系統為例，間接防護必須滿足3個條件：（1）接地;（2）TN系統符合安全關系式ZSIa≤Uo及電纜保護長度的校核要求;（3）等電位聯結（接觸電壓>50 V）。當電氣系統不符合以上間接防護的3點要求時，需要設置等電位接地，而以往項目的很多機房沒有做等電位接地。

等電位聯結是指將配電箱接地母排、電氣設備的外露可導電部分、裝置外導電部分用金屬導體適當聯結起來，可防止高電位引入室內，若發生單相接地故障，雖然整個聯結體有電位產生，但人所能接觸到的兩個導體之間基本是等電位，或電位差很小，這就避免或減小了電擊的風險。也就是說，等電位聯結就是在帶電場所內，將所有可能引起電擊的金屬外露部分都盡可能通過電氣連通來均衡電位，靠降低接觸電壓來減少電擊風險。

下面將詳細介紹設備機房在什么情況下需要設置局部等電位接地。

1 TN系統中的間接防護措施

《工業與民用建筑設計手冊》中關于間接防護有以下規定：

（1）TN系統中電氣裝置的所有外露可導電部分，應通過保護導體與電源系統的接地連接。

（2）當建筑物內發生接地故障時，TN系統的保護電器以及回路的阻抗應能滿足在規定時間內自動切斷電源的要求，可以用下式表示：

ZSIa≤Uo

式中，Uo為相導體對地電壓，220 V;Ia為能保證保護電器在規定時間內自動切斷電源的電流（A）;ZS為故障回路阻抗，它包括電源（變壓器或發電機）、相導體、PEN或PE導體的阻抗（Ω）。TN系統的故障保護可以采用過電流保護器和剩余電流裝置（RCD）。

（3）當TN系統相導體與無等電位聯結作用的地之間發生接地故障時，使保護導體和與之連接的外露可導電部分的對地電壓不超過50 V。

（4）當不符合上述要求時，應補充其他有效的間接接觸保護措施或采用局部TT系統。

因此，我們如果想要確定間接防護是否需要做等電位聯結，也需要完成3個工作：

（1）先確保電氣裝置的所有外露可導電部分都通過保護導體與電源系統的接地連接。

（2）校核TN系統中配電線路的間接接觸防護電器的動作特性是否滿足ZSIa≤Uo條件。

（3）計算人體接觸故障電壓，如果大于50 V（潮濕場所25 V），則需要設置局部等電位接地。

2 項目實例

某辦公樓項目，包括一棟超高層建筑及裙房，主樓地上有56層，建筑高度為280 m，主要功能為辦公;裙房地上為5層，主要功能為展覽、辦公和商業。其中B1F、15F、25F、36F、47F均為設備層，本項目很多空調機房未設置局部等電位接地。下面我們以B1F變電所至11F～14F空調機房的配電回路為例，復核其間接防護措施。此配電回路圖紙如圖1所示（配電間已設置接地端子板）。

原設計圖紙已確保電氣裝置的所有外露可導電部分都通過保護導體與電源系統的接地連接。

校核TN系統中配電線路的間接接觸防護電器的動作特性：

TN系統中，在圖2所示的機房配電示意圖中，M為電氣設備，其外露導電部分用PE線同接地干線相連。當發生單相接地故障時，故障電流Id與人體承受的接觸電壓Uc為：

Id=Uo/Z

Uc=IdZpe

式中，Uo為相對地標稱電壓，220 V;Z為電源變壓器、相線或PE線阻抗;Uc為發生接地故障時電氣設備外露導電部分與大地間的電壓。

如圖1所示，計算14F空調機房的故障電流，變壓器型號為1 600 kVA SCB11，變壓器的相保電阻R0=0.69 mΩ，相保電抗值X0=5.96 mΩ;高壓側相保電阻R0′=0.05 mΩ，相保電抗值X0′=0.53 mΩ，從變壓器低壓開關給11F～14F空調箱供電的干線電纜采用JCFD-WDZA-YJY-4×150+PE70型電纜160 m，通過查詢《工業與民用配電設計手冊》第3版表4-25可得，150型號電纜相保電阻值R1=0.351 mΩ/m，相保電抗值為X1=0.161 mΩ/m;然后預分支給空調配電箱，每層預分支電纜規格為JCFD-

WDZA-YJY-4×35+PE16，5 m，單位電阻值R2=1.503 mΩ/m，單位電抗值X2=0.191 mΩ/m;然后從空調配電箱至變頻控制箱的VDS電纜規格為WDZA-YJY-4×10+PE10，45 m，單位電阻值R3=5.262 mΩ/m，單位電抗值X3=0.188 mΩ/m;最后從變頻箱至風機的電纜規格為WDZA-YJY-3×10+PE10，5 m，單位電阻值R4=6.932 mΩ/m，單位電抗值X4=0.188 mΩ/m。

R=R0′+R0+R1+R2+R3+R4

X=X0′+X0+X1+X2+X3+X4

單相故障電流Id=U0/Zs=0.58 kA。

校核TN系統中配電線路的間接接觸防護電器的動作特性是否滿足ZSIa≤Uo：表1中計算所得Zs≈0.38 Ω。原設計選擇斷路器型號為MCCB-S 160 A TM R40/3P，In=32 A（ABB產品），可查斷路器特性曲線其瞬動電流為額定電流的10倍，即Ia=320 A，則ZSIa=0.38×320=121.6 V≤220 V，符合安全關系式要求。

計算人體接觸故障電壓，如果大于50 V（潮濕場所25 V），則需要設置局部等電位聯結。人體承受的接觸電壓Uc應為強電間空調電源箱至機房設備的接地線上產生的電壓，為圖1所示Z1-14APAC配電箱至變頻控制箱之間的接地線以及從變頻箱至風機的接地線上產生的電壓。

Uc=IdZPE

前面已經得出Id=0.58 kA。

式中，X3′、X4′為PE線上的電抗值（工作溫度80 ℃）;R3′、R4′為PE線上的電阻值（工作溫度80 ℃）。

經過查閱電纜樣本資料及《工業與民用設計手冊》第3版9.4.1.2電抗計算方法：

（1）計算80 ℃工作狀態下導線的交流電阻，按下式計算：

Rj=KjfKijRθ

式中，Rj為導體溫度為θ ℃時實際交流電阻值（Ω）;Rθ為導體溫度為θ ℃時ZZ直流電阻值（Ω）;Kjf為集膚效應系數（當頻率為50 Hz，截面積不超過240 mm2時，取1）;Kij為鄰近效應系數，取1。

（2）計算電抗，當f=50 Hz時，按下式計算：

X′=0.144 5lg Dj/Dz

式中，X′為線路每相單位長度電抗（Ω/km）;Dj為幾何距離（cm）;穿管電線及圓形線芯的電纜為幾何距離d+2δ，其中d為電纜主線芯直徑（cm），δ為電纜主線芯的絕緣厚度（cm）;Dz為線芯自幾何均距或等效半徑（cm），對于圓形的截面電纜Dz取0.389d。

通過計算得出：

線路L3規格為WDZA-YJY-4×10+PE10，45 m，PE線Z3=91.66 mΩ;

線路L4規格為WDZA-YJY-3×10+PE10，10 m，PE線Z4=20.37 mΩ;

得出Uc=IdZPE=Id（Z3+Z4）=0.58×（91.66+20.37）≈64.98 V

>50 V。

因此，14F空調機房需要做等電位接地。

本文用以上方法去復核11F、12F、13F的空調機房，發現均需要做等電位接地。因此，我們向設計院和業主提出了增加等電位接地的要求，并得到了他們的認可。

以上方法也可以用于復核其他機房的間接防護措施，經計算，有些機房不需要增加等電位接地。

3 結語

建筑電氣系統中設置等電位聯結是為了減少故障電壓而采用的方法，用導體將機房內部的各種電氣設備及設備裸露導體連接，使保護范圍內的電位基本處于均衡狀態。

在項目建設中安全是第一位的，在實際施工中復核間接防護是否到位尤為必要，能夠確保系統用電安全，保證設備的正常工作和安全使用。

收稿日期：2020-04-28

作者簡介：武秋紅（1984—），女，河北人，工程師，研究方向：民用建筑供配電設計及施工。