李光曦／馮 濤（中信建筑設(shè)計研究總院有限公司，湖北武漢430014）

建筑物低壓直流配電系統(tǒng)電擊防護探討

李光曦／馮 濤（中信建筑設(shè)計研究總院有限公司，湖北武漢430014）

0 引言

隨著低壓用電負荷對直流配電的需求越來越大，以及電力電子技術(shù)、控制理論的不斷發(fā)展進步，建筑物低壓直流配電技術(shù)的應(yīng)用逐漸提上日程［1－2］。與此同時，電動汽車直流充電、通信（數(shù)據(jù)）設(shè)備直流供電、城市軌道交通直流供電等技術(shù)也得以推廣和普及，因此，低壓直流配電電擊防護方案的選取便成為需要重視和解決的問題。本文將通過分析建筑物典型用電環(huán)境下低壓直流電對人的效應(yīng)，來探討電擊防護措施的可行性。

1 直流電流對人體的效應(yīng)及安全閾值

1.1 直流電流對人體的效應(yīng)

由文獻［3］可知，人體對直流電流的感應(yīng)閾約為2 mA，但沒有確切的擺脫閾。對于縱向向下的直流電流路徑（雙腳為負極性），其安全系數(shù)近似于縱向向上的直流電流路徑（雙腳為正極性）的2倍。

國際電工委員會標準IEC／TS 60479?1?2005《電流對人類和家畜的影響.第1部分：一般特性》中規(guī)定，電流路徑為左手到雙腳的縱向向上的直流電流對人的效應(yīng)，如圖1所示。而關(guān)于圖1相應(yīng)的解釋如表1所示［3］。

表1 一手到雙腳的通路，直流電流的時間／電流區(qū)域（圖1區(qū)域的簡要說明）

1.2 直流電流安全閾值

由圖1和表1可知，c1曲線是左手到雙腳電流路徑縱向向上電流的時間／電流安全極限，約128 mA（圖1中c1曲線與10 000 ms橫軸交點的逼近計算結(jié)果約為128.3 mA，為該路徑的安全電流閾值。依據(jù)文獻［3］提供的數(shù)據(jù)，通過公式（1）計算分析可知，建筑物通常用電環(huán)境下，不同的電流路徑對應(yīng)的安全電流閾值如表2所示。

Ih＝Iref／F（1）式中，Ih表示其他路徑的人體電流，Iref表示路徑為左手到雙腳的人體電流，F(xiàn)表示心臟?電流系數(shù)。

由表2可知，對于建筑物通常用電環(huán)境中可能出現(xiàn)的大多數(shù)電流路徑，其對應(yīng)的安全電流閾值≥128 mA；而對于少數(shù)電流路徑（如胸膛到手），安全電流閾值低至約85 mA。

表2 建筑物通常用電環(huán)境下不同電流路徑的安全電流閾值

綜合圖1、表1～2可知，當(dāng)通過人體的電流長期超過表2所列相應(yīng)安全閾值時，可能會危及生命。如果可以將電擊電流控制在相應(yīng)安全閾值范圍內(nèi)，或?qū)㈦姄綦娏鞯臅r間／電流特性控制在允許區(qū)域內(nèi)（即c1曲線左側(cè)），則可以有效降低電擊風(fēng)險。對于前者，可以通過采用加強絕緣、安全特低電壓供電或局部等電位聯(lián)結(jié)等措施控制接觸電壓來達到限制電擊電流的目的；對于后者可以參考低壓交流配電系統(tǒng)的做法，引入直流電擊防護用RCD或利用回路上的瞬時脫扣裝置切斷故障電源。

2 直流電擊防護對RCD的動作要求

2.1 直流RCD的額定剩余動作電流值

由前文可知，通常用電環(huán)境下85 mA是最低的計算安全電流閾值，且由于直流電流沒有確切的擺脫閾值［3］，因此本文認為雖然≤85 mA的直流電擊電流可能對人體造成不適，但由于可以及時自行擺脫，且該不適癥狀對體弱人群造成其他附加危險的概率較低，故額定剩余動作電流值為85 mA的直流RCD用于建筑物通常用電環(huán)境的電擊防護是可行的。

交流系統(tǒng)末端配電回路通常選用額定剩余電流為30 mA的RCD（30 mA為交流工頻下左手到雙腳的安全電流閾值）作為附加電擊防護措施［4］，盡管目前尚無直流電器產(chǎn)品關(guān)于最大允許泄漏電流的標準，但在相同有效值的交、直流電壓下，對于同一設(shè)備而言直流泄漏電流可能更?。ń涣麟娖鳟a(chǎn)品的泄漏電流主要通過抑制共模干擾的Y電容和設(shè)備的絕緣介質(zhì)流入PE線，而直流配電的電磁兼容性更好［1］，對絕緣介質(zhì)的耐壓要求也更低［2］）。且根據(jù)額定剩余電流值為30 mA的無延時型交流RCD的使用情況，可以初步判斷采用額定剩余動作電流值為85 mA的直流RCD（對于電擊防護，直流85mA是比交流30 mA更保守的值）在與回路泄漏電流的匹配上是可行的。

2.2 直流RCD的最大分斷時間參考值

由文獻［5］可知，工頻交流下，RCD的額定剩余不動作電流為0.5IΔn，額定剩余動作電流為IΔn，當(dāng)電流值處于二者之間時，是否動作則不能確定［5］。于此，本文對于直流RCD的相關(guān)特性也作類似的假定。

對圖1中c1曲線上不同時間／電流值點進行采樣后的數(shù)據(jù)如表3所示。由于交流系統(tǒng)RCD的最短可靠動作時間為40 ms［5］，則表3中也考慮以40 ms作為采樣的極小值。將表3數(shù)據(jù)整合后可得到無延時型直流RCD對于剩余電流的最大分斷時間參考值，如表4所示。

表3 c1曲線對應(yīng)的時間／電流采樣值

表4 無延時型直流RCD對于剩余電流的最大分斷時間參考值

由此可知，對于電流路徑為左手到雙腳且≤380 mA或電流路徑為左手到胸膛且≤250 mA的直流電擊電流值來說，當(dāng)RCD滿足表4的分斷時間要求時，該RCD可提供有效的附加電擊保護。由于電流允許持續(xù)時間可能小于RCD的可靠分斷極小時間，因此對于更大的預(yù)估直流電擊電流應(yīng)考慮采用其他防護措施。

3 建筑物不同場所對應(yīng)的電擊防護措施

3.1 不同的接觸電壓對應(yīng)的人體電流值

由文獻［6］可知，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生對保護導(dǎo)體或?qū)Φ毓收蠒r，高于120 V的直流接觸電壓對人體是危險的；對所有人而言，正常干燥環(huán)境直流60 V被認為是可以直接接觸的電壓，水中環(huán)境直流30 V被認為是安全的（直流電壓中要求紋波電壓方均根值不超過直流分量的10%［6］）。

由于本文主要考慮非專業(yè)人員的用電電擊防護，因此僅以建筑物直流配電和電動汽車直流充電為分析對象。由文獻［2］可知，建筑物直流配電系統(tǒng)中，單極配電推薦電壓為DC230V。由文獻［7］可知，電動汽車的直流充電電壓范圍為DC150V～700V（紋波系數(shù)≤0.5%［8］）。

對于直流配電系統(tǒng)，當(dāng)基本保護失效或用電不慎時，人體可能直接接觸到相導(dǎo)體，接觸電壓約DC230V左右；當(dāng)設(shè)備發(fā)生接地故障時，人體可能接觸到帶電的設(shè)備外露可導(dǎo)電部分，此時的接觸電壓一般≤DC115 V［2］；對于直流充電樁，一般采取雙極供電，每一極對地電壓最高為DC350 V，當(dāng)設(shè)備發(fā)生接地故障時，人體可能接觸到帶電的設(shè)備外露可導(dǎo)電部分，此時的接觸電壓一般≤DC175 V。

由于文獻［3］中提供的電壓／人體電阻的采樣數(shù)據(jù)有限，因而考慮采用臨近（或上一級）電壓對應(yīng)的電阻數(shù)值作為近似分析。本文選擇在DC125 V、225 V、400 V時測得的人體電阻值（原文獻中50%級阻抗值被認為是可取的）作為DC115 V、230 V、350 V時的參考人體電阻，經(jīng)計算分析可知，不同電壓時人體的總阻抗值及通過人體的電流值如表5～10所示。

表5 電流路徑為左手到雙腳縱向向上時，干燥條件下的電壓／電流關(guān)系

表6 電流路徑為左手到雙腳縱向向下時，干燥條件下的電壓／電流關(guān)系

表7 電流路徑為左手到雙腳縱向向上時，水濕潤條件下的電壓／電流關(guān)系

表8 電流路徑為左手到雙腳縱向向下時，水濕潤條件下的電壓／電流關(guān)系

表9 電流路徑為胸膛到左手時，干燥條件下的電壓／電流關(guān)系

表10 電流路徑為胸膛到左手時，水濕潤條件下的電壓／電流關(guān)系

3.2 建筑物通常用電環(huán)境對應(yīng)的電擊防護措施

由表5～10可知，典型用電條件的保護措施如表11～12所示。

表11 電動汽車電擊防護措施（充電電壓最高為DC700V時）

由表11可知，對于充電電壓最高為DC700V的電動汽車電擊防護而言，由于正、負極電纜路徑相同，因此應(yīng)綜合兩種條件對應(yīng)的防護措施，在考慮電纜加強絕緣的同時設(shè)置RCD。另外，為防止PE線斷裂或插頭處接觸電阻變大，還應(yīng)在停車位附近設(shè)置車輛外殼臨時進行等電位聯(lián)結(jié)的端子。對于其他直流充電電壓，可以參考表11～12的相關(guān)結(jié)論。

表12 建筑物配電系統(tǒng)中電擊防護措施

由表12可知，建筑物直流配電在大多數(shù)情況下（安全電流閾值≥128mA的電流路徑）應(yīng)對手持式設(shè)備考慮設(shè)置RCD，對于固定式Ⅰ類設(shè)備，當(dāng)PE線連接可靠時，可以不設(shè)置其他附加防護措施。

對于如電梯井等狹窄場所（可能出現(xiàn)胸膛到手的電流路徑）應(yīng)考慮降低直接接觸極電壓的概率或降低接觸電壓的值，如采取加強絕緣、等電位聯(lián)結(jié)和設(shè)置RCD，或者采取安全特低電壓供電。對于類似衛(wèi)浴間等的潮濕、狹窄、封閉用電環(huán)境，由于電擊風(fēng)險較大、不利于救援，且用電設(shè)備功率相對較大，應(yīng)考慮同時采用加強絕緣、局部等電位聯(lián)結(jié)、設(shè)置RCD等措施。

4 結(jié)束語

本文對建筑物的常見直流用電場所做出了相應(yīng)的電擊防護方案，在直流RCD的參數(shù)選取中采取了比現(xiàn)有交流系統(tǒng)RCD更加保守的數(shù)值。另外，由于低壓直流系統(tǒng)、直流配電產(chǎn)品的各項標準尚未形成，部分數(shù)據(jù)僅基于已有文獻，且現(xiàn)行IEC標準中的原始數(shù)據(jù)有限。因此，本文的相關(guān)結(jié)論存在一定的局限性，僅作為直流配電電擊防護措施進一步研究的參考。

［1]雍靜，徐欣，曾禮強等.低壓直流供電系統(tǒng)研究綜述［J］.中國電機工程學(xué)報，2013，33（7）：42－52.

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［6]GB 16895.21－2011／IEC60364－4－41：2005.低壓電氣裝置第4－41部分：安全防護電擊防護［S］.北京：中國標準出版社，2012.

［7]GB 50966－2014電動汽車充電站設(shè)計規(guī)范［S］.北京：中國計劃出版社，2014.

［8]SZDB／Z 29.3—2011電動汽車充電系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范第3部分：非車載充電機［S］.2011.

Discussion on Electric Shock Protection of Low Voltage DC Power Distribution System in Buildings

Li Guangxi／Feng Tao

通過分析直流電流對人體的效應(yīng)，計算不同直流電流路徑對應(yīng)的安全電流閾值。提出了直流電擊防護用RCD的最大分斷時間參考值，同時對建筑物直流配電中不同的用電場所提出了相應(yīng)的電擊防護方案。

直流配電 電擊防護 剩余電流動作保護器 附加防護

The effect of the DC current through the human body is analyzed，and the safety current threshold value of different DC current path is calculated.The maximum breaking time reference value of RCD for DC electric shock protection is proposed.At the same time，the corresponding electric shock protection scheme is proposed for the different electric field in the DC power distribution of the building.

DC power distribution，electric shock protection，residual current operated protective device，additional protection