浅析 TN-S 系统电缆和母线槽干线的 PE接地线——标准和规范应遵从 PE 线工程应用的有效性 祖清 雷清华 中华人民共和国拱北海关基建办 珠海光乐电力母线槽有限公司 摘 要： 随着改革开放, 我国经济得到飞速发展, 现代化建设规模越来越大建筑电气是建筑工程中不可缺少的配套设施, 而低压电气干线中, PE 保护接地对于整个系统的安全可靠性至关重要本文主要结合典型案例, 探讨 TN-S 系统中 PE 接地线设计和安装的相关技术要点关键词： PE 接地线; 用途和敷设方法; 标准和规范; 1 前言在建筑工程低压交流供配电系统中, PE 接地线一直都是最重要的电气安全技术参数, 它甚至直接涉及人们生命财产安全目前相关的标准和规范只有配置的截面大小要求, 却没有明确制作安装工艺和敷设的规定部分设计人员、施工人员, 及质量监管人员对 PE 线不甚了解, 且对其实质用途理解和敷设方法都极其不符合科学性和客观性, 从而给工程建筑埋下了安全隐患如果我们对 PE 接地线有真正深入的研究, 相关标准和规范有明确的敷设和施工作业的正确引导, 以及科学合理地设计和施工, 才会提高安全性能, 同时也会降低工程造价。
在电缆供电方案中, 应选用桥架内最大回路的 PE 线, 使裸导体与每节桥架有稳定的连接 (裸导体指的是必须满足相关标准规范里对 PE 线截面大小和材质要求的导电体) 同样, 在母线槽供电方案中, 除了要求每节母线槽本体外壳应与PE 线连接且符合相关的规范外, 还应于标准规范中详细阐述 PE 线的用途和敷设方法, 以确保当母线槽外壳带事故电流时不危及人身的安全2 案例分析在电气专业领域, 众所周知, PE 线的必要意义在于, 它是确保供电系统安全的“生命保护线”但是, 在众多的工程项目中, 情况往往是这样:敷设了 PE 线, 而且选择的接地装置 (接地线和接地体) 也足够大, 甚至远远高于标准和规范要求的截面大小, 但是实际上却无法实现保护接地的有效性和可靠性例 1:在上海某工程建筑中, 工作人员在维修时, 手触及桥架外壳而导致被电击死亡, 经相关分析, 该供电系统方案设计是没有问题的, TN-S 系统供电制 (三相五线制电缆供电) , 在安装敷设电缆和桥架 (电缆槽盒) 时, 桥架外壳也有与 PE 接地线连接 (跨接) 现在的工程建设电气系统中, 这种设计方案很常见, 也符合相关的规范。
那为什么会导致触电致死呢?是否存在其他意外原因?笔者曾对这类事故做过详细的研究, 发现还是存在设计与安装的问题在建筑工程 TN-S 供电系统中, 常采用五芯电缆供电干线系统五芯电缆已包括PE 线, 每条电缆都有独立的绝缘层, 相与相、相对零 (N 线) , 以及 PE 线与桥架外壳之间都有绝缘隔离在一条桥架槽盒内敷设了多路电缆, 沿着桥架外壳外侧边上同时敷设了一条接地排, 这条接地排一般来说, 项目上常采用 4×40扁铁电缆桥架每隔几段处与接地排 (扁铁 4×40) 连接 (也称“跨接”) , 另外, 桥架的段与段之间用导线 (16mm 或 25mm) 跨接这种方案在 20 年前的实际用电运行中应该基本上没有问题, 因为当时工程建筑总用电负荷都很小接地排采用 4×40 扁铁, 以及桥架段间跨接导线 (16mm 或 25mm) 还是可以满足外壳上事故电流的疏散假设回路相线线径 35 mm, 按计算跨接导线 16 mm, 当线路发生对外壳短路时, 上级断路器可能会跳闸而今, 大部分工程配电线路的回路相线线径都大于 35mm, 接地线大小和材质 (大小和材质关系到接地线容量) 如果无法得到保证, 则事故电流难以疏散。
TN-S 制供配电干线电缆设计方案中, 其 PE 线常常是一根或多根带绝缘护套的电缆, 致使桥架外壳事故电流不能从这条 PE 线上疏散因此, 上级断路器不跳闸, 从而会产生桥架外壳对地的电位差, 即:在桥架外壳上产生高电压而危及人身的安全例 2:某个配电房工程, 采用了三相五线制的母线槽作为电气配电干线后来运行中, 母线槽发生短路事故, 爆炸威力很大, 事故现场的就近侧墙体被冲了一个窟窿事故检查分析中发现:母线槽结构是五芯导体, 即 3L+N+PE (N=L, PE=50%L) , 母线槽外壳也有接地装置但, 为何会发生这样严重的短路事故?经相关专家分析, 该母线槽五芯铜排, 采用包扎绝缘薄的独立铜排作为 PE 线, 生产厂家缺少专业知识和运行经验, 使得 PE 线 (独立铜排) 未起到保护接地的作用, 从而造成重大的事故在上述例 2 的工程案例中, 三相五线 (3L+N+PE) 制式母线槽, 且采用独立铜排作为 PE 线, 但问题是:PE 线与外壳没有可靠连接, 当相线绝缘破损时, 事故电流无法从 PE 线疏散, 上级断路器不动作, 当相与外壳短路打火烧坏相间绝缘, 那时, 有人触及母线槽外壳则危及人身安全。
在供配电线路的主干线中, PE 线的敷设和安装工艺直接会影响到 PE 线的有效性在整个供电系统中, PE 线是确保事故电流快速疏散以确保母线槽及电缆桥架 (槽盒) 外壳的事故电压不危及到人身安全而实现 PE 接地保护的作用, 因此也被称为“PE 保护线”保护电缆及母线槽的上级断路器需要当达到上级断路器 8~10 倍以上的事故电流时才能实现瞬间跳闸动作, 因此, 需要满足相线一定比例的截面积 (等效容量) 时, PE 线才能实现使事故电流快速疏散至接地网, 且带动上级保护断路器快速动作切断电源;同时也确保母线槽及电缆桥架的外壳事故电压不危及人身安全因此对 PE 线的设计规范和相关标准应全面考虑到必须确保母线槽及电缆桥架 (槽盒) 的外壳事故电流从 PE 接地线上疏散, 单靠外壳接地线 (指外壳跨接到 4×40 扁铁) 是根本无法确保外壳过高的事故电压不危及人身安全的保障3 结论在建筑电气系统, 对电缆的相关设计和施工验收规范中, 关于 PE 接地干线的描述 (或解释) 不详细, 这也造成人们对 PE 线的实际作用和意义理解不清楚, 人们往往认为只有设计一条符合标准截面积的 PE 线, 才能起到安全作用, 但却不知道如何确保事故电流能从 PE 线上疏散, 不知道如何做一条能够真正实现保护作用的 PE 接地线, 这恰恰是工程实际应用中最关键的技术问题。
笔者建议在相关设计规范和施工验收规范中, 对 PE 接地干线作出详细的要求依笔者之见, 就电缆和母线槽两种系统方案的 PE 线提出如下建议:(1) 电缆干线供配电方案中, 应该参照该桥架 (槽盒) 内最大回路相线载流来取值 PE 线的截面积 (等效容量) , 采用裸导体敷设在桥架内或者桥架侧边, 每节 (段) 桥架与该 PE 线还应有稳定连接 (跨接) , 每 30m 之内再做个等电位连接, 等电位连接的截面 (等效容量) 也应不小于 PE 线如此, 既确保事故电流的疏散, 又桥架内可选用敷设四芯电缆, 这样还可以节约造价;同时, 提高了整个系统回路的安全性能2) 母线槽干线供配电方案中, 生产厂家如果技术成熟则可以采用母线槽外壳兼作 PE 线的工艺技术;如果采用独立铜排作母线槽的 PE 线, 则每个母线槽单元 (每段母线槽或每节弯头等) 相邻的外壳与外壳应要有安全稳定的过渡连接, 且每 30m 之内, 再做一个等电位与母线槽外壳连接, 等电位的连接导体截面 (等效容量) 不小于 PE 线这样, 才能确保事故电流不积聚于母线槽和电缆桥架 (槽盒) 的金属外壳上, 才能使金属外壳的事故电流快速流入接地网, 使母线槽及桥架 (槽盒) 金属外壳的事故电压不再危及人身安全而起到有效的保护作用。