设备机房内局部等电位接地设置探讨

摘要：介绍了TN系统中的间接防护措施，以某工程项目为例，
通过详细计算复核了TN系统中的间接防护措施是否到位，为今后设备
机房的等电位接地施工提供了良好借鉴。

关键词：TN系统：间接防护：局部等电位联结
0 引言
随着建筑机电系统越来越复杂，设备机房也越来越多。

为了满足人
们对建筑电气系统运行安全方面的需求，保证机房内设备的正常运行，需要确保相关工作人员的操作安全、正确。

通常当人触及电气设备的带
电部分，称为直接接触；电气设备的外露导电部分出现故障时会带电，当人接触这种带电的金属部分，称为间接接触。

直接接触和间接接触所
造成的电击称为直接电击和间接电击。

防止直接电击的措施包括：将带
电体进行绝缘处理；用阻挡物防护；将带电体置于人可触摸范围以外。

以TN系统为例，间接防护必须满足3个条件：
（1）接地；
（2）TN系统符合安全关系式ZSIa≤Uo及电缆保护长度的校核要求；
（3）等电位联结（接触电压＞50V）。

当电气系统不符合以上间接防护的3点要求时，需要设置等电位接地，而以往项目的很多机房没有
做等电位接地。

等电位联结是指将配电箱接地母排、电气设备的外露可导电部分、装置外导电部分用金属导体适当联结起来，可防止高电位引入室内，若
发生单相接地故障，虽然整个联结体有电位产生，但人所能接触到的两
个导体之间基本是等电位，或电位差很小，这就避免或减小了电击的风险。

也就是说，等电位联结就是在带电场所内，将所有可能引起电击的金属外露部分都尽可能通过电气连通来均衡电位，靠降低接触电压来减少电击风险。

下面将详细介绍设备机房在什么情况下需要设置局部等电位接地。

1 TN系统中的间接防护措施
《工业与民用建筑设计手册》中关于间接防护有以下规定：
（1）TN系统中电气装置的所有外露可导电部分，应通过保护导体与电源系统的接地连接。

（2）当建筑物内发生接地故障时，TN系统的保护电器以及回路的阻抗应能满足在规定时间内自动切断电源的要求，可以用下式表示：ZSIa≤Uo
式中，Uo为相导体对地电压，220V；Ia为能保证保护电器在规定时间内自动切断电源的电流（A）；ZS为故障回路阻抗，它包括电源（变压器或发电机）、相导体、PEN或PE导体的阻抗（Ω）。

TN系统的故障保护可以采用过电流保护器和剩余电流装置（RCD）。

（3）当TN系统相导体与无等电位联结作用的地之间发生接地故障时，使保护导体和与之连接的外露可导电部分的对地电压不超过50 V。

（4）当不符合上述要求时，应补充其他有效的间接接触保护措施或采用局部TT系统。

因此，我们如果想要确定间接防护是否需要做等电位联结，也需要
完成3个工作：
（1）先确保电气装置的所有外露可导电部分都通过保护导体与电源系统的接地连接。

（2）校核TN系统中配电线路的间接接触防护电器的动作特性是否满足ZSIa≤Uo条件。

（3）计算人体接触故障电压，如果大于50V（潮湿场所25V），则需要设置局部等电位接地。

2 项目实例
某办公楼项目，包括一栋超高层建筑及裙房，主楼地上有56层，建筑高度为280m，主要功能为办公；裙房地上为5层，主要功能为展览、办公和商业。

其中B1F、15F、25F、36F、47F均为设备层，本项目很多空调机房未设置局部等电位接地。

下面我们以B1F变电所至11F～14F 空调机房的配电回路为例，复核其间接防护措施。

此配电回路图纸如图1所示（配电间已设置接地端子板）。

原设计图纸已确保电气装置的所有外露可导电部分都通过保护导体与电源系统的接地连接。

校核TN系统中配电线路的间接接触防护电器的动作特性：
TN系统中，在图2所示的机房配电示意图中，M为电气设备，其外露导电部分用PE线同接地干线相连。

当发生单相接地故障时，故障电流Id与人体承受的接触电压Uc为：
Id=Uo/Z
Uc=IdZpe
式中，Uo为相对地标称电压，220V；Z为电源变压器、相线或PE 线阻抗；Uc为发生接地故障时电气设备外露导电部分与大地间的电压。

如图1所示，计算14F空调机房的故障电流，变压器型号为1600kVA SCB11，变压器的相保电阻R0=0.69mΩ，相保电抗值X0=5.96mΩ；高压侧相保电阻R0′=0.05mΩ，相保电抗值X0′=0.53mΩ，从变压器低压开关给11F～14F空调箱供电的干线电缆采用JCFD-WDZA-YJY-4×150+PE70型电缆160m，通过查询《工业与民用配电设计手册》第3版表4-25可得，150型号电缆相保电阻值R1=0.351mΩ/m，相保电抗值为X1=0.161mΩ/m；然后预分支给空调配电箱，每层预分支电缆规格为JCFD-WDZA-YJY-4×35+PE16，5m，单位电阻值R2=1.503mΩ/m，单位电抗值X2=0.191mΩ/m；然后从空调配电箱至变频控制箱的VDS电缆规格为WDZA-YJY-4×10+PE10，45m，单位电阻值R3=5.262mΩ/m，单位电抗值X3=0.188mΩ/m；最后从变频箱至风机的电缆规格为WDZA-YJY-3×10+PE10，5m，单位电阻值R4=6.932mΩ/m，单位电抗值X4=0.188mΩ/m。

R=R0′+R0+R1+R2+R3+R4
X=X0′+X0+X1+X2+X3+X4
相保总阻抗Zs=√（X²+R²）=380.68mΩ=0.38Ω，详细计算见表
1所示的故障电流及故障电压计算表。

单相故障电流Id=U0/Zs=0.58 kA。

校核TN系统中配电线路的间接接触防护电器的动作特性是否满足ZSIa≤Uo：表1中计算所得Zs=0.38Ω。

原设计选择断路器型号为MCCB-S 160 A TM R40/3P，In=32A（ABB产品），可查断路器特性曲线其瞬动电流为额定电流的10倍，即Ia=320A，则ZSIa=0.38×320=121.6 V≤220V，符合安全关系式要求。

计算人体接触故障电压，如果大于50V（潮湿场所25V），则需要设置局部等电位联结。

人体承受的接触电压Uc应为强电间空调电源箱至机房设备的接地线上产生的电压，为图1所示Z1-14APAC配电箱至变频控制箱之间的接地线以及从变频箱至风机的接地线上产生的电压。

Uc=IdZPE
前面已经得出Id=0.58kA。

Z3=√（X3′²+R3′²）
Z4=√（X4′²+R4′²）
式中，X3′、X4′为PE线上的电抗值（工作温度80℃）；R3′、R4′为PE线上的电阻值（工作温度80℃）。

经过查阅电缆样本资料及《工业与民用设计手册》第3版9.4.1.2电抗计算方法：
（1）计算80℃工作状态下导线的交流电阻，按下式计算：
Rj=KjfKijRθ
式中，Rj为导体温度为θ℃时实际交流电阻值（Ω）；Rθ为导体
温度为θ℃时ZZ直流电阻值（Ω）；Kjf为集肤效应系数（当频率为50Hz，截面积不超过240mm²时，取1）；Kij为邻近效应系数，取1。

（2）计算电抗，当f=50Hz时，按下式计算：
X′=0.1445lg Dj/Dz
式中，X′为线路每相单位长度电抗（Ω/km）；Dj为几何距离（cm）；穿管电线及圆形线芯的电缆为几何距离d+2δ，其中d为电缆主线芯直径（cm），δ为电缆主线芯的绝缘厚度（cm）；Dz为线芯自几何均距或等效半径（cm），对于圆形的截面电缆Dz取0.389d。

通过计算得出：
线路L3规格为WDZA-YJY-4×10+PE10，45m，PE线Z3=91.66mΩ；
线路L4规格为WDZA-YJY-3×10+PE10，10m，PE线Z4=20.37mΩ；
得出Uc=IdZPE=Id（Z3+Z4）=0.58×（91.66+20.37）≈64.98V＞50V 因此，14F空调机房需要做等电位接地。

本文用以上方法去复核11F、12F、13F的空调机房，发现均需要做等电位接地。

因此，我们向设计院和业主提出了增加等电位接地的要求，并得到了他们的认可。

以上方法也可以用于复核其他机房的间接防护措施，经计算，有些机房计算出来不需要增加等电位接地。

3 结语
建筑电气系统中设置等电位联结是为了减少故障电压而采用的方法，用导体将机房内部的各种电气设备及设备裸露导体连接，使保护范围内的电位基本处于均衡状态。

在项目建设中安全是第一位的，在实际施工中复核间接防护是否到位尤为必要，能够确保系统用电安全，保证设备的正常工作和安全使用。