雷 鳴, 何 欽, 雷明海

(武漢市政工程設(shè)計研究院有限責(zé)任公司, 湖北 武漢 430023)

0 引 言

目前,與住宅相關(guān)的現(xiàn)行國家和地方標(biāo)準(zhǔn)、圖集多達270余本。住宅設(shè)計一直是工程設(shè)計領(lǐng)域的重頭戲,電氣設(shè)計人員將住宅家居配電設(shè)計做到盡善盡美,是需要思考和努力的方向[1-3]。本文結(jié)合設(shè)計經(jīng)驗,對家居配電設(shè)計的幾個關(guān)鍵問題進行剖析。

1 安全實用的設(shè)計思路

家用電器是人們?nèi)粘＞蛹疑畹谋匦杵?配電設(shè)計應(yīng)結(jié)合電器設(shè)備功能、位置、功率等因素綜合考慮后布置電源插座。

某戶型圖及其家居配電插座位置示意圖如圖1所示。部分常用家用電器插頭及插座配置如表1所示。

表1 部分常用家用電器插頭及插座配置

因此,家居配電設(shè)計應(yīng)充分考慮實用、安全、使用方便等因素,在滿足JGJ 242—2011《住宅建筑電氣設(shè)計規(guī)范》等要求的同時,還應(yīng)注意以下方面問題。

(1) 對于季節(jié)性使用的家用電器(如空調(diào))和周期性頻繁使用的家用電器(如電飯煲、電視機、電熱水器等),如果長期通過插座連接在電氣線路上,會產(chǎn)生少量的待機電能損耗,若使用時每天插拔插頭又比較麻煩。對于這類電器,可采用自帶開關(guān)的插座,就能安全、便捷地對電源進行開合控制,既能有效節(jié)約能源,又能安全使用家用電器,延長電器使用壽命。

(2) 考慮到現(xiàn)今居民防盜意識普遍較強,應(yīng)在進門處(圖1中插座A)和客餐廳吊頂適當(dāng)位置(圖1中插座J)布置插座,以方便為智能化貓眼和監(jiān)視器充電或就近提供電源。

(3) 通常家居多媒體箱內(nèi)設(shè)有光貓和路由器等弱電設(shè)備,應(yīng)在箱內(nèi)設(shè)置插座(圖1中插座B)。考慮到防盜需求,住宅內(nèi)無線局域網(wǎng)應(yīng)時刻在線。同理,冰箱因長期存放食物,也應(yīng)時刻保持通電狀態(tài)。因此,可考慮將電源插座1、B、J單獨設(shè)為同一回路,并時刻保持其斷路器處于合閘狀態(tài)。

圖1 某戶型圖及其家居配電插座位置示意圖

(4) 應(yīng)提前了解家用電器的電源線出口方向和位置,如智能馬桶蓋電源線出口均在右側(cè),因此在面對坐便器的左側(cè)墻上布置插座(圖1中插座10)是一種合理的選擇。

(5) 家用電器中固定設(shè)備多為具有金屬外殼(有一層絕緣)、有經(jīng)PE線接地手段的Ⅰ類設(shè)備,這類電器通常位置固定,有專用的電源插座,其他電器多為具有雙重絕緣、外形尺寸和功率都較小的Ⅱ類設(shè)備。這類設(shè)備通?？呻S意移動,其配置兩腳插頭,因此在客餐廳、臥室插座選擇上應(yīng)考慮多使用四孔插座(即一個插座面板能同時插兩個兩腳插頭),以提高插座使用率。

(6) 廚房內(nèi)用電設(shè)備較多且通常較為潮濕,若設(shè)單一配電回路,剩余電流動作保護器(RCD)可能因家用電器正常泄漏電流較大而誤動作,此時可適當(dāng)增加廚房配電回路數(shù)量,降低每一回路的泄漏電流值至額定剩余動作電流值以下,以防誤動[4-7]。

(7) 考慮到孩童天性頑皮,在家中爬梯登高者不在少數(shù),其活動高度不僅局限于1.8 m以下,建議全房插座均使用帶保護門的安全插座,掛式空調(diào)也應(yīng)使用RCD。

2 防電氣火災(zāi)

據(jù)統(tǒng)計,2019年全國共發(fā)生火災(zāi)23.3萬余起,城鄉(xiāng)居民住宅火災(zāi)占火災(zāi)總數(shù)的44.8%,而住宅火災(zāi)中因電氣原因引發(fā)的火災(zāi)占比高達52%。

2.1 短路

短路產(chǎn)生高溫引燃附近可燃物是引起電氣火災(zāi)的最主要原因之一。在日常生活中,造成住宅電氣線路發(fā)生短路的原因主要有以下方面。

(1) 機械損傷導(dǎo)致線芯外露造成短路。如果電氣線路未采用套管保護,受外力碰撞、擠壓時會導(dǎo)致絕緣層損傷、線芯外露,當(dāng)接觸不同電位導(dǎo)體時會發(fā)生短路。

(2) 電氣線路因過載等原因?qū)е陆^緣水平降低、絕緣被破壞而造成短路。過載引起短路并造成火災(zāi)的演變過程如圖2所示。通常,當(dāng)電氣線路通過正常負載電流時,線芯的工作溫度不超過其允許工作溫度(70 ℃),在此狀態(tài)下線路正常使用,使用壽命即為其正常壽命。如果線路過載,工作溫度會超過70 ℃,若長期處于此狀態(tài)下,則線路絕緣層會加速老化,絕緣水平會逐步降低,直至絕緣層被破壞從而造成短路。因此,過載是短路的先兆,而短路是引起電氣火災(zāi)的一個主要原因。

圖2 過載引起短路并造成火災(zāi)的演變過程

2.2 連接不良

導(dǎo)體之間連接分固定連接和活動連接。固定連接是電氣設(shè)備接線端子與線路、線路與線路之間的連接,屬于永久性連接;活動連接是開關(guān)電器觸頭之間、插頭與插座之間的連接,屬于臨時性連接。以上兩種連接都存在因連接不良產(chǎn)生電火花、高溫進而引發(fā)電氣火災(zāi)的可能性[8-10]。

2.3 電氣設(shè)備布置不合理

有些電氣設(shè)備(如金鹵燈等照明燈具)正常工作時會產(chǎn)生高溫,甚至冷光源燈具本身工作溫度不高,但其電氣附件如鎮(zhèn)流器等也產(chǎn)生高溫。此類設(shè)備布置位置不合理,離可燃物太近,即使正常使用時也能引燃可燃物而造成火災(zāi)。

因此,為有效防范電氣火災(zāi),在家居配電設(shè)計時應(yīng)注意以下方面[11-13]。

(1) 所有電氣線路應(yīng)穿管暗敷設(shè)在頂棚、墻體、地面等結(jié)構(gòu)體中,采取有效機械保護措施,防止線路受機械損傷。

(2) 插座布置應(yīng)考慮用電安全。在客廳、臥室每面墻上均布置2～3組插座,使每兩組插座之間距離小于3 m,避免使用插座接線板這類既無機械保護又容易過載的電氣設(shè)備。

(3) 明確導(dǎo)體的連接應(yīng)具有足夠的接觸面和接觸壓力。

(4) 嚴格按照GB 50016—2014(2018年版)《建筑設(shè)計防火規(guī)范》第10.2.4條執(zhí)行,當(dāng)開關(guān)、插座和照明燈具靠近可燃物時,應(yīng)采取隔熱、散熱等防火措施。同時,不將配電箱布置在進門處鞋柜之類家具內(nèi),也不在衣柜之類家具內(nèi)設(shè)置照明燈具。

3 人身用電安全

3.1 電流通過人體時的效應(yīng)

當(dāng)人體接觸不同電位的導(dǎo)電體時,即有電流流經(jīng)人體,隨著此電流大小和持續(xù)時間的不同,其在人體產(chǎn)生的效應(yīng)也不同。如在醫(yī)療行業(yè),極微量的電流通過人體能用于診斷和治療,但當(dāng)通過人體的電流超過一定的閾值,則會帶來可怕的后果。家居生活主要使用交流電源,人體遭受電擊時電流的常見路徑為手到雙腳,而電擊引起的致命事故的主要原因是引起心室纖維性顫動?？紤]到心臟位于人體左側(cè),因此以電流路徑為左手到雙腳的交流電流(15～100 Hz)對人體效應(yīng)的時間-電流關(guān)系來加以說明。

電流路徑為左手到雙腳的交流電流(15～100 Hz)對人體效應(yīng)的時間-電流關(guān)系如圖3所示。

圖3 電流路徑為左手到雙腳的交流電流(15～100 Hz)對人體效應(yīng)的時間-電流關(guān)系

對時間-電流關(guān)系圖的簡要說明如表2所示。

表2 對時間-電流關(guān)系圖的簡要說明

圖3中,直線a與橫坐標(biāo)交叉點0.5 mA即為反應(yīng)閾值,定義為能引起肌肉不自覺收縮的接觸電流的最小值,該值與電流通過人體的持續(xù)時間無關(guān);折線b不受持續(xù)時間限制與橫坐標(biāo)交叉點為5 mA,IEC將此電流值確定為適用于所有人的擺脫閾值,即人體手握帶電導(dǎo)體能自行擺脫時接觸電流最大值,即接觸電流超過此值,則受電流影響人體不能自主地活動,出現(xiàn)活動抑制這一電流效應(yīng)。

由圖3和表3可以看出,如果通過人體的電流和持續(xù)時間出現(xiàn)在AC-4區(qū)域,則人體就有受到電損傷甚至死亡的危險,但曲線c是在實驗室規(guī)定的條件下得到的,實際生活中應(yīng)為外界條件變化留有余量。因此,將曲線c1左側(cè)一段距離不受時間限制與橫坐標(biāo)交叉點為30 mA(虛線)定義為RCD的額定剩余動作電流值,只要通過人體的電流小于30 mA,人體就不至于因發(fā)生心室纖維性顫動而致死。

值得注意的是,在任何潮濕環(huán)境下引發(fā)心室纖維性顫動的接觸電流值均為30 mA,因此浴室等特別潮濕環(huán)境下配電回路選用的RCD額定剩余動作電流值IΔn仍為30 mA,若IΔn選用10 mA,則會導(dǎo)致斷路器頻繁跳閘和不必要的投資浪費。

3.2 等電位聯(lián)結(jié)的作用

GB 50368—2005《住宅建筑規(guī)范》第8.5.7條規(guī)定,住宅配電系統(tǒng)的接地方式應(yīng)可靠,并應(yīng)進行總等電位聯(lián)結(jié);JGJ 242—2011《住宅建筑電氣設(shè)計規(guī)范》第10.2.1條規(guī)定,住宅建筑應(yīng)做總等電位聯(lián)結(jié),裝有淋浴或浴盆的衛(wèi)生間應(yīng)做局部等電位聯(lián)結(jié);GB 50096—2011《住宅設(shè)計規(guī)范》第8.7.2條第5款規(guī)定,設(shè)有洗浴設(shè)備的衛(wèi)生間應(yīng)做局部等電位聯(lián)結(jié)。本文以TN-C-S系統(tǒng)為例,將故障狀態(tài)下設(shè)置重復(fù)接地、總等電位聯(lián)結(jié)、局部等電位聯(lián)結(jié)等不同情形對應(yīng)的等效電路圖繪制出來加以說明。TN-C-S系統(tǒng)在接地故障狀態(tài)下不同情形的接觸電壓如圖4所示。圖4中,ZL、ZPE、ZPEN分別為相線、PE線、PEN線阻抗(阻值為毫歐級),Zt為人體總阻抗(為人體內(nèi)阻抗與皮膚阻抗的矢量和,根據(jù)人體所處環(huán)境、接觸電壓、接觸表面積、電流路徑不同,阻值范圍從千歐至萬歐甚至十萬歐不等),Rs為鞋襪和地板電阻(阻值為百歐級),RA為重復(fù)接地電阻(阻值設(shè)為10 Ω),RB為變電所接地電阻(阻值設(shè)為4 Ω)。

圖4 TN-C-S系統(tǒng)在接地故障狀態(tài)下不同情形的接觸電壓

(1) 由圖4知,TN-C-S系統(tǒng)在電源進線配電箱處PEN線分PE線和N線,當(dāng)發(fā)生接地故障時,故障電流Id將流經(jīng)電器外殼后返回電源點,若未設(shè)置重復(fù)接地,考慮(Zt+Rs+RB)?(ZPE+ZPEN),(Zt+Rs+RB)對(ZPE+ZPEN)的分流作用忽略不計,根據(jù)歐姆定律Id=U0/(ZL+ZPE+ZPEN),此時人體預(yù)期接觸電壓Ut=Id(ZPE+ZPEN)。

(2) 若設(shè)置重復(fù)接地,如圖4(b)中虛線所示,RA與RB串聯(lián)后再與ZPEN并聯(lián),RA上電壓即為ZPEN上電壓的分量,即IdZPENRA/(RA+RB),則人體預(yù)期接觸電壓Ut1=IdZPE+IdZPENRA/(RA+RB),Ut1

(3) 若設(shè)置總等電位聯(lián)結(jié),加在PEN上的電壓已在總等電位聯(lián)結(jié)范圍以外,人體預(yù)期接觸電壓值與其無關(guān),此時人體預(yù)期接觸電壓即為加在PE線(a-b)上的電壓,即Ut2=IdZPE(a-b),Ut2

(4) 若設(shè)置局部等電位聯(lián)結(jié),加在PEN上電壓在總等電位聯(lián)結(jié)范圍以外且加在PE線(c-b)上的電壓也在局部等電位聯(lián)結(jié)范圍以外,此時人體預(yù)期接觸電壓僅為加在PE線上(a-c)的電壓,即Ut3=IdZPE(a-c),Ut3

由分析得出,Ut3

3.3 局部等電位聯(lián)結(jié)的現(xiàn)狀

通過上述分析,了解到使用家用電器所面臨的危險及其原因,尤其是在浴室內(nèi)使用電熱水器時若發(fā)生接地故障甚至?xí)猩ｋU。然而眾多住宅項目中得到的反饋是:21世紀初期,國家政策法規(guī)及監(jiān)管不完善,施工單位鉆空子,認為局部等電位聯(lián)結(jié)是無用之物,在工程施工階段即將圖紙上設(shè)計的局部等電位聯(lián)結(jié)端子板取消,有的雖經(jīng)后期整改加以補充,但實際效果大打折扣。近年來,在國家政策法規(guī)、監(jiān)管到位的情況下,工程驗收毛坯房交付時,局部等電位聯(lián)結(jié)端子板及接地電阻測試都能到位,但99%住戶在裝飾施工時將其廢棄掉,殊不知一旦發(fā)生電擊事故,將帶來嚴重后果。

3.4 浴室局部等電位聯(lián)結(jié)的做法

IEC標(biāo)準(zhǔn)定義聯(lián)結(jié)是“為實現(xiàn)電位相等而進行的連接”,即采用導(dǎo)線將多個可導(dǎo)電部分互相連通起來,使其電位相等或接近。聯(lián)結(jié)也是一種連接,但其作用是傳遞電位,因此局部等電位聯(lián)結(jié)線(LEB線)的截面選擇比供電電纜線芯中的PE線要小得多。另外,LEB線與可導(dǎo)電部分的聯(lián)結(jié)方式也多種多樣,如卡子、抱箍、壓接、焊接、熔接、螺栓連接等。根據(jù)國標(biāo)圖集15D502,浴室局部等電位聯(lián)結(jié)做法如圖5所示。局部等電位聯(lián)結(jié)做法的具體應(yīng)用如圖6所示。

圖5 浴室局部等電位聯(lián)結(jié)做法

圖6 局部等電位聯(lián)結(jié)做法的具體應(yīng)用

圖5中,從局部等電位聯(lián)結(jié)端子板至洗臉盆、淋浴器、電源插座等的聯(lián)結(jié)線以一管一線、放射式方式敷設(shè),電源插座PE線與LEB線通過插座PE端子聯(lián)結(jié),LEB線另一端與局部等電位端子聯(lián)結(jié)。由此可見,只需少量的管材、導(dǎo)線和簡單的施工工藝,就可完成局部等電位聯(lián)結(jié)。

4 結(jié) 語

探討了住宅家居配電設(shè)計的關(guān)鍵問題,介紹了安全實用的設(shè)計思路,分析了防電氣火災(zāi)和人身用電安全方面的相關(guān)建議,可為電氣設(shè)計人員提供參考。