淹水路段安全电压的探讨

摘要：按国家标准推算淹水路段的跨步安全电压，和道路上灯杆安全电压。能按规范在5秒内切断末端故障的TN-C系统，灯杆电压不会超过5伏。讨论了淹水路算几种电机防护的效果，提出了实施意见。灯杆等与PE线的有效连接是电击防护的关键。

关键词  淹水路段  事故隐患  安全电压  保护措施

淹水是一种自然灾害，每年都可能发生，且淹水路段照样有车辆和行人，了解它的安全电压，有助于淹水地段灯杆等的电击防护。

一、 国标的相关规定

1、国标规定的安全电压

表1  稳态电压限值

表1是GB/T 3805-2008《特低电压限值》（以下简称“国标1”）的表，列出了稳态电压限值，城市照明设施雨天潮湿环境属环境状况2，而淹水地段属环境状况1。按该标准说明，双故障的电压限值不能用到路灯线路上。下面按电流对人生理效应的国家标准GB/T 13870.1-2008（IEC/TS 6479-1:2005）《电流对人和家畜的效应第1部分：通用部分》（以下简称“国标2）推算安全电压。

2、国标规定了电流对人的生理效应

（1）安全电流I_安=5mA。

“国标2”中图20（见本文图a）有AC-2区，表11说明了AC-2区的生理效应是：可能有感知和不自主地肌肉收缩，但通常没有有害的电生理学效应。这说明AC-2区是安全区。图a还表明，5mA电流在AC-2区。所以取安全电流为I_安=5mA。

图a  电流路径为左手刀双脚的交流电流（15Hz-100Hz）对人效应的

约定的时间/电流区域（说明见表1）

（2）心脏电流系数

两脚间的心脏电流系数F=0.04

“国标2”中表12说明从左脚到右脚的电流对心脏的影响只有手到脚电流影响的4%。但由于双脚浸在水中，电击后无处迥避，时间一长，很可能产生后续的倒地结果，就会急速增加心脏电流系数，所以在不切断电源的情况下，不能用此0.04的心脏系数。安全电流只能取为I_安=5mA。

（3）人体电阻

1）体内总电阻500Ω，见说明1。

2）推算淹水时的双脚电阻R_脚。见说明2。

① 浅淹水的双脚电阻R_脚浅=440Ω。

② 淹水到膝关节的双脚电阻R_脚膝=200Ω。

3）推算淹水时的手脚电阻R_手脚=530Ω，见说明3.

二、推算淹水时的安全电压

1、跨步安全电压U_安跨浅=2.2V，U_安跨膝=1.0V，见说明4。

浅淹水跨步安全电压U_安跨线是安全电流I安与两脚间水下电阻R_脚浅的乘积，即：淹水不超过膝关节时的跨步安全电压U_安跨膝为：

U_安跨浅=I_安×R_脚浅=5×202=2200mV=2.2V。

    淹水不超过膝关节时的跨步安全电压U_安跨膝为:

            U _安跨膝= I _安R_脚膝=5×202=1010mV=1.0V。

    2、灯杆安全电压，见说明5。

    手碰触灯杆的安全电压，是U_安杆手脚=5.3V。

    深度小于0.12米的浅淹水安全电压，是U_安杆浅=5.0V。

    淹水深度超过0.12米，小于0.5米时的安全电压，是U_安杆膝=2.3V。

    3、安全电压是相对的，只适用于绝大多数人。见说明2.3。

三、几种电击防护的效果

    1、剩余电流保护器  见说明6。

    选剩余电流保护器，可以确保电击防护。维修人员还要适应所增加的工作量。

    2、TN-S系统   见说明7。

    TN-S系统可以确保电击防护，并维持淹水时的照明。正常时不论淹水与否都是安全的。

考虑到淹水时的条件较差，最好增加二项防护措施。

    一是在淹水地段的线路中点，串入额定电流比始端小一半的熔丝(或断路器)，以快

速切断接地故障。

    二是杆根熔丝(或断路器)位置要高于淹水时的水面，例如杆顶。

    3、TN-C系统   见说明8。

    用PEN线保护的灯杆等，在正常时有电压，但按5秒内切断末端接地故障的线路，不

会超过6伏。在淹水地段除与TN-S那样增加二项措施外，还应按实际情况进行处理。

    (1) 属下列情况之一的地段，符合国标对安全电压的规定

    ① 不淹水地段，如高架桥等，是安全区。

    ② 淹水地段实测末端灯杆对地电压小于2.3伏，是安全区。断路器宜改为三相联动。

防止出现二相配电。

    ③ 实测末端灯杆对地电压小于4.6伏，但淹水地段在线路中点到电源之间，是安全区。断路器宜改为三相联动，防止出现二相配电。

    ④ 安全距离大于0.6米。淹水地段的行人，不能跨入距灯杆中心0.6米以内的地段，

例如灯杆有灌木围绕时，是安全区。
    
    (2) 有下列情况的，宜改为TN-S系统

    ① 淹水深度超过了膝关节，即大于0.5米。

    ② 淹水深度不超过了膝关节。但淹水地段在线路中点到末端之间，且末端实测灯杆电

压大于2.3伏，宜改装为TN-S系统。

4、联网TT系统   见说明9

    (1) 不淹水地段，如高架桥等，是安全区。

    (2) 淹水地区在正常情况也是安全的，考虑故障情况，需符合二个要求:

    1) PE线的联网接地电阻要降到0.6欧以下，靠杆根熔断器断开故障。

    2) 杆根熔断器到主电缆之间要采取双重绝缘等且类保护措施。

    5、确保灯杆与PE (PEN)线的有效连接是电击防护的关键
    前面的分析都有个前提，就是灯杆等与PE(或PEN)线的连接可靠和有效，如果连接有尽管灯杆内灌了水，又变成了高电位，灯杆以外的电压也将低于PE(或PEN)线的电压。如果接失效，灯杆及灯杆以外的电压，将不受限制，不论是TN-C还是TN-S系统，都立即成为电击的隐患。08年出现的电击事故，最关键的问题，就是PEN线与灯杆的联接失效。

四、操作步骤

    1、查出全市有那些地方曾经淹过水?

    2、查明淹水地段是否在线路的后半段?

    3、测量淹水地段的末端电压是否超过2.3伏?

    4、淹水地段的末端电压低于2.3伏的地段，断路器最好改为三相联动，避免出现二相配电。

    5、淹水地段的末端电压高于2.3伏的地段，最好改造为TN-S系统。

    淹水路段安全电压探讨的说明

说明1：人体体内总电阻500Ω

    根据国家标准GI3/T 13870.1-2008(TEC/TS 60479-1:2005)《电流对人和家畜的效应第1部分:通用部分》(以下简称“国标2")第4.6条的叙述，人体初始电值可取为500Ω，这个初始电阻几乎与接触表面积和皮肤状况无关。

    这一条说明了初始电阻接近于人体的总电阻。体内各部分的电阻占此总电阻的百分数。在“国标2”的图2(见本文图b)中有明确的数据。
    

说明2：水下双脚电阻R_脚浅=444Ω。 R_脚膝=202Ω。

    （1）查“国标2”的图2(见本文图b)

    双脚浸入水中没有皮肤电阻，设淹水深度达到小腿的四分之一(少于0.12米)，膝关节以下的32.3%还留下75%的电阻，再加上14.1%和6.1%见本文图b)腰部以上不是通道，需要加上另一条腿的电阻，即取(32.3×75%+14.1+6.1)%的二倍，所以双脚浸入水中的人体电阻R_脚浅为:

    R_脚浅=500×(32.3×75%+14.1+6.1)%×2二500×44.4%×2=444Ω。

    如淹水到达膝关节(少于0.5米)，则无32.3%部分，两脚间电阻R_脚膝为:

    R_脚浅=500×(14.1+6.1)%×2=500×20.2%×2=202Ω。

    （2）实测数据

实测双脚间电阻的方法见图c，220伏交流电压经变压器降为6伏后，一端经过4个

串联的1kΩ电阻(数量可调)接到一个塑料水桶中的铁板上，另一端接到另一塑料水桶中的铁板上，当人的两条腿踏在两个水桶(水位超过半个小腿)中的铁板上时，电流I_脚就从lK电阻上通过，图中的电压表V1测出lkΩ上的电压表读数U1(伏)，就是电流I_脚的毫安数，电压表V2上读出的电压U2(伏)除以I_脚(毫安数)就是两脚的水下电阻(kΩ)。对14个人的测试结果见表1，按此结果，最小的电阻是680Ω。

    （3）测试情况和取值的相对性

    根据测试的结果，以及“国标2”的表1到表9所列的数值，可以看出电阻的大小因

人而异，所取的电阻值对于5%, 50%和95%的人来说，相差都将近一倍。取“国标2"的表

中的最小电阻值，算出来的安全电压，只对95%的人是安全的，还有5%的人因电阻值还要

低，就可能是不安全的。就是说，安全电压的取值是对绝大多数人而言，并不是100%的人

都适用，换句话说，就是安全电压不是绝对的，而是相对的。

    测试的14人中，有2人缺少串联1kΩ时的记录，是因为电流稍大了点，他们不愿承受通过的电流，脚不敢伸入水中的缘故。因只测试了14个人，太少，取值应小于实测的最小值，即根据“国标2”的数值计算，取R_脚浅=440Ω，R_脚膝=200Ω。

表1                          双脚水下电阻测试表

说明3：淹水时的手脚电阻R_手脚=530Ω

    （1） 体内电阻R_内

    按图b进行计算，双脚浸入水中，不计膝关节以下电阻，双脚到腰是二

个电阻的并联，即500Ω×(14.1+6.1)%÷2=500×10.1%=50Ω。

    腰到手的电阻是:500Ω×(1.3+9 9+10.9+26.4)%=500×48.5%=242.5Ω。

    体内电阻合计为R_内=50+242.5≈290Ω。

（2）皮肤阻抗，

    查“国标2”的表6，手到手的总阻抗Z_手手为: Z_手手=960Ω。

其中手到手的内阻R_内手手查“图b为:

    R_内手手=500Ω×[(26.4+10.9+9.9)%]×2=500×94. 4%=472Ω。

总阻抗按电阻考虑，则减去内阻后即为二只手的皮肤电阻，每只手的皮肤电阻R_皮为:

R_皮=(Z_手手-R_内手手)÷2=(960-472)÷2=488÷2=244Ω

（3）淹水时的乎脚电阻R_手脚，

R_手脚是一个R_皮与一手到二脚(浸浅水中)内阻R_内之和

即：R_手脚=R_皮+R_内=244+290=534≈530Ω

说明4：跨步安全电压：U_安跨浅=2.2伏。U_安跨膝=1.0伏。

浅淹水跨步安全电压U_安跨浅是安全电流I_安与两脚间水下电阻R_脚浅的乘积，即：

U_安跨浅=I_安×R_脚浅=5×440=2200mV=2.2伏。

淹水不超过膝关节时的跨步安全电压U_安跨膝为：

U_安跨膝= I_安×R_脚膝=5×202=1010 mV=1.0伏。

说明5：淹水时的灯杆安全电压U_安杆

1、手碰触灯的安全电压为U安_杆手脚=5.3伏

(1)摆脱电流I_摆脱=10ma

与脚站在水中不能摆脱不同，手碰灯杆时，是可以摆脱掉的，可以取摆脱电流。根据图a，10毫安在AC-3区内，“国标2”的表11说明此区内通常没有预期的器官破坏，所以取摆脱电流I_摆脱=10ma。

(2)灯杆安全全电压U_安杆为5.3伏

安全电压时摆脱电流与人体总电阻R_手脚（见说明3）的乘积，即：

       U_安杆=I_摆脱×R_手脚=10×530=5300mV=5.3伏。

2、按跨步安全电压U_安跨算灯杆安全电压U_安杆

       U_安杆跨浅=5.0伏， U_安杆跨膝=2.3伏。

（1）淹水时的电位分布

    水面下半球形电极的电位分布最简单，是球形分布。实际杆根法兰是方形，电位近与方形分布，比较复杂。沿灯杆外接圆切线方向的跨步电压，显然大于方形分布的跨步电压。受能力限制，这里只能按半球形电极来分析。如图d所示，设半球形接地极的半径为X0，电压为U0，水的电阻率为ρ，流入水中的电流为I,电流沿途的截面积为A，一小段长dx的电阻为dR，

则,而距半球形中心为X处的面积，

该处的电场强度设为E,电位为U,则

接地极的电位U₀为

同理，距球心 X处的电位Ux为：

        用（2）式去除（1）式，有：

        即：

 式中：Uo-- --半球形电极的电位 ，即灯杆电位（V）

Xo- - -半球形电极半径，取为杆根法兰半径（m）；

X - - - -与半球圆心的距离（m）：

 Ux- - - - 距半球形中心X远处的电位（V）。

式（3）就是半球形电极在水中的电位分布。

（2）灯杆安全电压U_安杆

灯杆的杆根法兰按直径0.4m计，即半径Xo=0.2m,，淹水时的跨步按0.8m计，最大跨步电压发生在靠近灯杆处。在非娱乐和休闲场所，行人与灯杆靠近时只能擦肩而过，不会去撞灯杆，所以其跨步方向是灯杆外接园的切线方向。人的肩膀宽按0.5计，灯杆直径按0.16米计，则行人与灯杆中心间距为0.25+0.08=0.33米。设第一只脚距灯杆中心0.3米，第二只脚沿外切园切线方向跨出0.8米。

见图e，X₁ =0.3米，X₂ =0.854米，灯杆的电位是U_安杆 ，设第一只脚的电位是U₁ 第二只脚的电位是U₂ ，按（3）式计算电位。

即：

最大跨步电压

得灯杆电压

当跨步安全电压为U_安跨浅=2.2伏时，

得灯杆安全电压为U_安跨浅=2.29×U_安跨浅=2.29×2.2=5.0伏。

当跨步安全电压为U_安跨膝=1.0伏时，

得灯杆安全电压为U_安跨膝=2.29×U_安跨膝=2.29×1.0=2.3伏。

说明6： 剩余电流保护器

剩余电流保护器，又称漏电快关，能检测流向路灯的电流，是否全部返回配电箱，如果没有全部返回，就是漏电，当漏电达到整定值时，就断开电源，确保不发生点击，保证了安全。但是它断开电源只是根据漏电的大小，而不分析其原因，不是智能器件，单纯从保证安全考虑，当然用它比较有效。但与熔丝（或断路器）相比，比较容易断电，断电就没有照明，淹水地段没有照明也会使行人和车辆交通增加许多不便。因此，只需确保安全而不必考虑淹水地段时，要选剩余电流保护器。

因为漏电开关只根据漏电情况确定是否要断电，跳闸的机会显然要比小型断路器来得多。例如，补偿电容的一端接相线，另一端脱落碰外壳，因外壳接了PE线，这个补偿电容的电流不会使PE线的电压升高到不安全程度，这个故障虽然应该处理，但并不急迫到需立即断电的程度。使用漏电开关后，查找这种故障虽然应该处理，但并不急迫到需要立即断电的程度。使用漏电开关后，查找这种故障要分段查验，逐步缩小范围。维护工作量和处理故障的工作量相对来说都较大，维护人员应该能适应所增加的工作量。

说明7：TN-S系统

 1、正常时是安全的

        在TN-S系统中，灯杆等与PE线连接，PE线在正常工作时无工作电流共和电压，不论是否淹水，都是安全的。

2、故障时

   （1） 潮湿环境的伤亡概率较小

在等截面的电缆中，接了PE线的灯杆，在相线接地时，灯杆电压有可能接近110伏，并持续5秒。查的表3在125伏时的人体从手到手的总抗阻为850欧i，电流为I_手手=110÷850=0.129a，在“图a中，虽在AC-4.3区，单较接近于AC-4.2区。因手是裸露的，而江苏地区的行人没有赤脚的习惯，行人穿了鞋子，电阻就会增加，如果增加到1350欧以上，电流江小于110÷1350=0.08A，在图a中，小于80ma维持5秒的电流-时间区小于AC-4.2区。心室纤维性颤动的概率小于50%，

（2）淹水时的伤亡概率较大

而在淹水时的手脚电阻R_手脚为530欧（见说明3），说明3是按24伏算的，如按110伏计算，电阻还要小，电流I_手脚将大于110÷530=0.208a，在图a中，208ma维持5秒的电流-时间区小于AC-4.3区，心室纤维性颤动的概率必大于50%。所以TN-S系统在淹水区最好将切断电源的时间，从5秒缩短到0.4秒，在图a中，208ma维持0.4秒将明显落入AC-4.1区以下，心室纤维性颤动的概率将小于5%。

3、解决方法

解决方法是在线路中点，串接一组熔丝（或断路器），其额定电流为配电站额定电流的一半。其效果是：

1）从电源到线路中点，

由于回路阻抗小于末端阻抗的一半，短路电流将比原计算值大一倍，达到熔丝（或断路器）额定电流的10倍，可瞬间切断电源。

2）从中点到末端

因中点船串入的熔丝额定电流是配电的一半，它等于原计算的末端短路电流的十分之一，同样能达到瞬间切断电源的目的。

    说明8：TN-C系统

1、不淹水地段的TN-C系统符合安全电压的国际规定

（1）国标规定

 根据GB/T3805-2008《特低电压限值》（以下简称“国标1”）第5条的说明，路灯在室外潮湿环境属环境状况2，而表1列出环境状况2的安全电压，在正常情况是16伏，故障情况是33伏。下一节将证明，PEN线上的电压不会超过16伏，所以是安全的。

（2）PEN线的最大电压

1）按5％电压损失设计的线路，PEN线的电压小于11伏

2）按5秒内切断末端故障的线路，PEN线的电压小于5伏

根据低压配电设计规范GB50054-95的规定，路灯线路宜在5秒内切断末端接地故障。而能在5秒内切断末端接地故障的线路，其短路电流Ik”必大于熔丝（或断路器）额定电流In的5倍，即Ik”＞5In，而In还必须根据计算电流Ij选择，通常要留50％的裕量，即In=1.5Ij。用ZΦp表示相保阻抗。

由于，所以，

得，

相保电阻RΦp是20℃相线电阻RΦ与零线电阻R0之和的1.5倍。常用的  25m㎡     以下电缆，电抗值小于相保电阻的4%，电阻增为1.5倍，电抗维持不变时，阻抗增加1.499倍，很接近于1.5倍。按5秒切断末端故障的路灯接线，即使在首端，电流也很小，而道末端就只有一根杆的电刘，可以认为路灯地下电缆的温度接近于常温。

由于等截面电缆的相线与零线截面相等，其阻抗也相等，即Zφ=Z0，

    所以Zφp≈1.5×(Zφ+ Z0)=3Zφ，代入（4）式，

    有Ij×Zφp≈Ij×3Zφ=29.3，则Ij×Zφ≈29.3÷3=9.8伏。

    Ij×Zφ 是路灯全部集中在末端时的相线电压降，但实际路灯是均匀分布的，相线的

压降Δu约为Ij×Zφ的一半，即Δu=Ij×Zφ÷2=9.8÷2=4.9伏。

 三相配电的路灯线路，由于三相不平衡，PEN线上会有电流，最大大的不平衡是一相熔丝熔断，形成二相配电，这时零线电流与相线相同。在等截面的电缆中，由于接地电阻的分流，它在PEN线上所产生的电压，不会超过相线的电压降。相线电压降小于4.9伏，PEN线的电压降当然小于4.9伏。

所以受PEN线保护的灯杆等，在室外潮湿情况符合“国标1”安全电压的规定。南京市路灯电压损失早期都小于5%，上世纪末开始都按5秒切断末端故障设计，都小于5伏。

能明确是不淹水的地段，例如高架桥，灯杆只要与PE(或PEN)线的联接有效，则能出现的电压都远低于潮湿环境的安全电压16伏和32伏。不论是TN-C系统、TN-S系统或联网TT系统，都是安全的。  

     2、淹水地段的安全距离

分析了TN-C系统的灯杆可能出现的电压，不大于5伏，在浅淹水地段能符合安全电压的要求。但当淹水深度超过0.12米时，在说明4和5中已经分析过，跨步安全电压只有1伏，灯杆安全电压只有2.3伏，因此与灯杆中心之间，有一个安全距离X_安，距离小于X_安，可能出现电击，而距离大于X_安时，是个安全区。

在娱乐和休闲场所，人们跨步的方向是任意的，最大的跨步电压在沿灯杆外接圆的径向跨步时发生，按上一节的计算结果，如取灯杆可能出现的最大电压U杆=5伏，并设行人第1脚距灯杆中心X_安+0.8米，该处的电位为U₁，则第二脚距灯杆中心为X安米，该处的电位是U₂，

    按（3）式计算电位，即

   
X_安是安全距离，等于0.6米，只要灯杆电压小于5伏，则距灯杆中心0.6米以外的任何跨步电压，都小于安全跨步电压1.0伏。

      淹水深度小于0.5米的地段，如在公园等休闲场所，只要在灯杆周围有灌木围绕，不让行人跨入距灯杆中心0.6米以内的地方，就是安全的。

说明9：联网TT系统

1、在正常工作时   是安全的

联网 TT系统保护灯杆等的PE线不与零线连接，正常时没有电压，不论是否淹水，都是安全的。

2、故障时    淹水路段的灯杆，故障电压降不到安全电压以下

在发生接地故障时，由于PE 线与变压器中性点不连接，回路阻抗较大，不能断开配电箱出线电缆的熔丝（或断路器），故障持续存在；PE线上的电压也很难降到浅淹水的灯杆安全电压以下，还存在电击的可能性。

因为联网TT系统的PE线与很多根灯杆的接地极连成网，联网接地电阻较小，如果它小于变压器中性点接地电阻的六分之一，PE线电压就能小于33伏，而淹水时手到双脚的电阻前已算出时530欧，因此通过的电流I为：I<33÷0.53=62毫安。

（1）NG250以下的杆根熔断器可以速断

如做到PE线的联网接地电阻小于0.6欧，变压器接地电阻设为3.6欧，相线电阻设为0.8欧，短路电流就能达到220÷5=44安。NG-250以下的杆根熔断器，额定电流小于6安培，有可能瞬间切断故障，符合安全要求。

（2）NG400灯杆如发生电击，则电流-时间区为AC-4.2区NG-400的杆根熔断器时10安，短路电流的倍数是4.4倍，也能在5秒左右断开，查图a，时间5秒62毫安在AC-4.2区域，心室纤维颤动的概率不超过50%。

（3）淹水地段的补充措施
    因此，在淹水地区的TT联网系统，最好做到：
    （1）   将PE线的联网接地电阻到0.6欧以下，靠杆根熔断器断开故障。
    （2）   杆根熔断器到主电缆之间，这一小段采取双重绝缘等II类保护措施。