古維富, 尹 蕾, 梁棟程, 冉秀娟

(中國工程物理研究院計量測試中心, 四川 綿陽 621900)

0 引 言

大型科研生產(chǎn)場所存在用電負(fù)荷波動大,用電設(shè)備多,對供電質(zhì)量要求高的特點(diǎn)[1],在用電過程時有發(fā)生電氣安全事故,而嚴(yán)重的安全事故將造成大量的經(jīng)濟(jì)損失和較多的人員傷亡事例,帶來極其負(fù)面的社會影響。一方面,將直接引發(fā)火災(zāi)、爆炸和人員觸電事故,如2008至2018年間,國內(nèi)火災(zāi)事故中因電源、插座等原因引起的火災(zāi)占比超過30%,居各類火災(zāi)之首[2];2020年,上海、安徽等地的生產(chǎn)工廠相繼發(fā)生了配電箱和電力設(shè)備接地不良而導(dǎo)致的工人觸電死亡事故。另一方面,因電能質(zhì)量問題還會造成設(shè)施設(shè)備故障頻發(fā)、數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確、壽命縮短等情況,如國內(nèi)某公司的芯片測試儀,當(dāng)供電電壓低于85%時,導(dǎo)致芯片報廢,測試儀停止工作,其內(nèi)部電路主板出現(xiàn)故障;上海某特大型IT制造企業(yè)的資料顯示,電壓暫降事件導(dǎo)致其生產(chǎn)線的晶圓報廢,生產(chǎn)流水線重啟需數(shù)天時間,企業(yè)每年需承受數(shù)十萬元甚至數(shù)百萬元的經(jīng)濟(jì)損失[3]?？蒲猩a(chǎn)場所在用電過程中存在的安全隱患及事故風(fēng)險不容忽視,稍有不慎便可能造成不可估量的后果及損失。

因此,有必要開展生產(chǎn)場所供用電過程中整體電氣安全的影響因素分析,研究各類生產(chǎn)場所在用電過程中存在的主要安全隱患及隱患成因,針對性研究并獲取影響各用電環(huán)節(jié)安全運(yùn)行的主要電氣參數(shù),明確生產(chǎn)過程的電氣安全檢測參量可為生產(chǎn)場所安全可靠的用電提供有效的理論與方法保障。

1 生產(chǎn)場所用電過程中主要隱患及原因分析

各類生產(chǎn)場所的主要供用電過程為:外部變電室提供的電能直接傳輸?shù)酱髽强偱潆姽?并通過總配電柜配送至各樓層配電箱或動力箱,經(jīng)直接或間接供電終端向科研設(shè)施、設(shè)備等進(jìn)行電能供給,同時根據(jù)現(xiàn)場不同的要求,設(shè)計相關(guān)的防靜電和接地措施,對供電網(wǎng)絡(luò)、科研設(shè)施、設(shè)備進(jìn)行有效保護(hù)。重要生產(chǎn)場所主要供用電過程如圖1所示。

圖1 重要生產(chǎn)場所主要供用電過程

依據(jù)現(xiàn)有的研究及運(yùn)行經(jīng)驗(yàn),本文將生產(chǎn)場所電氣安全的主要因素劃分為建筑終端配電系統(tǒng)、重要設(shè)備設(shè)施的電能質(zhì)量、以及供用電接地系統(tǒng)三大方面,其主要事故及隱患分析如下所述。

1.1 低壓終端配電系統(tǒng)的安全隱患分析

建筑物終端配電系統(tǒng)主要包括配電柜/箱線路布線、開關(guān)保護(hù)設(shè)備和供電終端三大環(huán)節(jié)。配電布線方面,若配電柜/箱內(nèi)部布線不合理,如導(dǎo)線過長、接頭虛接、斷接,線色錯標(biāo)混標(biāo)等問題易引發(fā)人員觸電風(fēng)險;若線材安全載流量過低、絕緣層破損、長期超負(fù)荷運(yùn)行,則容易導(dǎo)致溫升過高、絕緣保護(hù)失效,進(jìn)而導(dǎo)致操作觸電或火災(zāi)事故[4]。

電力保護(hù)開關(guān)設(shè)備方面,剩余電流動作保護(hù)器(RCD)和電涌保護(hù)器(SPD)承擔(dān)著至關(guān)重要的安全保護(hù)作用。RCD作為主保護(hù)或者后備保護(hù)應(yīng)用在配電系統(tǒng)中,當(dāng)發(fā)生接地故障時能可靠識別并斷開回路,有效保障避免人體觸電或火災(zāi)的發(fā)生[5]。但現(xiàn)有的研究表明,RCD存在分合閘機(jī)構(gòu)拒動、保護(hù)器靈敏度低等問題[6]。分合閘機(jī)構(gòu)拒動的原因在于分合閘機(jī)構(gòu)在設(shè)計制造過程中存在的缺陷,以及長期動作導(dǎo)致的磨損;而動作靈敏度低的原因在于長期使用運(yùn)行及材料的熱電老化導(dǎo)致的內(nèi)部的剩余電流互感器或脫扣器性能變差。SPD作為配電箱內(nèi)典型的過壓保護(hù)裝置,能把過電壓限制在承受范圍之內(nèi),能有效減小內(nèi)外部電涌對配電系統(tǒng)或電子產(chǎn)品的損害[7-8]。但在長期使用中發(fā)現(xiàn)SPD失效現(xiàn)象頻發(fā),研究表明壓敏電阻閥片老化是造成SPD性能下降及失效的主要原因。當(dāng)ZnO閥片長時間處于較高的工作電壓時,會發(fā)生交直流老化,使壓敏電阻的伏安特性曲線不對稱變化;ZnO閥片長期承受沖擊電流后將極易產(chǎn)生沖擊老化,可能使得SPD直接失效[9]。

供電終端則為生產(chǎn)場所電氣安全事故或隱患極易被忽視的環(huán)節(jié),常見的供電終端包括固定電源插座、移動電源轉(zhuǎn)換器和固定式空氣開關(guān)。過去10年間,因插座、終端電源等故障引起的火災(zāi)占比超過30%,居各類火災(zāi)之首;廣東質(zhì)監(jiān)院2019年的研究表明,市面上超80%的移動電源轉(zhuǎn)換器不滿足國標(biāo)要求。其中,由于施工質(zhì)量、產(chǎn)品缺陷等原因,電源插座接線存在地線虛接、斷接等現(xiàn)象,易導(dǎo)致人員觸電事故;部分固定/移動電源插座的外殼或?qū)Ь€材料不符合規(guī)范要求,不具備阻燃特性,長期使用易導(dǎo)致插座溫升過高,進(jìn)而引發(fā)燃燒火災(zāi)事故。另外,部分電源插座插口存在極易拔出的情況,易導(dǎo)致設(shè)備突然斷電或接觸點(diǎn)松動產(chǎn)生電弧引燃的隱患。

1.2 電能質(zhì)量的安全隱患分析

隨著我國重要設(shè)施設(shè)備國產(chǎn)化進(jìn)程的不斷推進(jìn),以及高端精密設(shè)備的持續(xù)引入,終端電能質(zhì)量對設(shè)備安全性及可靠性運(yùn)行的影響日趨顯著。國內(nèi)外現(xiàn)有的文獻(xiàn)及研究表明,供電電壓偏差、電網(wǎng)頻率偏差、高頻諧波、三相電壓不平衡、電壓暫降與短時中斷、電壓波動和閃變等電能質(zhì)量參數(shù)是導(dǎo)致設(shè)備故障頻發(fā)、測試數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確以及使用壽命降低的主要原因[10-13]。

其中供電電壓偏差主要由系統(tǒng)用電負(fù)荷持續(xù)在最大、最小負(fù)荷之間波動變化導(dǎo)致。若供電電壓偏差過大,易導(dǎo)致感應(yīng)電動機(jī)溫升過高、影響轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)矩及電動機(jī)使用壽命。另外,電壓偏差過大也可能造成計算機(jī)系統(tǒng)數(shù)據(jù)損壞,影響自動控制系統(tǒng)性能。電力系統(tǒng)頻率偏差的形成原因與供電電壓偏差類似,若頻率偏差過大,易引起發(fā)電機(jī)組超速運(yùn)行,使定、轉(zhuǎn)子遭受沖擊損傷;也將導(dǎo)致生產(chǎn)場所電動機(jī)出力改變,影響電動機(jī)驅(qū)動機(jī)械產(chǎn)品質(zhì)量。

高頻諧波主要由于大量非線性負(fù)載的接入而產(chǎn)生非正弦電流所致,一方面高頻諧波易引起附加損耗增加,降低絕緣壽命;另一方面,高頻諧波產(chǎn)生的交變電磁場極易干擾通信。另外,諧波導(dǎo)致的過零問題極易破壞電子設(shè)備的正常運(yùn)行。

三相電壓不平衡是由于用電負(fù)荷不平衡、線路接地或斷線、消弧線圈補(bǔ)償不當(dāng)?shù)仍蛟斐?易引起電機(jī)的起動性能和過載能力下降。

電壓暫降與短時中斷是影響許多用電設(shè)備安全正常運(yùn)行最嚴(yán)重的電能質(zhì)量問題,電壓中斷通常由輸配電網(wǎng)絡(luò)自動重合閘動作、配電系統(tǒng)中常用電源與備用電源之間的轉(zhuǎn)換等操作引起;電壓中斷一般由電網(wǎng)中發(fā)生短路、雷擊或大功率設(shè)備啟動等事件引起。當(dāng)發(fā)生電壓暫降或中斷時,極易引起變頻器、PLC控制器、接觸器、繼電器等工業(yè)電力電子設(shè)備的運(yùn)行故障或大型試驗(yàn)設(shè)備的停運(yùn)事故。

電壓波動與閃變是由于沖擊性、波動性以及非線性負(fù)荷的數(shù)量急劇增加或變化引起,其危害主要在于影響照明質(zhì)量及照明設(shè)備的壽命;造成感應(yīng)電動機(jī)的繞組線圈發(fā)熱、損耗增加、并影響電動機(jī)的壽命及導(dǎo)致控制系統(tǒng)紊亂等問題。對于工業(yè)應(yīng)用中的高端精密儀器設(shè)備,往往會使用不間斷供電電源(UPS)、交直流穩(wěn)壓源等電能補(bǔ)償裝置,若此類設(shè)備出現(xiàn)運(yùn)行故障或安全隱患,將直接影響其后端的電能質(zhì)量,進(jìn)而影響精密儀器的正常工作運(yùn)行。

1.3 供用電接地系統(tǒng)的安全隱患分析

可靠接地是保障大型試驗(yàn)及生產(chǎn)安全可靠運(yùn)行的核心環(huán)節(jié)之一。低壓配電系統(tǒng)中主要有電源保護(hù)接地、防雷接地、等電位接地等保護(hù)手段,用電設(shè)備也需要進(jìn)行電源保護(hù)接地、等電位接地、防靜電接地及信號接地等保護(hù)手段。然而,實(shí)際情況中由于接地線纜的不達(dá)標(biāo)、現(xiàn)場施工的不完善、土壤環(huán)境的改變、接地使用過程的誤操作及接線混用等情況,有可能導(dǎo)致接地電阻過大、地線未接、斷接、混接、接觸不良等問題,最終可能導(dǎo)致信號干擾、設(shè)備誤動作、設(shè)備燒毀以及人員觸電等安全隱患或事故。其中,若防雷地接線或電阻不滿足要求,則可能導(dǎo)致雷擊時沖擊電流無法快速釋放,短時積累的沖擊能量極易引起設(shè)備的損毀和傷人事故;若電源保護(hù)地接線或電阻不滿足要求,當(dāng)設(shè)備發(fā)生故障且電源保護(hù)地處于斷開狀態(tài)時,設(shè)備外殼將持續(xù)帶電,發(fā)生人員觸電風(fēng)險;若防靜電接地不滿足要求,靜電荷積累將形成較大的瞬態(tài)場強(qiáng),發(fā)生空氣擊穿放電,對靜電敏感設(shè)備或電子元器件造成損傷或引燃火工品;嚴(yán)格的信號接地往往直接從共地網(wǎng)上單獨(dú)引線,如果信號接地系統(tǒng)與其他接地系統(tǒng)在地面以上發(fā)生了混用或搭接,則其他接地系統(tǒng)上的干擾信號則會顯著影響信號或控制系統(tǒng),造成設(shè)備的誤動作或數(shù)據(jù)失真。

基于以上對科研生產(chǎn)場所用電過程的存在隱患及原因分析,影響生產(chǎn)場所電氣安全主要事故隱患及原因如表1所示。

表1 影響生產(chǎn)場所電氣安全主要事故隱患及原因

2 生產(chǎn)場所電氣安全檢測參量研究

2.1 低壓配電系統(tǒng)的主要檢測參量

對于內(nèi)部布線及絕緣設(shè)置,設(shè)計缺陷、安裝過程質(zhì)量未得到保障、配電線纜持續(xù)高溫等是造成問題及隱患的主要原因,基于已有的設(shè)計、檢測標(biāo)準(zhǔn),及國內(nèi)相關(guān)事故案例總結(jié),當(dāng)配電柜/箱外觀及結(jié)構(gòu)、配電柜/箱內(nèi)部布線位置及距離、接地端接地電阻、金屬連接處過渡電阻、內(nèi)部結(jié)構(gòu)絕緣電阻、通電正常性、相序與極性、運(yùn)行溫升等檢測參量滿足安全技術(shù)要求時,內(nèi)部布線及絕緣設(shè)置基本可得到有效的保障。

配電箱內(nèi)部的重要電氣保護(hù)設(shè)備為低壓斷路器、RCD和SPD,其中低壓斷路器主要實(shí)現(xiàn)發(fā)生電流過載、短路時對回路的保護(hù)切斷作用,由于大電流的幅值、持續(xù)時間是造成安全事故的主要因素,則需開展低壓斷路器的開斷(脫扣)動作電壓、開斷(脫扣)動作電流、斷開時間的性能試驗(yàn)或檢測,同時考慮到低壓斷路器可能頻繁的手動操作及分合閘,則有必要開展其耐壓強(qiáng)度和絕緣電阻以及短路和過載分?jǐn)嗄芰Φ臋z測,以保障操作人員和產(chǎn)品本身的安全性能。RCD是實(shí)現(xiàn)設(shè)備或線路故障漏電時的自動保護(hù)切斷(或協(xié)同低壓斷路器保護(hù)切斷)作用,同樣,漏電流的幅值和持續(xù)時間是造成人員觸電的主要原因,因此需開展RCD的剩余動作電流值、分?jǐn)鄷r間等的安全性能檢測。另外RCD內(nèi)部元器件較多,耐受強(qiáng)電壓電流能力較低壓斷路器弱,為保證其運(yùn)行的正?？煽?也需檢測其耐壓強(qiáng)度及絕緣電阻、剩余接通和分?jǐn)嗄芰σ约笆Ｓ喽搪纺褪茈娏鞯葏⒘俊PD并聯(lián)于線路與地線之間,若其核心泄流閥片壓敏電阻材料發(fā)生老化,大大削弱其抑制電涌的效果,造成電力電子設(shè)備故障或壽命縮短甚至線路短路問題。因此,需從持續(xù)施加電壓下的SPD壓敏電壓和泄漏電流等主要影響參數(shù)開展檢測,同時測試其耐壓強(qiáng)度及絕緣電阻。

供電終端中以固定電源插座和移動電源轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生的安全事故居多,接線線纜的材料質(zhì)量不達(dá)標(biāo)、施工不規(guī)范導(dǎo)致的接線錯接、漏接、虛接以及線纜絕緣老化是造成安全隱患的主要原因。因此,對于固定電源插座,應(yīng)開展防觸電保護(hù)、極性和相序、最大/最小拔出力、保護(hù)接地的安全性能的定期檢測;而移動電源轉(zhuǎn)換器由于移動性強(qiáng),與人員或其他物具接觸頻繁,為保證安全應(yīng)開展防觸電保護(hù)、極性和相序、最大/最小拔出力、保護(hù)接地、耐壓強(qiáng)度及絕緣電阻以及持續(xù)工作時的溫升檢測。

2.2 電能質(zhì)量的主要檢測參量

對于供電電壓及系統(tǒng)頻率存在的偏差,其偏差超標(biāo)程度及偏差超標(biāo)時間占總運(yùn)行時間的比例則是影響設(shè)備和負(fù)荷正常運(yùn)行的主要原因,因此,需開展電壓偏差度、電壓合格率、頻率偏差度、頻率合格率等參數(shù)的檢測監(jiān)測。對于電網(wǎng)諧波,由于工頻整數(shù)倍的諧波和工頻非整數(shù)倍的間諧波對負(fù)荷及設(shè)備的影響效果存在差異,則有必要檢測及監(jiān)測諧波含有率和間諧波含有率,為諧波溯源及整治提供參考。對于電壓的三相不平衡,則應(yīng)該檢測并確定其負(fù)序電壓及零序電壓占正序電壓的比例,即確定三相不平衡度以衡量三相不平衡的具體程度。而對于電壓波動與閃變、電壓暫降與短時中斷等危害程度最大的電能質(zhì)量問題,則有必要直接檢測其主要特性參數(shù),即電壓暫降和短時中斷閾值、電壓暫降和短時中斷持續(xù)時間、電壓波動頻度、電壓閃變時間等關(guān)鍵參數(shù),為后續(xù)電能質(zhì)量的優(yōu)化改造提供依據(jù)與支撐。

對于生產(chǎn)場所重要精密的儀器設(shè)備,往往會直接采用UPS交直流穩(wěn)壓源等電能補(bǔ)償裝置進(jìn)行電能質(zhì)量優(yōu)化與保障,但隨著長期帶負(fù)荷運(yùn)行,電能補(bǔ)償設(shè)備老化故障等問題將可能陸續(xù)發(fā)生,此時將難以保障高水平的電能質(zhì)量。因此,有必要依據(jù)相關(guān)規(guī)程規(guī)范,對此類設(shè)備開展計量檢測工作,即開展空載輸出電壓誤差、輸出頻率誤差、失真度、額定輸出功率、電壓調(diào)整率、負(fù)載調(diào)整率、效率、輸出電壓穩(wěn)定性、轉(zhuǎn)換時間等計量特性參數(shù)的檢定校準(zhǔn),確保電能補(bǔ)償設(shè)備準(zhǔn)確可靠。

2.3 接地系統(tǒng)的主要檢測參量

依據(jù)生產(chǎn)場所的電氣安全保障目標(biāo),應(yīng)從防雷擊接地、電源保護(hù)接地、防靜電接地和信號系統(tǒng)接地四個方面開展接地系統(tǒng)的檢測工作。對各類接地系統(tǒng)而言,施工布線不規(guī)范將可能導(dǎo)致地線斷接或虛接;線徑過大、土壤電阻率過高、連接端接線不良、接地裝置銹蝕老化、地線銹蝕腐蝕等均有可能導(dǎo)致接地電阻過大而產(chǎn)生事故。

為此,應(yīng)針對各類接地的特點(diǎn),從地線和等電位帶布線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、地線尺寸、地線布線方式、土壤電阻率、接地電阻、焊接處過渡電阻等角度開展接地系統(tǒng)的安全檢測工作。

科研生產(chǎn)場所電氣安全的主要檢測參量如圖2所示。

圖2 科研生產(chǎn)場所電氣安全的主要檢測參量

3 結(jié) 語

本文針對生產(chǎn)場所內(nèi)的整體用電流程,分析了安全隱患的主要存在場景,并提出了主要檢測參量用以測試生產(chǎn)場所用電過程的安全性及可靠性。低壓終端配電系統(tǒng)中,從內(nèi)部布線及絕緣設(shè)置、電力保護(hù)開關(guān)設(shè)備、供電終端三個方面開展檢測參量的研究;科研設(shè)施和設(shè)備中,從前端電能質(zhì)量和電能補(bǔ)償裝置兩個方面開展檢測參量的研究;接地系統(tǒng)中則從防雷接地、電源保護(hù)接地、防靜電接地以及信號接地等方面開展檢測參量研究。針對各個方面分析,提出了主要的檢測參量,研究結(jié)果可為科研生產(chǎn)場所安全用電活動提供系統(tǒng)性的檢測參量。