電氣測量工作中接地安全隱患問題研究

肖　楠,周曉頤,郭　彤，祖光鑫

(1.黑龍江省電力科學研究院, 哈爾濱 150030; 2.悉地國際設計顧問有限公司，廣東 深圳 518000)

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電氣測量工作中接地安全隱患問題研究

肖楠1,周曉頤1,郭彤2，祖光鑫1

(1.黑龍江省電力科學研究院, 哈爾濱 150030; 2.悉地國際設計顧問有限公司，廣東 深圳 518000)

為解決電力系統電氣測量儀器檢定、校準工作中標準器使用頻繁,標準器損壞幾率增大的問題,通過調查發現測量工作中一些不安全因素是致使計量器具損毀甚至人身傷亡的主要原因。指出了電力系統各級電測實驗室存在的接地安全隱患問題,并結合黑龍江省電測實驗室實際情況給出了正確的儀器接地方法,有效杜絕了電測工作中危險事故的發生。

電氣測量安全;電氣測量儀器接地;電氣測量儀器屏蔽

隨著計量需求迅速發展,電測實驗室的計量器具種類增多,安全隱患同時加大,不可避免地出現了計量器具損壞甚至人身傷亡事故。通過調查研究發現,測量儀器接地誘發的安全事故占大多數。對此,本文通過多年測量工作的實踐列舉了幾種典型測量儀器接地安全隱患,并結合黑龍江省電測實驗室實際情況給出了利用雙層屏蔽技術保證正確接地和杜絕測量安全事故發生的方法。

1　電氣測量接地安全隱患分析

1.1電器測量儀器接地的意義

儀器電源中有專門的接地保護連接端PE,即三相端子的中間端。此端與儀器機殼相連,儀器通過此端接至保護地線。交流供電測量儀器的金屬外殼必須接地,國標GB4793.1《測量、控制和實驗室用電氣設備安全通用要求》和國際標準IEC61010-1均有詳細說明[1]。金屬外露處與接地連接端的接地導通電阻須小于0.1,其意義在于機殼上永遠不會出現危險電壓,即使電源相線接觸機殼,短路電流也會使配電盤上的保險絲斷掉。例如儀器接通30 A工作電流時,如果此時機殼帶電,由于儀器接地系統的存在僅僅產生0.1 Ω×30 A=3 V電壓,遠小于36 V的人體安全電壓,如圖1所示。

圖1　測量儀器接地保護系統原理圖

由此可見,儀器接地能保證操作者和儀器的安全,減少共模和輻射干擾,確保儀器的性能。儀器電源連接中沒有專門的接地保護連接端,僅接火線(相線)和零線(中線)。例如一些老舊交流供電的單功能數字顯示儀表即開關板表沒有設計儀器的接地保護端,通常在生產線、測試臺等固定場合使用這類精度低、價格低、可靠性差、絕緣差、漏電嚴重、測量輸入端帶電的儀表。漏電電流的大小決定了損壞能力,漏電電流大時就會損壞儀器,往往是標準器易受損害的原因之一。電源變壓器無屏蔽接地端,通過泄露電阻ZL泄漏電流導致次級電路產生交流電壓[2],如圖2所示。

圖2　電源變壓器無保護端電流泄露原理圖

從圖2可以看到,通過電源變壓器會產生嚴重的工頻電源泄露,嚴重時就會燒毀校準器。經驗數據表明,由此原因引起的校準器嚴重損壞的較多,代價昂貴。

如果變壓器有屏蔽保護端,變壓器初級繞組的交流泄漏不會流到次級繞組和儀器電路,即使絕緣損壞,泄漏電流只能流向屏蔽保護接地線,有效阻擋了來自電源的泄漏,儀器測量電路不會帶電,得到了有效保護,如圖3所示。

圖3　電源變壓器有保護端原理圖

1.2數字電壓表檢定中容易忽視的安全問題

大多數數字表的高端(Hi)對地電壓為1000 V,低端(Lo)對地電壓為500 V。也就是說拿這種數字表測量電壓時,在直流電壓源與測量用數字表正負極一一對應情況下可以測量1000 V電壓,不會對數表造成損害。數字電壓表檢定規程中要求在數字電壓表每個量程的滿量程點測正反兩個電壓值,如果輸出電壓源不具備反相電壓輸出功能,檢定人員通常會將直流電壓源的輸出線對調。這時由于數字表的低端(Lo)對地電壓僅為500 V,如果此時加的反向電壓超過500 V,那么數字表將損毀,這是經常忽略的問題。所以如果電壓源無反向輸出功能,注意一定不要超過測量用數字表的低端(Lo)對地電壓最大值。

當數字表測量滿量程點500 V的反相電壓值時,測量的直流電壓源沒有接地,而恰巧此時220 V交流工作電源泄露,會對測量用數字表造成更大的反相電壓值,即高端電壓(Hi)=500 V±220 V×1.414=500 V±311 V,如圖4所示。直流電壓源串入的220 V工頻干擾電壓會與直流電壓源輸出的反向500 V電壓相疊加。

圖4　直流電壓源未接地工作電流泄露圖

1.3測量儀器不接地時電源泄露原因分析

干擾信號同時加在輸入高、低端時,稱為共模干擾信號。共模干擾信號會在輸入端形成不同回路,在高、低端產生不同的影響,變成加在輸入端的串模干擾[3]。共模干擾是共模干擾電流流經高端、低端影響之差,輸入高端常常為高輸入阻抗,因而共模電流對低端回路影響較大,如圖5所示。

圖5　共模干擾信號原理圖

泄漏的交流電源相當于在校準儀器與數字表的機殼間加了共模電壓VCM=220 V,如此大的共模電壓會嚴重影響儀器的正常工作。測量電路共模電壓不準許超過1 V,泄漏電流大時就會損壞儀器。特別當標準器輸出電流時,被測儀器電源泄露,致使標準器灌入反向電流,極易造成標準器損壞。

2　電氣測量接地安全隱患的解決措施

首先,只校準電源變壓器有屏蔽接地保護的交流供電儀器, 對于無保護接地的交流供電儀器可以測量儀器輸入端的對地電壓,應該小于3 V。其次,讓測量電路浮動提高共模干擾抑。為了實現測量電路浮動,要將接地的數字電路與模擬測量電路完全絕緣分開,與外部的通訊數字部分要接地。模擬測量部分與數字電路分別供電,之間的信息交流用光電耦合實現[4]。由于測量電路與接地的電路之間總會存在泄漏電阻,共模干擾信號仍然會在輸入低端形成回路。因此采用雙層屏蔽技術,以進一步提高共模干擾抑制能力,如圖6所示。

圖6　采用雙層屏蔽原理圖

由輸入回路阻抗和泄漏阻抗組成的分壓器會對共模信號實現衰減,衰減的系數為rLO和Z1的分壓,即, CMRR=rLO/(Z1+rLO)。將模擬測量電路單獨屏蔽,稱為Guard,將輸入引線屏蔽連接至Guard[5]。由于使用屏蔽保護連接,共模信號會被進一步衰減。因此輸入屏蔽保護電阻rG和內層屏蔽泄漏阻抗Z2的分壓器會對共模信號首先衰減,其附加衰減系數為

CMRR=rG/(Z2+rG)

由泄漏阻抗和屏蔽阻抗組成的分壓器會對共模信號衰減進一步衰減,故總計衰減系數為

CMRR=rG·rLO/(Z1+rLO)·(Z2+rG)

使用屏蔽外部連接的雙層屏蔽可以提供比單層屏蔽附加60 dB以上的抑制能力,所以能實現最好的共模抑制能力[6]。

精密儀器均采用雙層屏蔽技術來提高共模干擾抑制能力。兩臺儀器連接時,共模干擾主要來源于各儀器接地點間存在電壓和工頻電源對儀器的泄漏,建議用導線連接測量儀器(表)和被測儀器(源)的機殼,這樣可以消除儀器接地間的共模電壓。此時,共模干擾的主要來源是電源對儀器的泄漏。為了保證儀器可靠接地,可使用專門的連接地線。許多標準實驗室內連接了專門的地線,常用儀器應該將地線連接到儀器機殼上的接地端鈕,可以保證儀器可靠接地,不依賴電源電纜,減少接地線路中的電壓和共模電壓。

3　結　語

實驗測得,采用雙層屏蔽測量直流信號時,一般對工頻干擾可以達到120～140 dB,相當于衰減至一百萬倍至一千萬倍,此時10 V的交流干擾僅會產生近30 μV的跳字變化。測量交流信號時,一般對工頻干擾可以達到70～90 dB,相當于衰減至三百倍至三千倍,此時10 V交流干擾僅會產生近3 mV的誤差。如果精密測量儀器不接地,就相當于第一層屏蔽功能喪失成為單層屏蔽,測量直流信號時一般對工頻干擾可以達到60～80 dB,相當于衰減至一百倍至十萬倍,此時10 V的交流干擾就會產生近1mV的跳字變化。測量交流信號時,一般對工頻干擾可以達到30～50 dB相當于衰減至三十倍至一千倍,此時10 V交流干擾就會產生近30 mV的誤差。

由此可見,電氣測量儀器采用正確的接地、屏蔽方法不僅可以有效杜絕電氣測量安全事故,還可以提高測量精度。

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(責任編輯侯世春)

Research on grounding hidden danger in electrical measuring instrument

XIAO Nan1, ZHOU Xiaoyi1, GUO Tong2, ZU Guangxin1

(1.Heilongjiang Electrical Power Research Institute, Harbin 150030, China; 2.Xidi International Design Consultants Limited Company,Shenzhen 518000,China)

In order to solve the problems in the verification and calibration of power system electrical measurement, such as frequent operation and increasing damage probability of standard implement, this paper concluded that the hidden danger was the main reason for the damage of electrical measuring instrument or even personal injury in the measurement, propose the grounding hidden danger in all levels of power system electrical measuring laboratories, and worked out the correct grounding method for measuring instruments based on the actual situation of Heilongjiang electrical measuring laboratory, which effectively put an end to the accident in electrical measurement.

safety of electrical measuring; electrical measuring instrument grounding; electrical measuring instrument shielding

2015-10-07。

肖楠(1981—),男，工程師，主要從事電氣測量工作。

TM930

A

2095-6843(2016)04-0328-03