科研生產場所的用電安全隱患及主要檢測參量

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

大型科研生產場所存在用電負荷波動大,用電設備多,對供電質量要求高的特點[1],在用電過程時有發生電氣安全事故,而嚴重的安全事故將造成大量的經濟損失和較多的人員傷亡事例,帶來極其負面的社會影響。一方面,將直接引發火災、爆炸和人員觸電事故,如2008至2018年間,國內火災事故中因電源、插座等原因引起的火災占比超過30%,居各類火災之首[2];2020年,上海、安徽等地的生產工廠相繼發生了配電箱和電力設備接地不良而導致的工人觸電死亡事故。另一方面,因電能質量問題還會造成設施設備故障頻發、數據不準確、壽命縮短等情況,如國內某公司的芯片測試儀,當供電電壓低于85%時,導致芯片報廢,測試儀停止工作,其內部電路主板出現故障;上海某特大型IT制造企業的資料顯示,電壓暫降事件導致其生產線的晶圓報廢,生產流水線重啟需數天時間,企業每年需承受數十萬元甚至數百萬元的經濟損失[3]。科研生產場所在用電過程中存在的安全隱患及事故風險不容忽視,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節安全運行的主要電氣參數,明確生產過程的電氣安全檢測參量可為生產場所安全可靠的用電提供有效的理論與方法保障。

1 生產場所用電過程中主要隱患及原因分析

各類生產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到大樓總配電柜,并通過總配電柜配送至各樓層配電箱或動力箱,經直接或間接供電終端向科研設施、設備等進行電能供給,同時根據現場不同的要求,設計相關的防靜電和接地措施,對供電網絡、科研設施、設備進行有效保護。重要生產場所主要供用電過程如圖1所示。

圖1 重要生產場所主要供用電過程

依據現有的研究及運行經驗,本文將生產場所電氣安全的主要因素劃分為建筑終端配電系統、重要設備設施的電能質量、以及供用電接地系統三大方面,其主要事故及隱患分析如下所述。

1.1 低壓終端配電系統的安全隱患分析

建筑物終端配電系統主要包括配電柜/箱線路布線、開關保護設備和供電終端三大環節。配電布線方面,若配電柜/箱內部布線不合理,如導線過長、接頭虛接、斷接,線色錯標混標等問題易引發人員觸電風險;若線材安全載流量過低、絕緣層破損、長期超負荷運行,則容易導致溫升過高、絕緣保護失效,進而導致操作觸電或火災事故[4]。

電力保護開關設備方面,剩余電流動作保護器(RCD)和電涌保護器(SPD)承擔著至關重要的安全保護作用。RCD作為主保護或者后備保護應用在配電系統中,當發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的發生[5]。但現有的研究表明,RCD存在分合閘機構拒動、保護器靈敏度低等問題[6]。分合閘機構拒動的原因在于分合閘機構在設計制造過程中存在的缺陷,以及長期動作導致的磨損;而動作靈敏度低的原因在于長期使用運行及材料的熱電老化導致的內部的剩余電流互感器或脫扣器性能變差。SPD作為配電箱內典型的過壓保護裝置,能把過電壓限制在承受范圍之內,能有效減小內外部電涌對配電系統或電子產品的損害[7-8]。但在長期使用中發現SPD失效現象頻發,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ZnO閥片長時間處于較高的工作電壓時,會發生交直流老化,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生沖擊老化,可能使得SPD直接失效[9]。

供電終端則為生產場所電氣安全事故或隱患極易被忽視的環節,常見的供電終端包括固定電源插座、移動電源轉換器和固定式空氣開關。過去10年間,因插座、終端電源等故障引起的火災占比超過30%,居各類火災之首;廣東質監院2019年的研究表明,市面上超80%的移動電源轉換器不滿足國標要求。其中,由于施工質量、產品缺陷等原因,電源插座接線存在地線虛接、斷接等現象,易導致人員觸電事故;部分固定/移動電源插座的外殼或導線材料不符合規范要求,不具備阻燃特性,長期使用易導致插座溫升過高,進而引發燃燒火災事故。另外,部分電源插座插口存在極易拔出的情況,易導致設備突然斷電或接觸點松動產生電弧引燃的隱患。

1.2 電能質量的安全隱患分析

隨著我國重要設施設備國產化進程的不斷推進,以及高端精密設備的持續引入,終端電能質量對設備安全性及可靠性運行的影響日趨顯著。國內外現有的文獻及研究表明,供電電壓偏差、電網頻率偏差、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量參數是導致設備故障頻發、測試數據不準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用電負荷持續在最大、最小負荷之間波動變化導致。若供電電壓偏差過大,易導致感應電動機溫升過高、影響轉子轉矩及電動機使用壽命。另外,電壓偏差過大也可能造成計算機系統數據損壞,影響自動控制系統性能。電力系統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,易引起發電機組超速運行,使定、轉子遭受沖擊損傷;也將導致生產場所電動機出力改變,影響電動機驅動機械產品質量。

高頻諧波主要由于大量非線性負載的接入而產生非正弦電流所致,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,高頻諧波產生的交變電磁場極易干擾通信。另外,諧波導致的過零問題極易破壞電子設備的正常運行。

三相電壓不平衡是由于用電負荷不平衡、線路接地或斷線、消弧線圈補償不當等原因造成,易引起電機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備安全正常運行最嚴重的電能質量問題,電壓中斷通常由輸配電網絡自動重合閘動作、配電系統中常用電源與備用電源之間的轉換等操作引起;電壓中斷一般由電網中發生短路、雷擊或大功率設備啟動等事件引起。當發生電壓暫降或中斷時,極易引起變頻器、PLC控制器、接觸器、繼電器等工業電力電子設備的運行故障或大型試驗設備的停運事故。

電壓波動與閃變是由于沖擊性、波動性以及非線性負荷的數量急劇增加或變化引起,其危害主要在于影響照明質量及照明設備的壽命;造成感應電動機的繞組線圈發熱、損耗增加、并影響電動機的壽命及導致控制系統紊亂等問題。對于工業應用中的高端精密儀器設備,往往會使用不間斷供電電源(UPS)、交直流穩壓源等電能補償裝置,若此類設備出現運行故障或安全隱患,將直接影響其后端的電能質量,進而影響精密儀器的正常工作運行。

1.3 供用電接地系統的安全隱患分析

可靠接地是保障大型試驗及生產安全可靠運行的核心環節之一。低壓配電系統中主要有電源保護接地、防雷接地、等電位接地等保護手段,用電設備也需要進行電源保護接地、等電位接地、防靜電接地及信號接地等保護手段。然而,實際情況中由于接地線纜的不達標、現場施工的不完善、土壤環境的改變、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,最終可能導致信號干擾、設備誤動作、設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備的損毀和傷人事故;若電源保護地接線或電阻不滿足要求,當設備發生故障且電源保護地處于斷開狀態時,設備外殼將持續帶電,發生人員觸電風險;若防靜電接地不滿足要求,靜電荷積累將形成較大的瞬態場強,發生空氣擊穿放電,對靜電敏感設備或電子元器件造成損傷或引燃火工品;嚴格的信號接地往往直接從共地網上單獨引線,如果信號接地系統與其他接地系統在地面以上發生了混用或搭接,則其他接地系統上的干擾信號則會顯著影響信號或控制系統,造成設備的誤動作或數據失真。

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

表1 影響生產場所電氣安全主要事故隱患及原因

2 生產場所電氣安全檢測參量研究

2.1 低壓配電系統的主要檢測參量

對于內部布線及絕緣設置,設計缺陷、安裝過程質量未得到保障、配電線纜持續高溫等是造成問題及隱患的主要原因,基于已有的設計、檢測標準,及國內相關事故案例總結,當配電柜/箱外觀及結構、配電柜/箱內部布線位置及距離、接地端接地電阻、金屬連接處過渡電阻、內部結構絕緣電阻、通電正常性、相序與極性、運行溫升等檢測參量滿足安全技術要求時,內部布線及絕緣設置基本可得到有效的保障。

配電箱內部的重要電氣保護設備為低壓斷路器、RCD和SPD,其中低壓斷路器主要實現發生電流過載、短路時對回路的保護切斷作用,由于大電流的幅值、持續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度和絕緣電阻以及短路和過載分斷能力的檢測,以保障操作人員和產品本身的安全性能。RCD是實現設備或線路故障漏電時的自動保護切斷(或協同低壓斷路器保護切斷)作用,同樣,漏電流的幅值和持續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、分斷時間等的安全性能檢測。另外RCD內部元器件較多,耐受強電壓電流能力較低壓斷路器弱,為保證其運行的正常可靠,也需檢測其耐壓強度及絕緣電阻、剩余接通和分斷能力以及剩余短路耐受電流等參量。SPD并聯于線路與地線之間,若其核心泄流閥片壓敏電阻材料發生老化,大大削弱其抑制電涌的效果,造成電力電子設備故障或壽命縮短甚至線路短路問題。因此,需從持續施加電壓下的SPD壓敏電壓和泄漏電流等主要影響參數開展檢測,同時測試其耐壓強度及絕緣電阻。

供電終端中以固定電源插座和移動電源轉換器產生的安全事故居多,接線線纜的材料質量不達標、施工不規范導致的接線錯接、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,應開展防觸電保護、極性和相序、最大/最小拔出力、保護接地的安全性能的定期檢測;而移動電源轉換器由于移動性強,與人員或其他物具接觸頻繁,為保證安全應開展防觸電保護、極性和相序、最大/最小拔出力、保護接地、耐壓強度及絕緣電阻以及持續工作時的溫升檢測。

2.2 電能質量的主要檢測參量

對于供電電壓及系統頻率存在的偏差,其偏差超標程度及偏差超標時間占總運行時間的比例則是影響設備和負荷正常運行的主要原因,因此,需開展電壓偏差度、電壓合格率、頻率偏差度、頻率合格率等參數的檢測監測。對于電網諧波,由于工頻整數倍的諧波和工頻非整數倍的間諧波對負荷及設備的影響效果存在差異,則有必要檢測及監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,則應該檢測并確定其負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量問題,則有必要直接檢測其主要特性參數,即電壓暫降和短時中斷閾值、電壓暫降和短時中斷持續時間、電壓波動頻度、電壓閃變時間等關鍵參數,為后續電能質量的優化改造提供依據與支撐。

對于生產場所重要精密的儀器設備,往往會直接采用UPS交直流穩壓源等電能補償裝置進行電能質量優化與保障,但隨著長期帶負荷運行,電能補償設備老化故障等問題將可能陸續發生,此時將難以保障高水平的電能質量。因此,有必要依據相關規程規范,對此類設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、電壓調整率、負載調整率、效率、輸出電壓穩定性、轉換時間等計量特性參數的檢定校準,確保電能補償設備準確可靠。

2.3 接地系統的主要檢測參量

依據生產場所的電氣安全保障目標,應從防雷擊接地、電源保護接地、防靜電接地和信號系統接地四個方面開展接地系統的檢測工作。對各類接地系統而言,施工布線不規范將可能導致地線斷接或虛接;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致接地電阻過大而產生事故。

為此,應針對各類接地的特點,從地線和等電位帶布線拓撲結構、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的安全檢測工作。

科研生產場所電氣安全的主要檢測參量如圖2所示。

圖2 科研生產場所電氣安全的主要檢測參量

3 結 語

本文針對生產場所內的整體用電流程,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場所用電過程的安全性及可靠性。低壓終端配電系統中,從內部布線及絕緣設置、電力保護開關設備、供電終端三個方面開展檢測參量的研究;科研設施和設備中,從前端電能質量和電能補償裝置兩個方面開展檢測參量的研究;接地系統中則從防雷接地、電源保護接地、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,研究結果可為科研生產場所安全用電活動提供系統性的檢測參量。