电气测量工作中接地安全隐患问题研究

肖　楠,周晓颐,郭　彤，祖光鑫

(1.黑龙江省电力科学研究院, 哈尔滨 150030; 2.悉地国际设计顾问有限公司，广东 深圳 518000)



电气测量工作中接地安全隐患问题研究

肖楠1,周晓颐1,郭彤2，祖光鑫1

(1.黑龙江省电力科学研究院, 哈尔滨 150030; 2.悉地国际设计顾问有限公司，广东 深圳 518000)

为解决电力系统电气测量仪器检定、校准工作中标准器使用频繁,标准器损坏几率增大的问题,通过调查发现测量工作中一些不安全因素是致使计量器具损毁甚至人身伤亡的主要原因。指出了电力系统各级电测实验室存在的接地安全隐患问题,并结合黑龙江省电测实验室实际情况给出了正确的仪器接地方法,有效杜绝了电测工作中危险事故的发生。

电气测量安全;电气测量仪器接地;电气测量仪器屏蔽

随着计量需求迅速发展,电测实验室的计量器具种类增多,安全隐患同时加大,不可避免地出现了计量器具损坏甚至人身伤亡事故。通过调查研究发现,测量仪器接地诱发的安全事故占大多数。对此,本文通过多年测量工作的实践列举了几种典型测量仪器接地安全隐患,并结合黑龙江省电测实验室实际情况给出了利用双层屏蔽技术保证正确接地和杜绝测量安全事故发生的方法。

1　电气测量接地安全隐患分析

1.1电器测量仪器接地的意义

仪器电源中有专门的接地保护连接端PE,即三相端子的中间端。此端与仪器机壳相连,仪器通过此端接至保护地线。交流供电测量仪器的金属外壳必须接地,国标GB4793.1《测量、控制和实验室用电气设备安全通用要求》和国际标准IEC61010-1均有详细说明[1]。金属外露处与接地连接端的接地导通电阻须小于0.1,其意义在于机壳上永远不会出现危险电压,即使电源相线接触机壳,短路电流也会使配电盘上的保险丝断掉。例如仪器接通30 A工作电流时,如果此时机壳带电,由于仪器接地系统的存在仅仅产生0.1 Ω×30 A=3 V电压,远小于36 V的人体安全电压,如图1所示。

图1　测量仪器接地保护系统原理图

由此可见,仪器接地能保证操作者和仪器的安全,减少共模和辐射干扰,确保仪器的性能。仪器电源连接中没有专门的接地保护连接端,仅接火线(相线)和零线(中线)。例如一些老旧交流供电的单功能数字显示仪表即开关板表没有设计仪器的接地保护端,通常在生产线、测试台等固定场合使用这类精度低、价格低、可靠性差、绝缘差、漏电严重、测量输入端带电的仪表。漏电电流的大小决定了损坏能力,漏电电流大时就会损坏仪器,往往是标准器易受损害的原因之一。电源变压器无屏蔽接地端,通过泄露电阻ZL泄漏电流导致次级电路产生交流电压[2],如图2所示。

图2　电源变压器无保护端电流泄露原理图

从图2可以看到,通过电源变压器会产生严重的工频电源泄露,严重时就会烧毁校准器。经验数据表明,由此原因引起的校准器严重损坏的较多,代价昂贵。

如果变压器有屏蔽保护端,变压器初级绕组的交流泄漏不会流到次级绕组和仪器电路,即使绝缘损坏,泄漏电流只能流向屏蔽保护接地线,有效阻挡了来自电源的泄漏,仪器测量电路不会带电,得到了有效保护,如图3所示。

图3　电源变压器有保护端原理图

1.2数字电压表检定中容易忽视的安全问题

大多数数字表的高端(Hi)对地电压为1000 V,低端(Lo)对地电压为500 V。也就是说拿这种数字表测量电压时,在直流电压源与测量用数字表正负极一一对应情况下可以测量1000 V电压,不会对数表造成损害。数字电压表检定规程中要求在数字电压表每个量程的满量程点测正反两个电压值,如果输出电压源不具备反相电压输出功能,检定人员通常会将直流电压源的输出线对调。这时由于数字表的低端(Lo)对地电压仅为500 V,如果此时加的反向电压超过500 V,那么数字表将损毁,这是经常忽略的问题。所以如果电压源无反向输出功能,注意一定不要超过测量用数字表的低端(Lo)对地电压最大值。

当数字表测量满量程点500 V的反相电压值时,测量的直流电压源没有接地,而恰巧此时220 V交流工作电源泄露,会对测量用数字表造成更大的反相电压值,即高端电压(Hi)=500 V±220 V×1.414=500 V±311 V,如图4所示。直流电压源串入的220 V工频干扰电压会与直流电压源输出的反向500 V电压相叠加。

图4　直流电压源未接地工作电流泄露图

1.3测量仪器不接地时电源泄露原因分析

干扰信号同时加在输入高、低端时,称为共模干扰信号。共模干扰信号会在输入端形成不同回路,在高、低端产生不同的影响,变成加在输入端的串模干扰[3]。共模干扰是共模干扰电流流经高端、低端影响之差,输入高端常常为高输入阻抗,因而共模电流对低端回路影响较大,如图5所示。

图5　共模干扰信号原理图

泄漏的交流电源相当于在校准仪器与数字表的机壳间加了共模电压VCM=220 V,如此大的共模电压会严重影响仪器的正常工作。测量电路共模电压不准许超过1 V,泄漏电流大时就会损坏仪器。特别当标准器输出电流时,被测仪器电源泄露,致使标准器灌入反向电流,极易造成标准器损坏。

2　电气测量接地安全隐患的解决措施

首先,只校准电源变压器有屏蔽接地保护的交流供电仪器, 对于无保护接地的交流供电仪器可以测量仪器输入端的对地电压,应该小于3 V。其次,让测量电路浮动提高共模干扰抑。为了实现测量电路浮动,要将接地的数字电路与模拟测量电路完全绝缘分开,与外部的通讯数字部分要接地。模拟测量部分与数字电路分别供电,之间的信息交流用光电耦合实现[4]。由于测量电路与接地的电路之间总会存在泄漏电阻,共模干扰信号仍然会在输入低端形成回路。因此采用双层屏蔽技术,以进一步提高共模干扰抑制能力,如图6所示。

图6　采用双层屏蔽原理图

由输入回路阻抗和泄漏阻抗组成的分压器会对共模信号实现衰减,衰减的系数为rLO和Z1的分压,即, CMRR=rLO/(Z1+rLO)。将模拟测量电路单独屏蔽,称为Guard,将输入引线屏蔽连接至Guard[5]。由于使用屏蔽保护连接,共模信号会被进一步衰减。因此输入屏蔽保护电阻rG和内层屏蔽泄漏阻抗Z2的分压器会对共模信号首先衰减,其附加衰减系数为

CMRR=rG/(Z2+rG)

由泄漏阻抗和屏蔽阻抗组成的分压器会对共模信号衰减进一步衰减,故总计衰减系数为

CMRR=rG·rLO/(Z1+rLO)·(Z2+rG)

使用屏蔽外部连接的双层屏蔽可以提供比单层屏蔽附加60 dB以上的抑制能力,所以能实现最好的共模抑制能力[6]。

精密仪器均采用双层屏蔽技术来提高共模干扰抑制能力。两台仪器连接时,共模干扰主要来源于各仪器接地点间存在电压和工频电源对仪器的泄漏,建议用导线连接测量仪器(表)和被测仪器(源)的机壳,这样可以消除仪器接地间的共模电压。此时,共模干扰的主要来源是电源对仪器的泄漏。为了保证仪器可靠接地,可使用专门的连接地线。许多标准实验室内连接了专门的地线,常用仪器应该将地线连接到仪器机壳上的接地端钮,可以保证仪器可靠接地,不依赖电源电缆,减少接地线路中的电压和共模电压。

3　结　语

实验测得,采用双层屏蔽测量直流信号时,一般对工频干扰可以达到120～140 dB,相当于衰减至一百万倍至一千万倍,此时10 V的交流干扰仅会产生近30 μV的跳字变化。测量交流信号时,一般对工频干扰可以达到70～90 dB,相当于衰减至三百倍至三千倍,此时10 V交流干扰仅会产生近3 mV的误差。如果精密测量仪器不接地,就相当于第一层屏蔽功能丧失成为单层屏蔽,测量直流信号时一般对工频干扰可以达到60～80 dB,相当于衰减至一百倍至十万倍,此时10 V的交流干扰就会产生近1mV的跳字变化。测量交流信号时,一般对工频干扰可以达到30～50 dB相当于衰减至三十倍至一千倍,此时10 V交流干扰就会产生近30 mV的误差。

由此可见,电气测量仪器采用正确的接地、屏蔽方法不仅可以有效杜绝电气测量安全事故,还可以提高测量精度。

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CHEN Guanglu. Grounding[M]. Chongqing: Chongqing University Press, 2002: 112-124.

(责任编辑侯世春)

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，工程师，主要从事电气测量工作。

TM930

A

2095-6843(2016)04-0328-03