科研生产场所的用电安全隐患及主要检测参量

古维富, 尹 蕾, 梁栋程, 冉秀娟

(中国工程物理研究院计量测试中心, 四川 绵阳 621900)

0 引 言

大型科研生产场所存在用电负荷波动大,用电设备多,对供电质量要求高的特点[1],在用电过程时有发生电气安全事故,而严重的安全事故将造成大量的经济损失和较多的人员伤亡事例,带来极其负面的社会影响。一方面,将直接引发火灾、爆炸和人员触电事故,如2008至2018年间,国内火灾事故中因电源、插座等原因引起的火灾占比超过30%,居各类火灾之首[2];2020年,上海、安徽等地的生产工厂相继发生了配电箱和电力设备接地不良而导致的工人触电死亡事故。另一方面,因电能质量问题还会造成设施设备故障频发、数据不准确、寿命缩短等情况,如国内某公司的芯片测试仪,当供电电压低于85%时,导致芯片报废,测试仪停止工作,其内部电路主板出现故障;上海某特大型IT制造企业的资料显示,电压暂降事件导致其生产线的晶圆报废,生产流水线重启需数天时间,企业每年需承受数十万元甚至数百万元的经济损失[3]。科研生产场所在用电过程中存在的安全隐患及事故风险不容忽视,稍有不慎便可能造成不可估量的后果及损失。

因此,有必要开展生产场所供用电过程中整体电气安全的影响因素分析,研究各类生产场所在用电过程中存在的主要安全隐患及隐患成因,针对性研究并获取影响各用电环节安全运行的主要电气参数,明确生产过程的电气安全检测参量可为生产场所安全可靠的用电提供有效的理论与方法保障。

1 生产场所用电过程中主要隐患及原因分析

各类生产场所的主要供用电过程为:外部变电室提供的电能直接传输到大楼总配电柜,并通过总配电柜配送至各楼层配电箱或动力箱,经直接或间接供电终端向科研设施、设备等进行电能供给,同时根据现场不同的要求,设计相关的防静电和接地措施,对供电网络、科研设施、设备进行有效保护。重要生产场所主要供用电过程如图1所示。

图1 重要生产场所主要供用电过程

依据现有的研究及运行经验,本文将生产场所电气安全的主要因素划分为建筑终端配电系统、重要设备设施的电能质量、以及供用电接地系统三大方面,其主要事故及隐患分析如下所述。

1.1 低压终端配电系统的安全隐患分析

建筑物终端配电系统主要包括配电柜/箱线路布线、开关保护设备和供电终端三大环节。配电布线方面,若配电柜/箱内部布线不合理,如导线过长、接头虚接、断接,线色错标混标等问题易引发人员触电风险;若线材安全载流量过低、绝缘层破损、长期超负荷运行,则容易导致温升过高、绝缘保护失效,进而导致操作触电或火灾事故[4]。

电力保护开关设备方面,剩余电流动作保护器(RCD)和电涌保护器(SPD)承担着至关重要的安全保护作用。RCD作为主保护或者后备保护应用在配电系统中,当发生接地故障时能可靠识别并断开回路,有效保障避免人体触电或火灾的发生[5]。但现有的研究表明,RCD存在分合闸机构拒动、保护器灵敏度低等问题[6]。分合闸机构拒动的原因在于分合闸机构在设计制造过程中存在的缺陷,以及长期动作导致的磨损;而动作灵敏度低的原因在于长期使用运行及材料的热电老化导致的内部的剩余电流互感器或脱扣器性能变差。SPD作为配电箱内典型的过压保护装置,能把过电压限制在承受范围之内,能有效减小内外部电涌对配电系统或电子产品的损害[7-8]。但在长期使用中发现SPD失效现象频发,研究表明压敏电阻阀片老化是造成SPD性能下降及失效的主要原因。当ZnO阀片长时间处于较高的工作电压时,会发生交直流老化,使压敏电阻的伏安特性曲线不对称变化;ZnO阀片长期承受冲击电流后将极易产生冲击老化,可能使得SPD直接失效[9]。

供电终端则为生产场所电气安全事故或隐患极易被忽视的环节,常见的供电终端包括固定电源插座、移动电源转换器和固定式空气开关。过去10年间,因插座、终端电源等故障引起的火灾占比超过30%,居各类火灾之首;广东质监院2019年的研究表明,市面上超80%的移动电源转换器不满足国标要求。其中,由于施工质量、产品缺陷等原因,电源插座接线存在地线虚接、断接等现象,易导致人员触电事故;部分固定/移动电源插座的外壳或导线材料不符合规范要求,不具备阻燃特性,长期使用易导致插座温升过高,进而引发燃烧火灾事故。另外,部分电源插座插口存在极易拔出的情况,易导致设备突然断电或接触点松动产生电弧引燃的隐患。

1.2 电能质量的安全隐患分析

随着我国重要设施设备国产化进程的不断推进,以及高端精密设备的持续引入,终端电能质量对设备安全性及可靠性运行的影响日趋显著。国内外现有的文献及研究表明,供电电压偏差、电网频率偏差、高频谐波、三相电压不平衡、电压暂降与短时中断、电压波动和闪变等电能质量参数是导致设备故障频发、测试数据不准确以及使用寿命降低的主要原因[10-13]。

其中供电电压偏差主要由系统用电负荷持续在最大、最小负荷之间波动变化导致。若供电电压偏差过大,易导致感应电动机温升过高、影响转子转矩及电动机使用寿命。另外,电压偏差过大也可能造成计算机系统数据损坏,影响自动控制系统性能。电力系统频率偏差的形成原因与供电电压偏差类似,若频率偏差过大,易引起发电机组超速运行,使定、转子遭受冲击损伤;也将导致生产场所电动机出力改变,影响电动机驱动机械产品质量。

高频谐波主要由于大量非线性负载的接入而产生非正弦电流所致,一方面高频谐波易引起附加损耗增加,降低绝缘寿命;另一方面,高频谐波产生的交变电磁场极易干扰通信。另外,谐波导致的过零问题极易破坏电子设备的正常运行。

三相电压不平衡是由于用电负荷不平衡、线路接地或断线、消弧线圈补偿不当等原因造成,易引起电机的起动性能和过载能力下降。

电压暂降与短时中断是影响许多用电设备安全正常运行最严重的电能质量问题,电压中断通常由输配电网络自动重合闸动作、配电系统中常用电源与备用电源之间的转换等操作引起;电压中断一般由电网中发生短路、雷击或大功率设备启动等事件引起。当发生电压暂降或中断时,极易引起变频器、PLC控制器、接触器、继电器等工业电力电子设备的运行故障或大型试验设备的停运事故。

电压波动与闪变是由于冲击性、波动性以及非线性负荷的数量急剧增加或变化引起,其危害主要在于影响照明质量及照明设备的寿命;造成感应电动机的绕组线圈发热、损耗增加、并影响电动机的寿命及导致控制系统紊乱等问题。对于工业应用中的高端精密仪器设备,往往会使用不间断供电电源(UPS)、交直流稳压源等电能补偿装置,若此类设备出现运行故障或安全隐患,将直接影响其后端的电能质量,进而影响精密仪器的正常工作运行。

1.3 供用电接地系统的安全隐患分析

可靠接地是保障大型试验及生产安全可靠运行的核心环节之一。低压配电系统中主要有电源保护接地、防雷接地、等电位接地等保护手段,用电设备也需要进行电源保护接地、等电位接地、防静电接地及信号接地等保护手段。然而,实际情况中由于接地线缆的不达标、现场施工的不完善、土壤环境的改变、接地使用过程的误操作及接线混用等情况,有可能导致接地电阻过大、地线未接、断接、混接、接触不良等问题,最终可能导致信号干扰、设备误动作、设备烧毁以及人员触电等安全隐患或事故。其中,若防雷地接线或电阻不满足要求,则可能导致雷击时冲击电流无法快速释放,短时积累的冲击能量极易引起设备的损毁和伤人事故;若电源保护地接线或电阻不满足要求,当设备发生故障且电源保护地处于断开状态时,设备外壳将持续带电,发生人员触电风险;若防静电接地不满足要求,静电荷积累将形成较大的瞬态场强,发生空气击穿放电,对静电敏感设备或电子元器件造成损伤或引燃火工品;严格的信号接地往往直接从共地网上单独引线,如果信号接地系统与其他接地系统在地面以上发生了混用或搭接,则其他接地系统上的干扰信号则会显著影响信号或控制系统,造成设备的误动作或数据失真。

基于以上对科研生产场所用电过程的存在隐患及原因分析,影响生产场所电气安全主要事故隐患及原因如表1所示。

表1 影响生产场所电气安全主要事故隐患及原因

2 生产场所电气安全检测参量研究

2.1 低压配电系统的主要检测参量

对于内部布线及绝缘设置,设计缺陷、安装过程质量未得到保障、配电线缆持续高温等是造成问题及隐患的主要原因,基于已有的设计、检测标准,及国内相关事故案例总结,当配电柜/箱外观及结构、配电柜/箱内部布线位置及距离、接地端接地电阻、金属连接处过渡电阻、内部结构绝缘电阻、通电正常性、相序与极性、运行温升等检测参量满足安全技术要求时,内部布线及绝缘设置基本可得到有效的保障。

配电箱内部的重要电气保护设备为低压断路器、RCD和SPD,其中低压断路器主要实现发生电流过载、短路时对回路的保护切断作用,由于大电流的幅值、持续时间是造成安全事故的主要因素,则需开展低压断路器的开断(脱扣)动作电压、开断(脱扣)动作电流、断开时间的性能试验或检测,同时考虑到低压断路器可能频繁的手动操作及分合闸,则有必要开展其耐压强度和绝缘电阻以及短路和过载分断能力的检测,以保障操作人员和产品本身的安全性能。RCD是实现设备或线路故障漏电时的自动保护切断(或协同低压断路器保护切断)作用,同样,漏电流的幅值和持续时间是造成人员触电的主要原因,因此需开展RCD的剩余动作电流值、分断时间等的安全性能检测。另外RCD内部元器件较多,耐受强电压电流能力较低压断路器弱,为保证其运行的正常可靠,也需检测其耐压强度及绝缘电阻、剩余接通和分断能力以及剩余短路耐受电流等参量。SPD并联于线路与地线之间,若其核心泄流阀片压敏电阻材料发生老化,大大削弱其抑制电涌的效果,造成电力电子设备故障或寿命缩短甚至线路短路问题。因此,需从持续施加电压下的SPD压敏电压和泄漏电流等主要影响参数开展检测,同时测试其耐压强度及绝缘电阻。

供电终端中以固定电源插座和移动电源转换器产生的安全事故居多,接线线缆的材料质量不达标、施工不规范导致的接线错接、漏接、虚接以及线缆绝缘老化是造成安全隐患的主要原因。因此,对于固定电源插座,应开展防触电保护、极性和相序、最大/最小拔出力、保护接地的安全性能的定期检测;而移动电源转换器由于移动性强,与人员或其他物具接触频繁,为保证安全应开展防触电保护、极性和相序、最大/最小拔出力、保护接地、耐压强度及绝缘电阻以及持续工作时的温升检测。

2.2 电能质量的主要检测参量

对于供电电压及系统频率存在的偏差,其偏差超标程度及偏差超标时间占总运行时间的比例则是影响设备和负荷正常运行的主要原因,因此,需开展电压偏差度、电压合格率、频率偏差度、频率合格率等参数的检测监测。对于电网谐波,由于工频整数倍的谐波和工频非整数倍的间谐波对负荷及设备的影响效果存在差异,则有必要检测及监测谐波含有率和间谐波含有率,为谐波溯源及整治提供参考。对于电压的三相不平衡,则应该检测并确定其负序电压及零序电压占正序电压的比例,即确定三相不平衡度以衡量三相不平衡的具体程度。而对于电压波动与闪变、电压暂降与短时中断等危害程度最大的电能质量问题,则有必要直接检测其主要特性参数,即电压暂降和短时中断阈值、电压暂降和短时中断持续时间、电压波动频度、电压闪变时间等关键参数,为后续电能质量的优化改造提供依据与支撑。

对于生产场所重要精密的仪器设备,往往会直接采用UPS交直流稳压源等电能补偿装置进行电能质量优化与保障,但随着长期带负荷运行,电能补偿设备老化故障等问题将可能陆续发生,此时将难以保障高水平的电能质量。因此,有必要依据相关规程规范,对此类设备开展计量检测工作,即开展空载输出电压误差、输出频率误差、失真度、额定输出功率、电压调整率、负载调整率、效率、输出电压稳定性、转换时间等计量特性参数的检定校准,确保电能补偿设备准确可靠。

2.3 接地系统的主要检测参量

依据生产场所的电气安全保障目标,应从防雷击接地、电源保护接地、防静电接地和信号系统接地四个方面开展接地系统的检测工作。对各类接地系统而言,施工布线不规范将可能导致地线断接或虚接;线径过大、土壤电阻率过高、连接端接线不良、接地装置锈蚀老化、地线锈蚀腐蚀等均有可能导致接地电阻过大而产生事故。

为此,应针对各类接地的特点,从地线和等电位带布线拓扑结构、地线尺寸、地线布线方式、土壤电阻率、接地电阻、焊接处过渡电阻等角度开展接地系统的安全检测工作。

科研生产场所电气安全的主要检测参量如图2所示。

图2 科研生产场所电气安全的主要检测参量

3 结 语

本文针对生产场所内的整体用电流程,分析了安全隐患的主要存在场景,并提出了主要检测参量用以测试生产场所用电过程的安全性及可靠性。低压终端配电系统中,从内部布线及绝缘设置、电力保护开关设备、供电终端三个方面开展检测参量的研究;科研设施和设备中,从前端电能质量和电能补偿装置两个方面开展检测参量的研究;接地系统中则从防雷接地、电源保护接地、防静电接地以及信号接地等方面开展检测参量研究。针对各个方面分析,提出了主要的检测参量,研究结果可为科研生产场所安全用电活动提供系统性的检测参量。