淺談實驗室電源容量估算、電源特性核查及接地系統

2022-03-26 08:56:30胡新宇

電器工業 2022年3期

胡新宇

（應急管理部四川消防研究所）

0 引言

對消防產品電氣檢測實驗而言，人們一般只注重實驗過程中檢測對象、檢測方法及與標準的符合性和檢測結果，而往往忽略了電源容量不夠、電源質量不穩定、地線不達標的問題。其實這些是大問題，會對檢測結果帶來不利影響。CNAS-CL01《檢測和校準實驗室能力認可準則》（ISO/IEC17025:2017）指出：實驗室設施和環境條件應適合實驗室活動，不應對結果有效性產生不利影響，實驗室設施和環境條件中包含供電和電磁干擾。CNAS-CL01-A003《檢測和校準實驗室能力認可準則在電氣檢測領域的應用說明》中進一步對實驗室供電提出了明確要求：實驗室應配備足夠的電源容量，當實驗用電源特性對檢測結果有影響時，電源特性參數如電壓額定值、頻率額定值、電壓穩定度、頻率穩定度、總諧波失真等，應符合檢測方法要求或保證檢測結果的不確定度在預計的范圍內。CNAS-CL01-A003《檢測和校準實驗室能力認可準則在電氣檢測領域的應用說明》還要求：實驗室進行高電壓測試時，應按電壓等級提供有充分的安全保護的房間，或封閉區域并保證安全距離。充分的安全保護措施應該包括良好的接地。只有實驗室配備了足夠的電源容量，提供了穩定的電源質量，并為設施和設備安裝了良好可靠的接地，才能盡可能減小不利影響，使檢測結果趨于真實。本文主要討論了實驗室電源容量估算、電源特性核查及接地系統。

1 電源容量估算

實驗室電源容量估算應充分考慮所有檢測設施設備的用電需求，也應考慮進線變壓器的運行要經濟可靠。

以下是所在的檢測中心試驗基地進線變壓器容量估算過程：

（1）用電器總負荷P總負荷

檢測中心試驗基地用電器統計如表1所示。

表1 檢測中心試驗基地用電器統計

（2）計算負荷值P計算

P計算=P總負荷×用電同時率。在電力系統中，負荷的最大值之和總是大于和的最大值，這是由于每個用戶不大可能同時在一個時刻達到用電量的最大值，反映這一個不等關系的系數就被稱為用電同時率，也被稱為同時負荷率。考慮到檢測中心試驗基地用電器數量較多，還有檢測業務量的問題，檢測中心試驗基地用電同時率為0.7。

（3）視在功率S視在功率

S視在功率=P計算/cosφ，cosφ是功率因數，考慮到檢測中心試驗基地大多為阻性負載，cosφ=0.8（本文是進行變壓器容量估算，所以這么取值，如果要精確計算，需要把逐臺套設備的功率因數放入計算）。

（4）進線變壓器容量S變壓器

S變壓器=S視在功率/變壓器負載率，變壓器負載率是變壓器輸出的視在功率與變壓器額定容量之比。變壓器負載率過高會造成系統運行不穩定，電源質量不好，嚴重時還會造成用電系統崩潰，損壞用電器和變壓器。變壓器負載率過低就會增大初期建設成本，造成浪費。既要考慮變壓器運行的可靠性，也要兼顧變壓器運行的經濟性，通常變壓器負載率為70%時，能達到變壓器運行經濟可靠的要求。

參考10kV變壓器容量系列，單位kVA：100、200 、315、400、500、630、800、1000、1250、1600、2000、2500、3200。

檢測中心試驗基地可選1000 kVA或1250 kVA進線變壓器。

2 電源特性核查

電源特性核查依據IECEE OD-5010《實驗室電源特性測量程序》。IECEE OD-5010《實驗室電源特性測量程序》是由檢測實驗室委員會（Committee of Testing Laboratories，CTL），參照IEC／ISO 17025《檢測和校準實驗室能力認可準則》的要求提出，以確定測量實驗室電源特性是否符合IECEE CB體系的要求。穩定的電源特性可以讓檢測實驗室得到一致的、統一的、可重復的試驗結果。

（1）電源特性核查對象及時機

IECEE OD-5010僅適用于為被測設備供電的實驗室電源，且只適用于實驗室電源的穩定性。測試是在實驗室電源的測試連接位置的最大額定電流范圍內進行的，并在被測產品的正常操作條件下進行測量。實驗室電源特性核查應在實驗室電源最初安裝、更改和維修時進行，以確認在測試連接位置有合適的電源質量。

（2）電源特性核查儀器

核查所需儀器：電壓表、電流表、頻率計、總諧波失真分析儀、阻性負載。

（3）電源特性核查要求

電源特性核查結果應符合檢測標準的要求。如測試標準未明確電源特性要求，電源核查連接位置特性應符合表2中的要求。

表2 電源特性核查要求

（4）電源特性核查示意圖及調節器

下圖為電源特性核查示意圖，電壓穩定性測試位置應選在距電源最遠處，頻率穩定性測試位置可選在線路中任意位置，總諧波失真（THD）測試位置應選在代表性線路的連接點。因市電不一定滿足穩定性要求，故需要在線路中應用調節器，調節器可以是圖中測試位置的可移動調節器，也可以是固定式調節器，還可以在交流總電源處安裝調節器對所有分支線路進行調節。

圖電源特性核查要求

（5）測量方法

第一步，在1h內測量測試位置的開路電壓、頻率和總諧波失真（THD），測出的開路電壓應符合IEC標準電壓及允許公差要求。第二步，在測試位置連接可連續運行的額定最大阻性負載，在1h內測量測試位置的電壓、頻率和總諧波失真（THD），測試結果應滿足規定要求。如電壓發生了變化，允許通過調節讓電壓回復到開路標稱電壓，并應使測試位置電壓穩定性保持在最大±3%的限值內。

（6）電壓穩定性、頻率穩定性和總諧波失真（THD）

測量過程記錄下列數據：最大開路電壓Voc,max；最小開路電壓Voc,min；最大負載電壓Vld,max；最小負載電壓Vld,min；負載電流I；標稱電源電壓Vnom；最大開路頻率Foc,max；最小開路頻率Foc,min；最大負載頻率Fld,max；最小負載頻率Fld,min；最大開路諧波失真THDoc；最大負載諧波失真THDld。

計算：

3 接地系統

實驗室接地系統包括大地電極分系統，雷電保護分系統，信號保護分系統，故障保護分系統，以及實驗室所在建筑內金屬構件，各種下埋管道，設備機架機座等不載流元件。它是導體和導電元件的電氣互聯系統，對大地形成多路低阻電流通路。

（1）接地系統一般要求

實驗室接地系統的組成參照GJB/Z 25－1991《電子設備和設施的接地、搭接和屏蔽設計指南》設施接地系統中規定設計。實驗室接地要求應滿足GJB1210－1991《接地、搭接和屏蔽設計的實施》中的條款規定。實驗室接地系統分三路獨立接地，一路為設備接地系統，另兩路為測試接地系統，包括模擬接地系統和數字接地系統，應明確區分各接地系統。設備接地系統接地電阻≤4Ω，設備接地電阻達到此要求后能很好保護設備和人員安全。測試接地系統接地電阻≤1Ω，測試接地電阻達到此要求能滿足測試結果不受干擾、或干擾在可接受范圍內。

（2）接地系統接線要求

設備接地線和測試接地線應分開敷設，避免相互干擾。測試接地系統中每個測試工位有兩個接地單元，各接地單元與接地母線之間采用就近多點接地連接。接地母線焊接于母線接線排，各接地支線用螺栓與母線接線排緊密連接，母線與支線間連接電阻≤0.1Ω。測試系統信號地線（弱電地）單獨接大地，應與功率地線（強電地）和機殼地線相絕緣，絕緣電阻≥200MΩ。實驗室保護地接地型式參照GB14050－2008《系統的接地型式及安全技術要求》，采用TN-S系統。對于由同一個變壓器供電的多個設備來說，將變壓器的中線接地，安全地線就近接到大地分系統上，故障保護分系統的地線應在中線接地系統的同一位置上接到電源接地系統。絕對不允許用電源零線作地線代替機殼地線。

（3）接地裝置（大地電極分系統）

接地裝置分為接地體和接地線。接地體可盡量利用自然接地體，如敷設在地下的各種金屬管道，但易燃易爆金屬管道以及包有黃麻、瀝青層等絕緣物的金屬管道除外。當自然接地體不能滿足接地電阻要求時，可采用人工接地體。人工接地體可采用下述方法：垂直埋入鋼管、角鋼或圓鋼等。垂直接地體一般均應用打入的方法埋入地下。角鋼接地體一般為40mm×40mm×4mm或50mm×50mm×5mm，長2.5m以上。端部稍尖以便打入土中。管形接地體一般采用直徑50mm、管壁厚度不小于3.5mm、長度大于2.5m的鋼管，一端打扁或削成尖形。一般應當有多根打入地中，并相互焊接成網狀才能滿足接地電阻小于4Ω的要求。接地體端部應露出地面10～20cm以便連接（焊接）接地線。禁止在地下用裸鋁導體作為接地體，但可用鋼管或粗銅線作接地體。但接地電阻受自然條件影響較大，同樣設計的接地系統在不同地區的接地電阻值是不同的，甚至有很大差別。筆者所在地區土壤含水豐富，地下水位高，土質電阻率低，達到1Ω或4Ω的要求比較容易。接地線要求是要保證接地線為連續的導體，采用扁鋼（截面積應大于48mm2）焊接，也可采用扁銅線。

（4）接地系統的確認

接地系統是設施設備經由接地線和接地體到大地的低阻電流通路。接地系統建設初期經測量確認達到設計要求。但長期使用后，接地體受土壤影響可能產生銹蝕，土壤和接地體之間接觸可能發生變化，接地體和接地線之間、接地線之間搭接有可能發生銹蝕或脫落，土壤導電率可能發生變化。上述因素的影響都可能導致接地電阻發生變化，所以應定期對接地系統進行測量確認，如確認不符合要求，應進行分析并采取適當的措施，使接地電阻達到規定要求。

（5）安全接地的注意事項

實驗室所有的工作人員應嚴格遵守設施設備的使用說明書和操作規程，實驗室內應明文公布安全注意事項，應用圖示的危險或警告符號警示所有的高壓源，以使工作人員免受電擊傷害。實驗室設施設備的操作人員應熟悉設施設備的接地系統，確保自身和財產的安全。

4 結束語