淺談實驗室電源容量估算、電源特性核查及接地系統(tǒng)

胡新宇

（應(yīng)急管理部四川消防研究所）

0 引言

對消防產(chǎn)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(jié)果，而往往忽略了電源容量不夠、電源質(zhì)量不穩(wěn)定、地線不達標的問題。其實這些是大問題，會對檢測結(jié)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(shè)施和環(huán)境條件應(yīng)適合實驗室活動，不應(yīng)對結(jié)果有效性產(chǎn)生不利影響，實驗室設(shè)施和環(huán)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(lǐng)域的應(yīng)用說明》中進一步對實驗室供電提出了明確要求：實驗室應(yīng)配備足夠的電源容量，當(dāng)實驗用電源特性對檢測結(jié)果有影響時，電源特性參數(shù)如電壓額定值、頻率額定值、電壓穩(wěn)定度、頻率穩(wěn)定度、總諧波失真等，應(yīng)符合檢測方法要求或保證檢測結(jié)果的不確定度在預(yù)計的范圍內(nèi)。CNAS-CL01-A003《檢測和校準實驗室能力認可準則在電氣檢測領(lǐng)域的應(yīng)用說明》還要求：實驗室進行高電壓測試時，應(yīng)按電壓等級提供有充分的安全保護的房間，或封閉區(qū)域并保證安全距離。充分的安全保護措施應(yīng)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(wěn)定的電源質(zhì)量，并為設(shè)施和設(shè)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(jié)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(tǒng)。

1 電源容量估算

實驗室電源容量估算應(yīng)充分考慮所有檢測設(shè)施設(shè)備的用電需求，也應(yīng)考慮進線變壓器的運行要經(jīng)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(tǒng)計如表1所示。

表1 檢測中心試驗基地用電器統(tǒng)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(tǒng)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(guān)系的系數(shù)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(shù)量較多，還有檢測業(yè)務(wù)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(shù)，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(shè)備的功率因數(shù)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(tǒng)運行不穩(wěn)定，電源質(zhì)量不好，嚴重時還會造成用電系統(tǒng)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(shè)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(jīng)濟性，通常變壓器負載率為70%時，能達到變壓器運行經(jīng)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(jù)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(wěn)定的電源特性可以讓檢測實驗室得到一致的、統(tǒng)一的、可重復(fù)的試驗結(jié)果。

（1）電源特性核查對象及時機

IECEE OD-5010僅適用于為被測設(shè)備供電的實驗室電源，且只適用于實驗室電源的穩(wěn)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(nèi)進行的，并在被測產(chǎn)品的正常操作條件下進行測量。實驗室電源特性核查應(yīng)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(zhì)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(jié)果應(yīng)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(yīng)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(diào)節(jié)器

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

圖 電源特性核查要求

（5）測量方法

第一步，在1h內(nèi)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(yīng)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(xù)運行的額定最大阻性負載，在1h內(nèi)測量測試位置的電壓、頻率和總諧波失真（THD），測試結(jié)果應(yīng)滿足規(guī)定要求。如電壓發(fā)生了變化，允許通過調(diào)節(jié)讓電壓回復(fù)到開路標稱電壓，并應(yīng)使測試位置電壓穩(wěn)定性保持在最大±3%的限值內(nèi)。

（6）電壓穩(wěn)定性、頻率穩(wěn)定性和總諧波失真（THD）

測量過程記錄下列數(shù)據(jù)：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(tǒng)

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

（1）接地系統(tǒng)一般要求

實驗室接地系統(tǒng)的組成參照GJB/Z 25－1991《電子設(shè)備和設(shè)施的接地、搭接和屏蔽設(shè)計指南》設(shè)施接地系統(tǒng)中規(guī)定設(shè)計。實驗室接地要求應(yīng)滿足GJB1210－1991《接地、搭接和屏蔽設(shè)計的實施》中的條款規(guī)定。實驗室接地系統(tǒng)分三路獨立接地，一路為設(shè)備接地系統(tǒng)，另兩路為測試接地系統(tǒng)，包括模擬接地系統(tǒng)和數(shù)字接地系統(tǒng)，應(yīng)明確區(qū)分各接地系統(tǒng)。設(shè)備接地系統(tǒng)接地電阻≤4Ω，設(shè)備接地電阻達到此要求后能很好保護設(shè)備和人員安全。測試接地系統(tǒng)接地電阻≤1Ω，測試接地電阻達到此要求能滿足測試結(jié)果不受干擾、或干擾在可接受范圍內(nèi)。

（2）接地系統(tǒng)接線要求

設(shè)備接地線和測試接地線應(yīng)分開敷設(shè)，避免相互干擾。測試接地系統(tǒng)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(tǒng)信號地線（弱電地）單獨接大地，應(yīng)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(tǒng)的接地型式及安全技術(shù)要求》，采用TN-S系統(tǒng)。對于由同一個變壓器供電的多個設(shè)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(tǒng)上，故障保護分系統(tǒng)的 地線應(yīng)在中線接地系統(tǒng)的同一位置上接到電源接地系統(tǒng)。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(tǒng)）

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(shè)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(dāng)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(yīng)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(yīng)當(dāng)有多根打入地中，并相互焊接成網(wǎng)狀才能滿足接地電阻小于4Ω的要求。接地體端部應(yīng)露出地面10～20cm以便連接（焊接）接地線。禁止在地下用裸鋁導(dǎo)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(shè)計的接地系統(tǒng)在不同地區(qū)的接地電阻值是不同的，甚至有很大差別。筆者所在地區(qū)土壤含水豐富，地下水位高，土質(zhì)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(xù)的導(dǎo)體，采用扁鋼（截面積應(yīng)大于48mm2）焊接，也可采用扁銅線。

（4）接地系統(tǒng)的確認

接地系統(tǒng)是設(shè)施設(shè)備經(jīng)由接地線和接地體到大地的低阻電流通路。接地系統(tǒng)建設(shè)初期經(jīng)測量確認達到設(shè)計要求。但長期使用后，接地體受土壤影響可能產(chǎn)生銹蝕，土壤和接地體之間接觸可能發(fā)生變化，接地體和接地線之間、接地線之間搭接有可能發(fā)生銹蝕或脫落，土壤導(dǎo)電率可能發(fā)生變化。上述因素的影響都可能導(dǎo)致接地電阻發(fā)生變化，所以應(yīng)定期對接地系統(tǒng)進行測量確認，如確認不符合要求，應(yīng)進行分析并采取適當(dāng)?shù)拇胧菇拥仉娮柽_到規(guī)定要求。

（5）安全接地的注意事項

實驗室所有的工作人員應(yīng)嚴格遵守設(shè)施設(shè)備的使用說明書和操作規(guī)程，實驗室內(nèi)應(yīng)明文公布安全注意事項，應(yīng)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(shè)施設(shè)備的操作人員應(yīng)熟悉設(shè)施設(shè)備的接地系統(tǒng)，確保自身和財產(chǎn)的安全。

4 結(jié)束語

足夠的電源容量、穩(wěn)定的電源質(zhì)量及良好可靠的接地系統(tǒng)是電氣檢測試驗的前提，能減小電源質(zhì)量及電磁干擾對檢測結(jié)果的影響，使檢測結(jié)果趨于真實。良好可靠的接地系統(tǒng)還是電氣檢測試驗的安全保障，使實驗室的人員和設(shè)施設(shè)備得到保護。