iec標準在電氣安全中的應用

iec標準在電氣安全中的應用

0國內電氣產品安全性能試驗研究隨著社會現(xiàn)代化日益增長的能源系統(tǒng)，其結構對可持續(xù)發(fā)展的能源系統(tǒng)提出了越來越高的要求，最重要的前提是“安全”。作為電力系統(tǒng)的重要組成部分,電力電氣設備的安全性能不容忽視。早在上世紀90年代,歐共體就以法規(guī)形式要求電氣產品必須經(jīng)安全認證(如CE、UL、GS、CB等認證標準)合格后方能進入市場流通。入關后,國內自主研發(fā)的眾多電氣產品一度由于缺少相關國際安全認證而在“國際化”道路上碰壁。所以,將電氣產品的安全性能作為考核其質量的關鍵指標,這是國內電氣產品與國際接軌的迫切需要。近年來相繼頒布實施的國家標準GB16836-2003量度繼電器和保護裝置安全設計的一般要求及國際標準IEC60255-27:2005量度繼電器和保護裝置第27部分:產品安全要求,它針對繼電保護產品提出了具體的安全性能要求。以往的型式檢驗中通常認為測量電氣間隙、爬電距離及絕緣性能即是對繼電保護產品安全性能的檢驗,然而通過對相關標準的學習,知道產品的安全性能檢驗工作必須依據(jù)新的IEC標準提出的內容進行全面檢驗。為了強化電氣產品安全性能試驗,電力工業(yè)電力系統(tǒng)自動化設備質量檢驗測試中心正式組建了電氣安全性能實驗室,通過結合產品嘗試開展了相關試驗,并在試驗中進一步分析標準。目前,實驗室已經(jīng)具備開展電氣安全性能試驗的能力,為電力系統(tǒng)繼電保護安全性能的檢測、評估、研究奠定了基礎。1繼電保護產品安全性要求IEC60255-27:2005將電氣設備進行了分類,按照不同的安全防護級別劃分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ類設備,根據(jù)不同類別的設備,提出了不同的安全要求,其中包括:(1)一般要求(接地和屏蔽),出于人身安全及減少干擾的考慮應使裝置可靠接地;(2)電擊防護要求及單一故障狀態(tài),細化了可接近部件和危險帶電部件的定義、范圍及防護方法,詳細地分析了電容器放電、保護阻抗、保護導體連接、泄漏電流、固體絕緣、電氣間隙、爬電距離及功能接地等各項要求,增加了單一故障狀態(tài)試驗的方法、合格判據(jù)及應用;(3)機械方面安全要求,從穩(wěn)定性、運動部件、邊和角等方面給出機械安全規(guī)定及試驗方法;(4)可燃性及防火要求,分析了過熱與著火的一般危險,給出了設備內部引燃源消除或減少、電纜敷設及熔斷、防火材料選用等指導性建議,規(guī)定了著火危險試驗的要求及評定方法;(5)通用和基本安全設計要求,規(guī)定了安全氣候條件、電氣連接、安全元件等各方面的安全性要求。該標準為保證繼電保護及自動化產品的安全運行提供了依據(jù)。GB16836-2003主要規(guī)定了量度繼電器和保護裝置安全設計方面的一般要求及其檢驗方法,該標準偏重于安全性能檢測試驗,其中主要引用了有關安全性能試驗的國家通用標準,如GB/T12501-1990電工電子設備防觸電保護分類、GB/T5169.10-1997電工電子產品著火危險試驗試驗方法灼熱絲試驗方法總則、GB/T5169.11-1997電工電子產品著火危險試驗試驗方法成品的灼熱絲試驗和導則、GB/T5169.5-1997電工電子產品著火危險試驗第2部分:試驗方法第2篇:針焰試驗及GB/T4207-2003固體絕緣材料在潮濕條件下相比電痕化指數(shù)(CTI)和耐痕化指數(shù)的測定方法等。繼電保護產品在現(xiàn)場運行中存在著包括電擊、著火、機械、輻射、化學等多方面的危險形式,因而此類產品在安全性能方面必須達到以下幾點條件:(1)在預期的環(huán)境條件下能抵御外界的非機械的影響,而不危及人身與設備的安全;(2)在滿足預期的過載條件下,不應危及人身和設備的安全;(3)在可預見的過載條件下,不應危及人身和設備的安全;(4)應有對人體的直接觸電或間接觸電所引起的身體傷害及其他危害有足夠的防護措施;(5)不應產生危害人身安全的溫度、電弧或輻射等危險;(6)絕緣性能應滿足各種預見的情況;(7)對危害人身和設備安全的其他危險應有足夠的防護措施。出于電力工業(yè)的特殊性考慮,所有的繼電保護都會遇到非正常工作條件,甚至會在故障條件下或引發(fā)故障的過程中工作。通過對相關標準的分析及有關產品的調研,發(fā)現(xiàn)產品被誤用或在非正常溫度環(huán)境條件下,都會存在危及人身和設備安全的狀況。因此,繼電保護產品在安全性方面應遵循“能夠消除、減小危險并對危險進行防護”的原則。若實行這一原則會削弱產品功能,則應使用獨立于產品的保護措施;若采取上述方案及其他措施均無法保證其安全,則應對發(fā)生危險的部分采用標識并說明;對于存在安全隱患的零部件,應采用安全保護的方式限制接觸;對于產品中可能存在的潛在危險,應根據(jù)其造成傷害的可能性及嚴重程度在設備上標識或隨設備提供相關信息,方便專業(yè)技術人員獲取;應將避免誤用和可能造成危險的狀況等信息提供給用戶及使用人員。2安全性能試驗方法的研究與結果分析2.1試驗結論圖2電擊主要是由于電流通過人體而造成的,約0.5mA的電流就能在健康的人體中產生反應。電擊所引起的生理反應取決于電流值大小、持續(xù)時間和通過人體的路徑。其中,電流值的大小是電擊防護試驗的重點,接觸電阻則是決定其大小的關鍵因素。目前,檢測中心電氣安全性能實驗室進行的電擊防護試驗主要包括:(1)采用目測方法進行標準大氣條件下的安全標志檢查;(2)使用標準防誤插入及接觸順序試驗裝置和試驗指、銷、棒等儀器設備進行防止人體可觸及帶電部分檢查;(3)使用標準接觸電阻測試儀,利用伏-安法原理進行指定部位的接觸電阻測量;(4)使用標準泄漏電流測試儀對直接與保護接地端子相連的產品(Ⅰ類安全產品)和不直接與保護接地端子相連的產品(Ⅱ類安全產品)進行泄漏電流測量。通過對部分產品的電擊防護試驗得出如下結論:(1)國產繼電保護裝置通常使用金屬外殼結構,故能夠做到牢固可靠,帶電部分的絕緣涂層也通常能夠達到安全標準要求,當使用規(guī)定外力將試指推至裝置外殼各開口部分時,試指與帶電部分能夠保持足夠間隙;(2)產品帶電部位與接地端之間的接觸電阻值通常為毫歐級別,能夠滿足安全指標要求;大多數(shù)產品都直接與保護接地端子相連,其泄漏電流在微安級別,基本對人體不會造成觸電危險;(3)值得注意的是,國內生產的繼電保護裝置通常在外殼上并未設置安全標志,只是在有對出口產品進行CE認證等試驗需求時,才依據(jù)相關國際標準及合同要求進行印刷設置,這也從一個側面反映了產品安全性能評估在國內尚未得到足夠的重視。2.2火性染料試驗量度繼電器及繼電保護裝置中所有載流導體都會產生熱量,特別是在過載或短路狀態(tài)下產生的熱量更大,嚴重時甚至會使載流導體附近的絕緣材料溫度達到起燃溫度,從而使絕緣材料的零件產生燃燒及著火現(xiàn)象。著火危險試驗采用模擬燃燒和著火的原理,考核產品的阻燃特性。其試驗方法主要有灼熱絲試驗和針焰試驗兩種。灼熱絲試驗是模擬灼熱元件或載流導體在過載時產生的熱源,考核絕緣材料零件是否產生燃燒或著火。針焰試驗則是模擬點火源的著火危險試驗。2.2.1試驗分析與結論灼熱絲試驗主要針對產品的非金屬材質部件(如保護裝置面板塑料貼膜、鍵盤和繼電器外殼等)進行。試驗中通常切取大小合適的樣品并避開內嵌的金屬螺母、連接片等部件;被試樣品用夾具緊固并與灼熱絲相互垂直,如圖1所示;按不同的嚴酷等級對灼熱絲通入大電流加熱至規(guī)定溫度,灼熱絲頂部與被試樣品的接觸時間通常為30s,灼熱絲壓入樣品的深度限制在7mm。試驗中記錄從頂部施加灼熱絲開始到被試樣品及它下面的鋪底層起燃的持續(xù)時間、從頂部施加灼熱絲開始到火焰熄滅的持續(xù)時間、火焰的最高高度等數(shù)據(jù)。通過使用標準灼熱絲測試儀進行的灼熱絲試驗得出如下結論:(1)大多數(shù)厚度、硬度、韌性均較高的工程塑料(尤其是聚碳酸酯PC材料)部件,阻燃性能較好,能夠承受嚴酷等級為3級的灼熱絲試驗,燃燒火焰高度較低且在移開灼熱絲后能夠迅速熄滅,燃燒痕跡向周邊擴散的較少;(2)其他材質(如聚甲醛POM等)的工程塑料部件,在試驗時與灼熱絲接觸后即開始燃燒,火焰較高且在移開灼熱絲后無法迅速熄滅仍繼續(xù)燃燒,試驗后觀察燃燒痕跡發(fā)現(xiàn)周邊擴散較明顯,證明其阻燃能力較差。2.2.2燃燒時間和燃燒長度測定針焰試驗主要針對繼電保護產品中廣泛使用的接線端子進行,試驗前對火焰高度和試品位置的調整是試驗操作中的關鍵,如圖2所示。在試驗過程中應對被試樣品和周圍零部件及鋪底層密切觀察并記錄現(xiàn)象,測量試驗火焰移開瞬間至火焰熄滅或至被試樣品與其周圍零部件或鋪底層不再灼熱的時間。待燃燒結束樣品冷卻至室溫后,使用清潔干布擦拭樣品并測量燃燒長度。通過對不同廠家不同材質接線端子的針焰試驗得出如下結論:(1)正規(guī)廠家的品牌產品通常使用阻燃性能較高的聚酰胺(PA)材質,故在試驗火焰移開后能夠迅速熄滅且燃燒長度較短;(2)目前市面上出現(xiàn)了多種仿制產品,盡管與正品在外觀上差別甚微,但其材質阻燃性較差,會在試驗火焰移開后繼續(xù)燃燒甚至將端子完全燒毀。如此反差強烈的對比試驗結果提醒繼電保護裝置生產廠家不應為了降低成本而盲目選用質量(阻燃性能)差的接線端子等零部件,從而埋下著火危險隱患。2.3印刷板材質對cti試驗的啟示目前,繼電保護的“就地化”促使大量保護產品“戶外使用化”。繼電保護裝置若長期工作在高溫、污穢的環(huán)境中,會因固體絕緣材料的漏電痕跡或由漏電痕跡引發(fā)的腐蝕而加速損壞。相比電痕化指數(shù)CTI就是反映絕緣材料在潮濕條件下的相對漏電特性指標。CTI試驗主要針對保護裝置內部的印刷電路板(PCB)進行。目前市面上多層印刷線路板的使用越來越頻繁,布線的立體化密集程度越來越高,這就對PCB板的相比電痕化指數(shù)提出了越來越高的要求。CTI試驗可對廠家的PCB板選型給出指導性建議。試驗中擦凈電極后將切取的PCB板水平置于絕緣(或金屬)支撐板上,如圖3所示,施加規(guī)定的壓力使電極與被試樣品表面接觸良好,保持兩電極間的距離為(4±0.1)mm。調節(jié)儀器電壓值使其為25V的倍數(shù)。接通電源后調節(jié)可調電阻,使兩電極間短路電流為(1±0.1)A。調整好后將兩電極開路,對試驗電路供電,同時以(30±5)s的時間間隔滴電解液到兩電極間的樣品表面。被試樣品遭到破壞或滴完50滴電解液即可結束試驗。若不確定材料的性能,則起始電壓選取試驗電壓范圍的中間值,若樣品經(jīng)受住50滴電解液則增加電壓再做試驗,否則以25V或25V的倍數(shù)降低電壓再做試驗,直到獲得5個試驗點都能承受滴完50滴電解液的最高電壓值,即得出相比電痕化指數(shù)CTI。CTI試驗中,電極附近的試品會出現(xiàn)表面發(fā)白、分層剝離、“起泡”等現(xiàn)象,隨著電解液滴數(shù)和試驗電壓的增加,試品材質會被破壞,發(fā)生消損直至被擊穿。通過對不同廠家不同材質印刷電路板的CTI試驗得出如下結論:(1)由于多層PCB板往往用于CPU模塊,成本較高,所以其質量也備受關注,通常相比電痕化指數(shù)較高,能夠承受至少300V試驗電壓;(2)用于開關量模塊和繼電器模塊的單面PCB板質量就明顯出現(xiàn)了良莠不齊的現(xiàn)象,通常只能承受175-225V等級的試驗電壓,某些質量較差的PCB板則在滴液初始階段就很快被擊穿。3安全性能評估隨著國內電力自動化產品與國際