做实验室电气系统时需要注意的几个问题

做实验室电气系统时需要注意的几个问题
实验室环境建设是一门多学科的综合性的技术，但在实验室建设或装修过程中，往往忽略如地线、地板、电源的不稳定等因素对仪器造成的影响，导致仪器在运行过程中出现不明原因的停机，或因供电系统问题而造成电子设备的测量结果错误，有的甚至会使电子仪器损坏，有时还会发生仪器外壳带电的现象，造成人员安全问题。究其原因，主要在于：

( l ）总体布线不符合要求；
( 2 ）供电系统供电方式的选择存在问题；
( 3 ）实验设备的供电电源线存在问题；
( 4 ）供电系统没有安装接地保护装置；
( 5 ）静电防止没有做好。

下面我们根据实验室多年的工作经验，就这些问题提出一些看法。
1 总体布线
实验室的电气建设应在装修过程中就有所考虑。为避免不同负载之间的互相干扰，测试用电、照明办公用电和仪器用电一定要分开布线。测试用电布线应直接连到测试桌面，一般应分成两路，以适应不同场合的要求。一路为120v, 60Hz，带20A断路器；另一路为220-240V,50Hz，一般须带16A的断路器。在设计线路时还要考虑到微电子仪器与大功率用电器不能共接在同一条线路上，微电子仪器对电源质量的要求比较高，大功率仪器的频频启动会产生脉冲电压，而这些脉冲电压很容易损坏元件或引起读数波动、数据丢失等故障。敷设电线时最好多留些余量，电线比实际要求粗些，如果电线太细，不但容易引起电线发热、加速电线老化导致火灾。
2 配电系统的供电方式调整分析
随着科技的发展，各种实验设备的集成化程度越来越高，CMOS集成块被广泛运用于各种电子实验仪器和设备，但因供电方式和保护措施不当，其损坏率逐年上升，造成较大 的经济损失。在三相电力系统中电源中性点的工作状态有两种，一种是中性点直接接地系统，另一种是中性点非直接接地系统。
( l ）中性点直接接地系统其主要特点是在单相接地时中性点电位不变，故障点相对地电压也不增高，等于相电压。人体触及非故障相时，相对降低了接触电压值，有利于人身安全。但当发生单相直接短路故障时，短路电流很大，能使继电保护瞬时动作，开关跳闸，切断故障电源，使得系统供电的可靠性大大降低。一般在110kV以上的电力系统，才采用中性点直接接地系统，实验室供电系统的电压较低，一般不选用此种供电方式。
( 2 ）中性点非直接接地系统当电路发生单相接地时，各相对地电容发生变化，对地电压也随之发生变化，接地相相对地电压为零，其余两相电压升高3倍左右，即为线电压，此时中性点的电位不再为零，其对地电压为相电。中性点不接地系统的优点是：当发生单相接地时，网络中线间电压的大小和相位差仍然维持不变，且其单相接地电流仅为0.0304A，远小于负载的电流，对用户无影响。同时，在这种系统中，由于未接地相电压升高3倍，对线路的绝缘并无大的危险，只是对线路的绝缘要求稍微高一些，此系统供电的可靠性大大增强。一般在电压为1000V以下的三相三线制供电网络常采用中性点不接地方式，它在现有的配电系统中约占80％-90％。从各个实验室要求供电的可靠性、安全性和大部分设备本身对供电的要求方面考虑，实验室最好将供电系统改造成中性点非直接接地的供电系统，并配有相应的接地保护装置。
3 实验设备的供电电源线问题及解决办法
实验室的设备较多，而许多设备都是单相两极插头，大多数实验室的供电系统是单相供电，即：一根火线，一根零线，到底哪根是火线，哪根是零线无法用肉眼判断，一旦实验设备两个插头方向插反，就会使机壳带电，而实验设备放置在与地面绝缘的木制实验桌上，故两设备机壳之间的电位差近于电源电压220V，当实验人员一只手接触设备1，另一只手触及设备2时，该实验人员就会触电。若不采用相应的防触电保护措施，是相当危险的。解决的办法是将设备的火线、零线和地线区分开，将设备的单相两极电源插头改换成单相三极插头，并将设备的地线与实验室整体地线牢固连接，这样实验设备的火线、零线、地线不存在错位的问题，大大提高了用电安全的可靠性。
4 用电安全与接地问题
实验室用电安全问题是极为重要的课题，它不但关系实验设备安全，而且关系学生实验时的群体人身安全，我们必须给以足够重视，采取相应的保护措施。如将电气设备的不带电金属部分与大地间作良好的电气连接，可以保护人身的安全。
( l ）接地保护装置用于TT 系统对于三相供电系统是采用中性点直接接地的供电系统，在中性点直接接地系统中应用保护接地，即构成Tr 系统，如图1 所示。这种情况对保护接地电阻的要求很高，接地体的接地电阻越小，人体所能触及到的接触电压愈低，流过人体的电流也越小，若接地体的电阻为几欧，则流过人体的电流几乎近于零。可采取一些措施降低接地电阻，如组成复合接地体或接地体组、增加接地体的利用系数、对接地处周围的土壤进行处理等。采用保护接地，可以避免或减轻触电危害，因此实验室的各种电子仪器、仪表、设备传动装置、配电屏、控制台等均应实行保护接地。
( 2 ）装漏电保护器漏电保护器在竹系统中的应用研究，如图2所示。当发生碰壳短路或单相设备电源线火线零线插反时，漏电保护的漏电动作系统IDZ为30mA 。只要满足RD=VD/IDZ= 36/30x10-3=1200(Ω）。显然，漏电保护器应用于竹系统中可以大大降低对接地电阻值的要求，一般取RD≤100Ω，这很容易实现。因此在实验室安装漏电保护装置比设备外壳直接接地更能有效防触电，但它跳闸次数的增多降低了供电的可靠性，对于微机实验室及一些高精密实验室不适用。特别注意：在TI系统中，安装漏电保护器和不安装漏电保护器的设备不得共用一组接地装置。

( 3 ）采用保安接零对于中性点直接接地的供电系统，可以采用保安接零的方法防止触电。保安接零就是将电气设备的金属外壳直接接到系统的零线上，但必须保证零线的施工质量，如图3 所示。当碰壳短路事故或单相设备火线和零线插反时，短路电流经金属外壳和保护零线组成闭合回路，使保护装置迅速动作，切断电源，防止人员触电事故。

在保安接零的系统中，除中性点实行工作接地体外，还必须在零线上的一处或多处实行重复接地。当系统中发生单相碰壳时，可以降低零线的对地电压，以及当零线断线后减轻故障后果的严重性。当零线在某处发生断线时，如果断线后面的电气设备发生碰壳短路事故，而又未采用重复接地，则接在断线后面的所有电气设备的外壳上都带有近于相电压值的对地电压，这是相当危险的。若采用重复接地，而接地电阻Rn小于4Ω左右时，则可以计算出断线点前后保安接零线的对地电压均为110V，大大降低了零线对地电压，减轻了故障程度，我们在实际改造电网中，可采用多处重复接地，并尽量使接地电阻为10Ω以下，以减轻故障程度。实验室地线采用多根接地体组成环路式接地装置，此种接法电位分布比较均匀，而且接触电压与跨步电压均小，并在接地体外侧尤其是人口处敷设一些扁平钢筋，这样使埋人扁钢处地面上的电位分布较为平坦，可以大大降低跨步电压。

5 静电的防止
静电对仪器的影响最大，它像看不见的杀手。众所周知，当两个相互摩擦物体表面正负电子数目不相等而产生静电，这个充电过程是磨擦造成的，只有通过放电恢复原来状态。典型的例子是在地毯上行走的人（磨擦生电），接触门上的把手时会被电击（高压放电）。有关资料报导人在地毯上行走会产生1200V电压，某些场合竟高达3900v，在塑料地板上行走会产生4000V静电，最高为13000V，而在不铺地毯或地板的地面上走路则不会产生静电，当人体感到静电作用时，电压起码有2500v，这足以使电子设备发生故障，即使没有感到静电的作用，也不意味着不需要静电防范措施。在许多仪器的电子装备中，集成电路的芯片会被10伏这样小的静电所干扰，即使加上防静电装置的电子元件，一般也抵抗不住500V以上静电作用。静电干扰不仅能破坏仪器内存，引起仪器错操作，严重的会烧毁电路芯片和整个电路板。在防静电干扰方面应注意以下几点：

( 1 ）要确保所有仪器接地良好三端插头中接地端不能开路，特别进口仪器，有些源插头只有两插与国内插座不配套，不少人图省事甩掉接地端，这是十分危险的，应设法更换电源插头。
( 2 ）不要在实验室中铺设一般地毯不使用尼龙等人造纤维地毯，或者绝缘性能良好的地毯，应使用抗静电地毯或地板。这些抗静电地毯或地板有导体与地面连接，不会产生静电。

6 结论
通过对以上问题的分析和探讨，得出一个结论，仪器能否正常运转，人员是否安全，与实验室电气的安装有着密切的关系，因此，在实验室建设、装修过程中，对仪器功率的大小、仪器摆放的位置、电线的容量和布线、防静电的措施等，都要进行总体的设计，实验室有一套功能完备、运作良好的电气设备，才能保证实验室仪器的正常运行。