电气安全 第一章 电气安全基础.docx

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电气安全第一章电气安全基础

«电气安全»绪论

一、课程性质：

建筑电气与智能化专业的专业课。

二、学习目的及任务：

本课程具有较强的基础性、实用性和综合性的技术特点，内容涉及面广泛，通过本课程的学习，使学生了解供配电系统及建筑物内电气危害产生的途径与种类，掌握分析电气危害的基本理论，掌握电击防护、过电压防护和雷电防护的工程方法，建立电气环境安全的概念，从而为学生毕业后从事电气专业工作奠定基础。

三、学习要求：

1、注意理论联系实际，既要注重理论知识的学习，同时也要注重实践环节的学习。

2、上课应认真听讲，重视基本概念及理论的学习，认真完成课程作业，通过做题来进一步巩固和理解所学内容。

四、考核办法：

本课程为闭卷考试课程，学生课程总评成绩由平时成绩（占30%，其中：

出勤10%；作业15%；课堂提问及学习主动性等5%）和期末考试成绩（占70%）两部分组成。

五、参考书：

教材：

«电气安全»杨岳主编机械工业出版社2010

参考书：

1、«电气安全工程»杨有启主编首都经贸出版社2000

2、«低压电气安全»傅洪畴主编中国标准出版社1994

3、«电气装置和安全及防护手册»

提示：

电气安全课程的主要内容由安全用电技术、高电压技术、电气环境安全技术等相关技术内容综合而成，该课程内容涉及面广泛，具有较强的基础性、实用性和综合性的技术特点。

第1章：

电气安全基础

§1—1电气安全问题的立论

1、电气安全问题的背景

随着社会的不断发展，科学技术的不断进步，与该过程相伴随的不利因素——负面效应也逐渐显露，并且渗透到每个技术领域，有些负面效应的严重程度也威胁到人类自身的存在，该问题的出现已有悖于人类认识和改造自然的初衷。

1、现实背景：

随着科学的发展，电气技术的应用日益广泛，无论是现代生产，还是生活都离不开电能的供应、使用。

电气工程已成为现代科学技术、领域中重要的技术支撑，占有举足轻重的地位，在电气工程技术领域中存在的负面效应是广泛而深刻的，电气安全问题则成为这种负面效应的重要组成部分——现实背景。

2、社会背景：

社会对电气安全问题极为重视，发达国家不仅在安全生产方面有严格要求，而且对涉及用户人身安全和公共环境安全的问题更具有严格的规范。

随着我国生产力的快速发展，现代化程度的不断提高，用电量的不断增大，电气安全问题也逾来逾重视——社会背景。

3、自然背景：

除了人为的利用电磁能量外，自然界也存在着各种电磁过程，如雷电、静电、宇宙电磁辐射等，它们影响着人类活动，且随科技发展水平提高，危害日益增大，如何应对？

——自然背景

4、学科背景：

“电”的应用途径：

能源、信息载体，因此电气安全问题既是电力、通信、计算机、自动控制等领域所共同面临的问题，同时又是涉及到材料选用，设备制造，设计施工及运行维护等诸多环节，故电气安全问题具有丰富的学术内涵及广泛应用的范围——学科背景。

二、电气安全问题的工作现状：

发达国家社会对电气安全问题极为重视，尤其是涉及用户人身安全和公共环境安全问题，予以了严格的规范。

而我国在这方面由于过去的观念和体制的原因较为忽视，至今差距较大，主要体现在：

1、认识不足。

2、技术标准落后，体系不清，标准间的配合不严密，有些甚至相互矛盾。

3、从业人员相关知识不够系统、完善，一些错误的概念、术语、方法等还在被广泛地使用如火线、零线、接零保护等。

4、工程项目中，错、漏安全技术措施的现象非常普遍。

（如住宅卫生间的等电位联结极少实施，RCD误动被大量取消等）

以上问题中，认识不足和知识体系不完善是根本原因，要解决这些问题，必须从专业人员的专业教育入手，只有专业人员具备正确的认识和知识才可能在全社会提高电气安全水平。

电气安全问题不仅作为一项基本常识和制度让人去认识，同时又作为一门技术去掌握，消除长期以来对电气安全的模糊认识，以科学的态度认识它，用工作的手段去应对它。

课程将对电击防护、雷电防护、过电压防护及电气环境安全问题进行论述学习，从理论和实践两方面对电气安全问题进行分析研究。

§1—2电气危害

电气危害从产生的源头分：

自然因素产生的危害、人为因素产生的危害。

从发生危害的特征分：

电气事故和电磁污染。

见P3表1-1所示——电气危害的种类及原因

一、供配电系统产生的电气危害

1、对系统自身的危害：

⑴短路：

电流大、升温快，要求自动装置迅速切除，否则产生的后果严重。

⑵过电压：

危害设备的绝缘，严重者会导致短路。

⑶绝缘老化：

绝缘老化的结果，使系统可靠性下降，威胁系统的安全运行。

2、对用电设备、环境和人员的危害：

⑴电气伤害：

可直接导致人员死亡、伤残或二次事故。

现状：

我国居民民用用电量在总用电量中所占比例仅为发达国家的1/3，且人均用电量仅为日本1/8、美国1/11、北欧1/22，但电击事故却远远超过发达国家。

⑵电气火灾：

因接触不良方式过载而引起的火灾。

现状：

我国电气火灾占火灾总数的30%（发达国家，如日本仅占2%-3%）。

⑶电压并常升高而造成用电设备的损坏。

预防措施：

正确预测负荷；合理设置保护；提高产品质量；规范施工安装；加强运行管理和维护等。

二、雷电和静电产生的电气危害（防雷措施：

避雷针、线、网、带、避雷器）

1、雷电的危害：

雷云的放电，电流大（最大200千安），温度高（最高10000℃以上），危害极大，且会产生过电压，危害设备及线路的安全。

2、静电的危害：

主要是静电产生的强磁场和高电压，静电电气火灾的原因之一，对电源设备的危害也很大。

预防措施：

消除静电产生的条件；削减静电的效应。

三、电气危害的特点及规律

1、电气危害的特点：

⑴非直观性：

看不见、听不到、嗅不着，本身不具备人们直观所能识别的特征，危害的潜在性、隐蔽性。

⑵途径广：

由于供配电系统所处环境复杂，电气危害产生的和传递的途径，防护十分困难。

⑶能量范围广：

雷电流超数百千安，人体电击致死电流50mA以上。

⑷工作用时间长短不一：

雷电作用仅数十微妙，绝缘老化可若干年。

⑸不同危害之间的关联性：

绝缘破损→短路→火灾

2、电气危害的规律：

⑴电气危害总是伴随着能量的非期望分配。

⑵电气危害的发生总是伴随有电气参数或特性的变化。

变化：

量值大小，特征、组合特性等,成为判断某种危害是否发生的关键和依据。

§1—3绝缘技术基础

绝缘指用电介质对带电导体进行封闭和隔离并使电能在设定的通道中传输的技术措施，它即是电气设备及装置的电击防护基本的措施，也是保证其正常工作的基本条件，其基本指导是思想是要尽可能降低电击发生的可能性，是预防措施而不是补救措施。

而绝缘由绝缘材料来实现，绝缘材料分气、液、固三种，研究他们的放电和电气强度等性能将有助于绝缘结构的设计和正确使用，以防老化而引起绝缘性下降，本节将讨论这些问题。

一、绝缘材料的电气性能与耐热性：

1、绝缘材料的电气性能：

绝缘材料是一类导电能力很小的材料的总称，又称电介质。

本质特征：

材料中基本没有可自由移动的载流子。

参数界定：

电阻率不低于107Ω·m。

用途：

对带电导体进行封闭、隔离。

物态：

气体、液体、固体绝缘。

绝缘按物态分为气体绝缘和液体绝缘、固体绝缘三种。

典型材料：

空气、变压器油、塑料……现分别就其电气性能讨论如下：

（1）电介质的极化、电导和损耗

研究电介质的极化，电导和损耗是分析其电气性能的基础，也是研究绝缘材料老化的基础。

1）极化

电介质在电场作用下所发生的束缚电荷的弹性位移和极性分子趋向的现象叫极化，极化又分有损极化与无损极化。

无损极化：

中性分子在外电场作用下正、负电荷中心分离但外电场消失后会重新重合，无能量消耗，又称弹性极化。

有损极化：

偶极子在外电场，作用下重新取向，外电场消失后不复原，有能量消耗，又称非弹性极化。

电介质等效电路的物理意义（三个支路的解释---课堂释义）。

2）电导

反映电介质导电能力大小，介质中少量载流子在电压作用下发生的定向运动，产生电流----电导电流（泄漏电流）。

3）介质损耗

交变电压作用下绝缘介质中产生的有功功率损耗，简称介损，在一定条件下反映电介质绝缘性能的优劣和老化程度及速度的快慢。

1介损机理探讨。

交变电压作用下介质中主要会产生电导（泄漏）损耗和极化损耗两种现象。

电导损耗即介质中少量载流子在电压作用下发生的定向运动，产生电流，由此产生的损耗叫做电导损耗或泄漏损耗。

极化损耗即有损极化产生的损耗。

2介质损耗角δ。

介损功率与介质体积、外加电压等有关，不能表征材料性质，介损角δ只与材料有关。

工程上一般测量介损角正切值tanδ，称为介损因数，其大小反映电介质绝缘性能优劣和老化程度及速度快慢。

（2）、绝缘材料的电气参数

1）绝缘电阻率。

ρ>107Ω·m与温度反相关，温度特性与导体相反。

2）介质损耗因数。

3）介电强度。

指绝缘不被击穿所能承受的最大电场强度，又称介质强度。

介电强度不仅与绝缘材料本身的性质有关，还与外加电场的形式有关。

如直流与交流电压作用下，介质的介电强度可能不同，介质介电强度受环境条件影响较大，如温度、湿度、压力等。

举例：

正常条件下空气介电强度为3kV/mm。

•小结：

绝缘材料的最常见电气参数为：

绝缘电阻率、介质损耗角（或介损因数）和介电强度。

这些参数只与电介质材料有关，与形状、体积等无关。

电介质材料电气参数受温度、湿度等环境条件影响较大。

（3）、电介质的老化：

指绝缘材料由于受热、电、氧、机械力、辐射、微生物等因素的长期作用，产生一系列不可逆的物理和化学变化，导致绝缘材料电气性能和机械性能的恶化

1）电老化：

电介质在电场长时间作用下，会逐渐使其物理化学性能发生不可逆的劣化，最终导致介质的击穿。

2）热老化：

绝缘材料在长期受热的情况下，性能逐渐劣化，失去优良的性能。

每一种介质均有最高的允许温度，其值有耐热性能决定，电工绝缘材料按不同的耐热性能分成7个耐热等级，见P8表1-2

3）绝缘的受潮：

绝缘的受潮导致电导及介质损耗增大，这就会促使绝缘进一步发热并提高热老化的速度，另外会使电老化发生，总之，对绝缘寿命不利！

2、耐热分级：

在保证寿命的前提下，根据绝缘材料所能长期承受的最高工作温度，可将它们分为若干等级。

见P8表1-2绝缘材料的耐热等级

二、绝缘结构及分类

1、绝缘结构的概念

由一种或若干种绝缘材料构成的绝缘体，称为绝缘结构。

绝缘结构可理解为由绝缘材料所加工成的零件在电气设备上的特定应用方式。

绝缘结构按功能可分为工作绝缘和保护绝缘。

2、按保护功能区分的绝缘形式

（1）基本绝缘。

带电部件上对触电起基本保护作用的绝缘结构。

（介绍工作绝缘）

（2）附加绝缘。

为在基本绝缘损坏情况下防止触电而附加在基本绝缘之外的一种独立绝缘结构，又称辅助绝缘。

（3）双重绝缘。

由基本和附加绝缘共同构成的绝缘结构。

基本绝缘和附加绝缘是可以分开的，各自本身就是一个独立的绝缘结构。

（4）加强绝缘。

相当于双重绝缘保护程度的单独绝缘结构，由一种或若干种绝缘材料构成，但不能分拆，是一个整体。

三绝缘检测与绝缘试验：

1、绝缘检测：

绝缘检测就是用仪器设备对设备的绝缘状况进行测量。

因为绝缘破坏是造成电击的主要原因，绝缘破坏有些是因偶然因素造成，有些设计不全面，制造缺陷或使用不当造成的，通过检测发现可能造成绝缘破坏的隐患，同时又测试了绝缘极限耐热能力，主要测量项目：

绝缘电阻及吸收比的测量，介损的测量，局部放电的测量，泄露电流测量，交流耐压，直流耐压，冲击耐压等。

2绝缘试验：

绝缘试验的目的在于发现绝缘的缺陷，以及时采取措施防患于未然。

绝缘的缺陷通常可分两类：

局部性或集中性缺陷；整体性或分布性缺陷。

电气设备的绝缘预防性试验分两大类：

一类叫非破坏性试验（特性试验）如：

绝缘电阻（吸收比）的测量，泄漏电流测量，介损测量，电压分布测量，局部放电测量等；另一类叫破坏性试验（强度试验）如：

直流耐压试验，交流耐压试验，冲击耐压试验等

（1）绝缘电阻和吸收比的测量：

用兆欧表测量绝缘电阻和吸收比K，是一项简单易行的绝缘试验方法，测试时在设备的上加上直流电压，测量流过的电流及其变化，并以此判断绝缘状况。

1）兆欧表的原理（也叫绝缘电阻表见P10图1-4）

指针偏转与电压无关而仅与绝缘电阻有关！

2）测试方法：

①原理：

当直流电压加在任何介质上时，流过它的电流随时间增长而逐渐减小，最终趋于稳定，这个稳定电流即为泄露电流。

此现象为吸收现象。

若绝缘状态良好，吸收过程慢且明显；若受潮严重，则漏电电流大，吸收过程快，吸收现象不明显，以此判断绝缘的状况。

②绝缘电阻R∞的测量：

（以绝缘套管为例）为防表面电流对测量的影响，应在表面卷金属线并接入屏蔽端，兆欧表转速应恒定在120r/min，并在60s后读数则为绝缘电阻值。

常用兆欧表的额定电压有：

500v,1000v,2500v,5000v四种，通常额定电压在1000v以上的设备使用2500v兆欧表测试而1000v以下通常用1000v兆欧表测试。

3）吸收比的测量：

对于电容量较大的设备如电机，变压器等，可利用吸收比测量，根据其R∞随时间的变化，以判断绝缘状况，通常测定加压后15s和60s的R∞值，并将两者比---吸收比作为判断依据：

K=R60/R15。

一般若绝缘良好，则吸收比现象特别明显，K值大于1，若严重受潮或有集中性局部泄露，K=1。

通常：

K≥1.3为绝缘干燥，K<1.3为绝缘受潮！

4）测试目的与测试结果判断：

①了解绝缘结构的绝缘性能、了解电气产品绝缘处理质量、了解绝缘受潮及污染状况

②检验绝缘是否能受潮受耐压试验、检验电气设备和线路能否通电运行

5）测试中应注意的问题：

①兆欧表测试电压的选取、测试前被试品的电源即对外的连线应拆除，并将其接地，以充分放电、测试时以额定转速（120v/min）转动，转速稳定后接入，读数稳定后开读。

②对大容量被试品测量时，测量结束时先断开兆欧表的连线，再停转，防残余电荷放电、注意屏蔽端的链接，且线路端与接地端不能靠在一起，记录当时的温度，湿度！

（2）、介质损失角正切值的测量

介质损失角正切值的测量是判断绝缘状况的一种比较灵敏的方法，在电气设备制造，绝缘材料鉴定以及绝缘试验等方面得到广泛应用，特别对受潮，老化等分布性缺陷比较有效，对小体积设备比较灵敏，是绝缘试验中常做的项目。

介质损失角正切值的测量常用的测量仪器是西林电桥，即西林电桥法。

1）交流西林电桥的工作原理：

（以QSI型西林电桥为例）

西林电桥由4个桥臂组成，

臂1为被试品C：

用Cx和Rx并联表示，臂2为标准电容器，一般为50PF，臂3、4为装在电桥内，调节部分（包括R3C4）G为检流计，测量时，调节R3C4。

2）接线方式：

①正接线：

电桥C是接电源的高压端

特点：

操作安全，准确度较高，但要求被试品不接地，适用于实验室不适用于现场。

②反接线：

当被试品一端接地时，测量只能用反接线，即D端接电源高压，C点接地。

特点：

适用于现场测量，接线简单，但调试时操作人员处于高压端，因此电桥本体应对滴绝缘，国产QSI型即为此方式。

3）、测试目的与结果判别：

测量是预防性试验基本项目，通过与历史比较判断老化的速度及程度，通过值的大小判断绝缘材料性能优劣。

该项目对受潮及老化等分布缺陷比较有效！

补充：

安全距离：

电压等级：

10kv35kv110kv220kv330kv500kv

距离（m）:

0.711.53.04.05.0

§1—4接地技术基础

一、电气地与电气接地

电气“地”：

可用作为参考电位且电容无穷大的物体。

用作参考电位:

任何扰动下，电位都保持不变。

（这一点实际上不可能完全做到），电容无穷大：

可提供或接受任意多的电荷。

电气“接地”：

将电气系统或装置上导体的某一部分与电气“地”进行电气连接的技术措施。

二、接地的分类功能性接地、保护性接地、电磁兼容接地。

1、功能性接地

为保证系统（设备）正常工作，或为保证系统（设备）正确可靠地实现其功能所作的接地。

过去又称为工作接地。

例如：

系统中性点接地，单极直流输电系统大地回流极接地。

2、保护性接地

以人身和（或）设备安全为目的的接地。

如：

安全保护接地，防雷接地，防静电接地，阴极保护接地。

3、电磁兼容接地

为达到电磁兼容的要求所作的接地。

又称高频接地。

三、接地装置原理构成及接地电阻

1、构成：

由接地体（金属）、接地线构成

接地体周围的土壤、岩石等虽然不是接地装置的构成部分，但对接地的电气性能影响很大，可视为与接地装置相关的外部因素。

接地体作用：

获取基准电位，提供电荷通道。

接地线作用：

将接地体连接点引至地面以上并与接地系统或设备相连。

2、接地电阻

R——直流接地电阻；

Ra——工频接地电阻；

Rsh——冲击接地电阻；

UE——接地点与无穷远大地参考点间直流电压；

IE——流入接地点的直流电流；

α——冲击系数，一般小于1。

四、地电位与地面（地中）电位分布

地电位：

即参考零电位，指距接地点无穷远处的大地电位。

相当于等效电路图中接地电阻下端电位。

地面（地中）某一点电位：

当接地体有电流通过时，附近地面（地中）某一点以无穷远大地为参考点的实际电位。

最高值等于等效电路图中接地电阻上端电位。

关于接地装置的利用方式问题

§1—5环境技术基础

一、环境技术与电气安全的关系：

电气设备总是工作于某一特定的环境中，不同的环境情况对电气设备正常工作的可靠性，使用寿命等，有不同的影响，我们把研究电气设备性能与环境情况之间的关系的技术叫环境技术，显然环境技术与电气设备的电气安全是密切相关的。

二、环境条件：

我国传统的称谓为“环境条件”。

IEC关于“外部条件”的概念内涵更深刻，而环境条件属于外部条件的一个组成部分。

根本区别：

是否包括环境中人及与人相关的因素。

按IEC“外部条件”进行介绍。

在IEC标准中，环境条件是所有外部影响因素的一个部分。

外部因素按代号分类：

代号一般由两个字母表示，第一个字母表示大类，第二个字母表示小类。

通常第一个字母规定：

A—环境B—使用情况C—建筑物结构

第二个字母规定：

A—温度B—湿度C—高度D—水

1、环境A：

⑴环境温度AA：

分六级，即：

AA1—AA6如：

AA1（-60+5℃）

⑵环境湿度AB：

分四级，即：

10%、50%、75%、95%（指相对湿度分）

⑶环境高度AC（海拔高度）：

AC1—2000m以下、AC2—2000m以上

⑷水AD：

分为AD1—AD8，详见P14表1-6

⑸外来固体物AE：

分AE1—AE4，见P15表1-7

⑹腐蚀性或污染性物质AF：

分AF1—AF4，例AF1-可忽略的。

⑺冲击AG：

分AG1—AG3，例AG1-轻微。

⑻振动AH：

分AH1—AH3，例AH3-强烈振动环境。

⑼其他机械应力AT

⑽植物或霉菌AK

⑾其它：

动物AL，雷击AQ…

2、使用情况B：

⑴人的能力BA

⑵人体电阻BB

⑶人与地电位接触BC

⑷紧急疏散条件BD

⑸所加工或储存物料的性质BE

3、建筑结构C：

⑴建筑材料CA；⑵建筑物设计CB

三、环境试验：

环境试验是将产品暴露在自然的或人工的环境条件下，使其经受此环境的作用，以评价产品在实际中使用，运输和储存环境条件下的性能。

环境试验分：

自然暴露实验、现场实验和人工模拟试验三种。

（1）自然暴露试验。

最准确，最难实施，很难重复，时效性最差。

（2）现场试验。

时效性较好，有一定可重复性，结果可行度取决于试验内容和方法。

（3）人工模拟试验。

可随时重复进行，时效性好，结果可信度高度存疑。

常用：

湿热试验、外壳防护、腐蚀、振动、耐冲击、着火试验等。

§1—6电气产品的安全论证

一、电气产品安全认证的基本概念

1、认证与认证制度

认证（Certification）：

由权威机构根据当事人提供的资料和其他信息，对某一事物、行为或活动的本质或特征，经确认属实后给予的证明。

要件：

被认证对象、认证机构、认证依据。

认证制度：

为实施认证活动而建立的一套规则、程序和管理制度，一般以法律或行政法规的形式固定下来。

2、电气产品安全的范畴

由国家标准GB19517《国家电气设备安全技术规范》规定，该标准覆盖交流50～1500V、直流75～1500V的各类电气设备。

3、产品安全认证与电气安全工程的关系

产品安全认证是电气安全工程的依据性基础。

二、常见认证简介

1、中国3C认证

2、美国UL认证

3、欧盟CE认证

作业：

P211-2、1-3；1-4、1-5、1-10