2025年氢能系统电气安全培训试卷及答案

2025年氢能系统电气安全培训试卷及答案1单选题（每题2分，共30分）1.1在35MPa车载储氢瓶组与500V直流母线之间，最小电气间隙应不小于A15mmB25mmC35mmD45mm答案：B1.2依据ISO227342022，PEM电解槽堆在热待机状态下，其绝缘电阻测试电压应选A50VDCB250VDCC500VDCD1000VDC答案：C1.3当氢气浓度达到10%LEL时，下列防爆等级中允许继续运行的电气元件为AExdIICT3BExeIICT4CExnAIICT5DExiaIICT6答案：D1.4在加氢站整流—逆变—DC/DC三级拓扑中，若DC/DC采用LLC谐振方案，其谐振频率f_r=120kHz，则依据IEC6100043，辐射抗扰度试验频率范围应覆盖A9kHz–30MHzB30MHz–1GHzC1–6GHzD6–18GHz答案：B1.5对70MPa储氢容器进行定期检验时，优先采用的涡流检测频率为A1kHzB10kHzC100kHzD1MHz答案：C1.6在燃料电池DC/DC升压模块中，为抑制氢气渗透导致的高压母线漂移，应优先选用A薄膜电容B铝电解电容C陶瓷电容D超级电容答案：A1.7当发生“氢—电”交叉泄漏时，最先动作的传感器组合通常是A催化燃烧式+电化学式B红外式+半导体式C热导式+光声式D质谱式+拉曼式答案：A1.8依据NFPA8532023，燃料电池机房内应急停机按钮的响应时间不得大于A100msB300msC500msD1s答案：B1.9在爆炸性气体环境1区内，电缆引入装置应至少达到AIP54BIP65CIP66DIP67答案：B1.10对氢气管道进行焊接时，若采用TIG自熔工艺，其背面保护气露点应低于A−20℃B−40℃C−60℃D−80℃答案：C1.11在燃料电池系统绝缘监测中，IT系统报警阈值一般设置为A50Ω/VB100Ω/VC200Ω/VD500Ω/V答案：B1.12当使用红外热像仪检测电解槽端板热点时，发射率参数应调至A0.10B0.35C0.65D0.95答案：D1.13在加氢机PLC安全回路中，强制导向继电器触点熔焊检测周期为A每日B每周C每月D每季度答案：A1.14依据IEC615082，若氢气压缩机变频器的安全完整性等级要求为SIL2，则其PFH（每小时危险失效概率）应小于A10⁻⁵B10⁻⁶C10⁻⁷D10⁻⁸答案：A1.15在70MPa储氢瓶口组合阀中，为降低电磁阀线圈温升，优先采用的驱动方式是APWM100HzBPWM1kHzC直流保持D交流保持答案：B2多选题（每题3分，共30分，少选得1分，错选0分）2.1下列哪些措施可有效降低电解槽高压母线对地电弧引燃氢气的概率A采用固态绝缘隔板B增加快速熔断器C提高接地电阻D配置弧光保护继电器E使用正压通风答案：ABDE2.2关于氢气扩散系数，下列说法正确的有A与温度成正比B与压力成反比C与分子量平方根成反比D在空气中约为0.61cm²/s（25℃,1atm）E在N₂中低于在O₂中答案：ABCD2.3在燃料电池DC/DC模块进行EMC测试时，必须同时考核的端口包括A高压直流输入B高压直流输出C低压控制电源D通信CANE冷却液管路答案：ABCD2.4下列属于氢系统电气防爆“五同时”内容的有A同时设计B同时施工C同时验收D同时运维E同时培训答案：ABCDE2.5关于金属氢化物储氢罐的电气安全，下列做法正确的有A罐体做等电位联结B配置冗余温度节点C使用防爆型加热器D加热器电源采用IT系统E罐体与PE线隔离答案：ABCD2.6在加氢站雷电防护中，下列哪些区域应划为LPZ0B区A罩棚顶部B储氢瓶组上方C卸氢柱旁D控制室屋顶E站房外墙答案：ABC2.7下列哪些信号必须硬接线进入安全PLC而不经总线传输A急停按钮B储氢瓶超温C氢气泄漏10%LELD火焰探测器E防雷器失效答案：ABD2.8关于燃料电池系统绝缘故障定位，可采用的方法有A交流注入法B直流漏电流法C高频脉冲法D桥式不平衡法E红外测温法答案：ABCD2.9在氢气压缩机变频器室，下列哪些做法符合防爆要求A变频器安装于正压柜内B散热风机采用Exe电机C电缆采用XHHW2D接地网与站房联合E变频器输出端加du/dt滤波器答案：ABCDE2.10下列哪些属于氢系统电气安全关键寿命件A高压直流接触器B氢气传感器C保险丝D直流母线电容E防雷器压敏电阻答案：ABCDE3判断题（每题1分，共10分，正确打“√”，错误打“×”）3.1在0区可使用ExnA型电气设备。答案：×3.2燃料电池堆在停机后30min内，其残余电压可视为安全电压。答案：×3.3氢气管道法兰跨接电阻大于10mΩ时需整改。答案：√3.4依据IEC6007914，氢气环境电缆载流量校正系数为0.75。答案：√3.5采用IT系统时，第一次接地故障应瞬时跳闸。答案：×3.6红外热像仪可替代接触式测温作为电解槽端板唯一测温手段。答案：×3.7在爆炸性环境内，铝护套电缆比铜护套电缆更易引发铝热反应，因此禁止使用。答案：×3.8加氢站防雷接地电阻要求≤4Ω。答案：√3.9氢气传感器必须每12个月进行一次标准气样校准。答案：√3.10燃料电池系统绝缘监测仪可以安装在非防爆区，但其采样端子可位于1区。答案：√4填空题（每空2分，共20分）4.1依据GB/T372442020，氢气在空气中的爆炸下限为________%（体积比），爆炸上限为________%。答案：4.0，75.64.2在35MPa加氢枪接口，其IP67防护等级中的“7”表示________。答案：短时浸水1m、30min无有害进水4.3若电解槽单小室电压为2.0V，共120节，则总开路电压为________V。答案：2404.4当采用24VDC防爆电磁阀时，其线圈在1.25倍额定电压下持续温升不得超过________K。答案：854.5依据IEC604791，人体摆脱电流阈值（99.5%概率）为________mA（AC50Hz）。答案：104.6在70MPa储氢瓶定期水压试验中，试验压力为额定压力的________倍。答案：1.54.7若燃料电池系统额定功率为120kW，效率为55%，则氢气热值需求为________kW（低热值）。答案：218.24.8依据ISO198801，加氢站安全距离计算时，氢气泄漏速率大于________g/s需采用CFD方法。答案：54.9在爆炸性环境2区，电缆最小弯曲半径为外径的________倍。答案：64.10若氢气压缩机房体积为500m³，换气次数为12次/h，则最小通风量为________m³/h。答案：60005简答题（每题10分，共30分）5.1简述电解槽高压母线对地电弧引燃氢气的机理，并给出三种工程抑制措施。答案：机理：高压母线绝缘失效→空气电离形成电弧→电弧温度达3000℃→氢气局部浓度在LEL以上→热表面或电弧直接引燃→爆燃或爆炸。措施：①采用固态绝缘隔板+爬电距离倍增，阻断电弧路径；②配置高速弧光保护继电器，检测光+电流双判据，3ms内跳闸；③增设快速熔断器+压敏电阻组合，限制故障能量<0.5J，低于氢气最小点火能0.019mJ的安全裕度。5.2说明燃料电池系统IT绝缘监测与TNS系统的主要区别，并给出IT系统在氢环境的优势。答案：IT系统中性点不接地或经高阻接地，第一次故障仅发出信号，不跳闸；TNS系统中性点直接接地，故障电流大，瞬时跳闸。优势：①第一次接地故障时系统仍带电运行，避免氢气环境因断电引发二次风险；②故障电流<1A，电弧能量极低，无法引燃氢气；③可精确定位绝缘下降点，提前维护，降低突发停机概率；④与等电位联结结合，减少跨步电压对人员危害。5.3列出加氢站PLC安全回路设计中的“三取二”原则，并给出硬件实现方案。答案：三取二原则：对关键安全信号（急停、超压、泄漏）采用三个独立通道，任意两个同时动作即触发停机，防止单点失效。硬件实现：①采用双通道安全PLC（如S7400F）+1路硬继电器串联；②每通道使用独立传感器（品牌、原理不同），如急停A为机械触点，急停B为电子触点，急停C为光耦触点；③安全PLC内部三通道交叉比较，硬件冗余1002/2003表决；④输出端采用双接触器冗余，触点反馈串联至输入，实现闭环监控；⑤故障检测周期≤100ms，满足SIL3要求。6计算题（每题15分，共30分）6.1某70MPa储氢瓶组共12支，单瓶水容积为210L，氢气充装率取5.7%（质量分数），环境温度25℃，若发生10mm²小孔泄漏，按理想气体等熵流动模型，计算：（1）初始质量流量（g/s）；（2）泄漏至氢气浓度达到LEL（4%）所需时间（瓶组所在空间体积为500m³，通风换气0次）。已知：γ=1.4，R=4124J/(kg·K)，Cd=0.85，P0=70MPa，T0=298K。答案：（1）临界压力比β=(2/(γ+1))^(γ/(γ1))=0.528，出口压力Pb=0.1MPa<βP0，属临界流。声速a=√(γRT0)=√(1.4×4124×298)=1298m/s；密度ρ0=P0/(RT0)=70×10⁶/(4124×298)=57.0kg/m³；质量流量ṁ=Cd·A·ρ0·a·(2/(γ+1))^((γ+1)/(2(γ1)))=0.85×10×10⁻⁶×57.0×1298×0.684=0.425kg/s=425g/s。（2）总氢质量m=12×210×10⁻³×57.0×0.057=8.17kg；达到LEL体积分数4%时，空气质量m_air=500×1.17=585kg，对应氢气质量m_H2=0.04×585/28.8×2=1.62kg；时间t=1.62/0.425=3.8s。结论：3.8秒内即可达到爆炸下限，必须设置快速切断阀+通风联动。6.2燃料电池DC/DC升压模块输入200–380V，输出750V，功率120kW，效率98%，采用SiCMOSFET，开关频率fs=100kHz，计算：（1）最大输入电流；（2）若直流母线对地分布电容C=2nF，允许漏电流≤30mA，求最大允许du/dt；（3）为抑制EMI，需加共模电感Lcm，使150kHz处共模阻抗≥1kΩ，求最小电感量。答案：（1）Iin_max=P/(η·Vin_min)=120000/(0.98×200)=612A。（2）i=C·du/dt→du/dt=30×10⁻³/(2×10⁻⁹)=15×10⁶V/s=15V/μs。（3）Z=2πfL→L=1000/(2π×150×10³)=1.06mH，取1.2mH。7案例分析题（20分）背景：某加氢站2024年12月发生“氢—电”交叉泄漏事件。事件经过：电解槽运行中，第30节小室阳极板密封失效，氢氧混合气通过冷却水管路进入变频器室，导致氢浓度达8%LEL；同时高压母线绝缘下降，对地出现间歇性拉弧，引燃氢氧混合气，造成变频器柜烧毁，直接经济损失320万元，无人员伤亡。事后调查发现：①绝缘监测仪报警阈值设定为500Ω/V，但未接入安全PLC；②冷却水管路未按标准做隔爆密封；③变频器柜防爆等级为ExdIIBT4，未覆盖氢气IIC；④运维人员未按规程每日巡检绝缘值。问题：（1）指出直接原因与间接原因各2条；（2）依据标准给出整改措施4条；（3）计算若采用ExdIICT6防爆柜，其最大表面温度控制在多少℃以下（环境温度40℃）。答案：（1）直接原因：①阳极板密封失效导致氢氧混合气泄漏；②高压母线绝缘下降