大型設(shè)備安裝工程中的電氣接地保護(hù)技術(shù)分析探討

1、大型設(shè)備安裝工程中的電氣接地保護(hù)技術(shù)分析探討摘 要:本文結(jié)合筆者多年 工業(yè) 設(shè)備電氣施工實(shí)踐,介紹了土壤特性對(duì)接地系統(tǒng)的影響,提出了接地電阻的正確測(cè)量方法,并結(jié)合幾種大型設(shè)備電氣接地保護(hù)安裝施工對(duì)其電氣接地保護(hù)技術(shù)要點(diǎn)幾故障電流的監(jiān)測(cè)進(jìn)行了深入探討。 關(guān)鍵詞:大型設(shè)備;安裝工程;電氣接地保護(hù);接地電阻;故障電流 1引言 在工業(yè)設(shè)備安裝過(guò)程中,電氣接地是必不可少的,接地系統(tǒng)的正確安裝不僅可以保護(hù)建筑物和設(shè)備免遭意外的故障電流或雷電導(dǎo)致的損壞,而且還具有保護(hù)人身安全的作用,接地系統(tǒng)的安裝看上去似乎簡(jiǎn)單,但實(shí)際上這是一個(gè)非常復(fù)雜的問(wèn)題。 目前我國(guó)的建筑安裝施工規(guī)范中介紹了常規(guī)的接地工藝,這種接地工藝

2、對(duì)傳統(tǒng)的簡(jiǎn)單電氣設(shè)備是可行的,但是對(duì)于復(fù)雜的建筑物如智能化建筑和復(fù)雜的大型重要設(shè)備如發(fā)電機(jī)組,常規(guī)的接地方法將難以滿足要求,甚至?xí)裣率鹿孰[患。為此,對(duì)接地安裝工程中的土壤影響、接地電阻的測(cè)量以及接地故障電流的監(jiān)測(cè)方法進(jìn)行探討有很強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義。 2土壤特性對(duì)電氣接地系統(tǒng)的影響分析 在安裝電力設(shè)備時(shí),良好的接地系統(tǒng)是為了給故障電流和雷電感應(yīng)電流提供一個(gè)流入大地的低阻抗通道,以保證在電氣設(shè)備發(fā)生故障和雷電襲擊時(shí)獲得最大程度的安全。但是,實(shí)現(xiàn)接地系統(tǒng)的正確安裝不僅要求掌握有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、導(dǎo)體材料以及正確的連接方法,還必須考慮不同的土壤條件。因?yàn)橥寥离娮鑼?duì)埋設(shè)導(dǎo)體的總阻抗有顯著影響。為此,在接地施工中,應(yīng)該

3、首先考慮土壤的以下特性: 1)含水量:一般來(lái)說(shuō),含水量越高,土壤電阻率越低,含水量降到10%以下時(shí),電阻率將顯著增加。 2)土壤溫度:溫度低于冰點(diǎn)會(huì)使電阻率增高,所以在高寒地區(qū),需要將接地極挖到凍土層以下,以保持低電阻值的接地。 3)土壤類型:黑色土壤或有機(jī)物含量高的土壤能夠保持較多的水分并且具有較好的電解性能,所以電阻率較低,沙土泄水快且含水量和電解性能差,故阻抗較高,巖石和灰渣性土壤不含水分和電解物質(zhì),故電阻率很高。各種不同土壤的電阻率見(jiàn)表1 。 土壤類型一般最小最大填土(灰渣、含鹽份殘?jiān)?,白土、黏土、含砂土,含有不同比例成分的砂和石子,含少量白土或沙土的砂和石塊。 為了正確埋設(shè)接地系統(tǒng)

4、,需要首先用電阻測(cè)試儀測(cè)量土壤的電阻率,通常采用的測(cè)量方法有三種:四點(diǎn)測(cè)量法(最精確)、三點(diǎn)測(cè)量法(變化深度)、兩點(diǎn)測(cè)量法。 在測(cè)得土壤的電阻率后,對(duì)于電阻率不合要求的土壤應(yīng)該設(shè)法降低電阻率,其方法有三個(gè): 1)增加土壤的含水量,但是這種方法不易實(shí)現(xiàn)。 2)在土壤中加硫酸銅、硫酸鎂或氯化鈉等鹽類。這種方法成本較低,但存在的問(wèn)題是,當(dāng)鹽類被沖洗掉后,土壤會(huì)恢復(fù)到加鹽以前的狀態(tài),為此必須定期對(duì)接地系統(tǒng)補(bǔ)充鹽分,此外,有些鹽類可能會(huì)腐蝕導(dǎo)線。 3)采用接地增效劑,采用接地增效劑不僅能改善接地性能,而且效能穩(wěn)定,無(wú)須維護(hù)。在選擇增效劑時(shí)應(yīng)當(dāng)注意它要和接地極、引線以及連接材料兼容。目前可供選擇的增效劑有

5、以下幾種: a膨潤(rùn)土:考慮到在膨潤(rùn)土內(nèi)只有通過(guò)離子的移動(dòng)才產(chǎn)生導(dǎo)電作用。所以要求膨潤(rùn)土必須濕潤(rùn)。因?yàn)樵谑ニ謺r(shí)。膨潤(rùn)土的體積減小電阻率變大。同時(shí)膨潤(rùn)土的收縮使它與周圍土壤的接觸不再緊密。從而進(jìn)一步增加接地電阻。 b碳粉:碳粉因其主要成分為碳質(zhì),所以導(dǎo)電性能很好。但缺點(diǎn)是可能被地下水沖刷掉。 c導(dǎo)電水泥:這是一種無(wú)腐蝕性的低電阻增效劑,并且可以在濕態(tài)和干態(tài)下使用。在干態(tài)下,它可以從周圍土壤中吸收水分并固化并在其結(jié)構(gòu)內(nèi)部保持水分,濕態(tài)使用時(shí),可用水將導(dǎo)電水泥調(diào)成泥漿倒入裝有接地線的溝內(nèi)或灌入接地極的周圍,導(dǎo)電水泥便可形成一個(gè)穩(wěn)定的高導(dǎo)電性能的塊。 3接地電阻的正確測(cè)量 電氣接地系統(tǒng)的安裝驗(yàn)收的主

6、要依據(jù)是接地電阻是否符合要求,因此接地電阻的正確測(cè)量十分重要,要做到正確測(cè)量接地電阻,工程技術(shù)人員必須掌握以下要點(diǎn): 1)選用合適的測(cè)量?jī)x器不能用萬(wàn)用表測(cè)量接地電阻,因?yàn)槿f(wàn)用表用兩點(diǎn)法測(cè)出的是兩連接點(diǎn)間的環(huán)路電阻,其中包括兩點(diǎn)問(wèn)土壤的電阻,它無(wú)法消除由于存在瞬變電流而引起的誤差。 2)選擇正確的測(cè)量方法,圖l給出了正確的測(cè)量原理圖,圖中含有電壓和電流兩個(gè)回路,用測(cè)得的數(shù)據(jù)和歐姆定律可以得到接地電阻值。這種測(cè)試電路測(cè)得的電流為方波,它能消除電網(wǎng)電源中諧波電流的影響,從而擺脫了瞬變電流的干擾。 3)考慮測(cè)量時(shí)的環(huán)境條件。就接地極而言,大地是一個(gè)電阻性的包繞環(huán)境,此包繞環(huán)境的固有特性決定于土壤的種類

7、、接地極的形狀和電氣要求。此外,包繞環(huán)境隨時(shí)間變化,例如溫度和濕度。為此在測(cè)量接地電阻時(shí)應(yīng)該考慮整個(gè)臨界土壤容積的電阻值,因?yàn)樗苡绊懓l(fā)生接地故障時(shí)流入大地的電流大小。 4)正確布置輔助接地極。在測(cè)量時(shí),輔助接地極的正確布置是十分重要的。由于輔助接地極的正確定位與土壤濕度以及有無(wú)其它地下埋設(shè)物等因素有關(guān),因此需要將輔助接地極多試幾個(gè)位置。以便選定能得到有代表性數(shù)據(jù)的位置,在選擇輔助接地極的位置時(shí),要注意不能讓輔助接地極太靠近被測(cè)接地極,否則測(cè)得的數(shù)據(jù)將不能反映產(chǎn)生接地故障時(shí)的全部電阻值。 4幾種特殊設(shè)備設(shè)施電氣接地保護(hù)安裝施工技術(shù) 對(duì)于一般常規(guī)建筑物和工業(yè)設(shè)備,如能設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)慕拥叵到y(tǒng)并注意上述

8、問(wèn)題,其接地效果是令人滿意的,但對(duì)于一些對(duì)接地要求更高的設(shè)備設(shè)施,則要考慮更多的技術(shù)問(wèn)題,下面結(jié)合筆者多年電氣安裝施工實(shí)踐分別進(jìn)行闡述。 3.1電信基礎(chǔ)設(shè)施的接地 圖2為帶電信設(shè)施的高層建筑物的接地系統(tǒng),為了使語(yǔ)音數(shù)據(jù)設(shè)備可靠地運(yùn)行,而且當(dāng)雷擊和接地故障發(fā)生時(shí)能夠保護(hù)操作人員的安全,接地系統(tǒng)必須有正確的等電位連接和接地。 由圖2可見(jiàn),左下方的電信進(jìn)線設(shè)施(TEF)采用了經(jīng)由電信主干接地母線 (TMGB)的單點(diǎn)接地,安裝施工時(shí),需要在不同的接地平面上做三個(gè)等電位連接,以便給電信基礎(chǔ)設(shè)施建立零伏基準(zhǔn)電位,具體實(shí)現(xiàn)方法如下: 第一是在TMGB 和交流主干供電盤的接地平面之前敷設(shè)一條導(dǎo)線,這樣不僅為T

9、EF建立零伏基準(zhǔn)電位,而且保證了電信設(shè)備處在和交流電力系統(tǒng)出故障時(shí)的電氣設(shè)備在同一電位上。 第二等電位連接是TMGB與設(shè)施的建筑鋼結(jié)構(gòu),這樣可以利用鋼結(jié)構(gòu)對(duì)大地較低的阻抗通路加強(qiáng)TMGB的接地。 第三是施工人員在TEF內(nèi)做一個(gè)與交流電力盤的等電位連接,這樣可以進(jìn)一步保證交流電接地與電信設(shè)施接地之間的電壓相等。 為了使接地貫穿全部電信設(shè)施,可以從TMGB敷設(shè)一條等電位連接主干(TBB)導(dǎo)線到電信設(shè)備室,并繼續(xù)延伸到三層樓面的電信室,同樣另一條TBB沿著建筑物左側(cè)敷設(shè)到各電信室,在主干和各電信室接地母線之間需要敷設(shè)分支導(dǎo)線。應(yīng)該注意,兩條等電位導(dǎo)線在到達(dá)最終進(jìn)線點(diǎn)處不能分開(kāi)連接,因?yàn)閷?dǎo)線長(zhǎng)度會(huì)影響

10、主干導(dǎo)線的阻抗。 一般來(lái)說(shuō),電信室內(nèi)都加設(shè)電涌防護(hù)器,但需要注意的是,只有合理的設(shè)計(jì)而沒(méi)有正確的安裝會(huì)使電涌防護(hù)器形同虛設(shè),所以安裝中應(yīng)該注意以下要點(diǎn): 1)是接地線的長(zhǎng)度,施工中應(yīng)該將各級(jí)電涌防護(hù)器的接地線布置的最短最直。因?yàn)椴槐匾牡鼐€長(zhǎng)度會(huì)增加總阻抗,高阻抗產(chǎn)生的大電壓降會(huì)阻礙電涌防護(hù)器的正常動(dòng)作。此外,過(guò)長(zhǎng)的接地線加上高頻瞬時(shí)過(guò)電壓引起的并聯(lián)諧振會(huì)導(dǎo)致接地形同開(kāi)路。 2)是接地線的路徑,應(yīng)該避免電涌防護(hù)器的接地線拐90度直彎。試驗(yàn)表明:有4個(gè)直彎的連接與無(wú)直彎連接相比,電涌防護(hù)器鉗制電壓增加了10倍。 3)是必須注意電涌防護(hù)器的接地線要遠(yuǎn)離無(wú)屏蔽電纜。因?yàn)榻拥鼐€與無(wú)屏蔽電纜會(huì)產(chǎn)生電容耦

11、合,從而使原來(lái)本不會(huì)因雷電損傷的電路受到擾動(dòng)。 4)是最好采用多股絞線而不要使用單股銅線做接地線,因?yàn)槎喙山g線的表面積大,對(duì)電涌的阻抗較小。 3.2發(fā)電機(jī)接地電氣保護(hù) 一般來(lái)說(shuō),發(fā)電機(jī)的接地分為以下情況: 1)接地系統(tǒng)內(nèi)發(fā)電機(jī)的接地,這種接地方法有A、B兩種方案,分別用圖3、圖4表示。 對(duì)于圖3所示方案,建議采用四極自動(dòng)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān),即ATS,施工時(shí)可在系統(tǒng)內(nèi)安全的裝用多臺(tái)發(fā)電機(jī)。注意安裝時(shí)中性線到接地線環(huán)路在四極ATS處斷開(kāi)。如果發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)接地而采用三極ATS,則會(huì)形成并聯(lián)的接地線中性線環(huán)路。 圖4所示方案采用了三極ATS,發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)不接地。中性線與接地環(huán)路是斷開(kāi)的,這就需要安裝時(shí)按線間電壓

12、值來(lái)標(biāo)定ATS。并且按滿載電流選擇中性線。調(diào)試時(shí)要求仔細(xì)調(diào)整繼電器的協(xié)調(diào)配合。如果將發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)也接地,則會(huì)構(gòu)成接地線。中性線環(huán)路,從而導(dǎo)致中性線電流分流到原來(lái)不通電流的接地線和接地繼電器。這時(shí),即便系統(tǒng)內(nèi)沒(méi)有出現(xiàn)故障,也會(huì)因?yàn)榻拥乩^電器動(dòng)作而使電源總斷路器或發(fā)電機(jī)斷路器跳閘。 2)多臺(tái)發(fā)電機(jī)的接地,如果配電系統(tǒng)內(nèi)分散安裝了幾臺(tái)發(fā)電機(jī)且有各自的ATS,那么接地時(shí)可以按獨(dú)立的發(fā)電機(jī)單元處理。如果發(fā)電站有多臺(tái)發(fā)電機(jī)并聯(lián)運(yùn)行且經(jīng)過(guò)一臺(tái)或多臺(tái)ATS給一回或多回線路供電。那么施工時(shí)可以把這些發(fā)電機(jī)的中心點(diǎn)接到共用的接地裝置上,如配電盤接地母排、接地網(wǎng)、鋼筋混凝土內(nèi)的鋼筋或建筑物的鋼結(jié)構(gòu)上,安裝時(shí)注意要在

13、發(fā)電機(jī)出線端子處接地,同時(shí)將避雷器安裝在發(fā)電機(jī)出線端子處且接地線要盡量短和直。 5接地故障電流的監(jiān)測(cè) 隨著智能化建筑的增多和 工業(yè) 設(shè)備性能的提高,設(shè)備安裝工程中對(duì)接地可靠性的要求越來(lái)越高。為此,對(duì)于對(duì)接地要求高的建筑和設(shè)備,應(yīng)當(dāng)注意對(duì)接地故障電流的監(jiān)測(cè)。 故障電流是指中性線的電流流經(jīng)用作接地線的穿線金屬管和建筑物的導(dǎo)電部分返回電源用戶處,故障電流帶來(lái)的問(wèn)題是:在電氣系統(tǒng)內(nèi)產(chǎn)生噪音使設(shè)備無(wú)法正常工作,產(chǎn)生很強(qiáng)的雜亂磁場(chǎng)影響臨近電氣設(shè)備,在不同接地點(diǎn)產(chǎn)生危險(xiǎn)的電位差。 產(chǎn)生故障電流的原因如圖5所示。由圖可見(jiàn),中性線在點(diǎn)A與大地短路,使得部分中性線上的負(fù)荷電流改經(jīng)用作接地線的穿線鋼管和建筑物的金屬

14、導(dǎo)電部分返回了電源。由于返回電源的負(fù)荷電流要經(jīng)過(guò) 電子 敏感設(shè)備D1和D2的接地回路,而這兩臺(tái)設(shè)備的外殼與設(shè)備內(nèi)的電子線路絕緣但與接地線連通,從而返回電流在接地線B點(diǎn)和C點(diǎn)問(wèn)產(chǎn)生電壓Vg。該電壓在D1和D2的電纜上產(chǎn)生電流ID,該電流通常較大,所以可能干擾設(shè)備的正常工作。 監(jiān)測(cè)故障電流的方法是讓相線和中性線穿過(guò)一個(gè)電流互感器,電流互感器用于檢測(cè)相線和中性線電流的瞬時(shí)向量和。如果系統(tǒng)內(nèi)沒(méi)有對(duì)地泄漏電流,電流互感器檢測(cè)出的電流和應(yīng)該近似為零,如果三相負(fù)荷不平衡,則電流差會(huì)通過(guò)中性線。 監(jiān)測(cè)故障電流的方法視電流互感器的安裝位置可以有以下幾種情況: 1)監(jiān)測(cè)含有中性線的主干回路。對(duì)只有很少幾臺(tái)設(shè)備的小

15、型電氣系統(tǒng)這種方法是可行的。但是對(duì)于大型電氣系統(tǒng)需要裝多個(gè)電流互感器。否則難以查找故障點(diǎn)。 2)監(jiān)測(cè)變壓器中性點(diǎn)到總接地端子板間的電流,這種方法是直接監(jiān)測(cè)泄漏電流而不是相線和中性線的向量和。 3)監(jiān)測(cè) 參考 接地線上的電流。這種方法用于監(jiān)測(cè)有專門參考接地線的電氣系統(tǒng)。采用這種方法,裝在參考接地線上的電流互感器不僅可以監(jiān)測(cè)泄漏電流,還可以檢驗(yàn)接線錯(cuò)誤、導(dǎo)線和與參考接地線連接的設(shè)備的絕緣等問(wèn)題。 4)隔離變壓器或噪音抑制變壓器二次回路的監(jiān)測(cè)。這種方法可以監(jiān)測(cè)可編程控制器和其它敏感電子設(shè)備的絕緣水平、接線有無(wú)錯(cuò)誤以及二次回路上是否存在故障。 6結(jié)語(yǔ) 綜上所述,看上去似乎簡(jiǎn)單的電氣接地與保護(hù)安裝實(shí)際上并不簡(jiǎn)單,在設(shè)計(jì)和安裝接地系統(tǒng)中,不僅要考慮接地系統(tǒng)的理論線路,更重要的是要考慮施工環(huán)境、土壤特性以及改善方法、接地導(dǎo)體的材質(zhì)以及安裝工藝。只有這樣,才能實(shí)現(xiàn)可靠的接地。此外,只有掌握正確的接地電阻測(cè)量技術(shù)和適當(dāng)安裝了接地故障電流監(jiān)測(cè)裝置,保證大型設(shè)備的安