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，介紹了土壤特性對接地系統(tǒng)的影響，提出了接地電阻的正確測量方法，并結(jié)合幾種大型設(shè)備電氣接地保護(hù)安裝施工對其電氣接地保護(hù)技術(shù)要點(diǎn)幾故障電流的監(jiān)測進(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

中圖分類號:TU856

文獻(xiàn)標(biāo)識碼:B

文章編號:1008-0422(2009)07-0204-03

1引言

在工業(yè)設(shè)備安裝過程中，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單，但實(shí)際上這是一個非常復(fù)雜的問題。

目前我國的建筑安裝施工規(guī)范中介紹了常規(guī)的接地工藝，這種接地工藝對傳統(tǒng)的簡單電氣設(shè)備是可行的，但是對于復(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，對接地安裝工程中的土壤影響、接地電阻的測量以及接地故障電流的監(jiān)測方法進(jìn)行探討有很強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義。

2土壤特性對電氣接地系統(tǒng)的影響分析

在安裝電力設(shè)備時，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β裨O(shè)導(dǎo)體的總阻抗有顯著影響。為此，在接地施工中，應(yīng)該首先考慮土壤的以下特性:

1)含水量:一般來說，含水量越高，土壤電阻率越低，含水量降到10%以下時，電阻率將顯著增加。

2)土壤溫度:溫度低于冰點(diǎn)會使電阻率增高，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)，需要首先用電阻測試儀測量土壤的電阻率，通常采用的測量方法有三種:四點(diǎn)測量法(最精確)、三點(diǎn)測量法(變化深度)、兩點(diǎn)測量法。

在測得土壤的電阻率后，對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:

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，但存在的問題是，當(dāng)鹽類被沖洗掉后，土壤會恢復(fù)到加鹽以前的狀態(tài)，為此必須定期對接地系統(tǒng)補(bǔ)充鹽分，此外，有些鹽類可能會腐蝕導(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，無須維護(hù)。在選擇增效劑時應(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以下幾種:

a膨潤土:考慮到在膨潤土內(nèi)只有通過離子的移動才產(chǎn)生導(dǎo)電作用。所以要求膨潤土必須濕潤。因?yàn)樵谑ニ謺r。膨潤土的體積減小電阻率變大。同時膨潤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，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穩(wěn)定的高導(dǎo)電性能的塊。

3接地電阻的正確測量

電氣接地系統(tǒng)的安裝驗(yàn)收的主要依據(jù)是接地電阻是否符合要求，因此接地電阻的正確測量十分重要，要做到正確測量接地電阻，工程技術(shù)人員必須掌握以下要點(diǎn):

1)選用合適的測量儀器不能用萬用表測量接地電阻，因?yàn)槿f用表用兩點(diǎn)法測出的是兩連接點(diǎn)間的環(huán)路電阻，其中包括兩點(diǎn)問土壤的電阻，它無法消除由于存在瞬變電流而引起的誤差。

2)選擇正確的測量方法，圖l給出了正確的測量原理圖，圖中含有電壓和電流兩個回路，用測得的數(shù)據(jù)和歐姆定律可以得到接地電阻值。這種測試電路測得的電流為方波，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)考慮測量時的環(huán)境條件。就接地極而言，大地是一個電阻性的包繞環(huán)境，此包繞環(huán)境的固有特性決定于土壤的種類、接地極的形狀和電氣要求。此外，包繞環(huán)境隨時間變化，例如溫度和濕度。為此在測量接地電阻時應(yīng)該考慮整個臨界土壤容積的電阻值，因?yàn)樗苡绊懓l(fā)生接地故障時流入大地的電流大小。

4)正確布置輔助接地極。在測量時，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，要注意不能讓輔助接地極太靠近被測接地極，否則測得的數(shù)據(jù)將不能反映產(chǎn)生接地故障時的全部電阻值。

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)并注意上述問題，其接地效果是令人滿意的，但對于一些對接地要求更高的設(shè)備設(shè)施，則要考慮更多的技術(shù)問題，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，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，需要在不同的接地平面上做三個等電位連接，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TEF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)處不能分開連接，因?yàn)閷?dǎo)線長度會影響主干導(dǎo)線的阻抗。

一般來說，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)而沒有正確的安裝會使電涌防護(hù)器形同虛設(shè)，所以安裝中應(yīng)該注意以下要點(diǎn):

1)是接地線的長度，施工中應(yīng)該將各級電涌防護(hù)器的接地線布置的最短最直。因?yàn)椴槐匾牡鼐€長度會增加總阻抗，高阻抗產(chǎn)生的大電壓降會阻礙電涌防護(hù)器的正常動作。此外，過長的接地線加上高頻瞬時過電壓引起的并聯(lián)諧振會導(dǎo)致接地形同開路。

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個直彎的連接與無直彎連接相比，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)離無屏蔽電纜。因?yàn)榻拥鼐€與無屏蔽電纜會產(chǎn)生電容耦合，從而使原來本不會因雷電損傷的電路受到擾動。

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，對電涌的阻抗較小。

3.2發(fā)電機(jī)接地電氣保護(hù)

一般來說，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。

對于圖3所示方案，建議采用四極自動轉(zhuǎn)換開關(guān)，即ATS，施工時可在系統(tǒng)內(nèi)安全的裝用多臺發(fā)電機(jī)。注意安裝時中性線到接地線環(huán)路在四極ATS處斷開。如果發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)接地而采用三極ATS，則會形成并聯(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)路是斷開的，這就需要安裝時按線間電壓值來標(biāo)定ATS。并且按滿載電流選擇中性線。調(diào)試時要求仔細(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不通電流的接地線和接地繼電器。這時，即便系統(tǒng)內(nèi)沒有出現(xiàn)故障，也會因?yàn)榻拥乩^電器動作而使電源總斷路器或發(fā)電機(jī)斷路器跳閘。

2)多臺發(fā)電機(jī)的接地，如果配電系統(tǒng)內(nèi)分散安裝了幾臺發(fā)電機(jī)且有各自的ATS，那么接地時可以按獨(dú)立的發(fā)電機(jī)單元處理。如果發(fā)電站有多臺發(fā)電機(jī)并聯(lián)運(yùn)行且經(jīng)過一臺或多臺ATS給一回或多回線路供電。那么施工時可以把這些發(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，安裝時注意要在發(fā)電機(jī)出線端子處接地，同時將避雷器安裝在發(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

隨著智能化建筑的增多和工業(yè)設(shè)備性能的提高，設(shè)備安裝工程中對接地可靠性的要求越來越高。為此，對于對接地要求高的建筑和設(shè)備，應(yīng)當(dāng)注意對接地故障電流的監(jiān)測。

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，故障電流帶來的問題是:在電氣系統(tǒng)內(nèi)產(chǎn)生噪音使設(shè)備無法正常工作，產(chǎn)生很強(qiáng)的雜亂磁場影響臨近電氣設(shè)備，在不同接地點(diǎn)產(chǎn)生危險的電位差。

產(chǎn)生故障電流的原因如圖5所示。由圖可見，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)過電子敏感設(shè)備D1和D2的接地回路，而這兩臺設(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)測故障電流的方法是讓相線和中性線穿過一個電流互感器，電流互感器用于檢測相線和中性線電流的瞬時向量和。如果系統(tǒng)內(nèi)沒有對地泄漏電流，電流互感器檢測出的電流和應(yīng)該近似為零，如果三相負(fù)荷不平衡，則電流差會通過中性線。

監(jiān)測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)測含有中性線的主干回路。對只有很少幾臺設(shè)備的小型電氣系統(tǒng)這種方法是可行的。但是對于大型電氣系統(tǒng)需要裝多個電流互感器。否則難以查找故障點(diǎn)。

2)監(jiān)測變壓器中性點(diǎn)到總接地端子板間的電流，這種方法是直接監(jiān)測泄漏電流而不是相線和中性線的向量和。

3)監(jiān)測參考接地線上的電流。這種方法用于監(jiān)測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)測泄漏電流，還可以檢驗(yàn)接線錯誤、導(dǎo)線和與參考接地線連接的設(shè)備的絕緣等問題。

4)隔離變壓器或噪音抑制變壓器二次回路的監(jiān)測。這種方法可以監(jiān)測可編程控制器和其它敏感電子設(shè)備的絕緣水平、接線有無錯誤以及二次回路上是否存在故障。

6結(jié)語

綜上所述，看上去似乎簡單的電氣接地與保護(hù)安裝實(shí)際上并不簡單，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量技術(shù)和適當(dāng)安裝了接地故障電流監(jiān)測裝置，保證大型設(shè)備的安全運(yùn)行。

參考文獻(xiàn):

[1]楊岳.電氣安全[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2003.

[2] 供配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范.GB50096-99[S].

[3] 電力設(shè)備接地設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程.SDJ8-79[S].

[4] 江智偉.變電站自動化及其新技術(shù)[M].北京:中國電力出版社，2006:1.

[5] 李正軍.現(xiàn)場總線及其應(yīng)用技術(shù)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2005:1.

[6] 建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范.GB50057-94，2000版[S].

[7] 電氣自動化新技術(shù)叢書.SPWM變頻調(diào)速應(yīng)用技術(shù)，北京，機(jī)械工業(yè)出版社，2006.