攀鋼電動(dòng)鼓風(fēng)站地網(wǎng)評估及防雷方案研究

田志崗 任小花 郭莜瑛 王強(qiáng) 蔡盛舟

（1. 西華大學(xué)，成都 610039；2. 攀枝花學(xué)院，四川 攀枝花 617000；3. 攀枝花電業(yè)局，四川 攀枝花 617067）

接地是電力系統(tǒng)的一個(gè)重要問題，接地的好壞直接關(guān)系到設(shè)備人身的安全[1]，全國各地就曾多次發(fā)生因接地網(wǎng)的問題而造成重大事故的事例。接地網(wǎng)特性參數(shù)測量的準(zhǔn)確度，關(guān)系到正確判斷接地網(wǎng)的狀態(tài)，以及對運(yùn)行中的接地網(wǎng)是否還需處理等問題。因此，提高特性參數(shù)測量的準(zhǔn)確性是很重要的，否則將會(huì)造成資源的浪費(fèi)和人身財(cái)產(chǎn)的損失。運(yùn)用沖擊電流發(fā)生器產(chǎn)生的沖擊電流模擬雷電流對地網(wǎng)進(jìn)行測試，能夠準(zhǔn)確反映接地網(wǎng)的特性參數(shù)[2-4]，由于功率較小，不會(huì)對運(yùn)行中的站所造成影響。攀鋼電動(dòng)鼓風(fēng)站的接地網(wǎng)由于腐蝕嚴(yán)重，已經(jīng)不能滿足雷擊泄流時(shí)的通流容量，往往導(dǎo)致雷擊時(shí)燒斷接地網(wǎng)、使設(shè)備處于無接地狀態(tài)。這種情形在2004年遭受過電壓入侵時(shí)變壓器中性點(diǎn)接地上表現(xiàn)得尤其明顯，使變壓器在遭受過電壓時(shí)處于極度危險(xiǎn)狀態(tài)。同時(shí)該站的架空進(jìn)出線遭受雷擊的幾率都比較大，造成過電壓侵入站內(nèi)時(shí)二次系統(tǒng)微機(jī)保護(hù)誤動(dòng)、監(jiān)控裝置死機(jī)甚至燒壞的事故。

1 原地網(wǎng)概況

對接地體腐蝕情況的有效評估是一項(xiàng)非常復(fù)雜的工程，最直觀有效的評估方法是全面開挖檢查。電氣設(shè)備維護(hù)規(guī)程規(guī)定：在有條件的地方，每隔15～20年應(yīng)對接地體進(jìn)行一次開挖檢查。攀鋼電動(dòng)鼓風(fēng)站已經(jīng)運(yùn)行了近40年，沒有進(jìn)行過類似的檢查。攀鋼目前采用小電流檢測接地電阻的方法檢測誤差很大，而且不能檢測通流容量，不能對接地網(wǎng)進(jìn)行有效評估。該站在建設(shè)時(shí)將內(nèi)部重要設(shè)備與單獨(dú)的小地網(wǎng)連接，構(gòu)成了主地網(wǎng)中有獨(dú)立小地網(wǎng)的格局。

近年來，在攀鋼電動(dòng)鼓風(fēng)站的三期建設(shè)中，先進(jìn)的微機(jī)保護(hù)裝置得到了大量的應(yīng)用。這些裝置較之傳統(tǒng)的電磁型裝置，其耐過電壓的能力要低得多。相關(guān)資料顯示：微機(jī)型保護(hù)裝置的耐壓水平為100V左右，而傳統(tǒng)電磁型保護(hù)裝置的耐壓相水平為1000V。微機(jī)型裝置對鼓風(fēng)站的接地也相應(yīng)地提出了更高更多的要求。在前幾年鼓風(fēng)站運(yùn)行中已經(jīng)發(fā)生了微機(jī)保護(hù)裝置遭過電壓損壞的事實(shí)。因此，有必要對電動(dòng)鼓風(fēng)站接地網(wǎng)的情況進(jìn)行研究評估。

2 地網(wǎng)測試結(jié)論及分析

采用沖擊電流幅值為 20～50A，波形接近標(biāo)準(zhǔn)雷電流（2.6/50μs）的沖擊電流發(fā)生器[5]，在 2011年11月11日對鼓風(fēng)站地網(wǎng)特性參數(shù)進(jìn)行測試，得出以下結(jié)論。

1）接地網(wǎng)接地電阻合格，小于0.5Ω。

2）電動(dòng)鼓風(fēng)站主地網(wǎng)分布接點(diǎn)連接合格。地網(wǎng)絕緣測試點(diǎn)阻抗小于 50mΩ，網(wǎng)點(diǎn)間電氣連通性基本良好。

3）電動(dòng)鼓風(fēng)站接地網(wǎng)設(shè)備節(jié)點(diǎn)電位差偏大，存在受雷電過電壓侵襲的安全隱患。在發(fā)生雷擊的情況下，主地網(wǎng)和獨(dú)立地網(wǎng)與中性點(diǎn)之間的電位差較大；電源接地體之間的電位差超過了二次設(shè)備的耐壓水平，建議增加電動(dòng)鼓風(fēng)站二次設(shè)備的防雷措施。

4）電動(dòng)鼓風(fēng)站主地網(wǎng)沖擊電位分布不均存在懸浮電壓安全隱患。應(yīng)對地網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)分布完善整治。

電動(dòng)鼓風(fēng)站接地網(wǎng)在建設(shè)時(shí)地網(wǎng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，地下管線較多，并且旁邊有放散塔等較大的管線。根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果分析，電動(dòng)鼓風(fēng)站接地網(wǎng)存在的問題是主地網(wǎng)沖擊電位分布不均和接地網(wǎng)節(jié)點(diǎn)電位差偏大。主地網(wǎng)和獨(dú)立小地網(wǎng)對供電電源節(jié)點(diǎn)電位差按5kA雷電流沖擊校核已超過2500V，二次設(shè)備的絕緣耐壓都在 2500～3000V。電動(dòng)鼓風(fēng)站在受到雷擊時(shí)損壞二次設(shè)備的絕緣，因此建議增加電動(dòng)鼓風(fēng)站二次設(shè)備的防雷設(shè)施。

3 整改方案

針對鼓風(fēng)站存在的問題，提出具體的整改方案，從技術(shù)改進(jìn)方向和具體改造措施兩方面加以討論。

3.1 技術(shù)改進(jìn)方案

該站地網(wǎng)電位分布受雷電過電壓侵襲時(shí)影響較大，足以對站內(nèi)設(shè)備及人員構(gòu)成危害，必須在雷電檢測和侵入途徑方面加以防護(hù)，其中以電源系統(tǒng)和信號系統(tǒng)的雷電侵入為主要隔離對象；針對接地網(wǎng)電位分布不均的情況，可通過改造電網(wǎng)結(jié)構(gòu)加以改善。

1）雷電過電壓檢測與隔離

一年時(shí)間內(nèi)對供電系統(tǒng)及獨(dú)立接地點(diǎn)的雷電沖擊過電壓幅值及分布進(jìn)行測定；過電壓等級分布測量；各獨(dú)立接地點(diǎn)之間的雷電沖擊分布電位測定。進(jìn)行電動(dòng)鼓風(fēng)站地網(wǎng)結(jié)構(gòu)性、有效性、安全性、合理性的技術(shù)論證分析，對電動(dòng)鼓風(fēng)站系統(tǒng)保護(hù)裝置承受過電壓損壞的絕緣能力進(jìn)行校核。

電源系統(tǒng)防雷侵入隔離措施是把獨(dú)立小地網(wǎng)連接的二次設(shè)備的電壓采用隔離電源，并與獨(dú)立小地網(wǎng)作等電位連接；配電系統(tǒng)電源防雷應(yīng)采用三級避雷防護(hù)，避雷器采用的是B、C、D三級防雷的方式。第一級保護(hù)（B級）安裝在建筑物輸入電源總配電室內(nèi)的進(jìn)線配電柜上，或樓內(nèi)單元輸入電源的主配電盤上，第二級保護(hù)（C級）主要安裝在設(shè)備配電柜上，第三極保護(hù)（D級）主要安裝于各個(gè)用電設(shè)備端，用于保護(hù)最終的用電設(shè)備。

信號系統(tǒng)防雷侵入隔離措施與電源防雷一樣，信號系統(tǒng)的防雷主要采用信號避雷器防雷。目前，數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)常采用的方式有電話線、專線、x.25、DDN和幀中繼等，通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)備主要為調(diào)制解調(diào)器、DTU、路由器和遠(yuǎn)程中斷控制器等。通常根據(jù)通信線路的類型、通信頻帶、線路電平等選擇通信避雷器，將通信避雷器串聯(lián)或并聯(lián)在通信線路上。

2）地網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)整治與完善

采用等電位連接方式，將正常不帶電（或不傳輸信息）、未接地或未良好接地的設(shè)備金屬外殼、電纜的金屬外皮、建筑物的金屬構(gòu)架、金屬管線的橋架與接地系統(tǒng)做電氣連接，防止在這些物件上由于感應(yīng)雷過電壓或接地裝置上雷電入地高電位的傳遞造成對設(shè)備內(nèi)部絕緣、電纜芯線的反擊。等電位連接的目的是減少需要防雷的空間內(nèi)各金屬部件和各系統(tǒng)之間的電位差，防止雷電反擊。

在做好以上措施的基礎(chǔ)上，還應(yīng)采用有效屏蔽、重復(fù)接地等辦法，避免雷電過電壓直接進(jìn)入建筑物內(nèi)配電系統(tǒng)和信號系統(tǒng)，盡可能采用埋地電纜引入，并用金屬導(dǎo)管屏蔽。屏蔽金屬管在進(jìn)入建筑物或機(jī)房前重復(fù)接地，最大限度地衰減從各種線纜上引入的雷擊過電壓。

3.2 改造措施

在改造技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，做出了具體的改造措施，主要包括以下幾個(gè)方面。

1）地網(wǎng)改造方案

圍繞鼓風(fēng)站周圍重新安裝環(huán)形接地裝置，環(huán)形接地裝置與主接地網(wǎng)不少于規(guī)定點(diǎn)連接。水平接地線采用不小于40mm×4mm熱鍍鋅扁鋼。

在水平接地線上每隔 5m安裝新型高效低阻接地體MSD-Ⅲ。

MSD-Ⅲ在土壤中的阻值估算方法如下：

式中，L=1m，d=0.26m，h=0.8m，M0=0.3m。ρ為土壤電阻率，故 Ri=0.107ρ。

當(dāng)ρ為100Ω·m時(shí)，單根MSD-Ⅲ的阻值為10.7Ω；當(dāng)ρ為200Ω·m時(shí)，單根MSD-Ⅲ的阻值為21.4Ω。

在實(shí)際運(yùn)用中常常多組接地體并聯(lián)使用，故并聯(lián)后多組接地體總接地電阻計(jì)算公式如下：

2）接地體安裝方式

（1）在接地體安裝處開挖一寬度不小于30cm，深度不小于80cm的地溝，水平地線與MSD-Ⅲ的連接線方式采用焊接，焊接點(diǎn)應(yīng)做好防腐處理。

（2）環(huán)形接地裝置經(jīng)過行人較多的地方，應(yīng)使接地裝置局部埋設(shè)深度不小于 1m，或者鋪設(shè) 5～10cm的瀝青層。

（3）環(huán)形接地裝置與主接地網(wǎng)不少于規(guī)定點(diǎn)焊接連接，并做好防腐處理。

3）電源線路雷電防護(hù)

電源線路雷擊過電壓采用分流泄流，層層保護(hù)的模式。第一級采用通流容量大的電源避雷器（以下簡稱為SPD），其目的是在雷擊過電壓時(shí)，能很快的動(dòng)作，并泄掉大部分雷電流，同時(shí)，電壓保護(hù)水平小于 4kV。以后級主要作用是起到箝壓的作用，并泄掉剩余雷電流。

本方案采用電源3級以上防雷保護(hù)，具體安裝位置及設(shè)備選型如表1所示。

表1 電源防雷的SPD安裝位置及型號參數(shù)

此外將重要設(shè)備（如微機(jī)、機(jī)柜等）的供電插座更換為插座型防雷器，其型號如下：

（1）MS20-02，適用于大多數(shù)設(shè)備的電源精細(xì)級保護(hù)。

（2）MS10J-1，適用于機(jī)房柜的電源精細(xì)級保護(hù)。

4）信號線路雷電防護(hù)

信號線路雷電防護(hù)常用方法是在線路上串接信號SPD，其目的是將從信號線路竄進(jìn)的雷電流在泄放至大地，并將電壓限制到設(shè)備可以接受的范圍內(nèi)。安裝位置及設(shè)備選型如表2所示。

表2 信號線防雷的SPD安裝位置及型號參數(shù)

5）接地、等電位連接及其他防雷措施

（1）電動(dòng)鼓風(fēng)接地

利用不小于30mm×3mm熱鍍鋅扁鋼與環(huán)形接地裝置焊接連接，連接點(diǎn)做可靠防腐處理（或采用不小于 50mm2多股銅塑線連接）。安裝在設(shè)備端的SPD接地線應(yīng)就近接地。

（2）機(jī)房接地

在機(jī)房利用不小于30mm×3mm銅排設(shè)置一圈等電位連接母排，機(jī)房內(nèi)電源SPD接地線（不小于10mm2多股銅塑線）、信號SPD接地線（不小于6mm2多股銅塑線）、保護(hù)接地線、工作接地線等應(yīng)分別各自連接至等電位連接母排。等電位連接母排采用不小于50mm2多股銅塑線與環(huán)形接地裝置連接。共用接地裝置阻值應(yīng)小于其中最小值，本方案為小于1Ω。進(jìn)入機(jī)房內(nèi)的各自金屬管線、鎧裝電纜的金屬層應(yīng)就近接到等電位連接排上。

4 結(jié)論

能夠經(jīng)受雷電侵襲時(shí)站所設(shè)備及工作人員的安全是評估地網(wǎng)優(yōu)劣的重要標(biāo)準(zhǔn)。對地網(wǎng)的優(yōu)化不僅考慮本身結(jié)構(gòu)的改造，同時(shí)要加強(qiáng)雷電的防護(hù)與隔離，這樣才會(huì)達(dá)到綜合預(yù)防的最優(yōu)效果。

攀鋼電動(dòng)鼓風(fēng)站經(jīng)過以上方案改造后，在一年多的運(yùn)行中，該接地網(wǎng)及SPD對站內(nèi)設(shè)備的過電壓防護(hù)起到了很好的作用。針對目前國內(nèi)電力系統(tǒng)接地裝置測試和評估工作比較單一，本文所提供的方法和整改方案有現(xiàn)實(shí)的指導(dǎo)意義，能夠應(yīng)用于其他工程。

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