燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電廠防雷接地系統(tǒng)改造

勵(lì) 敏, 郭世明

(1.上海閘電燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電廠, 上海 200438; 2.長沙理工大學(xué), 湖南 長沙 410114)

2012年8月20日,上海閘電燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電廠全廠6臺(tái)機(jī)組運(yùn)行。其中,1#機(jī)組出力55 MW;2#機(jī)組出力65 MW;3#機(jī)組出力54 MW;4#機(jī)組出力50 MW;5#機(jī)組出力64 MW;6#機(jī)組出力25 MW。全廠共出力313 MW。中午12∶25左右發(fā)生雷擊跳機(jī)事件,雷擊后,2#,3#,4#,6#機(jī)組退出運(yùn)行,1#和5#機(jī)組運(yùn)行正常,1#機(jī)組出力80 MW,5#機(jī)組出力40 MW。全廠合計(jì)減少出力194 MW。由于當(dāng)時(shí)正值迎峰度夏期間,對(duì)上海電網(wǎng)造成了一定影響,因此極有必要對(duì)電廠的防雷接地系統(tǒng)進(jìn)行系統(tǒng)的評(píng)估,并根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行改造。

1 雷電及其防護(hù)

雷電是一種自然現(xiàn)象,也是比較嚴(yán)重的自然災(zāi)害之一。直擊雷、電磁感應(yīng)雷、球形雷以及雷電電磁脈沖等各種不同類型的雷電危害都會(huì)對(duì)電力設(shè)施造成不同程度的影響。

雷電的威力巨大,雷電壓可達(dá)幾萬伏至幾十萬伏,瞬間電流可達(dá)十幾萬安。通常我們會(huì)安裝防雷擊的避雷針、避雷線、避雷帶,其目的是通過引下線和良好的接地網(wǎng)為雷電建立一條低阻抗通道,使雷電造成的危害降至最小。在受到雷擊的過程中,由于電流和電壓較高,所以雷電入地時(shí),也會(huì)通過對(duì)周圍的導(dǎo)體和金屬構(gòu)件的電容產(chǎn)生靜電耦合以形成電磁干擾。雷擊和閃電會(huì)造成強(qiáng)大的電磁脈沖輻射,其威力雖比不上直擊雷,但發(fā)生的幾率要比直擊雷大。電磁脈沖輻射通過金屬導(dǎo)線、金屬構(gòu)件傳導(dǎo),會(huì)嚴(yán)重影響計(jì)算機(jī)系統(tǒng),甚至造成人員傷亡。

電廠內(nèi)部的電力線路分布廣,雷雨天氣時(shí),電力線路會(huì)感應(yīng)雷電過電壓并傳導(dǎo)至用戶側(cè),因此由電源導(dǎo)入的雷電過電壓也是雷電引起設(shè)備損壞的主要原因之一。

雷電防護(hù)是一項(xiàng)系統(tǒng)性工作,包括雷電流引下、接地、均壓、隔離、屏蔽、限壓等各種措施,同時(shí)也是一項(xiàng)符合統(tǒng)計(jì)規(guī)律的工作。一般來說,在采取相關(guān)措施的前提下,投入的越多,防雷的效果越好。因此,針對(duì)電廠相關(guān)的電氣設(shè)備及計(jì)算機(jī)控制設(shè)備,應(yīng)采用不同方法來確定最終的防雷措施。

2 雷擊數(shù)據(jù)采集及事故分析

2012年8月20日12∶25前后電廠的燃?xì)廨啓C(jī)受到多次雷擊,而且有的雷電流的幅值高達(dá)60 kA。調(diào)取雷電監(jiān)測網(wǎng)數(shù)據(jù),當(dāng)日該電廠周邊雷擊情況見圖1。圖1中,圓的中心處為電廠的燃?xì)廨啓C(jī),也是閘森220 kV線路的起始位置。

圖1 8月20日當(dāng)天電廠燃?xì)廨啓C(jī)附近2 km內(nèi)落雷情況

當(dāng)日機(jī)組跳機(jī)分析如下。

(1) 2#機(jī)首出報(bào)警信息INLET GUIDE VANE CONTROL TROUBLE TRIP(IGV控制故障跳機(jī))。根據(jù)燃?xì)廨啓C(jī)保護(hù),機(jī)組轉(zhuǎn)速大于95%,同時(shí)IGV的開度反饋小于50°,IGV控制故障跳機(jī)保護(hù)動(dòng)作。2#機(jī)正常運(yùn)行過程中,IGV開度為57°,指令與反饋均正常。雷擊后,IGV開度指令仍為57°,IGV開度反饋?zhàn)兓癁?4°。滿足燃?xì)廨啓C(jī)保護(hù)條件,IGV控制故障跳機(jī)。

(2) 3#機(jī)首出報(bào)警信息EXHAUST OVERTEMPERATURE TRIP(排氣超溫跳機(jī))。根據(jù)燃?xì)廨啓C(jī)保護(hù),排氣溫度平均值高于排氣溫度基準(zhǔn)值40 K以上,排氣超溫跳機(jī)保護(hù)動(dòng)作。在3#機(jī)正常運(yùn)行過程中,排氣溫度顯示正常。雷擊后,16∶00排氣溫度瞬間顯示為零,排氣溫度平均值實(shí)際并未高于排氣溫度基準(zhǔn)值。Mark V發(fā)出錯(cuò)誤跳機(jī)信號(hào),排氣超溫跳機(jī)保護(hù)動(dòng)作。

(3) 4#機(jī)首出報(bào)警信息LIQUID FUEL HYDRAULIC TRIP PRESSURE LOW(液壓油壓力低跳機(jī))。根據(jù)燃?xì)廨啓C(jī)保護(hù),機(jī)組點(diǎn)著火后,液壓油壓力若低于13.792 kPa,則液壓油壓力低跳機(jī)保護(hù)動(dòng)作。4#機(jī)正常運(yùn)行過程中,液壓油壓力穩(wěn)定。雷擊后,液壓油壓力未有明顯波動(dòng),不會(huì)達(dá)到液壓油壓力開關(guān)動(dòng)作值,但液壓油壓力開關(guān)信號(hào)有動(dòng)作,導(dǎo)致液壓油壓力低跳機(jī)保護(hù)動(dòng)作。

雷擊后,2#,3#,4#燃?xì)廨啓C(jī)除了有首出跳機(jī)信號(hào)出現(xiàn)外,還有諸多跳機(jī)信號(hào)動(dòng)作,但首出跳機(jī)信號(hào)動(dòng)作后,不應(yīng)再有其他跳機(jī)信號(hào)。分析2#,3#,4#燃?xì)廨啓C(jī)跳機(jī)的原因,可能是Mark V控制器由于雷擊時(shí)接地電位瞬間抬高,使得控制器的工作電壓偏離了正常范圍,造成控制器運(yùn)算出錯(cuò),最終導(dǎo)致跳機(jī)信號(hào)誤動(dòng)。待雷擊過后,控制器工作電壓恢復(fù)正常,又重新正常工作。2#,3#,4#燃?xì)廨啓C(jī)Mark V控制器供電板卡受到不同程度的損壞,但1#燃?xì)廨啓C(jī)已改造為Mark VIe控制系統(tǒng),并安裝了抗浪涌裝置,因此在此次雷擊事件中得以幸免。

3 防雷接地的可行性方案

3.1 優(yōu)化接地裝置

建筑物和電子設(shè)備要有良好的接地裝置,在這一方面,請(qǐng)有資質(zhì)的機(jī)構(gòu)對(duì)該電廠的接地網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和分析,以優(yōu)化接地裝置。

3.2 完善防雷裝置

防雷裝置一般由避雷針、下引線和接地裝置3部分組成,主要用于防止直接雷擊,或者將雷電流引入大地,從大地釋放大電流以保護(hù)建筑物及背部設(shè)施的安全[1]。

由于燃?xì)廨啓C(jī)的特殊性,閘電的燃?xì)廨啓C(jī)的煙囪與周圍設(shè)備的距離非常近,一旦雷電落在避雷針上,強(qiáng)大的雷電流落下將會(huì)對(duì)周圍的設(shè)備造成嚴(yán)重影響。廠內(nèi)東部區(qū)域是油罐區(qū),有多根避雷針,西部的制高點(diǎn)為兩組燃?xì)廨啓C(jī)的煙囪(高度約60 m),因此電廠內(nèi)雷電落在煙囪上的幾率較大?？刂茦且员敝咙S浦江邊的區(qū)域相對(duì)空曠,若增加1～2根獨(dú)立避雷針,可以加強(qiáng)該地段對(duì)直擊雷的保護(hù),但經(jīng)實(shí)地考察發(fā)現(xiàn),該區(qū)域較小,而且黃浦江內(nèi)有很多輸油管道,無法增加避雷針。

因此,需要對(duì)煙囪上避雷針的引下線和集中接地裝置進(jìn)行完善。根據(jù)GB/T 50064—2014[2]的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定:“火力發(fā)電廠煙囪附近的引風(fēng)機(jī)及其電動(dòng)機(jī)的機(jī)殼應(yīng)與主接地網(wǎng)連接,并應(yīng)裝設(shè)集中接地裝置,該接地裝置宜與煙囪的接地裝置分開。如不能分開,引風(fēng)機(jī)的電源線應(yīng)采用帶金屬外皮的電纜,電纜的金屬外皮應(yīng)與接地裝置連接。機(jī)械通風(fēng)冷卻塔上電動(dòng)機(jī)的電源線、裝有避雷針和避雷線的架構(gòu)上的照明燈電源線,均必須采用直接埋入地下的帶金屬外皮的電纜或穿入金屬管的導(dǎo)線。電纜外皮或金屬管埋地長度在10 m以上,才允許與35 kV及以下配電裝置的接地網(wǎng)及低壓配電裝置相連接”。

由于地方緊湊,煙囪上避雷針的集中接地裝置無法與主接地網(wǎng)分開,因此可以進(jìn)一步加強(qiáng)避雷針集中接地裝置,使雷擊時(shí)大部分的雷電流由集中接地裝置入地,以減少雷電流向主接地網(wǎng)分流。同時(shí),所有煙囪上的電源線和其他信號(hào)線必須穿管屏蔽,且屏蔽層每隔5～10 m與金屬構(gòu)架可靠連接。

3.3 加強(qiáng)控制設(shè)備自身的防雷電過電壓措施

以電子元件為基礎(chǔ)的計(jì)算機(jī)控制設(shè)備對(duì)于電磁干擾比較敏感,因此在重要的設(shè)備或電磁干擾比較嚴(yán)重的場合,一般考慮采取更全面的防止過電壓措施[2]。

目前,過電壓保護(hù)元件的發(fā)展日益成熟,除了采用壓敏電阻、氣體放電管、熱敏電阻、熔絲等元件外,還可以采用響應(yīng)速度快、瞬時(shí)吸收功率大的大功率浪涌保護(hù)裝置等新型元器件,從而使計(jì)算機(jī)控制設(shè)備在一定的雷電過電壓下仍能正常工作。此外,也可以根據(jù)設(shè)備的布置位置及重要程度,設(shè)計(jì)一套分級(jí)布置的過電壓保護(hù)元件方案。

該電廠的計(jì)算機(jī)控制設(shè)備目前沒有采取特別的防治過電壓措施,因此有必要根據(jù)計(jì)算機(jī)控制設(shè)備的具體情況,采用隔離和限壓措施[3]。

3.4 提高電纜的屏蔽效果

該電廠的集控樓和各臺(tái)發(fā)電機(jī)控制小室有很多連接電纜,都敷設(shè)在電纜溝中。電纜溝中的通信電纜應(yīng)采用屏蔽電纜。當(dāng)無干擾時(shí),將屏蔽層兩端接地;兩端接地有干擾時(shí),屏蔽層一端接地,另一端串一壓敏電阻接地。對(duì)于既有鎧帶又有屏蔽層的電纜,在室內(nèi)應(yīng)將鎧帶與屏蔽層同時(shí)接地,而在另一端只將屏蔽層接地[4]。

對(duì)于微波通信站的防雷[5],一般要求電纜進(jìn)入室內(nèi)前水平埋地10 m以上,埋地深度應(yīng)大于0.6 m;非屏蔽電纜應(yīng)穿鍍鋅鐵管并水平埋地10 m以上,鐵管兩端應(yīng)接地。目的是加強(qiáng)電纜外層的散流,提高屏蔽和降壓效果。該電廠利用電纜溝敷設(shè)電纜,故考慮采取增加電纜溝內(nèi)接地體的方法,以提高屏蔽和散流效果:在電纜溝內(nèi)增設(shè)2～4根銅質(zhì)接地體與主接地網(wǎng)相連,使電纜外皮每隔一定距離(如10 m)與接地體連接。

此外，該電廠的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)分為內(nèi)網(wǎng)辦公系統(tǒng)和電廠工業(yè)系統(tǒng),兩網(wǎng)獨(dú)立,互不連接。目前燃?xì)廨啓C(jī)的控制系統(tǒng)均已改造為Mark VIe控制系統(tǒng),并安裝了抗浪涌裝置；控制柜均為一點(diǎn)接地,控制設(shè)備的接地與主接地網(wǎng)共地[1]。

4 全廠范圍接地系統(tǒng)評(píng)估和改造

4.1 主接地網(wǎng)接地阻抗測量

根據(jù)DL/T 475—2006《接地裝置特性參數(shù)測量導(dǎo)則》[6]的要求，以及近年來國內(nèi)外接地測試的經(jīng)驗(yàn),為了準(zhǔn)確地測量接地電阻,布線上采用遠(yuǎn)離法。測試方法使用電壓電流法。為消除工頻干擾,采用變頻電源以避開工頻干擾;為了減小電壓電流極引線間互感影響,采用夾角布線。

測試中采用人工布線作電流極和電壓極引線,根據(jù)該電廠的實(shí)際情況,分別沿軍工路向兩側(cè)放線。電流極、電壓極布線如圖2所示。

圖2 主接地網(wǎng)接地阻抗測量示意

本次試驗(yàn)測得該電廠的試驗(yàn)電壓為115.2 mV，試驗(yàn)電流為4.979 A，接地網(wǎng)接地阻抗為23.15 mΩ。根據(jù)DL/T 475—2006《接地裝置特性參數(shù)測量導(dǎo)則》要求，經(jīng)修正后實(shí)際接地阻抗為39.83 mΩ。根據(jù)GB/T 50065—2011《交流接地裝置的接地設(shè)計(jì)規(guī)范》[4]中要求:接地阻抗不大于2 000/IG(IG為計(jì)算用經(jīng)接地網(wǎng)入地的最大接地故障不對(duì)稱電流有效值),即最大地電位升高不超過2 000 V。目前調(diào)度提供的該電廠最大運(yùn)行方式下單相接地短路電流約為23.6 kA,對(duì)應(yīng)接地阻抗按39.83 mΩ考慮,對(duì)應(yīng)的地電位升高為940 V,小于2 000 V,符合規(guī)程要求。

4.2 部分主設(shè)備接地導(dǎo)通性連接電阻測試

分別選擇不同位置的接地下引線作為測試的參考點(diǎn),測試周圍電氣設(shè)備接地部分與參考點(diǎn)之間的直流電阻,根據(jù)相關(guān)規(guī)定，狀況良好的設(shè)備測試值應(yīng)在50 mΩ以下[6]。

部分主設(shè)備接地導(dǎo)通性連接電阻測試數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 部分主設(shè)備接地導(dǎo)通性連接電阻測試數(shù)據(jù)

本次試驗(yàn)中,地網(wǎng)土壤電阻率測試結(jié)果為11.94 Ω·m。測得數(shù)據(jù)表明，該電廠所處區(qū)域的土壤電阻率較低,這一情況下接地電阻比較容易滿足要求,但土壤中含水量也較大,接地體容易受到腐蝕,建議定期開挖抽樣檢查接地體的腐蝕情況。

4.3 跨步電勢和接觸電勢測試

表2為跨步電勢和接觸電勢的測試結(jié)果。

表2 跨步電勢和接觸電勢的測試結(jié)果

根據(jù)DL/T 475—2006《接地裝置特性參數(shù)測量導(dǎo)則》[6]要求,該接地裝置所在變電所的有效接地系統(tǒng)的最大單相接地短路電流不超過35 kA時(shí),跨步電位差一般不宜大于80 V,接觸電位差一般不宜超過85 V。

本次試驗(yàn)中,當(dāng)測得的入地電流為5 A時(shí),廠內(nèi)各測點(diǎn)最大跨步電位差為9.330 mV,最大接觸電位差為4.947 mV,對(duì)應(yīng)23.6 kA入地電流時(shí)的跨步電位差為44.03 V,接觸電位差為23.34 V,跨步電位差、接觸電位差換算后得到的數(shù)據(jù)均小于允許值,可以滿足規(guī)程要求。

4.4 局部接地網(wǎng)土壤電阻率測試

測試方向?yàn)闁|-西向，極間距為5 m,測得視在電阻率為11.94 Ω·m。

根據(jù)DL/T 475—2006《接地裝置特性參數(shù)測量導(dǎo)則》[6]規(guī)定:狀態(tài)良好的設(shè)備連接電阻測試值應(yīng)在50 mΩ以下。本次試驗(yàn)所有被測試設(shè)備間的連接電阻均小于50 mΩ,表明設(shè)備與接地網(wǎng)連接良好。

4.5 接地體熱穩(wěn)定計(jì)算

目前,該電廠的出線電壓等級(jí)為220 kV,為中性點(diǎn)有效接地系統(tǒng),燃?xì)廨啓C(jī)氣輪的單相接地短路電流約為23.6 kA。采用的是兩套速動(dòng)主保護(hù),結(jié)合電廠的有關(guān)參數(shù)設(shè)定,短路時(shí)間取0.5 s,可以估算出截面要求如下。

(1) 采用鋼材料

(2) 采用銅材料

目前,該電廠使用的是截面60 mm×8 mm的扁鋼接地材料。根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果,該鋼材料截面可以滿足電廠的熱穩(wěn)定截面要求。

上述接地?cái)?shù)據(jù)表明,該電廠接地網(wǎng)的接地阻抗和連接電阻均符合相關(guān)規(guī)程的要求。

5 結(jié) 語

經(jīng)過接地測試可知,該電廠的接地網(wǎng)是可靠的,在對(duì)控制系統(tǒng)安裝抗浪涌裝置、對(duì)相關(guān)設(shè)備進(jìn)行改進(jìn)后,再未發(fā)生因雷擊而導(dǎo)致跳機(jī)的不安全事件,由此表明,該接地系統(tǒng)的改造,更有利于電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。