電氣接地技術(shù)的應(yīng)用實(shí)踐與故障問題

沈錫陵,陳 杰,陳梅強(qiáng),呂 忠

(1.無錫市水利工程管理中心,江蘇 無錫 214000;2.無錫市河湖治理和水資源管理中心,江蘇 無錫 214000)

0 引言

隨著用電安全意識的不斷提高,水利工程對接地系統(tǒng)的安全要求越來越高,越發(fā)重視接地系統(tǒng)的抗干擾能力與穩(wěn)定性。然而,在實(shí)際的應(yīng)用過程中,部分接地系統(tǒng)運(yùn)行會出現(xiàn)各種故障問題,嚴(yán)重影響接地系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行及工程設(shè)備的運(yùn)行安全。

電氣接地技術(shù)主要是利用金屬材料,將電氣元件或設(shè)備線路與大地間形成良好電氣連接。當(dāng)前的電氣接地技術(shù)主要分為兩大類:一是將大地作為零電位,直接將設(shè)備金屬外緣和大地進(jìn)行連接,此種接地技術(shù)在保障設(shè)備有效導(dǎo)電的同時(shí),可以保護(hù)電氣設(shè)備,消除或降低電氣設(shè)備金屬外殼電壓,使電氣設(shè)備使用者或操作者可以安全使用設(shè)備;二是將系統(tǒng)和大地進(jìn)行連接,保障系統(tǒng)安全運(yùn)轉(zhuǎn),增強(qiáng)系統(tǒng)內(nèi)部的電磁兼容性,強(qiáng)化電氣設(shè)備的屏蔽保護(hù)能力[1]。

1 接地技術(shù)類型與作用

1.1 工作接地

中心點(diǎn)接地與其他的接地類型相比,工作接地技術(shù)可以確保電氣系統(tǒng)及其關(guān)聯(lián)電氣設(shè)備在突發(fā)故障時(shí)仍舊能夠穩(wěn)定運(yùn)行。通常人們會直接將電氣系統(tǒng)的中性點(diǎn)、電氣設(shè)備某處與大地連接,形成有效的工作接地。當(dāng)前的工作接地主要有3種運(yùn)行方式,即中性點(diǎn)直接接地、電源中性點(diǎn)經(jīng)消弧電圈接地、電源中性點(diǎn)不接地。不同運(yùn)行方式的工作接地在功能上存在一定的差別,如采取電源中性點(diǎn)接地時(shí),三相電路具有相線對地電壓不變的功能,而采取消弧線圈電源中心點(diǎn)接地的電氣系統(tǒng),最大限度上消除接地時(shí)的電弧,有效預(yù)防電氣系統(tǒng)或電力設(shè)備發(fā)生過電壓。

1.2 保護(hù)接地

目前,大部分電氣設(shè)備的外殼材質(zhì)為導(dǎo)電金屬,當(dāng)金屬外殼保護(hù)層出現(xiàn)絕緣損壞或金屬導(dǎo)線裸露等問題時(shí),外殼會帶電,電氣設(shè)備使用者觸摸到帶電的金屬外殼,可能會發(fā)生觸電事故,嚴(yán)重的還會導(dǎo)致人員傷亡,部分電氣設(shè)備外殼帶電還會引發(fā)電氣火災(zāi)。為了避免此類問題的發(fā)生,需要對電氣設(shè)備進(jìn)行接地保護(hù),將設(shè)備金屬外殼和大地進(jìn)行接地連接,將外殼攜帶的電能導(dǎo)入大地,消除外殼電壓,保障電氣設(shè)備的用電安全。接地保護(hù)通常是利用PE線,將電氣設(shè)備外露金屬導(dǎo)線或其他可導(dǎo)部分與大地連接,也可以借助PEN線或PE線將與設(shè)備關(guān)聯(lián)的外露設(shè)備進(jìn)行接地,這種方式被稱作保護(hù)接零。電氣系統(tǒng)中常見的電氣設(shè)備接地方式分為IT系統(tǒng)、TT系統(tǒng)、TN系統(tǒng)。接地系統(tǒng)的首字母代表電源端接地形式:I是間接接地,需經(jīng)過對地絕緣或高阻抗接地;T是直接接地。系統(tǒng)符號中第2個(gè)字母代表電氣設(shè)備關(guān)聯(lián)外部可導(dǎo)部位的實(shí)際接地狀態(tài),N代表低壓系統(tǒng)與外露可導(dǎo)部分進(jìn)行連接,T代表大地直接與設(shè)備外露可導(dǎo)部分連接,且與低壓系統(tǒng)接地點(diǎn)無關(guān)。接地形式不同,其功能特點(diǎn)也各不相同[2]。

2 接地系統(tǒng)技術(shù)應(yīng)用與故障原因分析

2.1 設(shè)計(jì)選型、布線與設(shè)計(jì)規(guī)范要求不相符

當(dāng)前的部分接地系統(tǒng)設(shè)計(jì)中存在低壓控制電纜、信號電纜、高壓電力電纜間距設(shè)計(jì)走線不合理等問題,不僅會對電氣系統(tǒng)造成信號干擾,還容易加大安全事故發(fā)生的概率。部分接地支線與接地干線在設(shè)計(jì)選型、布線等方面不符合設(shè)計(jì)規(guī)范要求,如接地線材料選擇及最小截面積不符合規(guī)范要求,不能滿足系統(tǒng)故障狀態(tài)下維持系統(tǒng)正常運(yùn)轉(zhuǎn)的保護(hù)要求。接地系統(tǒng)將電纜保護(hù)鋼管或建筑鋼結(jié)構(gòu)作為導(dǎo)體時(shí),鋼管材料或建筑鋼結(jié)構(gòu)在故障狀態(tài)下的導(dǎo)電截面積應(yīng)符合接地設(shè)計(jì)規(guī)范要求;同時(shí),電氣系統(tǒng)的所有線路布局必須維持可靠、連續(xù)的電氣連接,且在電氣系統(tǒng)兩端良好接地。接地系統(tǒng)布線或設(shè)計(jì)選型錯(cuò)誤會引發(fā)一系列的接地問題,干擾電氣系統(tǒng)正常運(yùn)行,甚至引發(fā)重大安全事故,造成人員傷亡事故的發(fā)生。

2.2 施工管理不規(guī)范導(dǎo)致的接地故障分析

施工管理不規(guī)范會引發(fā)接地系統(tǒng)故障問題,具體原因?yàn)?(1)弱電工作、強(qiáng)電保護(hù)接地、防雷接地三者間并未采取有效隔離措施,形成了共用接地系統(tǒng),出現(xiàn)電磁干擾,造成電氣系統(tǒng)無法正常運(yùn)行。(2)光纖電纜接地、儀表電纜接地、控制電纜、電力電纜等施工環(huán)節(jié)因施工管理不到位出現(xiàn)施工錯(cuò)誤,導(dǎo)致設(shè)備安全保護(hù)裝置失效或誤動作;控制系統(tǒng)因?yàn)楦袘?yīng)電較高引發(fā)誤動作,出現(xiàn)不可預(yù)估的安全風(fēng)險(xiǎn);信號傳輸顯示或計(jì)量不準(zhǔn)確,導(dǎo)致系統(tǒng)不能正常運(yùn)行。(3)施工團(tuán)隊(duì)水平不高,管理不到位,施工人員并未嚴(yán)格按照施工規(guī)范設(shè)計(jì)要求開展施工,且部分施工人員安全意識薄弱、責(zé)任心不強(qiáng),隨意更改施工步驟,并未嚴(yán)格按照要求開展接地布線,出現(xiàn)了諸如接線錯(cuò)誤、安全間距不足、焊接面積不夠、電氣連接不牢靠等問題,一旦系統(tǒng)出現(xiàn)故障,相應(yīng)的接地系統(tǒng)因?yàn)槭┕ゅe(cuò)誤,無法對電氣系統(tǒng)進(jìn)行保護(hù)[3]。

3 加強(qiáng)電接地系統(tǒng)安全可靠性的有效措施

3.1 做好接地系統(tǒng)的綜合布線設(shè)計(jì)

技術(shù)人員對綜合布線系統(tǒng)進(jìn)行屏蔽時(shí),為了保障用電安全,屏蔽層不可斷開,應(yīng)保持一定的連續(xù)性,且導(dǎo)線間的相對位置不變。同時(shí),屏蔽層配線設(shè)備的BD或FD端應(yīng)進(jìn)行接地,結(jié)合用戶終端的實(shí)際使用情況,選擇合適的接地方式,盡量采取兩端接地方式,將同一個(gè)系統(tǒng)內(nèi)的所有電氣設(shè)備連接到同一個(gè)接地體上,如果同一系統(tǒng)中同時(shí)存在兩個(gè)不同接地體,應(yīng)將兩個(gè)接地體間的電位差有效值控制在20 V內(nèi)。

纜線從建筑外部接入建筑內(nèi)部時(shí),雷雨天受地電勢上浮、電源感應(yīng)電勢等因素影響,容易遭受雷擊,為了保護(hù)用電安全,應(yīng)采用相應(yīng)的保護(hù)器進(jìn)行接地保護(hù),將雷擊危害降到最低。電氣電路的工作電壓如果處于大于250 V的電源線路觸地、雷擊環(huán)境,或交流50 Hz的感應(yīng)電壓大于250 V等危險(xiǎn)環(huán)境中,需要對該線采取過壓過流保護(hù);選擇氣體放電管保護(hù)器對綜合布線系統(tǒng)進(jìn)行過壓保護(hù),與其他的保護(hù)器相比,氣體放電管保護(hù)器陶瓷外殼中封有兩個(gè)電極,電極與電極間存在放電間隙,且充有一定量的惰性氣體。在實(shí)際的使用中,如果電極與電極間的實(shí)際電位差大于700 V雷電浪涌電壓或250 V交流電壓,氣體放電管擊穿會產(chǎn)生電弧,在導(dǎo)體與接地體間形成一條穩(wěn)定的導(dǎo)電通路,將多余的電力或電壓接入大地,消除過壓造成的負(fù)面影響。

自復(fù)保護(hù)器適用于綜合布線系統(tǒng)過流保護(hù),電纜在使用時(shí)其上可能會產(chǎn)生一定的電壓,如果電纜對接設(shè)備能夠?yàn)槠涮峁Φ氐妥柰?不需要使用過壓保護(hù)器動作,而電纜形成的電流則會引起火災(zāi)或設(shè)備損害,因此,需要使用攜帶自復(fù)功能的保護(hù)器。例如,20 V電力線不會導(dǎo)致過壓保護(hù)器放電,其產(chǎn)生的大電流卻會進(jìn)入電力設(shè)備內(nèi)部,對設(shè)備造成損害,為了避免這個(gè)情況,需對線路同時(shí)進(jìn)行過壓保護(hù)或過流保護(hù),采用具備自復(fù)功能的過流保護(hù)裝置,一來便于后續(xù)進(jìn)行維修管理,二來提高接地系統(tǒng)的可靠性與穩(wěn)定性。

3.2 不得混接PE線與N線

部分施工人員因?yàn)閷I(yè)水平不足或責(zé)任心薄弱,在施工時(shí)將N線與PE線弄混,在這種情況下,在工作電流流經(jīng)PE線時(shí),其壓降會增大,與該線路相連的所有電氣設(shè)備外殼均出現(xiàn)危險(xiǎn)電壓,導(dǎo)致出現(xiàn)用電安全問題。部分使用者在未經(jīng)專業(yè)指導(dǎo)的情況下擅自接線,也會出現(xiàn)N線與PE線混接的問題,為電氣設(shè)備的運(yùn)用埋下安全隱患,因此,N線與PE線不得混接。

3.3 加強(qiáng)電纜屏蔽與保護(hù)接地

3.3.1 做好金屬外殼接地

如果電纜只有一層屏蔽保護(hù),應(yīng)一端接地;如果電纜有兩層及兩層以上的屏蔽層,最外層應(yīng)采取兩端接地,而內(nèi)層則采取一端接地方式。最外層采取兩端接地方式,可以防止電感性干擾源(雷擊),采取內(nèi)層一端接地方式,可以防止電容性干擾源,避免強(qiáng)電導(dǎo)致的電磁干擾。

3.3.2 做好電纜屏蔽接地與信號回路接地

電纜的屏蔽接地與信號回路接地通常為同一個(gè)單獨(dú)接地極。因此,同一線路或同一信號回路屏蔽層共用同一個(gè)接地點(diǎn),且確保接地電阻值符合接地系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范要求。信號回路接地點(diǎn)通常在顯示儀表側(cè),如果儀表選用接地型熱電偶且檢測部分接地,則無須進(jìn)行側(cè)接地。在對屏蔽電線的屏蔽層進(jìn)行接地時(shí),同一線路屏蔽層必須具備連續(xù)可靠的電氣接地。如果接地系統(tǒng)有一定的防干擾要求,多芯電纜的備用芯線必須在同一點(diǎn)進(jìn)行接地,且屏蔽電纜屏蔽與備用芯線也應(yīng)在同一點(diǎn)接地。

3.3.3 做好高壓電纜屏蔽與保護(hù)接地

單芯電纜通電運(yùn)行后,會在屏蔽層產(chǎn)生感應(yīng)電壓。當(dāng)屏蔽層兩端同時(shí)接地時(shí),大地與屏蔽層會產(chǎn)生回路,形成感應(yīng)電流,導(dǎo)致電纜屏蔽層發(fā)熱,電能損耗,影響電氣系統(tǒng)的正常運(yùn)行,想要阻止這種問題發(fā)生,應(yīng)采用一端接地方式。當(dāng)多芯高壓電纜通電運(yùn)行后,因?yàn)槎嘈靖邏弘娎|的輸出或輸入端處于超高壓或開關(guān)場高壓環(huán)境,會出現(xiàn)電磁感應(yīng)干擾,為有效避免暫態(tài)過電壓,應(yīng)選擇兩端接地方式。多芯高壓電纜的端頭保護(hù)接地是用來預(yù)防電纜故障和電磁感應(yīng)的接地保護(hù)動作,也應(yīng)采取兩端接地[4]。

3.4 做好接地系統(tǒng)施工模塊交接

隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步,越來越多的電氣設(shè)備被研發(fā)出來,所涉及的專業(yè)種類較多,構(gòu)成雜亂,隨著建筑工程規(guī)模的不斷擴(kuò)大,建筑接地系統(tǒng)要求也越來越嚴(yán)格。建筑工程的各個(gè)施工模塊會承包給不同的施工單位,如果施工單位間的聯(lián)系不緊密,缺乏應(yīng)有的溝通交流,會導(dǎo)致接地系統(tǒng)施工不連貫,為后續(xù)的用電安全埋下許多安全隱患。因此,各單位間必須加強(qiáng)溝通交流,做好各接地模塊施工的對接統(tǒng)籌工作,確保接地系統(tǒng)的連貫性與完整性,只有這樣才能保障接地系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

3.5 加強(qiáng)建筑物等電位連接建設(shè)

當(dāng)前,許多智能化小區(qū)與高層建筑在建設(shè)中,為了保障用電安全,要求對幕墻零件、門窗框架、衛(wèi)生間潔具、鐵質(zhì)護(hù)欄等位置設(shè)置相應(yīng)的等電位連接。要求等電位連接線與接地線間應(yīng)有兩個(gè)以上的非間接相連,且等電位連接的支線不得串聯(lián),應(yīng)結(jié)實(shí)有效。相關(guān)研究顯示,當(dāng)金屬管道結(jié)構(gòu)、設(shè)備外殼與大地連接發(fā)生接地短路時(shí),管道、設(shè)備外殼等會產(chǎn)生故障電壓,該電壓會引起電氣火災(zāi)事故或造成人身點(diǎn)擊,危及群眾生命健康安全。為了解決這個(gè)問題,可以通過在建筑內(nèi)部設(shè)置總等電位聯(lián)結(jié),降低或消除故障電壓。等電位聯(lián)結(jié)這一電氣安全措施并不需復(fù)雜價(jià)昂的電氣設(shè)備,只需要消耗一些導(dǎo)線。為了保障建筑等電位聯(lián)結(jié)的可靠性與導(dǎo)通性,等電連接線應(yīng)選用銅線,接地母排應(yīng)選用銅板,以延長等電位聯(lián)結(jié)的實(shí)際使用壽命[5]。

4 結(jié)語

電氣接地技術(shù)應(yīng)用過程中存在著諸多的問題亟待解決,單位應(yīng)從接地故障問題入手,依據(jù)不同接地類型的不同功能,分析各接地類型的優(yōu)缺點(diǎn),結(jié)合電氣系統(tǒng)及電氣設(shè)備具體接地需求,選擇合適的接地技術(shù),保障接地技術(shù)有效應(yīng)用的同時(shí),從源頭解決接地系統(tǒng)故障問題,最大限度上提高接地系統(tǒng)的可靠性與穩(wěn)定性,保障用電安全。