大型設備安裝工程中的電氣接地保護技術分析探討

1、大型設備安裝工程中的電氣接地保護技術分析探討摘 要 :本文結合筆者多年工業(yè)設備電氣施工實踐,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 ,并結合幾種大型設備電氣接地保護安裝施工對其電氣接地保護技術要點幾故障電流的監(jiān)測進行了深入探討。關鍵詞 : 大型設備 ;安裝工程 ;電氣接地保護 ;接地電阻 ;故障電流1 引言在工業(yè)設備安裝過程中,電氣接地是必不可少的,接地系1統(tǒng)的正確安裝不僅可以保護建筑物和設備免遭意外的故障電流或雷電導致的損壞 ,而且還具有保護人身安全的作用 ,接地系統(tǒng)的安裝看上去似乎簡單 ,但實際上這是一個非常復雜的問題。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

2、藝,這種接地工藝對傳統(tǒng)的簡單電氣設備是可行的,但是對于復雜的建筑物如智能化建筑和復雜的大型重要設備如發(fā)電機組,常規(guī)的接地方法將難以滿足要求,甚至會埋下事故隱患。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)測方法進行探討有很強的現(xiàn)實意義。2 土壤特性對電氣接地系統(tǒng)的影響分析在安裝電力設備時, 良好的接地系統(tǒng)是為了給故障電流和雷電感應電流提供一個流入大地的低阻抗通道,以保證在電氣設備發(fā)生故障和雷電襲擊時獲得最大程度的安全。但是,實現(xiàn)接地系統(tǒng)的正確安裝不僅要求掌握有關標準、導體材料2以及正確的連接方法,還必須考慮不同的土壤條件。因為土壤電阻對埋設導體的總阻抗有顯著影響。為此

3、 , 在接地施工中 , 應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,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、含鹽份殘渣 ), 白土、黏土、含砂土 ,含有不同比例成

4、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:四點測量法( 最精3確 )、三點測量法 (變化深度 )、兩點測量法。在測得土壤的電阻率后 ,對于電阻率不合要求的土壤應該設法降低電阻率 ,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 ,當鹽類被沖洗掉后 ,土壤會恢復到加鹽以前的狀態(tài) ,為此必須定期對接地系統(tǒng)補充鹽分,此外 ,有些鹽類可能會腐蝕導線。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

5、 ,無須維護。在選擇增效劑時應當注意它要和接地極、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 :考慮到在膨潤土內只有通過離子的移動才產生導電作用。所以要求膨潤土必須濕潤。因為在失去水分時。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。從而進一步增加接地電阻。4b 碳粉 :碳粉因其主要成分為碳質,所以導電性能很好。但缺點是可能被地下水沖刷掉。c 導電水泥 :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構內部保持水分,濕態(tài)使用時 ,可用水將導電水泥調成泥漿倒入裝有接地線的溝內或灌入

6、接地極的周圍,導電水泥便可形成一個穩(wěn)定的高導電性能的塊。3 接地電阻的正確測量電氣接地系統(tǒng)的安裝驗收的主要依據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 ,工程技術人員必須掌握以下要點 :1)選用合適的測量儀器不能用萬用表測量接地電阻,因為萬用表用兩點法測出的是兩連接點間的環(huán)路電阻,其中包括兩點問土壤的電阻,它無法消除由于存在瞬變電流而引起的5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 ,它能消除電網電源中諧波電流的影響 ,從而擺脫

7、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該考慮整個臨界土壤容積的電阻值, 因為它能影響發(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物等因素有關, 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)據將不能反映產生接

8、地故障時的全部6電阻值。4 幾種特殊設備設施電氣接地保護安裝施工技術對于一般常規(guī)建筑物和工業(yè)設備 , 如能設計適當?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備設施 ,則要考慮更多的技術問題 ,下面結合筆者多年電氣安裝施工實踐分別進行闡述。3.1 電信基礎設施的接地圖 2 為帶電信設施的高層建筑物的接地系統(tǒng),為了使語音數(shù)據設備可靠地運行, 而且當雷擊和接地故障發(fā)生時能夠保護操作人員的安全,接地系統(tǒng)必須有正確的等電位連接和接地。7由圖 2 可見 ,左下方的電信進線設施 (TEF) 采用了經由電信主干接地母線 (TMGB) 的單點接地 ,安裝施工時 ,需要在

9、不同的接地平面上做三個等電位連接 , 以便給電信基礎設施建立零伏基準電位 ,具體實現(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一條導線 ,這樣不僅為TEF 建立零伏基準電位,而且保證了電信設備處在和交流電力系統(tǒng)出故障時的電氣設備在同一電位上。第二等電位連接是TMGB與設施的建筑鋼結構,這樣可以利用鋼結構對大地較低的阻抗通路加強TMGB 的接地。第三是施工人員在 TEF 內做一個與交流電力盤的等電位連接 ,這樣可以進一步保證交流電接地與電信設施接地之間的電壓相等。為了使接地貫穿全部電信設施 ,可以從 TMGB 敷設一條等電位連接主干 (TBB) 導線到電信設備室 ,并繼續(xù)延伸

10、到三層樓面的電信室 ,同樣另一條 TBB 沿著建筑物左側敷設到各電信室 ,在主干和各電信室接地母線之間需要敷設分支導線。應該注意 ,兩條等電位導線在到達最終進線點處不能分開連接,8因為導線長度會影響主干導線的阻抗。一般來說 ,電信室內都加設電涌防護器, 但需要注意的是,只有合理的設計而沒有正確的安裝會使電涌防護器形同虛設,所以安裝中應該注意以下要點:1)是接地線的長度,施工中應該將各級電涌防護器的接地線布置的最短最直。因為不必要的地線長度會增加總阻抗,高阻抗產生的大電壓降會阻礙電涌防護器的正常動作。此外,過長的接地線加上高頻瞬時過電壓引起的并聯(lián)諧振會導致接地形同開路。 2)是接地線的路徑,應該

11、避免電涌防護器的接地線拐 90 度直彎。試驗表明 :有 4 個直彎的連接與無直彎連接相比 ,電涌防護器鉗制電壓增加了 10 倍。3) 是必須注意電涌防護器的接地線要遠離無屏蔽電纜。因為接地線與無屏蔽電纜會產生電容耦合 ,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 ,因為多股絞線的表面積大 ,對電涌的阻抗較小。3.2 發(fā)電機接地電氣保護9一般來說 ,發(fā)電機的接地分為以下情況:1)接地系統(tǒng)內發(fā)電機的接地,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換開關 ,即 ATS, 施工時可在系統(tǒng)內安全

12、的裝用多臺發(fā)電機。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)電機中性點接地而采用三極 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)電機中性點不接地。 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定 ATS 。并且按滿載電流選擇中性線。調試時要求仔細調整繼電器的協(xié)調配合。如果將發(fā)電機中性點也接地 ,則會構成接地線。中性線環(huán)路 ,從而導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)內沒有出現(xiàn)故障 ,也會因為接地繼電器動作而使電源總斷路器或發(fā)電機斷路器跳閘。102)多臺發(fā)電機的接地,如果配電系統(tǒng)內分散安裝了

13、幾臺發(fā)電機且有各自的ATS, 那么接地時可以按獨立的發(fā)電機單元處理。如果發(fā)電站有多臺發(fā)電機并聯(lián)運行且經過一臺或多臺ATS 給一回或多回線路供電。那么施工時可以把這些發(fā)電機的中心點接到共用的接地裝置上, 如配電盤接地母排、接地網、鋼筋混凝土內的鋼筋或建筑物的鋼結構上 ,安裝時注意要在發(fā)電機出線端子處接地 , 同時將避雷器安裝在發(fā)電機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)設備性能的提高,設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備 ,應當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用作接地線的穿線金屬管和建筑物的

14、導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)內產生噪音使設備無法正常工作,產生很強11的雜亂磁場影響臨近電氣設備 ,在不同接地點產生危險的電位差。產生故障電流的原因如圖5 所示。由圖可見 ,中性線在點A 與大地短路 ,使得部分中性線上的負荷電流改經用作接地線的穿線鋼管和建筑物的金屬導電部分返回了電源。由于返回電源的負荷電流要經過電子敏感設備 D1 和 D2 的接地回路 ,而這兩臺設備的外殼與設備內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 點和 C 點問產生電壓Vg 。該電壓在 D1 和 D2 的電纜上產生電流ID, 該電流通常較大,所以可能干擾設備的正常工作。監(jiān)測故

15、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)內沒有對地泄漏電流 ,電流互感器檢測出的電流和應該近似為零 ,如果三相負荷不平衡 ,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12要裝多個電流互感器。否則難以查找故障點。2)監(jiān)測變壓器中性點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

16、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 ,還可以檢驗接線錯誤、導線和與參考接地線連接的設備的絕緣等問題。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 結語綜上所述 ,看上去似乎簡單的電氣接地與保護安裝實際上并不簡單 , 在設計和安裝接地系統(tǒng)中,不僅要考慮接地系統(tǒng)13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、接地導體的材質以及安裝工藝。只有這樣 ,才能實現(xiàn)可靠的接地。此外 ,只有掌握正確的接地電阻測量技術和適當安裝了接地故障電流監(jiān)測裝置 ,保證大型設備的安全運行。