1、大型设备安装工程中的电气接地保护技术分析探讨大型设备安装工程中的电气接地保护技术分析探讨摘 要:本文结合笔者多年 工业 设备电气施工实践,介绍了土壤特性对接地系统的影响,提出了接地电阻的正确测量方法,并结合几种大型设备电气接地保护安装施工对其电气接地保护技术要点几故障电流的监测进行了深入探讨。 关键词:大型设备;安装工程;电气接地保护;接地电阻;故障电流 1引言 在工业设备安装过程中,电气接地是必不可少的,接地系统的正确安装不仅可以保护建筑物和设备免遭意外的故障电流或雷电导致的损坏,而且还具有保护人身安全的作用,接地系统的安装看上去似乎简单,但实际上这是一个非常复杂的问题。 目前我国的建筑安装
2、施工规范中介绍了常规的接地工艺,这种接地工艺对传统的简单电气设备是可行的,但是对于复杂的建筑物如智能化建筑和复杂的大型重要设备如发电机组,常规的接地方法将难以满足要求,甚至会埋下事故隐患。为此,对接地安装工程中的土壤影响、接地电阻的测量以及接地故障电流的监测方法进行探讨有很强的现实意义。 2土壤特性对电气接地系统的影响分析 在安装电力设备时,良好的接地系统是为了给故障电流和雷电感应电流提供一个流入大地的低阻抗通道,以保证在电气设备发生故障和雷电袭击时获得最大程度的安全。但是,实现接地系统的正确安装不仅要求掌握有关标准、导体材料以及正确的连接方法,还必须考虑不同的土壤条件。因为土壤电阻对埋设导体
3、的总阻抗有显著影响。为此,在接地施工中,应该首先考虑土壤的以下特性: 1)含水量:一般来说,含水量越高,土壤电阻率越低,含水量降到10%以下时,电阻率将显著增加。 2)土壤温度:温度低于冰点会使电阻率增高,所以在高寒地区,需要将接地极挖到冻土层以下,以保持低电阻值的接地。 3)土壤类型:黑色土壤或有机物含量高的土壤能够保持较多的水分并且具有较好的电解性能,所以电阻率较低,沙土泄水快且含水量和电解性能差,故阻抗较高,岩石和灰渣性土壤不含水分和电解物质,故电阻率很高。各种不同土壤的电阻率见表1 。 土壤类型一般最小最大填土(灰渣、含盐份残渣),白土、黏土、含砂土,含有不同比例成分的砂和石子,含少量
4、白土或沙土的砂和石块。 为了正确埋设接地系统,需要首先用电阻测试仪测量土壤的电阻率,通常采用的测量方法有三种:四点测量法(最精确)、三点测量法(变化深度)、两点测量法。 在测得土壤的电阻率后,对于电阻率不合要求的土壤应该设法降低电阻率,其方法有三个: 1)增加土壤的含水量,但是这种方法不易实现。 2)在土壤中加硫酸铜、硫酸镁或氯化钠等盐类。这种方法成本较低,但存在的问题是,当盐类被冲洗掉后,土壤会恢复到加盐以前的状态,为此必须定期对接地系统补充盐分,此外,有些盐类可能会腐蚀导线。 3)采用接地增效剂,采用接地增效剂不仅能改善接地性能,而且效能稳定,无须维护。在选择增效剂时应当注意它要和接地极、
5、引线以及连接材料兼容。目前可供选择的增效剂有以下几种: a膨润土:考虑到在膨润土内只有通过离子的移动才产生导电作用。所以要求膨润土必须湿润。因为在失去水分时。膨润土的体积减小电阻率变大。同时膨润土的收缩使它与周围土壤的接触不再紧密。从而进一步增加接地电阻。 b碳粉:碳粉因其主要成分为碳质,所以导电性能很好。但缺点是可能被地下水冲刷掉。 c导电水泥:这是一种无腐蚀性的低电阻增效剂,并且可以在湿态和干态下使用。在干态下,它可以从周围土壤中吸收水分并固化并在其结构内部保持水分,湿态使用时,可用水将导电水泥调成泥浆倒入装有接地线的沟内或灌入接地极的周围,导电水泥便可形成一个稳定的高导电性能的块。 3接
6、地电阻的正确测量 电气接地系统的安装验收的主要依据是接地电阻是否符合要求,因此接地电阻的正确测量十分重要,要做到正确测量接地电阻,工程技术人员必须掌握以下要点: 1)选用合适的测量仪器不能用万用表测量接地电阻,因为万用表用两点法测出的是两连接点间的环路电阻,其中包括两点问土壤的电阻,它无法消除由于存在瞬变电流而引起的误差。 2)选择正确的测量方法,图l给出了正确的测量原理图,图中含有电压和电流两个回路,用测得的数据和欧姆定律可以得到接地电阻值。这种测试电路测得的电流为方波,它能消除电网电源中谐波电流的影响,从而摆脱了瞬变电流的干扰。 3)考虑测量时的环境条件。就接地极而言,大地是一个电阻性的包
7、绕环境,此包绕环境的固有特性决定于土壤的种类、接地极的形状和电气要求。此外,包绕环境随时间变化,例如温度和湿度。为此在测量接地电阻时应该考虑整个临界土壤容积的电阻值,因为它能影响发生接地故障时流入大地的电流大小。 4)正确布置辅助接地极。在测量时,辅助接地极的正确布置是十分重要的。由于辅助接地极的正确定位与土壤湿度以及有无其它地下埋设物等因素有关,因此需要将辅助接地极多试几个位置。以便选定能得到有代表性数据的位置,在选择辅助接地极的位置时,要注意不能让辅助接地极太靠近被测接地极,否则测得的数据将不能反映产生接地故障时的全部电阻值。 4几种特殊设备设施电气接地保护安装施工技术 对于一般常规建筑物
8、和工业设备,如能设计适当的接地系统并注意上述问题,其接地效果是令人满意的,但对于一些对接地要求更高的设备设施,则要考虑更多的技术问题,下面结合笔者多年电气安装施工实践分别进行阐述。 3.1电信基础设施的接地 图2为带电信设施的高层建筑物的接地系统,为了使语音数据设备可靠地运行,而且当雷击和接地故障发生时能够保护操作人员的安全,接地系统必须有正确的等电位连接和接地。 由图2可见,左下方的电信进线设施(TEF)采用了经由电信主干接地母线 (TMGB)的单点接地,安装施工时,需要在不同的接地平面上做三个等电位连接,以便给电信基础设施建立零伏基准电位,具体实现方法如下: 第一是在TMGB 和交流主干供
9、电盘的接地平面之前敷设一条导线,这样不仅为TEF建立零伏基准电位,而且保证了电信设备处在和交流电力系统出故障时的电气设备在同一电位上。 第二等电位连接是TMGB与设施的建筑钢结构,这样可以利用钢结构对大地较低的阻抗通路加强TMGB的接地。 第三是施工人员在TEF内做一个与交流电力盘的等电位连接,这样可以进一步保证交流电接地与电信设施接地之间的电压相等。 为了使接地贯穿全部电信设施,可以从TMGB敷设一条等电位连接主干(TBB)导线到电信设备室,并继续延伸到三层楼面的电信室,同样另一条TBB沿着建筑物左侧敷设到各电信室,在主干和各电信室接地母线之间需要敷设分支导线。应该注意,两条等电位导线在到达
10、最终进线点处不能分开连接,因为导线长度会影响主干导线的阻抗。 一般来说,电信室内都加设电涌防护器,但需要注意的是,只有合理的设计而没有正确的安装会使电涌防护器形同虚设,所以安装中应该注意以下要点: 1)是接地线的长度,施工中应该将各级电涌防护器的接地线布置的最短最直。因为不必要的地线长度会增加总阻抗,高阻抗产生的大电压降会阻碍电涌防护器的正常动作。此外,过长的接地线加上高频瞬时过电压引起的并联谐振会导致接地形同开路。 2)是接地线的路径,应该避免电涌防护器的接地线拐90度直弯。试验表明:有4个直弯的连接与无直弯连接相比,电涌防护器钳制电压增加了10倍。 3)是必须注意电涌防护器的接地线要远离无
11、屏蔽电缆。因为接地线与无屏蔽电缆会产生电容耦合,从而使原来本不会因雷电损伤的电路受到扰动。 4)是最好采用多股绞线而不要使用单股铜线做接地线,因为多股绞线的表面积大,对电涌的阻抗较小。 3.2发电机接地电气保护 一般来说,发电机的接地分为以下情况: 1)接地系统内发电机的接地,这种接地方法有A、B两种方案,分别用图3、图4表示。 对于图3所示方案,建议采用四极自动转换开关,即ATS,施工时可在系统内安全的装用多台发电机。注意安装时中性线到接地线环路在四极ATS处断开。如果发电机中性点接地而采用三极ATS,则会形成并联的接地线中性线环路。 图4所示方案采用了三极ATS,发电机中性点不接地。中性线
12、与接地环路是断开的,这就需要安装时按线间电压值来标定ATS。并且按满载电流选择中性线。调试时要求仔细调整继电器的协调配合。如果将发电机中性点也接地,则会构成接地线。中性线环路,从而导致中性线电流分流到原来不通电流的接地线和接地继电器。这时,即便系统内没有出现故障,也会因为接地继电器动作而使电源总断路器或发电机断路器跳闸。 2)多台发电机的接地,如果配电系统内分散安装了几台发电机且有各自的ATS,那么接地时可以按独立的发电机单元处理。如果发电站有多台发电机并联运行且经过一台或多台ATS给一回或多回线路供电。那么施工时可以把这些发电机的中心点接到共用的接地装置上,如配电盘接地母排、接地网、钢筋混凝
13、土内的钢筋或建筑物的钢结构上,安装时注意要在发电机出线端子处接地,同时将避雷器安装在发电机出线端子处且接地线要尽量短和直。 5接地故障电流的监测 随着智能化建筑的增多和 工业 设备性能的提高,设备安装工程中对接地可靠性的要求越来越高。为此,对于对接地要求高的建筑和设备,应当注意对接地故障电流的监测。 故障电流是指中性线的电流流经用作接地线的穿线金属管和建筑物的导电部分返回电源用户处,故障电流带来的问题是:在电气系统内产生噪音使设备无法正常工作,产生很强的杂乱磁场影响临近电气设备,在不同接地点产生危险的电位差。 产生故障电流的原因如图5所示。由图可见,中性线在点A与大地短路,使得部分中性线上的负
14、荷电流改经用作接地线的穿线钢管和建筑物的金属导电部分返回了电源。由于返回电源的负荷电流要经过 电子 敏感设备D1和D2的接地回路,而这两台设备的外壳与设备内的电子线路绝缘但与接地线连通,从而返回电流在接地线B点和C点问产生电压Vg。该电压在D1和D2的电缆上产生电流ID,该电流通常较大,所以可能干扰设备的正常工作。 监测故障电流的方法是让相线和中性线穿过一个电流互感器,电流互感器用于检测相线和中性线电流的瞬时向量和。如果系统内没有对地泄漏电流,电流互感器检测出的电流和应该近似为零,如果三相负荷不平衡,则电流差会通过中性线。 监测故障电流的方法视电流互感器的安装位置可以有以下几种情况: 1)监测
15、含有中性线的主干回路。对只有很少几台设备的小型电气系统这种方法是可行的。但是对于大型电气系统需要装多个电流互感器。否则难以查找故障点。 2)监测变压器中性点到总接地端子板间的电流,这种方法是直接监测泄漏电流而不是相线和中性线的向量和。 3)监测 参考 接地线上的电流。这种方法用于监测有专门参考接地线的电气系统。采用这种方法,装在参考接地线上的电流互感器不仅可以监测泄漏电流,还可以检验接线错误、导线和与参考接地线连接的设备的绝缘等问题。 4)隔离变压器或噪音抑制变压器二次回路的监测。这种方法可以监测可编程控制器和其它敏感电子设备的绝缘水平、接线有无错误以及二次回路上是否存在故障。 6结语 综上所
16、述,看上去似乎简单的电气接地与保护安装实际上并不简单,在设计和安装接地系统中,不仅要考虑接地系统的理论线路,更重要的是要考虑施工环境、土壤特性以及改善方法、接地导体的材质以及安装工艺。只有这样,才能实现可靠的接地。此外,只有掌握正确的接地电阻测量技术和适当安装了接地故障电流监测装置,保证大型设备的安全运行。 参考 文献 : 1杨岳.电气安全M.北京:机械工业出版社,2003. 2 供配电系统设计规范.GB50096-99S. 3 电力设备接地设计技术规程.SDJ8-79S. 4 江智伟.变电站自动化及其新技术M.北京: 中国 电力出版社,2006:1. 5 李正军.现场总线及其应用技术M.北京:机械工业出版社,2005:1. 6 建筑物防雷设计规范.GB50057-94,2000版S. 7 电气自动化新技术丛书.SPWM变频调速应用技术,北京,机械工业出版社,2006.
