火電廠接地系統(tǒng)的設(shè)計與分析

薛 濤, 賈輝然，張 玥，李永偉

(河北科技大學(xué)電氣工程學(xué)院，河北石家莊 050018)

火電廠接地系統(tǒng)的設(shè)計與分析

薛 濤, 賈輝然，張 玥，李永偉

(河北科技大學(xué)電氣工程學(xué)院，河北石家莊 050018)

簡述了火力發(fā)電的特點和現(xiàn)況，介紹了火電廠接地系統(tǒng)的種類與接地裝置。通過某火電廠接地系統(tǒng)的設(shè)計實例，說明了該系統(tǒng)各接地環(huán)節(jié)的參數(shù)設(shè)定和敷設(shè)方式。對其中關(guān)于電纜屏蔽層的接地抗干擾問題進(jìn)行了深入研究，進(jìn)行了有針對性的實驗和數(shù)據(jù)分析，為相關(guān)研究提供了參考。

火力發(fā)電；接地系統(tǒng)；電纜屏蔽層接地；抗干擾

中國電力系統(tǒng)近些年來在水力、風(fēng)能以及核能等發(fā)電方式上的研究取得了長足的發(fā)展與進(jìn)步，但火力發(fā)電仍然是當(dāng)今的主力軍。火力發(fā)電所使用的是不可再生類能源，因此在能源有限的條件下進(jìn)一步提高火電廠的工作效率成為火力發(fā)電研究的重點，這對于中國所制定的“加快建設(shè)資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會”決策來講也有著重要的意義?；痣姀S的工作模式經(jīng)過多年的發(fā)展已經(jīng)處于比較成熟的階段，提高與改進(jìn)的空間不大。面對這種情況，需要從細(xì)節(jié)入手，通過提高設(shè)備運行的穩(wěn)定性與可靠性來實現(xiàn)提高工作效率的目標(biāo)?；痣姀S的接地系統(tǒng)在發(fā)電過程中為機(jī)組設(shè)備的穩(wěn)定、可靠和高效運行提供了保障，更是保護(hù)人身安全所必不可少的環(huán)節(jié)。因此，完善與提高火電廠的接地系統(tǒng)意義重大。本文對某火電廠接地系統(tǒng)設(shè)計實例進(jìn)行了分析，并深入討論了電纜屏蔽層接地抗干擾問題，為相關(guān)研究提供了參考。

1 火電廠接地系統(tǒng)的種類與接地裝置

1.1接地系統(tǒng)的種類

電氣設(shè)備與大地之間的連接部分稱為接地系統(tǒng)。接地系統(tǒng)能夠確保電氣設(shè)備正常運作并為工作人員提供安全保障。接地極、接地線與電氣設(shè)備外殼構(gòu)成接地系統(tǒng)。在火電廠中，接地系統(tǒng)主要有3大類。

1) 工作接地 此類接地是為了使系統(tǒng)和與其相連的儀表設(shè)備可靠運行并保證測量和控制精度而設(shè)的一種接地方式。其一般形式是利用大地為導(dǎo)體將系統(tǒng)的某一點接地。

2) 防雷接地 此類接地是為了避免雷電擊中電氣設(shè)備所引起的過電壓對人體或設(shè)備造成不可逆損壞而設(shè)的一種接地[1]。其一般形式是加裝避雷針、避雷器等設(shè)備。

3) 保護(hù)接地 此類接地是為了保護(hù)人身免受電擊傷害而設(shè)的一種接地。其一般形式是將電器設(shè)備金屬外殼與大地相連。

1.2接地裝置的規(guī)格

接地系統(tǒng)的實現(xiàn)離不開接地裝置的架設(shè)，它是用來連接電氣系統(tǒng)與大地的部件[2-3]，相當(dāng)于接地系統(tǒng)的執(zhí)行者。下面就火電廠接地裝置的幾項重要參數(shù)指標(biāo)加以簡述。

1) 接地極 埋入地中與大地緊密接觸并與大地形成電氣連接的一個或一組導(dǎo)電體稱為接地極。接地極選用時遵循的最小規(guī)格如表1所示。

表1 接地極的最小規(guī)格

2) 接地線 由電氣裝置的總接地端子或接地干線接至接地極，在正常情況下不載流的導(dǎo)體稱為接地線。接地線選用時遵循的最小規(guī)格如表2所示。

表2 接地線的最小規(guī)格

3) 接地電阻 當(dāng)電流由接地體流入土壤時，土壤中呈現(xiàn)的電阻稱為接地電阻。它包括接地體本身和接地體與土壤間電阻的總和。一般要求接地裝置有較小的接地電阻，并在鋪設(shè)之后的定期檢查中要進(jìn)行測量[4]。

2 火電廠接地系統(tǒng)實例

本文選取一實例，來進(jìn)一步闡明火電廠接地系統(tǒng)的具體設(shè)計及應(yīng)注意的問題。實例中，某電廠電氣接線采用了TN-C-S系統(tǒng)，PE線同N線有部分結(jié)合。在配電室采用了變壓器中性點零線同接地線連接，電氣設(shè)備外殼接地。電廠接地網(wǎng)設(shè)計在室外采用50 mm×8 mm熱鍍鋅扁鋼，室內(nèi)采用40 mm×4 mm熱鍍鋅扁鋼，通過鋪設(shè)主接地網(wǎng)及避雷針和避雷器構(gòu)成完整的接地系統(tǒng)。根據(jù)上述接地設(shè)備規(guī)格，設(shè)計該電廠的接地系統(tǒng)。

2.1火電廠工作接地

火電廠工作接地系統(tǒng)包括變電站接地、電壓互感器接地、電流互感器接地、發(fā)電機(jī)接地、電氣盤柜接地、電氣保護(hù)屏接地、電除塵接地和液化管道接地等。接地裝置的選型及參數(shù)計算是系統(tǒng)設(shè)計當(dāng)中的重要部分。接地極與接地電阻可通過上述標(biāo)準(zhǔn)的要求得出。接地電阻的計算由3部分組成，即接地電阻、跨步電勢及接觸電勢的計算[5]。下面以變電站為例進(jìn)行說明，其接地電阻的計算公式見式(1)：

(1)

式中：ρ為土壤電阻率，取460 Ω·m；S為接地網(wǎng)面積。

跨步電勢US的計算公式見式(2)：

(2)

式中：ρf為土壤電阻率；t為接地短路電流持續(xù)時間，取0.04 s。

接觸電勢Ut的計算公式見式(3)：

(3)

通過以上計算，最終設(shè)計該廠在110 kV，220 kV 室外變電站應(yīng)采用100 mm×10 mm熱鍍鋅扁鋼，各變電站以圓周位置關(guān)系接地，接地圓周內(nèi)采用間距20～30 m扁鋼焊接，接地電阻為0.23 Ω[6]。此部分的接地設(shè)計最重要的是一次設(shè)備的接地問題，要盡可能降低一次設(shè)備如避雷器、電流互感器、電壓互感器的接地阻抗，降低因注入高頻電流而產(chǎn)生的暫態(tài)電位升，并構(gòu)成一個具有低阻抗的接地網(wǎng)，盡可能地降低變電站內(nèi)的地電位差，以降低對二次回路及設(shè)備的干擾[7]?；痣姀S其他部分接地系統(tǒng)設(shè)計如表3所示。

2.2火電廠防雷接地

火電廠雷電保護(hù)接地包括塔式避雷針接地、煙筒接地和雙曲水塔接地等。塔式避雷針的接地采用沿地基水泥底座四周挖一深為0.8 m的地溝,每5 m埋入2.5 m長的接地極，接地40 mm×4 mm扁鋼同避雷針相連,不同主接地網(wǎng)相連接。煙筒的接地采用沿地基水泥底座四周挖一深為0.8 m的地溝,每5 m埋入2.5 m長的接地極，接地40 mm×4 mm扁鋼同煙筒頂避雷針相連，接地不少于4點。雙曲水塔的接地采用沿地基底座挖一深為0.8 m的地溝,每5 m埋入2.5 m長的接地極，接地40 mm×4 mm扁鋼同水塔頂避雷針相連的方式。

表3 火電廠接地系統(tǒng)設(shè)計方案

2.3火電廠保護(hù)接地

車間廠房的接地采用離廠房2 m，沿建筑物四周挖0.8 m深溝,每5 m埋入2.5 m長的接地極,用鍍鋅扁鋼同接地極相連并接主地網(wǎng),建筑物的門外均做均壓帶。廠房內(nèi)的接地采用沿墻離地200 mm高，40 mm×4 mm規(guī)格扁鋼一周閉環(huán)接地體，接地體同地網(wǎng)連接不少于4點(每個方向一點接地)。

3 電纜屏蔽接地抗干擾問題

火電廠在進(jìn)行發(fā)電以及電能傳輸?shù)倪^程中，難以避免干擾問題。機(jī)組設(shè)備要想正常運轉(zhuǎn)，就需要對作為傳輸介質(zhì)的電纜進(jìn)行抗干擾處理。在參與該火電廠接地系統(tǒng)鋪設(shè)施工的過程中發(fā)現(xiàn)，一些技術(shù)人員與施工人員對于電纜屏蔽接地的重要性及其原理和方式的了解不夠深入。下面結(jié)合實驗，對電纜屏蔽層接地問題進(jìn)行討論。

3.1火電廠接地系統(tǒng)中存在的干擾

火電廠的干擾主要是電磁感應(yīng)干擾和靜電感應(yīng)干擾[8]。根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律可知，交流變化的磁場使得處于其中電纜的屏蔽層產(chǎn)生感應(yīng)電流和感應(yīng)電動勢，進(jìn)而產(chǎn)生干擾。此種干擾造成的影響較大，情況也更為復(fù)雜。靜電感應(yīng)干擾則是在各設(shè)備的電容之間以耦合方式存在。

在火電廠的控制系統(tǒng)中常采用220 V或110 V的強(qiáng)電電源，這種系統(tǒng)中控制設(shè)備數(shù)量多，儀表體積大，用來進(jìn)行控制連接的電纜粗。變電站中被控對象較多，中國火電廠多采用弱電回路對各種設(shè)備進(jìn)行控制。但強(qiáng)電系統(tǒng)中大體積設(shè)備和電纜對弱電回路產(chǎn)生了較大的干擾，這成為火電廠控制系統(tǒng)中的難題[9]。若要抑制這種強(qiáng)電回路干擾，除了在火電廠設(shè)計初期對變電站一次回路的耦合阻抗、互感阻抗等進(jìn)行嚴(yán)密的計算，還需要通過使用屏蔽電纜來減小對二次設(shè)備的干擾。屏蔽電纜的使用，不僅減少了強(qiáng)電回路對弱電控制的干擾，有效避免弱電控制電路中的錯誤傳輸、噪音增大和信息泄露等問題，還能從根本上減小火電廠中的電磁輻射，減少環(huán)境污染。

3.2屏蔽電纜接地減少干擾的原理

屏蔽的工作原理即切斷電磁噪聲的傳輸途徑。屏蔽電纜利用金屬材料將屏蔽區(qū)域圍起來，使得屏蔽層內(nèi)外的磁場相互隔離，從而保證電纜芯不受外界影響，如圖1所示。

圖1 屏蔽電纜等效電路Fig.1 Equivalent circuit of shielded cable

圖1中：Zab為電纜屏蔽層阻抗；C1為漏電容；C2為干擾源與屏蔽電纜間的耦合電容；C3為屏蔽層與電纜芯之間的耦合電容；X2為電纜芯與地面間的共模阻抗；US為干擾源的干擾電壓。通過屏蔽電纜的等效電路可以得出電纜芯上的耦合電壓計算公式，見式(4)：

(4)

屏蔽電纜的屏蔽層與電纜芯之間存在能引起串聯(lián)干擾的耦合電容，通過將屏蔽層接地，阻斷了干擾電壓從屏蔽層到電纜芯的回路，從而實現(xiàn)了電場屏蔽[10]。通過式(4)可看出，將屏蔽電纜接地可減小屏蔽層阻抗，從而減小電纜芯耦合電壓，降低強(qiáng)電回路的干擾。

3.3屏蔽電纜單點接地或多點接地的選擇

電纜屏蔽層單端接地適用于傳輸?shù)皖l信號的情況，可有效降低靜電干擾；多點接地適用于高頻信號傳輸，可有效降低電磁干擾。屏蔽層接地方式如圖2所示。圖2 a)為電纜屏蔽層單端接地，圖2 b)為電纜屏蔽層雙端接地。

圖2 屏蔽層接地方式Fig.2 Grounding method of shield

如果控制電纜屏蔽層只在一端接地，不接地端對地將可能出現(xiàn)很高的暫態(tài)電壓，將控制電纜屏蔽層在兩端同時接地，允許屏蔽電流通過，由于磁感應(yīng)產(chǎn)生的屏蔽電流將抵消產(chǎn)生屏蔽電流的磁束，屏蔽對信號芯線的凈效果是降低干擾水平[11]。

為了說明雙端接地方式的優(yōu)勢，針對控制線纜接地對同心干擾的影響進(jìn)行了實驗。實驗電纜長 13 m，型號為KVVP22，按圖3方式接線。

圖3 實驗線路Fig.3 Experimental line

屏蔽層不同接地方式的感應(yīng)電壓見表4。

表4 屏蔽層不同接地方式的感應(yīng)電壓

從表4實驗數(shù)據(jù)可以看出，在屏蔽電纜中交流220 V火線對其他線芯的感應(yīng)電壓是較高的，13 m長電纜感應(yīng)電壓達(dá)12 V，一般在現(xiàn)場使用中屏蔽電纜長達(dá)上百米。感應(yīng)電壓達(dá)到百余伏，屏蔽電纜接地可降低感應(yīng)電壓。在實際施工中，多采用兩端接地，這樣不僅可以使屏蔽層與大地構(gòu)成閉合回路，還可以減小強(qiáng)電設(shè)備對電纜芯的干擾。在電氣控制回路一般要求控制電纜屏蔽層在兩端同時接地。其效果明顯強(qiáng)于單端接地，施工難度及成本的方面又比多端接地更有優(yōu)勢。

電纜屏蔽層在兩端同時接地，可以降低由于對電位升高產(chǎn)生的暫態(tài)感應(yīng)電壓。采用兩端接地的屏蔽電纜可以將暫態(tài)感應(yīng)電壓抑制為原值的10%以下[12]?？刂齐娎|屏蔽層在兩端同時接地的最大優(yōu)點是很好地抑制高頻干擾。電纜屏蔽層在兩端同時接地的缺點是2個接地點之間的電位差可能會造成等電位電流流過兩端連接的屏蔽層，在這種情況下，應(yīng)在兩接地點之間安裝1個等電位導(dǎo)體，即要求接地電阻越小越好[13]。

4 結(jié) 語

通過參與接地系統(tǒng)實例的鋪設(shè)施工，深入了解了火電廠接地系統(tǒng)有關(guān)的問題，對于其中比較突出的電纜屏蔽層接地問題進(jìn)行了分析和實驗，得出的結(jié)論是屏蔽層兩端接地在降低感應(yīng)電壓和提高穩(wěn)定性方面更具優(yōu)勢。當(dāng)然，火電廠接地系統(tǒng)所涵蓋的方面很多，由實際環(huán)境所造成的影響也各有不同，在接下來的學(xué)習(xí)實踐中需要盡量多了解各類工程實例，才能更加全面、深入的認(rèn)識火電廠接地系統(tǒng)。

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Design and analysis of the thermal power plant grounding system

XUE Tao, JIA Huiran, ZHANG Yue， LI Yongwei

(School of Electrical Engineering, Hebei University of Science and Technology, Shijiazhuang Hebei 050018, China)

The characteristics and status of thermal power generation are summarized, and the types of grounding system and the grounding device of thermal power plants are introduced. Through a design example of the grounding system in a thermal power plant, the parameter setting and laying ways of the ground part are presented, and cable shield grounded anti-jamming issue is studied through experiments and analysis, which will provide reference for related research.

thermal power; grounding system; cable shield grounding; anti-jamming

1008-1534(2014)02-0143-05

2013-05-13;

2013-06-21

河北省科技支撐計劃項目(13214401D)

薛 濤(1988-)，男，河北張家口人，碩士研究生，主要從事電氣工業(yè)自動化方面的研究。

E-mail：xuetaodyx@163.com

TM64

A

10.7535/hbgykj.2014yx0201

責(zé)任編輯：李 穆

薛 濤, 賈輝然，張 玥，等.火電廠接地系統(tǒng)的設(shè)計與分析[J].河北工業(yè)科技，2014，31(2)：143-147.

XUE Tao, JIA Huiran, ZHANG Yue， et al.Design and analysis of the thermal power plant grounding system[J].Hebei Journal of Industrial Science and Technology,2014,31(2):143-147.