張 瑩

(中國恩菲工程技術(shù)有限公司,北京 100038)

0 前言

交流電氣裝置過電壓保護(hù)、建筑物防雷和接地是一個比較宏大的課題,各種規(guī)范、手冊都有相關(guān)非常多的理論闡述。在實(shí)際應(yīng)用中,因?yàn)樾袠I(yè)的不同,其涉及的建筑形式、設(shè)備范圍都各有特點(diǎn),加之不同設(shè)計者對于規(guī)范、手冊在理解上的不同,因而在實(shí)際設(shè)計、施工過程中,對于過電壓保護(hù)、建筑物防雷的實(shí)際應(yīng)用差異還是很大的。筆者結(jié)合垃圾焚燒發(fā)電廠實(shí)際的工程實(shí)例,對在工程實(shí)踐過程中所遇到的認(rèn)為應(yīng)當(dāng)注意的部分和有待商榷之處進(jìn)行闡述,文中的內(nèi)容主要集中在防雷和接地的實(shí)際做法。

1 過電壓的基本概念

在系統(tǒng)運(yùn)行中作用于線路和設(shè)備絕緣上的電壓,包括正常工頻持續(xù)運(yùn)行電壓和來自系統(tǒng)外部的雷電過電壓以及來自電力系統(tǒng)內(nèi)部的操作過電壓。后者是操作或故障時,系統(tǒng)參數(shù)發(fā)生變化,電磁能量產(chǎn)生振蕩、積聚、轉(zhuǎn)化或傳遞而引起的。內(nèi)部過電壓又分為持續(xù)時間較長的暫時過電壓、持續(xù)時間較短的瞬態(tài)操作過電壓和特快速瞬態(tài)過電壓。

(1)電氣裝置的內(nèi)部過電壓防護(hù)

對于電氣裝置的內(nèi)部過電壓,可以根據(jù)過電壓的不同成因、性質(zhì),采用加裝金屬氧化物避雷器(MOA)、高壓并聯(lián)電抗器或過電壓保護(hù)裝置、調(diào)整操作方式等多種方式加以限制。

(2)電氣裝置的雷電過電壓防護(hù)

①對于直擊雷的防護(hù),主要是裝設(shè)直擊雷防護(hù)裝置。

戶內(nèi)配電裝置：因?yàn)橛薪ㄖ锏姆雷o(hù),避免了直接雷的傷害,相應(yīng)的就要對建筑物進(jìn)行防雷分類及設(shè)置防護(hù)措施。

戶外配電裝置：如果戶外配電裝置已在相鄰建筑物保護(hù)范圍內(nèi),可不裝設(shè)直擊雷防護(hù)裝置；否則就要裝設(shè)。

②對于雷電侵入波過電壓保護(hù)

有對架空線路加裝地線、在相應(yīng)位置加裝MOV等措施。

2 垃圾焚燒發(fā)電廠防雷和接地做法的探討

2.1 示例工程概況

一般城市典型的垃圾焚燒發(fā)電廠,其工藝系統(tǒng)包括：垃圾接收及儲存系統(tǒng)、垃圾焚燒系統(tǒng)、余熱鍋爐系統(tǒng)、煙氣凈化系統(tǒng)、汽輪發(fā)電機(jī)組、汽水循環(huán)系統(tǒng)、灰渣處理及儲存系統(tǒng)、飛灰處理系統(tǒng)、污水處理系統(tǒng)、循環(huán)水系統(tǒng)、化學(xué)水系統(tǒng)、給排水系統(tǒng)、消防系統(tǒng)、電力系統(tǒng)、供熱系統(tǒng)、測量及控制系統(tǒng)、滲濾液收集處理系統(tǒng)等。主要的建、構(gòu)筑物包含：綜合主廠房(垃圾接收及儲存廠房、焚燒廠房、煙氣凈化廠房、飛灰穩(wěn)定化廠房、主控樓、余熱發(fā)電廠房)、煙囪、綜合水泵房及冷卻塔、油庫油泵房、蓄水池、汽車衡、垃圾運(yùn)輸坡道、大門及門衛(wèi)等。

圖1 作用于設(shè)備絕緣上的電壓分類

2.2 垃圾焚燒發(fā)電廠防雷和接地設(shè)計

2.2.1 綜合主廠房及一般輔助車間

垃圾焚燒發(fā)電廠的綜合主廠房是包含了垃圾接收及儲存廠房、焚燒廠房、煙氣凈化廠房、飛灰穩(wěn)定化廠房、主控樓、余熱發(fā)電廠房的聯(lián)合性廠房。廠房的屋面型式分區(qū)域有采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)、金屬屋面板兩種型式；不同區(qū)塊屋面高度也不相同、呈高低錯落狀。須根據(jù)計算確定建筑物防雷級別,并進(jìn)行相應(yīng)的防雷設(shè)計。

(1)接閃器

卸料廠房、焚燒廠房、煙氣凈化廠房、發(fā)電廠房局部等部分屋面為金屬屋面,金屬面板無絕緣被覆層,板間的連接是持久的電氣貫通,金屬面板下面無易燃物品,金屬板厚度不小于0.7 mm,利用其做接閃器。

主控樓、發(fā)電廠房除氧層等部分屋面為混凝土屋面,在屋頂沿——LP——所示裝設(shè)作防雷接閃器。接閃帶支架間距為直線段1.0 m.轉(zhuǎn)角段0.5 m,具體做法參考15D501 16、19頁；接閃帶采用φ12圓鋼(熱鍍鋅),高出女兒墻及屋面150 mm,具體做法參考圖集15D501,第24頁。屋面上所有正常工作不帶電的金屬物體均應(yīng)與接閃帶焊接相連、接閃器、引下線、自然接地體等應(yīng)做電氣連接。

(2)引下線：圖中標(biāo)注處須作引下線

該處為鋼筋混凝土柱的：利用主筋(至少兩根且不小于φ16)作引下線,自上而下的連接應(yīng)是持久的電氣貫通,其上端伸出150 mm與接閃帶可靠連接,具體做法參考圖集15D501,第24頁；其下端與基礎(chǔ)主鋼筋焊接,標(biāo)注的鋼筋混凝土柱處整坪地面上+0.5 m處預(yù)埋接地端子板,用于測試接地電阻和連接人工接地裝置。

該處為鋼柱的：利用鋼柱作為引下線,自上而下連接成為持久的電氣貫通,其上端與鋼屋架焊接,金屬面板、鋼屋架、鋼柱應(yīng)做電氣貫通連接,其下端應(yīng)與基礎(chǔ)主鋼筋焊接。

每個用電設(shè)備的基礎(chǔ)留預(yù)埋接地端子板熱鍍鋅扁鋼-100×100×10 mm,用于連接人工接地裝置、等電位接地裝置。預(yù)埋接地端子板位于設(shè)備基礎(chǔ)頂部或側(cè)壁中心距地坪0.15 m,具體定位可以根據(jù)實(shí)際情況修正。

設(shè)備基礎(chǔ)如果有配筋,預(yù)埋接地端子板需與基礎(chǔ)內(nèi)主鋼筋電氣焊通,具體做法請參考15D502 42頁。預(yù)埋接地端子板間須由等電位線連接。

(3)自然接地體：接地線——E——所示處,如果有“箍筋連接的鋼筋或成網(wǎng)狀的鋼筋,其箍筋與鋼筋、鋼筋與鋼筋應(yīng)采用土建施工的綁扎法、螺絲、對焊或搭焊連接。單根鋼筋、圓鋼或外引預(yù)埋連接板、線與構(gòu)件內(nèi)鋼筋的連接應(yīng)焊接或采用螺栓緊固的卡夾器連接。構(gòu)件之間必須連接成電氣通路?！蹦敲蠢没A(chǔ)鋼筋網(wǎng)作為(做可靠電氣連接)作為自然接地體,不需要另外做人工接地線,具體做法參考圖集15D503,第44、45頁,14D504 24頁；如果沒有如上所描述的基礎(chǔ)鋼筋,則人工放置等電位連接線,具體做法參考圖集15D503,第44、45頁,14D504 22頁。

若柱為獨(dú)立樁基,在地下埋設(shè)人工接地干線連接柱基礎(chǔ)鋼筋。

①接閃器、引下線、自然接地體、人工接地體等應(yīng)做電氣連接。

②人工接地裝置/等電位聯(lián)結(jié)線：埋深為室外地坪凍土層以下(不小于-0.8 m),室內(nèi)一層地坪下-0.3 m；室內(nèi)二層及以上接地線埋在抹面以下,具體做法參考14D504 15～17頁。

③綜合主廠房采用聯(lián)合接地方式,即功能性接地、保護(hù)性接地、電磁兼容性接地、防靜電接地共用接地系統(tǒng),要求接地電阻不大于1歐姆,實(shí)測不夠時增加如圖所示人工接地裝置；接地裝置通過接地干線與綜合管網(wǎng)接地干線相連。

④正常不帶電的電氣設(shè)備外殼、電纜鎧裝鋼帶、電信、儀表專業(yè)的進(jìn)線和工藝設(shè)備金屬外殼、金屬管道、金屬構(gòu)件(欄桿、梯、平臺、支架等)等均應(yīng)做等電位連接,并可靠接地|圖中未標(biāo)示的,具體做法請參考15D502 10～17頁。接地端子排做法參考圖集14D504,第42頁；15D502,第33頁。輸送含有易燃、易爆氣體或安裝在易燃、易爆環(huán)境的風(fēng)管系統(tǒng)必須設(shè)置可靠的防靜電接地。圖中未標(biāo)示的,具體做法請參考14D504 127～136頁。

利用金屬電纜橋架做接地干線,橋架全程各伸縮連接板和多節(jié)連接板處應(yīng)采用軟導(dǎo)線或編織銅線16 mm,跨接,具體要求及做法參考圖集04D701-3,第87頁。金屬電纜橋架及其支吊架不應(yīng)少于2處與接地干線相連；每隔25米設(shè)重復(fù)接地；橋架在引入引出建筑物時,應(yīng)與建筑物室內(nèi)接地干線或室外接地裝置相連接。

高低壓配電柜、變壓器、保護(hù)控制屏柜的保護(hù)性接地由柜體外殼與基礎(chǔ)框架電氣貫通,再采用-40×4熱鍍鋅扁鋼與附近的電纜溝內(nèi)或電纜主架上的通長熱鍍鋅接地扁鋼-40×6電氣連通。最終聯(lián)入總等電位接地箱MEB。

變壓器中性線接入與之相連的低壓配電柜中性線母排,多段低壓配電柜中性線通過母線橋連通,最終由一點(diǎn)采用銅芯接地電纜接入總等電位接地箱MEB。

裝設(shè)保護(hù)和控制裝置的屏柜地面下設(shè)置的等電位接地網(wǎng)采用截面積不小于100 mm2的接地銅排連接成首末端可靠連接的環(huán)網(wǎng),并應(yīng)用截面積不小于50 mm2、不少于4根銅纜與接地網(wǎng)一點(diǎn)連接。

裝設(shè)保護(hù)和控制裝置的屏柜內(nèi)下部應(yīng)設(shè)有截面積不小于100 mm2的接地銅排,屏柜內(nèi)裝置的接地端子應(yīng)用截面積不小于4 mm2的多股銅線和接地銅排相連,接地銅排應(yīng)用截面積50 mm2的銅纜與地面下的等電位接地線相連。

配電室、電纜夾層設(shè)置接地干線(-40×6熱鍍鋅扁鋼,黃綠色標(biāo)),中心距地0.3 m,沿墻四周明敷設(shè),參見《接地裝置安裝》14D504 P54；過門處暗敷,參見《接地裝置安裝》14D504 P54。主變壓器室、10 kV配電室、低壓配電室接地干線上應(yīng)設(shè)置不少于2個供臨時接地用的接線柱或接地螺栓,參見《接地裝置安裝》14D504 P55。接地干線接入等電位接地箱MEB/LEB。

①主接地干線過門或經(jīng)常有人出入的走道處,應(yīng)鋪設(shè)瀝青路面/絕緣水泥或在地下裝設(shè)兩條與接地網(wǎng)相連的均壓帶,具體做法請參考14D504 40頁?，F(xiàn)場有操作需要的設(shè)備處,應(yīng)正鋪設(shè)瀝青路面/絕緣水泥/鵝卵石。

引下線3 m范圍內(nèi)地表層的電阻率不小于50 kΩm,或敷設(shè)5 cm厚瀝青層或15 cm厚礫石層。

②電氣專業(yè)應(yīng)與建筑、結(jié)構(gòu)、水道、暖通、電信、自控等相關(guān)專業(yè)密切配合,做好防雷及接地工作。儀表、電信設(shè)備的接地設(shè)計還需見相關(guān)專業(yè)圖紙。

③參考圖集：《建筑物防雷設(shè)施安裝》15D501、《等電位聯(lián)結(jié)安裝》15D502、《利用建筑物金屬體做防雷及接地裝置安裝》15D503、《接地裝置安裝》14D504。

一般輔助車間的防雷接地設(shè)計可參考綜合主廠房的通用性原則。

2.2.2 煙囪

目前垃圾焚燒發(fā)電廠的煙囪造型一般為若干管組合鋼制煙囪,外包鋼筋混凝土套筒。在鋼筋混凝土套筒內(nèi)設(shè)置鋼制走梯及多層平臺,便于巡視和維護(hù),煙囪上部高度19～25 m處設(shè)置煙氣在線連續(xù)監(jiān)測裝置；0.0米層設(shè)置煙氣在線監(jiān)測室。相對于傳統(tǒng)的磚砌煙囪和裸露的鋼管煙囪,更近似于高聳建筑物。

根據(jù)國標(biāo)GB 5057—2010《建筑物防雷設(shè)計規(guī)范》的規(guī)定,“在平均雷暴日大于15 d/a的地區(qū),高度在15 m及以上的煙囪、水塔等孤立的高聳建筑物；在平均雷暴日小于或等于15 d/a的地區(qū),高度在20 m及以上的煙囪、水塔等孤立的高聳建筑物?！睉?yīng)劃為第三類防雷建筑物。

在為煙囪設(shè)置防雷設(shè)施時,除了參考綜合主廠房通用性原則外,還需考慮以下特殊方面：

①在煙囪鋼筋混凝土套筒頂部平臺的女兒墻上設(shè)置環(huán)形接閃帶,并對稱布置4根高出煙囪口不低于0.5 m的接閃桿,要求接閃桿與環(huán)形接閃帶焊接成一體。

②煙囪的鋼制本體作為接閃器和引下線,須與接地裝置電氣連接。

③垃圾焚燒發(fā)電廠的煙囪一般高度都超過60 m,須對其上部占建筑物總高度20%并超過60 m的部位設(shè)置防側(cè)擊雷的裝置,具體可參考女兒墻上設(shè)置的環(huán)形接閃帶。

④煙囪的防雷接地為獨(dú)立系統(tǒng)；其余功能性接地、保護(hù)性接地、電磁兼容性接地、防靜電接地共用接地系統(tǒng),等電位接地箱通過接地干線與煙囪照明配電箱接地排相連,并通過進(jìn)線電纜中的PE線與綜合主廠房中的接地裝置相連。

2.2.3 防爆區(qū)域

防爆區(qū)域的建構(gòu)筑物及室外裝置在進(jìn)行防雷和接地設(shè)計時,除了參考綜合主廠房通用性原則外,還需考慮以下特殊方面：

①在確定建筑物防雷分類時,除了計算建筑物年預(yù)計雷擊次數(shù)外,還要考慮爆炸危險場所分區(qū),最終確認(rèn)防雷類別。例如垃圾焚燒發(fā)電廠內(nèi)經(jīng)常會設(shè)置的油庫油泵房,雖然年預(yù)計雷擊次數(shù)不大于0.25次/a,但屬于具有2區(qū)爆炸危險環(huán)境的建筑物,因此確定其防雷類別為二類。

②所有金屬儲罐、管道、法蘭須進(jìn)行防靜電連接,安裝參見圖集14D504,第130頁。

③在操作間門外、儲罐和操作平臺的扶梯入口處應(yīng)設(shè)置消除人體靜電裝置。

2.2.4 其他需注意的問題規(guī)范《低壓電氣裝置 第5～54部分 接地配置和保護(hù)導(dǎo)體》(GB/T 16895.3—2017)的542.2.5提到“應(yīng)考慮在接地配置中采用不同材料時的電解腐蝕?！?/p>

同一種金屬暗敷設(shè)在不同場所,電極電位是不相同的。暗敷設(shè)常用金屬接地體電極電位如表1所示。

表1 在土層內(nèi)或混凝土內(nèi)常用金屬電極電位表

從上表可以看出混凝土內(nèi)的鋼筋電極電位為-0.1～-0.3 V,而在土壤中敷設(shè)的鍍鋅鐵電極電位為-0.7～-1.0 V,如果將兩處的接地體連接起來,形成原電池,其電位差為-0.4～-0.9 V之間。土壤中敷設(shè)的鍍鋅鐵接地體的鍍鋅層被腐蝕掉,變成生銹鐵,其電極電位為-0.4～-0.6 V,兩部分接地體間電位差為-0.1～-0.5 V之間。繼續(xù)不斷腐蝕土壤中的接地體,腐蝕程度取決與兩部分接地體面積的比例,利用混凝土內(nèi)的鋼筋面積越大,土壤中敷設(shè)的接地體被腐蝕越塊。

為了減小電化學(xué)腐蝕,在土壤中敷設(shè)的接地體采用混凝土包圍,使接地體完全敷設(shè)在相同的場所內(nèi),使兩部分接地體具有同一電極電位,不產(chǎn)生電化學(xué)腐蝕。

注意到埋入混凝土內(nèi)的普通鋼材(裸露或熱浸鍍鋅)與埋入土壤內(nèi)銅材的電化學(xué)電位相近,在敷設(shè)于土壤中的接地體連接到混凝土基礎(chǔ)內(nèi)起基礎(chǔ)接地體作用的鋼筋或鋼材的情況下,土壤中的接地體還可以采用銅質(zhì)或鍍銅或不銹鋼導(dǎo)體,用以減輕電化學(xué)腐蝕帶來的不利因素。

筆者在工程設(shè)計中看到的普遍做法是采用熱鍍鋅扁鋼作為水平人工水平接地極,熱鍍鋅角鋼或是熱鍍鋅圓鋼作為人工垂直接地極,設(shè)計選型和實(shí)際施工時會增大熱鍍鋅扁鋼的截面(相對于計算結(jié)果需要的截面)。此種方法并不能避免電化學(xué)腐蝕,只是通過增大截面的方法延長了實(shí)際中的使用壽命。考慮到熱鍍鋅鋼材質(zhì)與銅或銅包鋼材質(zhì)單位價格差,尤其是考慮到工程整體用量后的整體價格差,目前此種方法比較普遍的為業(yè)主所接受。

筆者認(rèn)為在土壤電阻率不太低、或者說土壤土質(zhì)對鋼材料腐蝕性不太嚴(yán)重的地區(qū)采用上述方法是一種經(jīng)濟(jì)實(shí)用的方案,但是在土壤土質(zhì)對鋼材料腐蝕性嚴(yán)重的地區(qū)還是要考慮采用減少電化學(xué)腐蝕的方案。

下面介紹一個筆者的實(shí)際工作案例。河南某地項(xiàng)目,根據(jù)地勘報告,土壤電阻率在50上下浮動,報告說明“根據(jù)本工程初步設(shè)計階段土的腐蝕性分析成果,場地土對混凝土結(jié)構(gòu)具微腐蝕性,對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋具微腐蝕性。根據(jù)本工程綜合主廠房區(qū)域土壤電阻率測試成果,結(jié)合本工程初步設(shè)計階段土壤化學(xué)分析成果,判定場地土對鋼結(jié)構(gòu)具有強(qiáng)腐蝕性”。

筆者在實(shí)際接地設(shè)計中采用如下方式：

(1)室外土壤中的水平接地干線選用電鍍銅覆鋼φ12；垂直接地極接地極電鍍銅覆鋼φ14,單根長度2.5 m,接地極與接地干線之間采用放熱焊接。

(2)室內(nèi)埋入混凝土基礎(chǔ)內(nèi)接地極或埋于樓層抹面下的接地極因?yàn)橛谢炷恋谋Ｗo(hù),仍采用普通扁鋼或是熱鍍鋅扁鋼。

(3)利用柱子基礎(chǔ)鋼筋網(wǎng)(做可靠電氣連接)作為自然接地體時,與鋼筋混凝土柱內(nèi)鋼筋相連的、用于連接人工接地裝置的預(yù)埋接地端子板,預(yù)留在鋼筋混凝土柱處整坪地面上,與埋于土壤中的人工水平接地線在地面上(空氣中)而非地面下(土壤中)通過放熱焊接的方式相連。強(qiáng)調(diào)“預(yù)埋接地端子板預(yù)留在鋼筋混凝土柱處整坪地面上”而非地面下,是因?yàn)轭A(yù)埋接地端子板通常是采用普通鋼材質(zhì),預(yù)埋接地端子板預(yù)留在地面上,避免了暴露在土壤中的預(yù)埋接地端子板與埋入混凝土基礎(chǔ)內(nèi)的接地極鋼材的出現(xiàn)的電化學(xué)腐蝕危險。

圖2 引下線及接地板做法示意圖

3 結(jié)論

如何把規(guī)范中的原則性要求落實(shí)到實(shí)際工程應(yīng)用中,不同設(shè)計者有不同的理解,不同行業(yè)也有不同的設(shè)計習(xí)慣。筆者結(jié)合垃圾焚燒發(fā)電廠的工程實(shí)例,介紹了防雷和接地的實(shí)際設(shè)計做法,對所遇到的認(rèn)為應(yīng)當(dāng)注意的部分和有待商榷之處進(jìn)行闡述。具體工程中除了考慮到技術(shù)問題,還需結(jié)合各省地的特殊要求、并考慮經(jīng)濟(jì)投入,從經(jīng)濟(jì)技術(shù)多方面綜合比較選取合適方案。