張鵬迪,張艷梅,魯漫欣
近年來,我國(guó)水泥工業(yè)電氣自動(dòng)化水平顯著提高,生產(chǎn)管理模式逐漸從粗放型轉(zhuǎn)向集約型,無人化智能工廠已成為發(fā)展趨勢(shì)。電氣自動(dòng)化系統(tǒng)接地問題關(guān)系到整個(gè)供配電及自動(dòng)化系統(tǒng)的安全,正確的接地系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案與嚴(yán)謹(jǐn)規(guī)范的現(xiàn)場(chǎng)接地施工是確保水泥廠安全平穩(wěn)生產(chǎn)的重要前提。
我國(guó)電力系統(tǒng)常用的接地方式有中性點(diǎn)有效接地系統(tǒng)(大電流接地系統(tǒng))和中性點(diǎn)非有效接地系統(tǒng)(小電流接地系統(tǒng))兩大類。
大電流接地系統(tǒng)是指中性點(diǎn)直接接地的三相系統(tǒng)。當(dāng)發(fā)生單相接地故障時(shí),會(huì)形成較大的接地短路電流,影響系統(tǒng)供電連續(xù)性。但系統(tǒng)短時(shí)電壓的升高不會(huì)超過額定電壓的80%,對(duì)輸變電設(shè)備所需的絕緣水平和過電壓水平要求不高。
小電流接地系統(tǒng)是指中性點(diǎn)不接地、經(jīng)消弧線圈接地或經(jīng)高阻抗接地的三相系統(tǒng)。該類系統(tǒng)內(nèi)發(fā)生單相接地故障時(shí),不能構(gòu)成短路回路,故障電流很小,三相電源間線電壓基本保持對(duì)稱,對(duì)負(fù)載的供電影響不大。系統(tǒng)一般可帶故障運(yùn)行一段時(shí)間,可保證供電的連續(xù)性,但系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障后,另外兩相對(duì)地電壓會(huì)升高,對(duì)用電設(shè)備及元器件絕緣水平要求較高。
圖1 TN-S系統(tǒng)
圖2 TT系統(tǒng)
一般情況下,水泥廠中110kV及以上系統(tǒng)要求采用中性點(diǎn)接地的大電流接地系統(tǒng),3~10kV中壓系統(tǒng)采用中性點(diǎn)不接地的小電流接地系統(tǒng)。
水泥廠中,總降、配電站、電力室及主要生產(chǎn)車間的工作接地,應(yīng)通過廠區(qū)電纜橋架中的接地干線(一般為50×5鍍鋅扁鋼)與電纜溝內(nèi)敷設(shè)扁鋼及橋架敷設(shè)扁鋼、鎧裝電纜的金屬外殼、低壓電纜中的PE線做可靠的金屬連接,組成閉合環(huán)路??偨祲鹤冸娬拘璺笤O(shè)以水平接地極為主的外緣閉合人工接地網(wǎng),外緣各角成圓弧形,且圓弧半徑不小于均壓帶間距的1/2。接地網(wǎng)內(nèi)敷設(shè)水平均壓帶,接地網(wǎng)埋設(shè)深度應(yīng)>0.8m??偨祪?nèi)操作人員常出入的走道處,需敷設(shè)瀝青、絕緣水泥或鵝卵石。
正常情況下不帶電的金屬外殼、支架、格網(wǎng)以及人可能觸及的金屬裝備,均應(yīng)設(shè)保護(hù)接地,其接地電阻不應(yīng)>4Ω。接地極之間、接地極與建筑物之間的距離應(yīng)>5m,接地干線及接地極與其他專業(yè)管線矛盾時(shí),可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況調(diào)整,但需滿足接地電阻和間距要求。
為滿足人身和設(shè)備安全及系統(tǒng)正常運(yùn)行,低壓配電系統(tǒng)應(yīng)采用中性點(diǎn)接地的大電流接地系統(tǒng)。低壓配電系統(tǒng)的接地形式可分為以下幾類:
(1)TN系統(tǒng):將電氣設(shè)備的金屬外殼與工作零線相接(N/PE),也稱作接零保護(hù)系統(tǒng)。一旦出現(xiàn)設(shè)備外殼帶電,接零保護(hù)系統(tǒng)將漏電電流轉(zhuǎn)為短路電流,即發(fā)生單相對(duì)地短路故障,使故障設(shè)備斷電,確保設(shè)備安全。根據(jù)保護(hù)零線(PE)是否與工作零線(N)分開,TN系統(tǒng)可分為TN-S、TN-C、TN-C-S等幾種形式。
水泥廠低壓配電系統(tǒng)根據(jù)項(xiàng)目情況采用TN-S或TN-C-S系統(tǒng),推薦采用TN-S系統(tǒng)(見圖1)。在TN接地系統(tǒng)中,保護(hù)線(PEN或PE線)在電源處接地,接地電阻需≤4Ω。電源電纜中在引入車間或大型建筑物前,保護(hù)線(PE或PEN)應(yīng)做重復(fù)接地(距電源接地點(diǎn)<50m時(shí)除外),每一重復(fù)接地的接地電阻需≤10Ω[1]。
(2)TT系統(tǒng):將電氣設(shè)備的金屬外殼直接接地的保護(hù)系統(tǒng)(見圖2)。電力系統(tǒng)中性點(diǎn)直接接地,且負(fù)載外露金屬導(dǎo)電部分與大地直接連接。TT系統(tǒng)適用于接地保護(hù)較分散的戶外場(chǎng)所,例如廠區(qū)道路照明、戶外單獨(dú)場(chǎng)所的電氣裝置。
(3)IT系統(tǒng):電源側(cè)沒有工作接地或經(jīng)高阻抗接地,負(fù)載側(cè)電氣設(shè)備進(jìn)行接地保護(hù)(見圖3)。IT系統(tǒng)一般用于供電距離不長(zhǎng),不允許停電或要求嚴(yán)格連續(xù)供電的場(chǎng)所。一般配套建設(shè)礦山平硐的水泥廠項(xiàng)目,平硐供電采用IT系統(tǒng),電源側(cè)供電變壓器不允許中性點(diǎn)直接接地,且低壓側(cè)需裝設(shè)漏電保護(hù)裝置,負(fù)載側(cè)高低壓電氣設(shè)備金屬外殼裝設(shè)保護(hù)接地。
圖3 IT系統(tǒng)
水泥廠中,DCS、PLC及PA儀表等設(shè)備的電子器件,大多屬于弱電設(shè)備,抗雷電及抗干擾能力有限,因此,在水泥廠設(shè)計(jì)中,DCS系統(tǒng)需采用單獨(dú)接地系統(tǒng),避免與保護(hù)接地和工頻電氣接地共用一個(gè)接地網(wǎng)。中央控制室主機(jī)房采用防靜電地板,主機(jī)房?jī)?nèi)所有設(shè)備的金屬外殼、金屬管道、金屬線槽、建筑物金屬結(jié)構(gòu)等連接到總接地端子排,再通過一根1×70mm2銅芯電纜與室外單獨(dú)接地系統(tǒng)可靠連接。各計(jì)算機(jī)子站以同樣的方式連接,最終形成獨(dú)立于配電系統(tǒng)的全廠DCS系統(tǒng)接地。
另外,設(shè)計(jì)時(shí),信號(hào)及控制線采用屏蔽電纜,盡可能減少線間的電磁耦合;電氣柜內(nèi)加裝濾波電抗器、信號(hào)隔離器以降低干擾程度;布線時(shí),嚴(yán)格遵守網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湓O(shè)計(jì),盡量使控制電纜和通訊電纜與大電流電纜及變頻電纜保持一定距離,DP和PA通訊電纜穿管單獨(dú)敷設(shè),最大程度上避免因接地或干擾帶來的各種總線網(wǎng)絡(luò)問題。
當(dāng)前,大部分水泥生產(chǎn)線受成本和場(chǎng)地限制,廠區(qū)內(nèi)各車間和電氣室間布局緊湊,設(shè)計(jì)和施工過程中,各種電氣設(shè)備的工作接地、保護(hù)接地以及防雷引下接地等系統(tǒng)難以嚴(yán)格分離,因此,需采用聯(lián)合接地方式。
電氣及信息設(shè)備的功能性接地、保護(hù)性接地以及電磁兼容性接地和建筑物防雷接地采用聯(lián)合接地系統(tǒng),實(shí)施等電位聯(lián)結(jié),可降低建筑物內(nèi)間接接觸電壓和不同金屬物體間的電位差,避免電位不同引起的信號(hào)干擾或電擊事故。
工程項(xiàng)目配套建設(shè)的辦公建筑內(nèi),如衛(wèi)生間、浴室等,除采取總等電位聯(lián)結(jié)外,還應(yīng)設(shè)置局部等電位聯(lián)結(jié)。施工時(shí),設(shè)備金屬外殼、金屬欄桿、金屬爬梯、設(shè)備金屬管道均需用連接線與防雷引下線可靠焊接,每根引下線的沖擊接地電阻不應(yīng)>10Ω。另外,水泥廠中的高用電設(shè)備(電收塵器),接地要求要高于普通用電設(shè)備,接地電阻要求<1Ω,通常采用L50×50×5鍍鋅角鋼,圍繞這些設(shè)備打造一圈人工接地極(閉環(huán)方形),用40×4鍍鋅扁鋼做接地連接線,采用多點(diǎn)連接方式將設(shè)備金屬外殼和各接地極連接成一個(gè)獨(dú)立的接地系統(tǒng),確保實(shí)測(cè)接地電阻滿足要求。以上各接地體最終與廠區(qū)接地系統(tǒng)連接,形成統(tǒng)一的全廠電氣保護(hù)接地網(wǎng)。
電氣自動(dòng)化系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行對(duì)水泥廠的安全生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)至關(guān)重要,合理的接地系統(tǒng)是確保電氣自動(dòng)化系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的重要一環(huán),因此,在設(shè)計(jì)和施工時(shí)需要高度重視接地系統(tǒng)。另外,接地系統(tǒng)在項(xiàng)目建設(shè)中屬于隱蔽工程,接地網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)應(yīng)先于土建施工,應(yīng)充分利用建筑物內(nèi)鋼筋等來減少接地網(wǎng)絡(luò)金屬需要量,土建開挖的同時(shí)進(jìn)行接地網(wǎng)絡(luò)預(yù)埋施工,以提高效率,降低建設(shè)成本。