段本強(qiáng)， 陳艷華

（山東泰汶鹽化工有限責(zé)任公司， 山東 泰安 271024）

0 引言

氯堿化工裝置包括離子膜電解槽、泵和壓縮機(jī)等，其金屬外殼有可能帶電，進(jìn)而引發(fā)觸電事故。氯堿工藝的產(chǎn)物中存在H2，具有火災(zāi)爆炸風(fēng)險(xiǎn)。在生產(chǎn)裝置的安全管理中，必須重視電氣設(shè)備的接地設(shè)計(jì)，通過接地保護(hù)技術(shù)預(yù)防漏電、電火花、電弧以及其他潛在的電氣危害。

1 氯堿生產(chǎn)工藝及主要化工裝置

1.1 氯堿生產(chǎn)工藝

以國內(nèi)某企業(yè)的氯堿生產(chǎn)工藝為分析對象，其主要產(chǎn)品為燒堿（NaOH）、工業(yè)用液氯和高純鹽酸等。氯堿生產(chǎn)工藝包括離子膜法、隔膜電解法和水銀電解法。離子膜法是當(dāng)前主要的生產(chǎn)工藝，該方法具有效率高、低污染和產(chǎn)品品質(zhì)佳等優(yōu)點(diǎn)，并且具有較高的安全性[1]。離子膜法的工藝原理如圖1 所示。

圖1 某企業(yè)離子膜法氯堿生產(chǎn)工藝

1.2 氯堿化工的主要裝置

氯堿化工生產(chǎn)涵蓋多個(gè)工藝流程，每一個(gè)工藝階段都涉及電氣化的裝置和設(shè)備，各生產(chǎn)工序的主要用電裝置見表1。以電解槽為例，該裝置由陰極、陽極、離子交換膜、導(dǎo)電銅棒以及電解槽框組成，該企業(yè)使用的離子交換膜電解槽型號為NCH-2.7，屬于自然循環(huán)的復(fù)極式電解槽，其單元槽面積為2.7 m2，設(shè)計(jì)電流密度為6.0 kA/m2，運(yùn)行電流密度為4.5～6.0 kA/m2。

表1 氯堿生產(chǎn)工藝的主要電氣裝置

1.3 供配電系統(tǒng)

該企業(yè)的燒堿生產(chǎn)能力為25 萬t/a，用電負(fù)荷達(dá)到90 MW，動力電源為35 kV 電纜，由市政供電直接引入企業(yè)的主變電站，主變采用2 臺35 kV/10 kV 的降壓變壓器，經(jīng)過降壓處理之后，為各個(gè)配套的10 kV配電系統(tǒng)提供穩(wěn)定的電源。為了確保供電系統(tǒng)的可靠性，為0.4 kV 和10 kV 的配電系統(tǒng)設(shè)置雙回路供電，當(dāng)某一個(gè)回路出現(xiàn)故障時(shí)，將自動切換至另一回路。35 kV 線路分為2 路，一路連接至主變電站，另一路接入整流配電，為兩路電源分別設(shè)置備用線路。以上供配電設(shè)計(jì)方案能夠有效提高生產(chǎn)電力的可靠性，當(dāng)某一線路出現(xiàn)故障，可迅速切換至備用線路，進(jìn)而快速恢復(fù)生產(chǎn)[2]。

2 氯堿化工裝置電氣接地保護(hù)技術(shù)分析

從該企業(yè)氯堿化工生產(chǎn)裝置的特點(diǎn)來看，離子膜電解槽、高壓泵、噴射泵、壓縮機(jī)、離心機(jī)、變壓器、配電盤、DCS 控制柜和母線銅排等均為金屬帶電設(shè)備，電壓等級各有差異，當(dāng)設(shè)備金屬外殼帶電時(shí)，有可能引起操作人員觸電。因此，必須診斷生產(chǎn)裝置和設(shè)備廠房設(shè)計(jì)系統(tǒng)性的接地安全保護(hù)措施。

2.1 接地保護(hù)系統(tǒng)選型及安全要求

2.1.1 接地保護(hù)的形式

根據(jù)相關(guān)的技術(shù)規(guī)范，常用的接地系統(tǒng)可分為TN、TT 和IT 三類，而TN 系統(tǒng)又包括TN-S、TN-C 和TN-C-S 三個(gè)類別，各種接地保護(hù)形式的區(qū)別如表2所示。以TN-S 接地保護(hù)系統(tǒng)為例，其接地保護(hù)的結(jié)構(gòu)如圖2 所示，其中，L1、L2 和L3 為三個(gè)不同的相線，N 表示中性線，PE 為保護(hù)地線[3]。

表2 接地保護(hù)形式的區(qū)別

圖2 TN-S 系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)原理

2.1.1.1 TN-S 接地形式的特點(diǎn)

TN-S 接地形式又可稱為三相五線制，在這種接地形式下，需要分別設(shè)置中性線和保護(hù)地線。電氣設(shè)備的外露可導(dǎo)電部分與保護(hù)地線相連接，當(dāng)設(shè)備處于正常工作狀態(tài)時(shí)，其外露可導(dǎo)電部分不帶電，如果設(shè)備接地?cái)嚅_，則外露可導(dǎo)電部分有可能帶電。換言之，TN-S 系統(tǒng)的電氣故障會引起中性線電流顯著增加，在中性線上連接有熔斷器，過大的電流可將其熔斷，進(jìn)而切斷電源，發(fā)揮安全保護(hù)作用。

2.1.1.2 TN-C 接地形式的特點(diǎn)

TN-C 接地形式又稱為三相四線制，與TN-S 接地形式不同，在TN-C 系統(tǒng)中，將中性線N 和保護(hù)地線PE 合在一起，形成PEN 線。由于PEN 線的阻抗較小，當(dāng)連接在該線路上的設(shè)備出現(xiàn)接地故障時(shí)，電流強(qiáng)度會明顯增加，此時(shí)可立即觸發(fā)保護(hù)動作。因此，TN-C 接地形式具有良好的故障敏感性和響應(yīng)速度。當(dāng)系統(tǒng)用電設(shè)備不存在故障時(shí)，電流流經(jīng)PEN 線路，可形成壓降，因而用電設(shè)備上也存在一定的電壓（通常不超過10 V）。但這種電壓低于人體安全電壓（36 V），對人員不構(gòu)成安全威脅[4]。不過，TN-C 接地形式也可能出現(xiàn)失效，當(dāng)PEN 線路斷線時(shí)，將會失去保護(hù)作用。

2.1.1.3 TN-C-S 接地形式的特點(diǎn)

在TN-C-S 接地系統(tǒng)中，用電設(shè)備外露可導(dǎo)電部分具有兩種連接形式，一種是連接在PEN 線上（即TN-C 接地形式），另一種則是采用TN-S 的接地形式。這種接地形式具有更強(qiáng)的靈活性，提供了兩種接地連接模式。當(dāng)設(shè)備與系統(tǒng)中的PE 保護(hù)線連接時(shí)，其外露導(dǎo)電部分及設(shè)備本身通常不帶電。

2.1.1.4 TT 接地形式的特點(diǎn)

在TT 接地形式下，將PE 保護(hù)接地線直接連接在用電設(shè)備的金屬外殼上，如果設(shè)備外露部分帶電，可通過PE 線將電流導(dǎo)入地下，從而防止人員觸電事故發(fā)生。在TT 系統(tǒng)中，如果用電設(shè)備發(fā)生單相接地故障，保護(hù)動作難以發(fā)揮作用，有可能導(dǎo)致觸電事故。

2.1.1.5 IT 接地形式的特點(diǎn)

IT 接地形式存在兩種情況：一是電源端帶電部分對地絕緣（不接地）；二是通過消弧線圈實(shí)現(xiàn)電源中性點(diǎn)接地。與此同時(shí)，電氣設(shè)備的外露可導(dǎo)電部分通過PE 保護(hù)線直接進(jìn)行接地。一旦設(shè)備出現(xiàn)接地故障，其電壓幅值不會超過50 V，幾乎不會引起電弧和電火花，這種程度的故障電壓無需立即切斷相應(yīng)的回路，但電壓幅值超過了36 V 安全電壓，對人體可產(chǎn)生一定的危害，因此，必須設(shè)置報(bào)警提示信息。

2.1.2 接地保護(hù)形式選型結(jié)果

2.1.2.1 原接地設(shè)計(jì)方案問題分析

該企業(yè)原接地保護(hù)設(shè)計(jì)方案要求接地采用TN-S形式，將中性線和PE 保護(hù)線分開設(shè)置。在這種接地形式下，用電裝置僅有PE 保護(hù)一種接地措施。若三相中的某一相與用電裝置的外殼發(fā)生接觸或者碰撞，并且工作人員在同一時(shí)期接觸金屬外殼時(shí)，人體和接地保護(hù)裝置將形成并聯(lián)關(guān)系。在此情況下，將人體承受的電壓記為Ur，則該電壓值的計(jì)算方法為：

式中：Rd為保護(hù)接地裝置的接地電阻值；Rr為人體電阻；R0為變壓器低壓側(cè)中性點(diǎn)的工作接地電阻值；U為電網(wǎng)電壓。在接地電阻設(shè)計(jì)中，要求Rd≤4 Ω，R0≤4 Ω。當(dāng)皮膚干燥時(shí)，人體的電阻值通常在2 kΩ～20 MΩ 之間[5]?？梢?，人體電阻Rr遠(yuǎn)大于R0和Rd的阻值。此時(shí)，Rr·Rd/（Rr+Rd）近似于Rd，則有：

令Rd=R0=4 Ω，電網(wǎng)電壓取220 V，則計(jì)算出人體承受的電壓為Rr=4×220/（4+4）=110 V＞36 V。顯然，在TN-S 接地形式下，原設(shè)計(jì)方案具有一定的安全隱患，當(dāng)用電設(shè)備外殼與某一相接觸時(shí)，人體將遭受110 V 電壓。

2.1.2.2 接地形式優(yōu)化設(shè)計(jì)

針對原接地設(shè)計(jì)方案存在的問題，提出以下優(yōu)化措施。一是對接地干線設(shè)置重復(fù)接地措施。該設(shè)計(jì)方案旨在增加零線上的保護(hù)接地?cái)?shù)量，當(dāng)相線碰到電氣裝置的金屬外殼時(shí)，重復(fù)接地能夠有效降低故障設(shè)備的對地電壓，進(jìn)而限制人體接觸金屬外殼時(shí)的電壓數(shù)值，起到保護(hù)作用。二是在原設(shè)計(jì)方案中，部分裝置不設(shè)計(jì)接地措施，為提高用電安全性，將此類設(shè)備全部接入TT 保護(hù)系統(tǒng)中。三是剩余的用電裝置均采用TN-C 接地形式進(jìn)行保護(hù)。

2.2 10kV供配電系統(tǒng)中性點(diǎn)電阻接地設(shè)計(jì)

2.2.1 中性點(diǎn)電阻接地的作用

當(dāng)氯堿企業(yè)10 kV 供配電系統(tǒng)受到雨雪、潮濕天氣的影響時(shí)，容易發(fā)生單相接地故障，其常見的表現(xiàn)形式為單相斷線、絕緣子單相擊穿。如果不能采取有效的預(yù)防性措施，此類故障有可能導(dǎo)致配電設(shè)備燒毀。中性點(diǎn)電阻接地系統(tǒng)是指通過限流電阻器連接用電裝置的中性點(diǎn)和地面，在這種方式下，用電設(shè)備（如變壓器）中性點(diǎn)和地面之間存在一定的阻抗，當(dāng)供配電系統(tǒng)出現(xiàn)單相接地故障時(shí)，電流將通過電阻導(dǎo)入地下，過電流不會對其他設(shè)備造成危害[6]。采用中性點(diǎn)電阻接地措施后，能夠提高供配電系統(tǒng)的可靠性、安全性，減少用電設(shè)備損壞。

2.2.2 接地方式選型

對于10 kV 配電系統(tǒng)，電阻接地方式取決于單相接地故障電容電流的大小，如果該電流大于7 A，則推薦采用中性點(diǎn)高電阻接地，并且要求故障總電流不得超過10 A。否則，可采用中性點(diǎn)低電阻接地方式。從接地方式的選用原則來看，單相接地故障電容電流的計(jì)算結(jié)果是其中的關(guān)鍵，如果配電系統(tǒng)中性點(diǎn)不設(shè)置接地，系統(tǒng)電容電流在數(shù)值上等于流經(jīng)單相金屬性接地故障點(diǎn)的故障電流。對于10 kV 電纜線路，單相接地電容電流的計(jì)算方法為：

式中：Ic為接地電容電流；S為電纜芯線的標(biāo)稱截面積；L為線路長度；Ur為線路的額定電壓。在工程實(shí)踐中，除了式（3）所示的理論計(jì)算方法，還可通過查表的方式獲取基于實(shí)踐的平均值，交聯(lián)聚乙烯電纜線路的電容電流平均值可查詢表3。在該企業(yè)中，10 kV 配電線路的芯線截面積為500 mm2，查表可知，其電容電流均值為2.69 A/km。線路總長度為2.7 km，電容電流為2.69 A/km×2.7 km=7.263 A＞7 A，且計(jì)算結(jié)果＜10 A。因此，應(yīng)采用中性點(diǎn)低電阻進(jìn)行接地設(shè)計(jì)。

表3 交聯(lián)聚乙烯電纜線路電容電流平均值 單位：A/km

2.2.3 中性點(diǎn)接地電阻取值

在中性點(diǎn)設(shè)備接地設(shè)計(jì)中，接地電阻在形式上可采用線性或非線性的材料。該企業(yè)供配電采用10 kV的中壓系統(tǒng)，阻值的選取需要考慮較多的因素，如過電壓絕緣配合、單相接地故障的繼電保護(hù)可靠性等因素，不同的影響因素對電阻值的要求存在差異，應(yīng)選擇其中的較大值。對于中性點(diǎn)低電阻，10 kV 供配電系統(tǒng)的取值應(yīng)在10～30 Ω 之間。

3 結(jié)語

氯堿生產(chǎn)裝置包括中壓供配電系統(tǒng)以及各種用電設(shè)備，如變壓器、配電盤、壓縮機(jī)和輸送泵，其生產(chǎn)過程可產(chǎn)生H2，設(shè)備外殼帶電、電氣火花有可能引發(fā)觸電事故和火災(zāi)爆炸事故。針對以上問題，企業(yè)應(yīng)該對其電氣生產(chǎn)裝置設(shè)計(jì)完善的接地保護(hù)技術(shù)措施，設(shè)計(jì)重點(diǎn)為接地形式、接地電阻的取值。