攀钢电动鼓风站地网评估及防雷方案研究

2013-06-22田志岗任小花郭莜瑛王强蔡盛舟

电气技术 2013年8期

田志岗任小花郭莜瑛王强蔡盛舟

（1. 西华大学，成都 610039；2. 攀枝花学院，四川攀枝花 617000；3. 攀枝花电业局，四川攀枝花 617067）

接地是电力系统的一个重要问题，接地的好坏直接关系到设备人身的安全[1]，全国各地就曾多次发生因接地网的问题而造成重大事故的事例。接地网特性参数测量的准确度，关系到正确判断接地网的状态，以及对运行中的接地网是否还需处理等问题。因此，提高特性参数测量的准确性是很重要的，否则将会造成资源的浪费和人身财产的损失。运用冲击电流发生器产生的冲击电流模拟雷电流对地网进行测试，能够准确反映接地网的特性参数[2-4]，由于功率较小，不会对运行中的站所造成影响。攀钢电动鼓风站的接地网由于腐蚀严重，已经不能满足雷击泄流时的通流容量，往往导致雷击时烧断接地网、使设备处于无接地状态。这种情形在2004年遭受过电压入侵时变压器中性点接地上表现得尤其明显，使变压器在遭受过电压时处于极度危险状态。同时该站的架空进出线遭受雷击的几率都比较大，造成过电压侵入站内时二次系统微机保护误动、监控装置死机甚至烧坏的事故。

1 原地网概况

对接地体腐蚀情况的有效评估是一项非常复杂的工程，最直观有效的评估方法是全面开挖检查。电气设备维护规程规定：在有条件的地方，每隔15～20年应对接地体进行一次开挖检查。攀钢电动鼓风站已经运行了近40年，没有进行过类似的检查。攀钢目前采用小电流检测接地电阻的方法检测误差很大，而且不能检测通流容量，不能对接地网进行有效评估。该站在建设时将内部重要设备与单独的小地网连接，构成了主地网中有独立小地网的格局。

近年来，在攀钢电动鼓风站的三期建设中，先进的微机保护装置得到了大量的应用。这些装置较之传统的电磁型装置，其耐过电压的能力要低得多。相关资料显示：微机型保护装置的耐压水平为100V左右，而传统电磁型保护装置的耐压相水平为1000V。微机型装置对鼓风站的接地也相应地提出了更高更多的要求。在前几年鼓风站运行中已经发生了微机保护装置遭过电压损坏的事实。因此，有必要对电动鼓风站接地网的情况进行研究评估。

2 地网测试结论及分析

采用冲击电流幅值为 20～50A，波形接近标准雷电流（2.6/50μs）的冲击电流发生器[5]，在 2011年11月11日对鼓风站地网特性参数进行测试，得出以下结论。

1）接地网接地电阻合格，小于0.5Ω。

2）电动鼓风站主地网分布接点连接合格。地网绝缘测试点阻抗小于 50mΩ，网点间电气连通性基本良好。

3）电动鼓风站接地网设备节点电位差偏大，存在受雷电过电压侵袭的安全隐患。在发生雷击的情况下，主地网和独立地网与中性点之间的电位差较大；电源接地体之间的电位差超过了二次设备的耐压水平，建议增加电动鼓风站二次设备的防雷措施。

4）电动鼓风站主地网冲击电位分布不均存在悬浮电压安全隐患。应对地网网络结构分布完善整治。

电动鼓风站接地网在建设时地网结构复杂，地下管线较多，并且旁边有放散塔等较大的管线。根据试验数据结果分析，电动鼓风站接地网存在的问题是主地网冲击电位分布不均和接地网节点电位差偏大。主地网和独立小地网对供电电源节点电位差按5kA雷电流冲击校核已超过2500V，二次设备的绝缘耐压都在 2500～3000V。电动鼓风站在受到雷击时损坏二次设备的绝缘，因此建议增加电动鼓风站二次设备的防雷设施。

3 整改方案

针对鼓风站存在的问题，提出具体的整改方案，从技术改进方向和具体改造措施两方面加以讨论。

3.1 技术改进方案

该站地网电位分布受雷电过电压侵袭时影响较大，足以对站内设备及人员构成危害，必须在雷电检测和侵入途径方面加以防护，其中以电源系统和信号系统的雷电侵入为主要隔离对象；针对接地网电位分布不均的情况，可通过改造电网结构加以改善。

1）雷电过电压检测与隔离

一年时间内对供电系统及独立接地点的雷电冲击过电压幅值及分布进行测定；过电压等级分布测量；各独立接地点之间的雷电冲击分布电位测定。进行电动鼓风站地网结构性、有效性、安全性、合理性的技术论证分析，对电动鼓风站系统保护装置承受过电压损坏的绝缘能力进行校核。

电源系统防雷侵入隔离措施是把独立小地网连接的二次设备的电压采用隔离电源，并与独立小地网作等电位连接；配电系统电源防雷应采用三级避雷防护，避雷器采用的是B、C、D三级防雷的方式。第一级保护（B级）安装在建筑物输入电源总配电室内的进线配电柜上，或楼内单元输入电源的主配电盘上，第二级保护（C级）主要安装在设备配电柜上，第三极保护（D级）主要安装于各个用电设备端，用于保护最终的用电设备。

信号系统防雷侵入隔离措施与电源防雷一样，信号系统的防雷主要采用信号避雷器防雷。目前，数据网络常采用的方式有电话线、专线、x.25、DDN和帧中继等，通信网络设备主要为调制解调器、DTU、路由器和远程中断控制器等。通常根据通信线路的类型、通信频带、线路电平等选择通信避雷器，将通信避雷器串联或并联在通信线路上。

2）地网网络结构整治与完善

采用等电位连接方式，将正常不带电（或不传输信息）、未接地或未良好接地的设备金属外壳、电缆的金属外皮、建筑物的金属构架、金属管线的桥架与接地系统做电气连接，防止在这些物件上由于感应雷过电压或接地装置上雷电入地高电位的传递造成对设备内部绝缘、电缆芯线的反击。等电位连接的目的是减少需要防雷的空间内各金属部件和各系统之间的电位差，防止雷电反击。

在做好以上措施的基础上，还应采用有效屏蔽、重复接地等办法，避免雷电过电压直接进入建筑物内配电系统和信号系统，尽可能采用埋地电缆引入，并用金属导管屏蔽。屏蔽金属管在进入建筑物或机房前重复接地，最大限度地衰减从各种线缆上引入的雷击过电压。

3.2 改造措施

在改造技术方案的基础上，做出了具体的改造措施，主要包括以下几个方面。

1）地网改造方案

围绕鼓风站周围重新安装环形接地装置，环形接地装置与主接地网不少于规定点连接。水平接地线采用不小于40mm×4mm热镀锌扁钢。

在水平接地线上每隔 5m安装新型高效低阻接地体MSD-Ⅲ。

MSD-Ⅲ在土壤中的阻值估算方法如下：

式中，L=1m，d=0.26m，h=0.8m，M0=0.3m。ρ为土壤电阻率，故 Ri=0.107ρ。

当ρ为100Ω·m时，单根MSD-Ⅲ的阻值为10.7Ω；当ρ为200Ω·m时，单根MSD-Ⅲ的阻值为21.4Ω。

在实际运用中常常多组接地体并联使用，故并联后多组接地体总接地电阻计算公式如下：

2）接地体安装方式

（1）在接地体安装处开挖一宽度不小于30cm，深度不小于80cm的地沟，水平地线与MSD-Ⅲ的连接线方式采用焊接，焊接点应做好防腐处理。

（2）环形接地装置经过行人较多的地方，应使接地装置局部埋设深度不小于 1m，或者铺设 5～10cm的沥青层。

（3）环形接地装置与主接地网不少于规定点焊接连接，并做好防腐处理。

3）电源线路雷电防护

电源线路雷击过电压采用分流泄流，层层保护的模式。第一级采用通流容量大的电源避雷器（以下简称为SPD），其目的是在雷击过电压时，能很快的动作，并泄掉大部分雷电流，同时，电压保护水平小于 4kV。以后级主要作用是起到箝压的作用，并泄掉剩余雷电流。

本方案采用电源3级以上防雷保护，具体安装位置及设备选型如表1所示。

表1 电源防雷的SPD安装位置及型号参数

此外将重要设备（如微机、机柜等）的供电插座更换为插座型防雷器，其型号如下：

（1）MS20-02，适用于大多数设备的电源精细级保护。

（2）MS10J-1，适用于机房柜的电源精细级保护。

4）信号线路雷电防护

信号线路雷电防护常用方法是在线路上串接信号SPD，其目的是将从信号线路窜进的雷电流在泄放至大地，并将电压限制到设备可以接受的范围内。安装位置及设备选型如表2所示。

表2 信号线防雷的SPD安装位置及型号参数

5）接地、等电位连接及其他防雷措施

（1）电动鼓风接地

利用不小于30mm×3mm热镀锌扁钢与环形接地装置焊接连接，连接点做可靠防腐处理（或采用不小于 50mm2多股铜塑线连接）。安装在设备端的SPD接地线应就近接地。

（2）机房接地

在机房利用不小于30mm×3mm铜排设置一圈等电位连接母排，机房内电源SPD接地线（不小于10mm2多股铜塑线）、信号SPD接地线（不小于6mm2多股铜塑线）、保护接地线、工作接地线等应分别各自连接至等电位连接母排。等电位连接母排采用不小于50mm2多股铜塑线与环形接地装置连接。共用接地装置阻值应小于其中最小值，本方案为小于1Ω。进入机房内的各自金属管线、铠装电缆的金属层应就近接到等电位连接排上。