水泥廠電氣自動化系統(tǒng)接地模式探討

張鵬迪，張艷梅，魯漫欣

近年來，我國水泥工業(yè)電氣自動化水平顯著提高，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。電氣自動化系統(tǒng)接地問題關(guān)系到整個供配電及自動化系統(tǒng)的安全，正確的接地系統(tǒng)設(shè)計方案與嚴(yán)謹(jǐn)規(guī)范的現(xiàn)場接地施工是確保水泥廠安全平穩(wěn)生產(chǎn)的重要前提。

1 接地種類

我國電力系統(tǒng)常用的接地方式有中性點有效接地系統(tǒng)（大電流接地系統(tǒng)）和中性點非有效接地系統(tǒng)（小電流接地系統(tǒng)）兩大類。

大電流接地系統(tǒng)是指中性點直接接地的三相系統(tǒng)。當(dāng)發(fā)生單相接地故障時，會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)短時電壓的升高不會超過額定電壓的80%，對輸變電設(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，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稱，對負(fù)載的供電影響不大。系統(tǒng)一般可帶故障運行一段時間，可保證供電的連續(xù)性，但系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障后，另外兩相對地電壓會升高，對用電設(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)

2 中高壓系統(tǒng)接地

一般情況下，水泥廠中110kV及以上系統(tǒng)要求采用中性點接地的大電流接地系統(tǒng)，3～10kV中壓系統(tǒng)采用中性點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。總降壓變電站需敷設(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。總降內(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，可根據(jù)現(xiàn)場情況調(diào)整，但需滿足接地電阻和間距要求。

3 低壓系統(tǒng)接地

為滿足人身和設(shè)備安全及系統(tǒng)正常運行，低壓配電系統(tǒng)應(yīng)采用中性點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），也稱作接零保護系統(tǒng)。一旦出現(xiàn)設(shè)備外殼帶電，接零保護系統(tǒng)將漏電電流轉(zhuǎn)為短路電流，即發(fā)生單相對地短路故障，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，保護線（PE或PEN）應(yīng)做重復(fù)接地（距電源接地點＜50m時除外），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系統(tǒng)（見圖2）。電力系統(tǒng)中性點直接接地，且負(fù)載外露金屬導(dǎo)電部分與大地直接連接。TT系統(tǒng)適用于接地保護較分散的戶外場所，例如廠區(qū)道路照明、戶外單獨場所的電氣裝置。

（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)備進行接地保護（見圖3）。IT系統(tǒng)一般用于供電距離不長，不允許停電或要求嚴(yán)格連續(xù)供電的場所。一般配套建設(shè)礦山平硐的水泥廠項目，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直接接地，且低壓側(cè)需裝設(shè)漏電保護裝置，負(fù)載側(cè)高低壓電氣設(shè)備金屬外殼裝設(shè)保護接地。

圖3 IT系統(tǒng)

4 DCS系統(tǒng)接地

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)計中，DCS系統(tǒng)需采用單獨接地系統(tǒng)，避免與保護接地和工頻電氣接地共用一個接地網(wǎng)。中央控制室主機房采用防靜電地板，主機房內(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接地系統(tǒng)可靠連接。各計算機子站以同樣的方式連接，最終形成獨立于配電系統(tǒng)的全廠DCS系統(tǒng)接地。

另外，設(shè)計時，信號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、信號隔離器以降低干擾程度；布線時，嚴(yán)格遵守網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湓O(shè)計，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。

5 聯(lián)合接地

當(dāng)前，大部分水泥生產(chǎn)線受成本和場地限制，廠區(qū)內(nèi)各車間和電氣室間布局緊湊，設(shè)計和施工過程中，各種電氣設(shè)備的工作接地、保護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干擾或電擊事故。

工程項目配套建設(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，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，采用多點連接方式將設(shè)備金屬外殼和各接地極連接成一個獨立的接地系統(tǒng)，確保實測接地電阻滿足要求。以上各接地體最終與廠區(qū)接地系統(tǒng)連接，形成統(tǒng)一的全廠電氣保護接地網(wǎng)。

6 結(jié)語

電氣自動化系統(tǒng)的穩(wěn)定運行對水泥廠的安全生產(chǎn)運營至關(guān)重要，合理的接地系統(tǒng)是確保電氣自動化系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行的重要一環(huán)，因此，在設(shè)計和施工時需要高度重視接地系統(tǒng)。另外，接地系統(tǒng)在項目建設(shè)中屬于隱蔽工程，接地網(wǎng)絡(luò)設(shè)計應(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，土建開挖的同時進行接地網(wǎng)絡(luò)預(yù)埋施工，以提高效率，降低建設(shè)成本。