電氣接地技術的應用實踐與故障問題

沈錫陵,陳 杰,陳梅強,呂 忠

(1.無錫市水利工程管理中心,江蘇 無錫 214000;2.無錫市河湖治理和水資源管理中心,江蘇 無錫 214000)

0 引言

隨著用電安全意識的不斷提高,水利工程對接地系統的安全要求越來越高,越發重視接地系統的抗干擾能力與穩定性。然而,在實際的應用過程中,部分接地系統運行會出現各種故障問題,嚴重影響接地系統的穩定運行及工程設備的運行安全。

電氣接地技術主要是利用金屬材料,將電氣元件或設備線路與大地間形成良好電氣連接。當前的電氣接地技術主要分為兩大類:一是將大地作為零電位,直接將設備金屬外緣和大地進行連接,此種接地技術在保障設備有效導電的同時,可以保護電氣設備,消除或降低電氣設備金屬外殼電壓,使電氣設備使用者或操作者可以安全使用設備;二是將系統和大地進行連接,保障系統安全運轉,增強系統內部的電磁兼容性,強化電氣設備的屏蔽保護能力[1]。

1 接地技術類型與作用

1.1 工作接地

中心點接地與其他的接地類型相比,工作接地技術可以確保電氣系統及其關聯電氣設備在突發故障時仍舊能夠穩定運行。通常人們會直接將電氣系統的中性點、電氣設備某處與大地連接,形成有效的工作接地。當前的工作接地主要有3種運行方式,即中性點直接接地、電源中性點經消弧電圈接地、電源中性點不接地。不同運行方式的工作接地在功能上存在一定的差別,如采取電源中性點接地時,三相電路具有相線對地電壓不變的功能,而采取消弧線圈電源中心點接地的電氣系統,最大限度上消除接地時的電弧,有效預防電氣系統或電力設備發生過電壓。

1.2 保護接地

目前,大部分電氣設備的外殼材質為導電金屬,當金屬外殼保護層出現絕緣損壞或金屬導線裸露等問題時,外殼會帶電,電氣設備使用者觸摸到帶電的金屬外殼,可能會發生觸電事故,嚴重的還會導致人員傷亡,部分電氣設備外殼帶電還會引發電氣火災。為了避免此類問題的發生,需要對電氣設備進行接地保護,將設備金屬外殼和大地進行接地連接,將外殼攜帶的電能導入大地,消除外殼電壓,保障電氣設備的用電安全。接地保護通常是利用PE線,將電氣設備外露金屬導線或其他可導部分與大地連接,也可以借助PEN線或PE線將與設備關聯的外露設備進行接地,這種方式被稱作保護接零。電氣系統中常見的電氣設備接地方式分為IT系統、TT系統、TN系統。接地系統的首字母代表電源端接地形式:I是間接接地,需經過對地絕緣或高阻抗接地;T是直接接地。系統符號中第2個字母代表電氣設備關聯外部可導部位的實際接地狀態,N代表低壓系統與外露可導部分進行連接,T代表大地直接與設備外露可導部分連接,且與低壓系統接地點無關。接地形式不同,其功能特點也各不相同[2]。

2 接地系統技術應用與故障原因分析

2.1 設計選型、布線與設計規范要求不相符

當前的部分接地系統設計中存在低壓控制電纜、信號電纜、高壓電力電纜間距設計走線不合理等問題,不僅會對電氣系統造成信號干擾,還容易加大安全事故發生的概率。部分接地支線與接地干線在設計選型、布線等方面不符合設計規范要求,如接地線材料選擇及最小截面積不符合規范要求,不能滿足系統故障狀態下維持系統正常運轉的保護要求。接地系統將電纜保護鋼管或建筑鋼結構作為導體時,鋼管材料或建筑鋼結構在故障狀態下的導電截面積應符合接地設計規范要求;同時,電氣系統的所有線路布局必須維持可靠、連續的電氣連接,且在電氣系統兩端良好接地。接地系統布線或設計選型錯誤會引發一系列的接地問題,干擾電氣系統正常運行,甚至引發重大安全事故,造成人員傷亡事故的發生。

2.2 施工管理不規范導致的接地故障分析

施工管理不規范會引發接地系統故障問題,具體原因為:(1)弱電工作、強電保護接地、防雷接地三者間并未采取有效隔離措施,形成了共用接地系統,出現電磁干擾,造成電氣系統無法正常運行。(2)光纖電纜接地、儀表電纜接地、控制電纜、電力電纜等施工環節因施工管理不到位出現施工錯誤,導致設備安全保護裝置失效或誤動作;控制系統因為感應電較高引發誤動作,出現不可預估的安全風險;信號傳輸顯示或計量不準確,導致系統不能正常運行。(3)施工團隊水平不高,管理不到位,施工人員并未嚴格按照施工規范設計要求開展施工,且部分施工人員安全意識薄弱、責任心不強,隨意更改施工步驟,并未嚴格按照要求開展接地布線,出現了諸如接線錯誤、安全間距不足、焊接面積不夠、電氣連接不牢靠等問題,一旦系統出現故障,相應的接地系統因為施工錯誤,無法對電氣系統進行保護[3]。

3 加強電接地系統安全可靠性的有效措施

3.1 做好接地系統的綜合布線設計

技術人員對綜合布線系統進行屏蔽時,為了保障用電安全,屏蔽層不可斷開,應保持一定的連續性,且導線間的相對位置不變。同時,屏蔽層配線設備的BD或FD端應進行接地,結合用戶終端的實際使用情況,選擇合適的接地方式,盡量采取兩端接地方式,將同一個系統內的所有電氣設備連接到同一個接地體上,如果同一系統中同時存在兩個不同接地體,應將兩個接地體間的電位差有效值控制在20 V內。

纜線從建筑外部接入建筑內部時,雷雨天受地電勢上浮、電源感應電勢等因素影響,容易遭受雷擊,為了保護用電安全,應采用相應的保護器進行接地保護,將雷擊危害降到最低。電氣電路的工作電壓如果處于大于250 V的電源線路觸地、雷擊環境,或交流50 Hz的感應電壓大于250 V等危險環境中,需要對該線采取過壓過流保護;選擇氣體放電管保護器對綜合布線系統進行過壓保護,與其他的保護器相比,氣體放電管保護器陶瓷外殼中封有兩個電極,電極與電極間存在放電間隙,且充有一定量的惰性氣體。在實際的使用中,如果電極與電極間的實際電位差大于700 V雷電浪涌電壓或250 V交流電壓,氣體放電管擊穿會產生電弧,在導體與接地體間形成一條穩定的導電通路,將多余的電力或電壓接入大地,消除過壓造成的負面影響。

自復保護器適用于綜合布線系統過流保護,電纜在使用時其上可能會產生一定的電壓,如果電纜對接設備能夠為其提供對地低阻通路,不需要使用過壓保護器動作,而電纜形成的電流則會引起火災或設備損害,因此,需要使用攜帶自復功能的保護器。例如,20 V電力線不會導致過壓保護器放電,其產生的大電流卻會進入電力設備內部,對設備造成損害,為了避免這個情況,需對線路同時進行過壓保護或過流保護,采用具備自復功能的過流保護裝置,一來便于后續進行維修管理,二來提高接地系統的可靠性與穩定性。

3.2 不得混接PE線與N線

部分施工人員因為專業水平不足或責任心薄弱,在施工時將N線與PE線弄混,在這種情況下,在工作電流流經PE線時,其壓降會增大,與該線路相連的所有電氣設備外殼均出現危險電壓,導致出現用電安全問題。部分使用者在未經專業指導的情況下擅自接線,也會出現N線與PE線混接的問題,為電氣設備的運用埋下安全隱患,因此,N線與PE線不得混接。

3.3 加強電纜屏蔽與保護接地

3.3.1 做好金屬外殼接地

如果電纜只有一層屏蔽保護,應一端接地;如果電纜有兩層及兩層以上的屏蔽層,最外層應采取兩端接地,而內層則采取一端接地方式。最外層采取兩端接地方式,可以防止電感性干擾源(雷擊),采取內層一端接地方式,可以防止電容性干擾源,避免強電導致的電磁干擾。

3.3.2 做好電纜屏蔽接地與信號回路接地

電纜的屏蔽接地與信號回路接地通常為同一個單獨接地極。因此,同一線路或同一信號回路屏蔽層共用同一個接地點,且確保接地電阻值符合接地系統設計規范要求。信號回路接地點通常在顯示儀表側,如果儀表選用接地型熱電偶且檢測部分接地,則無須進行側接地。在對屏蔽電線的屏蔽層進行接地時,同一線路屏蔽層必須具備連續可靠的電氣接地。如果接地系統有一定的防干擾要求,多芯電纜的備用芯線必須在同一點進行接地,且屏蔽電纜屏蔽與備用芯線也應在同一點接地。

3.3.3 做好高壓電纜屏蔽與保護接地

單芯電纜通電運行后,會在屏蔽層產生感應電壓。當屏蔽層兩端同時接地時,大地與屏蔽層會產生回路,形成感應電流,導致電纜屏蔽層發熱,電能損耗,影響電氣系統的正常運行,想要阻止這種問題發生,應采用一端接地方式。當多芯高壓電纜通電運行后,因為多芯高壓電纜的輸出或輸入端處于超高壓或開關場高壓環境,會出現電磁感應干擾,為有效避免暫態過電壓,應選擇兩端接地方式。多芯高壓電纜的端頭保護接地是用來預防電纜故障和電磁感應的接地保護動作,也應采取兩端接地[4]。

3.4 做好接地系統施工模塊交接

隨著科學技術的進步,越來越多的電氣設備被研發出來,所涉及的專業種類較多,構成雜亂,隨著建筑工程規模的不斷擴大,建筑接地系統要求也越來越嚴格。建筑工程的各個施工模塊會承包給不同的施工單位,如果施工單位間的聯系不緊密,缺乏應有的溝通交流,會導致接地系統施工不連貫,為后續的用電安全埋下許多安全隱患。因此,各單位間必須加強溝通交流,做好各接地模塊施工的對接統籌工作,確保接地系統的連貫性與完整性,只有這樣才能保障接地系統的安全穩定運行。

3.5 加強建筑物等電位連接建設

當前,許多智能化小區與高層建筑在建設中,為了保障用電安全,要求對幕墻零件、門窗框架、衛生間潔具、鐵質護欄等位置設置相應的等電位連接。要求等電位連接線與接地線間應有兩個以上的非間接相連,且等電位連接的支線不得串聯,應結實有效。相關研究顯示,當金屬管道結構、設備外殼與大地連接發生接地短路時,管道、設備外殼等會產生故障電壓,該電壓會引起電氣火災事故或造成人身點擊,危及群眾生命健康安全。為了解決這個問題,可以通過在建筑內部設置總等電位聯結,降低或消除故障電壓。等電位聯結這一電氣安全措施并不需復雜價昂的電氣設備,只需要消耗一些導線。為了保障建筑等電位聯結的可靠性與導通性,等電連接線應選用銅線,接地母排應選用銅板,以延長等電位聯結的實際使用壽命[5]。

4 結語

電氣接地技術應用過程中存在著諸多的問題亟待解決,單位應從接地故障問題入手,依據不同接地類型的不同功能,分析各接地類型的優缺點,結合電氣系統及電氣設備具體接地需求,選擇合適的接地技術,保障接地技術有效應用的同時,從源頭解決接地系統故障問題,最大限度上提高接地系統的可靠性與穩定性,保障用電安全。