氯堿化工裝置電氣接地保護技術探究

段本強， 陳艷華

（山東泰汶鹽化工有限責任公司， 山東 泰安 271024）

0 引言

氯堿化工裝置包括離子膜電解槽、泵和壓縮機等，其金屬外殼有可能帶電，進而引發觸電事故。氯堿工藝的產物中存在H2，具有火災爆炸風險。在生產裝置的安全管理中，必須重視電氣設備的接地設計，通過接地保護技術預防漏電、電火花、電弧以及其他潛在的電氣危害。

1 氯堿生產工藝及主要化工裝置

1.1 氯堿生產工藝

以國內某企業的氯堿生產工藝為分析對象，其主要產品為燒堿（NaOH）、工業用液氯和高純鹽酸等。氯堿生產工藝包括離子膜法、隔膜電解法和水銀電解法。離子膜法是當前主要的生產工藝，該方法具有效率高、低污染和產品品質佳等優點，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 某企業離子膜法氯堿生產工藝

1.2 氯堿化工的主要裝置

氯堿化工生產涵蓋多個工藝流程，每一個工藝階段都涉及電氣化的裝置和設備，各生產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、導電銅棒以及電解槽框組成，該企業使用的離子交換膜電解槽型號為NCH-2.7，屬于自然循環的復極式電解槽，其單元槽面積為2.7 m2，設計電流密度為6.0 kA/m2，運行電流密度為4.5～6.0 kA/m2。

表1 氯堿生產工藝的主要電氣裝置

1.3 供配電系統

該企業的燒堿生產能力為25 萬t/a，用電負荷達到90 MW，動力電源為35 kV 電纜，由市政供電直接引入企業的主變電站，主變采用2 臺35 kV/10 kV 的降壓變壓器，經過降壓處理之后，為各個配套的10 kV配電系統提供穩定的電源。為了確保供電系統的可靠性，為0.4 kV 和10 kV 的配電系統設置雙回路供電，當某一個回路出現故障時，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，為兩路電源分別設置備用線路。以上供配電設計方案能夠有效提高生產電力的可靠性，當某一線路出現故障，可迅速切換至備用線路，進而快速恢復生產[2]。

2 氯堿化工裝置電氣接地保護技術分析

從該企業氯堿化工生產裝置的特點來看，離子膜電解槽、高壓泵、噴射泵、壓縮機、離心機、變壓器、配電盤、DCS 控制柜和母線銅排等均為金屬帶電設備，電壓等級各有差異，當設備金屬外殼帶電時，有可能引起操作人員觸電。因此，必須診斷生產裝置和設備廠房設計系統性的接地安全保護措施。

2.1 接地保護系統選型及安全要求

2.1.1 接地保護的形式

根據相關的技術規范，常用的接地系統可分為TN、TT 和IT 三類，而TN 系統又包括TN-S、TN-C 和TN-C-S 三個類別，各種接地保護形式的區別如表2所示。以TN-S 接地保護系統為例，其接地保護的結構如圖2 所示，其中，L1、L2 和L3 為三個不同的相線，N 表示中性線，PE 為保護地線[3]。

表2 接地保護形式的區別

圖2 TN-S 系統的實現原理

2.1.1.1 TN-S 接地形式的特點

TN-S 接地形式又可稱為三相五線制，在這種接地形式下，需要分別設置中性線和保護地線。電氣設備的外露可導電部分與保護地線相連接，當設備處于正常工作狀態時，其外露可導電部分不帶電，如果設備接地斷開，則外露可導電部分有可能帶電。換言之，TN-S 系統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，進而切斷電源，發揮安全保護作用。

2.1.1.2 TN-C 接地形式的特點

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 系統中，將中性線N 和保護地線PE 合在一起，形成PEN 線。由于PEN 線的阻抗較小，當連接在該線路上的設備出現接地故障時，電流強度會明顯增加，此時可立即觸發保護動作。因此，TN-C 接地形式具有良好的故障敏感性和響應速度。當系統用電設備不存在故障時，電流流經PEN 線路，可形成壓降，因而用電設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），對人員不構成安全威脅[4]。不過，TN-C 接地形式也可能出現失效，當PEN 線路斷線時，將會失去保護作用。

2.1.1.3 TN-C-S 接地形式的特點

在TN-C-S 接地系統中，用電設備外露可導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的靈活性，提供了兩種接地連接模式。當設備與系統中的PE 保護線連接時，其外露導電部分及設備本身通常不帶電。

2.1.1.4 TT 接地形式的特點

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

2.1.1.5 IT 接地形式的特點

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現電源中性點接地。與此同時，電氣設備的外露可導電部分通過PE 保護線直接進行接地。一旦設備出現接地故障，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的回路，但電壓幅值超過了36 V 安全電壓，對人體可產生一定的危害，因此，必須設置報警提示信息。

2.1.2 接地保護形式選型結果

2.1.2.1 原接地設計方案問題分析

該企業原接地保護設計方案要求接地采用TN-S形式，將中性線和PE 保護線分開設置。在這種接地形式下，用電裝置僅有PE 保護一種接地措施。若三相中的某一相與用電裝置的外殼發生接觸或者碰撞，并且工作人員在同一時期接觸金屬外殼時，人體和接地保護裝置將形成并聯關系。在此情況下，將人體承受的電壓記為Ur，則該電壓值的計算方法為：

式中：Rd為保護接地裝置的接地電阻值；Rr為人體電阻；R0為變壓器低壓側中性點的工作接地電阻值；U為電網電壓。在接地電阻設計中，要求Rd≤4 Ω，R0≤4 Ω。當皮膚干燥時，人體的電阻值通常在2 kΩ～20 MΩ 之間[5]?？梢姡梭w電阻Rr遠大于R0和Rd的阻值。此時，Rr·Rd/（Rr+Rd）近似于Rd，則有：

令Rd=R0=4 Ω，電網電壓取220 V，則計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，原設計方案具有一定的安全隱患，當用電設備外殼與某一相接觸時，人體將遭受110 V 電壓。

2.1.2.2 接地形式優化設計

針對原接地設計方案存在的問題，提出以下優化措施。一是對接地干線設置重復接地措施。該設計方案旨在增加零線上的保護接地數量，當相線碰到電氣裝置的金屬外殼時，重復接地能夠有效降低故障設備的對地電壓，進而限制人體接觸金屬外殼時的電壓數值，起到保護作用。二是在原設計方案中，部分裝置不設計接地措施，為提高用電安全性，將此類設備全部接入TT 保護系統中。三是剩余的用電裝置均采用TN-C 接地形式進行保護。

2.2 10kV供配電系統中性點電阻接地設計

2.2.1 中性點電阻接地的作用

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

2.2.2 接地方式選型

對于10 kV 配電系統，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算結果是其中的關鍵，如果配電系統中性點不設置接地，系統電容電流在數值上等于流經單相金屬性接地故障點的故障電流。對于10 kV 電纜線路，單相接地電容電流的計算方法為：

式中：Ic為接地電容電流；S為電纜芯線的標稱截面積；L為線路長度；Ur為線路的額定電壓。在工程實踐中，除了式（3）所示的理論計算方法，還可通過查表的方式獲取基于實踐的平均值，交聯聚乙烯電纜線路的電容電流平均值可查詢表3。在該企業中，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，且計算結果＜10 A。因此，應采用中性點低電阻進行接地設計。

表3 交聯聚乙烯電纜線路電容電流平均值 單位：A/km

2.2.3 中性點接地電阻取值

在中性點設備接地設計中，接地電阻在形式上可采用線性或非線性的材料。該企業供配電采用10 kV的中壓系統，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，應選擇其中的較大值。對于中性點低電阻，10 kV 供配電系統的取值應在10～30 Ω 之間。

3 結語

氯堿生產裝置包括中壓供配電系統以及各種用電設備，如變壓器、配電盤、壓縮機和輸送泵，其生產過程可產生H2，設備外殼帶電、電氣火花有可能引發觸電事故和火災爆炸事故。針對以上問題，企業應該對其電氣生產裝置設計完善的接地保護技術措施，設計重點為接地形式、接地電阻的取值。