660MW超超临界火力发电厂的接地系统及其保护选择.pdf

第 3 3卷 第 9期 2 0 1 1 年 9月 华 电技 术 Hu a d i a n Te c h no l o g y Vo 1 ． 3 3 No ． 9 S e p． 2 01 1 6 6 0 MW 超超 临界火 力发 电厂 的接地 系统 及 其保 护选择 陈宏伟 江苏国信靖江发电有限公司， 江苏 靖江2 1 4 5 1 3 摘要 介绍了6 6 0 MW超超临界火力发电厂接地系统的类别， 论述了火力发电厂接地系统所涉及的几个重要问题。在 此基础上， 着重探讨了接地系统的保护问题， 以便能找到既经济又实用的接地系统保护方法。 关键词 发电厂接地系统 ； 保护选择 ； 腐蚀机制； 腐蚀原因； 保护方法 中图分类号 T M 8 3 5 ． 4 文献标志码 B 文章编号 1 6 7 41 9 5 1 2 0 1 1 0 90 0 3 8 0 4 0 引言 发电厂接地系统在 电厂建设及生产运行维护过 程中属隐蔽工程 ， 若在设计及施工过程 中不注意分 类设计、 精确计算并施以恰当的保护措施 ， 将对电厂 安全 、 稳定运行构成极大的威胁。当事故出现时， 若 接地 网有缺陷， 短路 电流无法在土壤中充分扩散 ， 导 致接地网电位升高， 使 接地 的设备金属外壳带高 电 压并危及人身安全和击穿二次保 护装 置绝缘 ， 甚 至 破坏设备 、 破坏系统稳 定并 可能造成重大设备事故 或人身伤亡事故。笔者就 目前国内大型电厂接地系 统的保护问题进行探讨 ， 以便能找到既经济又实用 的接地系统保护方法。 1 火力发 电厂接地 系统 的类别 发电厂接地系统从大类上可分为交流接地系统 和直流接地系统 ， 其 中， 交流接地系统按用途又可分 为工作 系统 接地 、 保护接地 、 防雷接地和 防静 电 接地等。直流接地系统是指弱电系统 的逻辑接地和 计算机系统接地。 2 接地 系统所涉及 的几个 重要 问题 6 6 0 MW 超超临界火力发电厂 的接地系统不但 要满足工频短路电流、 雷电冲击 电流的要求 ， 同时还 要满足对设备外壳 的保护 以及微机保护 、 综合 自动 化装置等弱电元件对接地的高要求。火电厂接地系 统在设计及施工过程 中主要涉及接地电阻的计算 、 接地体材料及截面的选择 、 接地体的防腐要求 、 地网 均压、 设备的接地和接地线的热稳定等几个方面。 1 接地电阻的计算。不 同的接地方式对接地 收稿 日期 2 0 1 1 0 5 2 6 电阻的要求不 同。在均匀土壤中， 人工接地及工频 接地 电阻以及接地网接触电位差和跨步电位差应依 据 大中型火力机组设计规范 征求意见稿 的规 定进行计算 ， 也可参 照 交流 电气装置的接地设计 规范 送审稿 中相关的内容进行计算。规范要求 不 同， 接地类别下 的接地 电阻要求 也不相 同， 具体 如下 1 工作接地的接地 电阻应保证在 电气系统的 工作 电流或接地故 障电流流经接地 电极时 ， 接地 电 极的电位 升高不超过规定值 。在发 电厂交 流系统 中 ， 工作接地电极的接地 电阻一般为 0 ． 5～1 0 ． 0 Q。 2 保护接地的接地 电阻是 由故 障电流大小来 决定的 ， 它可使相应 的保护装置动作或使设备外壳 电位在安全值以下 ， 其值一般为 1 ． 01 0 ． 0 n。 3 防雷接地的接地 电阻主要 由过 电压保护的 需要决定， 其值一般为4 ． 0 ～ 3 0 ． 0 n。 4 防静电接地的接地电阻一般要求在 3 0 ． 0 Q 以下 。 5 计算机 系统宜与全厂接地 网共地 ， 不宜设 专用独立接地 网。各计算机 系统 内不 同性质 的接 地 ， 如电源地 、 逻辑地 、 机柜浮空后接地等应有稳定 可靠的总接地板 箱 。当设 备厂家对逻辑接地和 计算机系统接地的阻值及接地方式有特殊要求时， 应按其要求进行设计。 6 控制用 电气设备外壳 、 不要求浮空的盘台、 金属桥架 、 铠装电缆的铠装层 、 计算机信号 电缆的屏 蔽层等应设保护接地 ， 保护接地应牢固可靠， 保护接 地的电阻值应符合现行 电气保护接地规定 。 2 接地体材料及截面的选择。接地体材料应 优先考虑选用热浸镀锌 的钢材 ， 也有部分工程采用 铜接地体 。 3 接 地网均压问题。 接地 网的局部放 电容易 第 9期 陈宏伟 6 6 0MW 超超 临界 火力发 电厂的接地 系统及其保护选择 3 9 向电缆沟内电缆产生反击 ， 造成控制保护设备 的损 坏而引发恶性事故。 4 设备 的接地 问题。有 的防雷设 备 如避雷 线和避雷器 接地不好 ， 从 而会 产生很高 的残 压和 反击过电压 。 5 接地线的热稳定。如果接地线 的热稳定达 不到要求 ， 在接地短路 电流流过时， 就会把接地线烧 断 ， 从而造成设备外壳带电 ， 容易发生高压 向控制线 的反击。 6 接地网的腐蚀 问题。由于接地装置长期在 地下运行 ， 运行条件恶劣 ， 特别在一些潮湿和有害气 体存在的地方或 土壤呈酸性 的地 方最容 易发生腐 蚀。受到腐蚀的接地 网的 电气参 数往往会 发生变 化 ， 甚至会造成 电气设 备接地 与地 网之 间以及地 网 各部分之间形成 电气上的开路 ， 应该特别注意。 3 对接地 系统 中接地体 的保 护选择 在上面提到的大型火力电厂接地系统 的几个重 要问题 中， 特别是接地系统的保护问题 ， 如何做好接 地体的防腐问题尤为重要 。接地系统的设计应保证 其寿命与电厂主体工程相一 致 ， 主接地网及接地导 体的设计必须充分考虑其防腐要求 。采用何种方案 防腐是尤为重要的 ， 选择时既要考虑到安全 、 稳定运 行因素 ， 又要兼顾经济性和耐用性 ， 充分保证其使用 寿命 ， 必须根据 当地的实际情况详尽核算后方可确 定。笔者 以国内某 6 6 0 Mw 超超临界 电厂的接地系 统保护的选择为实例 ， 从腐蚀机制 和原 因的角度 出 发 ， 通过计算和分 析 ， 最终 确定接地 系统 的保 护方 案 ， 以期达到设计和实际使用 的要求 。 3 ． 1接地装置腐蚀机制 腐蚀是指金属与环境间的物理 、 化学 的相互作 用 ， 由此造成金属性能 的改变 ， 导致金属 、 环境 或由 其构成的一部分技术体系功能的损坏。 以腐蚀机制划分 ， 可分为化学腐蚀和 电化学腐 蚀。化学腐蚀是指金属和非电解质直接发生纯化学 作用而引起 的金属损耗 如金属 的高温氧化 。电 化学腐蚀是指金属和电解质发生 电化学作用而引起 的金属损耗 。在 电化学腐蚀过程 中， 同时存在着 2 个相互独立的反应过程 ， 阳极反应和阴极反应 ， 并有 电流产生。电化学腐蚀是最普遍的腐蚀现象。这种 腐蚀反应 的速度会 因环境 因素的影 响而发生变化 ， 在水 中， 则受水 的 p H值 、 湍 流度 、 速度 、 水温 、 盐度 和微生物等环境因素的影响而变化 ； 在土壤 中， 则受 土壤 电阻率、 p H值 、 氧化还原电位 、 含水量 、 含盐量 等因素的影响而变化。 3 ． 2接地装置腐蚀原 因 接地装置接地体腐 蚀的原 因是多方面的， 归纳 起来大致有 4个方面。 1 土壤腐蚀性强 ， 特别是在偏酸性的土壤 、 风 化石土壤和砂质土壤 中 ， 最易发生析氢腐蚀和 吸氧 腐蚀。 2 接地 体采用 的再生钢 材 由于杂质超标 ， 在 地下易发生电偶 电池腐蚀。 3 使用 了腐 蚀性较强 的降阻剂 ， 特别是 一些 化学降阻剂 ， 由于含有大量的无机盐类 ， 加速了接地 体的电化学腐蚀 。一些 固体降阻剂由于膨胀系数与 钢接地体不一致 ， 经过一定 的时间后与接地体产生 缝隙， 产生了腐蚀 电位差 ， 加速了接地体的腐蚀 。 4 施工方面的原 因主要有 以下 5个方面 1 接地体埋深不够 ， 上层土壤含氧率较高 ， 吸 氧腐蚀快 ； 2 用砂子、 碎石和建筑垃圾作 回填土 ； 3 焊接头存在虚焊 、 假焊现象 ， 对焊接头没有 做防腐处理 ； 4 对接地引下线没采取过渡防腐措施， 没有 刷防腐漆 ； 5 在扩大地 网时 ， 把 新地 网接到 了原 地网的 电缆沟或把设备接地接到了电缆沟的均压带。而电 缆沟的均压带是不定期地进行防腐处理 ， 这样 ， 会因 焊接接头腐蚀断开而造成地网肢解。 3 ． 3接地系统中接地体的保护选择 接地系统 中接地体的保护选择主要采取了防止 接地装置腐蚀的有关措施。目前， 国内防止接地装 置腐蚀 的常用措施 主要有增加接地体金属厚度 、 采 用耐腐蚀的接地体材料 以及阴极保护等方法 。 增加接地体金属厚度一般是采用镀锌和加大接 地导体 的截面及厚度来延长接地导体 的使用寿命 。 对于耐腐蚀材料 的接地体而言 ， 国内一般都采用铜 作为接地网， 采用裸铜绞线作为接地材料 。阴极保 护是 防止地下金属结构物腐蚀的最常用也是最为有 效的方法。 所谓 阴极保护就是向被保护金属通上一定 的直 流电， 使被保护金属变成 阴极 而得 到保护。根据所 提供电流方法的不同 ， 阴极保护分为外加 电流法和 牺牲阳极法 。外加 电流法是用外 加可调 直流 电源 恒电位仪 或整 流器 供 电， 电源 的正极接辅 助 阳 极 ， 负极接被保护的金属 ， 如图 1 所示。 牺牲阳极法是用一种电位 比所要保护的金属还 要负的金属或合金 更活泼 ， 易腐蚀 与被保护的金属 连接在一起 ， 依靠电位 比较负的金属不断地腐蚀溶解 所产生的电流来保护其他金属的方法 ， 如图 2所示。 4 0 华 电技 术 第 3 3卷 图 1 外加电流系统 e ’ 图 2 牺牲 阳极 系统 2种方法 的优 、 缺点比较见表 1 。 表 1 牺牲 阳极和外 加电流优 、 缺点 比较 4 接地 系统保护选择 实例分 析 4 ． 1 某 6 6 0 MW 超超临界机组土壤的实际情况 某 6 6 0 MW 超超临界机组土壤的实际情况主要 是依据该发电厂工程可行性研究场地土壤 电阻率测 试专题报告提供的土壤类型进行分析。该 电厂位于 长江中下游地区， 临近长江 ， 厂址地基土层主要由粉 质黏土、 淤泥质粉质黏土 、 粉土、 粉沙和中／ 细沙等部 分组成 ， 部分地基土层表现为夹层 、 互层类土。 埋深 0 ． 8 m处的土壤 电阻率约为 2 2 ． 0 n。总的 来说 ， 该 电厂土壤腐蚀性属于中等偏强。 4 ． 2 接体 系统的保护选择 由于该 电厂土壤腐蚀性属于中等偏强的程度 ， 不考虑采用铜接地 网。一方面 ， 由于铜材料价格高 ， 几乎是钢材的 1 倍 ， 使用铜作为接地网会使接地装 置的造价 比用钢材高 出 3 0 ％ 以上 ； 另一方面 ， 电厂 内许多设备的外壳、 构架和埋管都选用钢材 ， 特别是 循环水管采用钢管时更应要慎重考虑 。铜本身会加 速腐蚀 ， 它与金 属材料或邻近 的其他金属材料 如 钢材和钢管 接触会对钢质循 环水管产生腐蚀 ， 也 给防腐工作带来困难。 从 阴极保护 中的牺 牲 阳极和外加 电流 比较来 看 ， 牺牲 阳极 法一次性投 资较大 ， 运行维护工作量 小。外加 电流法一次性投资较小 ， 运行维护工作量 较大 ， 运行 时需要用电， 后期投入较大。因此 ， 使用 牺牲 阳极 的阴极保 护方法更适合 于保 护碳 钢接地 系统 。 综上所述 ， 该 电厂工程的接地系统的保护将在 增加接地体金属厚度和牺牲 阳极阴极保护之间进行 计算 比较后再确定 。 4 ． 3 计算比较 4 ． 3 ． 1 接地装置的热稳定校验 根据 D L ／ T 6 2 l 一1 9 9 7 交流电气装置的接地 附录 C提供的接地装置 的热稳定校验 的要求 ， 接地 装置截面积为 ≥ TI s - S o s≥ e。 由于系统为提供零 序阻抗 ， ， 按三相短路 电流 计算 ， 3 5 ． 6 k A。 接地短路时间 2 2 0 k V系统取 0 ． 7 s 。接地材料 使用总长度按 3 0 k m考虑 。 S I4 2 6m m ， 采用尺寸规格为 6 0 mm 9 mm热 镀锌扁钢 水平接地体 和尺寸规格 为 5 0 mm5 0 m m6 mm角钢 垂直接地体 。 按照 D IMT 6 2 1 1 9 9 7 交流电气装置的接地 中接地装置机械强度要求及热稳定的截 面要求 ， 接 地装置截 面 积按 接地 引 下线 截 面 积 的 7 5 ％ 考虑 S t3 4 1 m m 采用尺寸规格为 5 0 m m8 m m热 镀锌 扁 钢 水 平 接 地 体 接 地 和 尺 寸 规 格 为 5 O m m x 5 0m m 4m m角钢 垂直接地体 。 4 ． 3 ． 2 增加金属厚度 为计算需要而增加 的截面面积 ， 必须确定金属 在土壤中的腐蚀率。关于金属在土壤中的腐蚀率的 问题 ， 目前尚无全 国统一 的取值标准。据 国外资料 及国内部分省市开挖检查资料分析， 一致意见是土 壤电阻率越低 ， 腐蚀率越大。 交流电气装置接地设计规范 最新修订送 审 稿 中的附录 F提供 了接地线和接地 极年平均最大 腐蚀速度参考值 ， 其数据见表 2 。 根据 水电工程设计手册 中提供的腐蚀速度 估计 式 ， 接地线和接地土壤 电阻率与腐蚀性 的关 系 第9期 陈宏伟 6 6 0 M W 超超临界 火力发 电厂的接地 系统及其保护选择 。 4 1． 见表 3 。 表 2 接地线和接地极 年平均最大腐蚀速率 5 0p3 0 0 0． 1 0 0 ≤ O ． 2 0 0 0． 2 0 03 0 0 0． 0 7 0 ● ● ● ● ● ● ● ●0● oo ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● - ● 上接 第 4 1页 4 ． 4 6 6 0 Mw 超超临界机组接地系统保护的选择 发电厂接地装置在土壤中的腐蚀属于电化学腐 蚀 ， 增加金属厚度和牺牲 阳极 阴极保护均能够有效 地防止其腐蚀 。牺牲阳极方案水平接地体采用尺寸 规格为 6 0m m 9 mm的热镀锌扁钢 ， 垂 直接地体采 用尺寸规格为 5 0 m m5 0 mm6 m m 热镀锌 角钢 ， 增加金属厚度方案水平接地体采用尺 寸规 格为 8 5 m m1 1 mm热镀锌扁钢， 垂直接地体采用尺寸规格 为 6 3 m m 6 3 mm1 0 mm热镀锌角钢 。虽然增加 金属厚度投资费用 略少一点 ， 但 由于其涂层存在老 化 问题 ， 不可避免地会有漏涂 、 针孔和破损的问题 ， 腐蚀将会集 中在这样一些微小区域 ， 导致金属腐蚀 穿孔。由于接地材料截面的增加给接地体的焊接和 弯 、 折等施工带来 了很大的困难。因此 ， 综合考虑这 些因素 ， 该工程推荐采用牺牲 阳极 阴极保护方案。 5 结束语 因接地装置的腐蚀而形成的接地隐患是产生接 地事故 的主要原因， 应该受到充分的重视 ， 对接地装 置的防腐问题首先从选材、 设计、 施工、 运行、 维护等 方面严格把关 ， 采用切实可行 的防腐措施来进行防 护。正确合理地选择发 电厂变 电所 的接地方法、 防 护方式和合理的接地装置是保证 电力系统长期 、 安 全 、 稳定运行 的必要条件 。 参考文献 [ 1 ] 吕俊霞， 胡雪梅． 发电厂和变 电所接地的重要性与基本 要求分析[ J ] ． 自动化仪表， 2 0 1 0 2 5 5 5 7 ． [ 2 ] 杨道武 ， 李景禄． 发电厂变电所接地装置的腐蚀及防腐 措施[ J ] ． 电瓷避雷器， 2 0 0 4 2 4 3 4 5 ． [ 3 ] 刘芳． 一起定子接地保护故障分析[ J ] ． 华电技术 ， 2 0 1 0 ， 3 2 6 7 07 1 ． [ 4 ] 沈骏 ， 沈莉 萍 ， 俞立 凡． 3 9 0 H发 电机一 次定 子接地保护动 作处理[ J ] ． 华电技术 ， 2 0 1 0， 3 2 6 6 7 6 9 ． 编辑 王 书平 作者简 介 陈宏伟 1 9 6 9 一 ， 男 ， 江苏靖江人 ， 生产中心主任， 工程 师 ， 从 事 发 电运行 管 理方 面 的工 作 E m a i l e h w 2 0 0 3 0 5 2 3 1 6 3 ． t o m 。