火电厂接地系统的设计与分析

薛 涛, 贾辉然，张 玥，李永伟

(河北科技大学电气工程学院，河北石家庄 050018)

火电厂接地系统的设计与分析

薛 涛, 贾辉然，张 玥，李永伟

(河北科技大学电气工程学院，河北石家庄 050018)

简述了火力发电的特点和现况，介绍了火电厂接地系统的种类与接地装置。通过某火电厂接地系统的设计实例，说明了该系统各接地环节的参数设定和敷设方式。对其中关于电缆屏蔽层的接地抗干扰问题进行了深入研究，进行了有针对性的实验和数据分析，为相关研究提供了参考。

火力发电；接地系统；电缆屏蔽层接地；抗干扰

中国电力系统近些年来在水力、风能以及核能等发电方式上的研究取得了长足的发展与进步，但火力发电仍然是当今的主力军。火力发电所使用的是不可再生类能源，因此在能源有限的条件下进一步提高火电厂的工作效率成为火力发电研究的重点，这对于中国所制定的“加快建设资源节约型、环境友好型社会”决策来讲也有着重要的意义。火电厂的工作模式经过多年的发展已经处于比较成熟的阶段，提高与改进的空间不大。面对这种情况，需要从细节入手，通过提高设备运行的稳定性与可靠性来实现提高工作效率的目标。火电厂的接地系统在发电过程中为机组设备的稳定、可靠和高效运行提供了保障，更是保护人身安全所必不可少的环节。因此，完善与提高火电厂的接地系统意义重大。本文对某火电厂接地系统设计实例进行了分析，并深入讨论了电缆屏蔽层接地抗干扰问题，为相关研究提供了参考。

1 火电厂接地系统的种类与接地装置

1.1接地系统的种类

电气设备与大地之间的连接部分称为接地系统。接地系统能够确保电气设备正常运作并为工作人员提供安全保障。接地极、接地线与电气设备外壳构成接地系统。在火电厂中，接地系统主要有3大类。

1) 工作接地 此类接地是为了使系统和与其相连的仪表设备可靠运行并保证测量和控制精度而设的一种接地方式。其一般形式是利用大地为导体将系统的某一点接地。

2) 防雷接地 此类接地是为了避免雷电击中电气设备所引起的过电压对人体或设备造成不可逆损坏而设的一种接地[1]。其一般形式是加装避雷针、避雷器等设备。

3) 保护接地 此类接地是为了保护人身免受电击伤害而设的一种接地。其一般形式是将电器设备金属外壳与大地相连。

1.2接地装置的规格

接地系统的实现离不开接地装置的架设，它是用来连接电气系统与大地的部件[2-3]，相当于接地系统的执行者。下面就火电厂接地装置的几项重要参数指标加以简述。

1) 接地极 埋入地中与大地紧密接触并与大地形成电气连接的一个或一组导电体称为接地极。接地极选用时遵循的最小规格如表1所示。

表1 接地极的最小规格

2) 接地线 由电气装置的总接地端子或接地干线接至接地极，在正常情况下不载流的导体称为接地线。接地线选用时遵循的最小规格如表2所示。

表2 接地线的最小规格

3) 接地电阻 当电流由接地体流入土壤时，土壤中呈现的电阻称为接地电阻。它包括接地体本身和接地体与土壤间电阻的总和。一般要求接地装置有较小的接地电阻，并在铺设之后的定期检查中要进行测量[4]。

2 火电厂接地系统实例

本文选取一实例，来进一步阐明火电厂接地系统的具体设计及应注意的问题。实例中，某电厂电气接线采用了TN-C-S系统，PE线同N线有部分结合。在配电室采用了变压器中性点零线同接地线连接，电气设备外壳接地。电厂接地网设计在室外采用50 mm×8 mm热镀锌扁钢，室内采用40 mm×4 mm热镀锌扁钢，通过铺设主接地网及避雷针和避雷器构成完整的接地系统。根据上述接地设备规格，设计该电厂的接地系统。

2.1火电厂工作接地

火电厂工作接地系统包括变电站接地、电压互感器接地、电流互感器接地、发电机接地、电气盘柜接地、电气保护屏接地、电除尘接地和液化管道接地等。接地装置的选型及参数计算是系统设计当中的重要部分。接地极与接地电阻可通过上述标准的要求得出。接地电阻的计算由3部分组成，即接地电阻、跨步电势及接触电势的计算[5]。下面以变电站为例进行说明，其接地电阻的计算公式见式(1)：

(1)

式中：ρ为土壤电阻率，取460 Ω·m；S为接地网面积。

跨步电势US的计算公式见式(2)：

(2)

式中：ρf为土壤电阻率；t为接地短路电流持续时间，取0.04 s。

接触电势Ut的计算公式见式(3)：

(3)

通过以上计算，最终设计该厂在110 kV，220 kV 室外变电站应采用100 mm×10 mm热镀锌扁钢，各变电站以圆周位置关系接地，接地圆周内采用间距20～30 m扁钢焊接，接地电阻为0.23 Ω[6]。此部分的接地设计最重要的是一次设备的接地问题，要尽可能降低一次设备如避雷器、电流互感器、电压互感器的接地阻抗，降低因注入高频电流而产生的暂态电位升，并构成一个具有低阻抗的接地网，尽可能地降低变电站内的地电位差，以降低对二次回路及设备的干扰[7]。火电厂其他部分接地系统设计如表3所示。

2.2火电厂防雷接地

火电厂雷电保护接地包括塔式避雷针接地、烟筒接地和双曲水塔接地等。塔式避雷针的接地采用沿地基水泥底座四周挖一深为0.8 m的地沟,每5 m埋入2.5 m长的接地极，接地40 mm×4 mm扁钢同避雷针相连,不同主接地网相连接。烟筒的接地采用沿地基水泥底座四周挖一深为0.8 m的地沟,每5 m埋入2.5 m长的接地极，接地40 mm×4 mm扁钢同烟筒顶避雷针相连，接地不少于4点。双曲水塔的接地采用沿地基底座挖一深为0.8 m的地沟,每5 m埋入2.5 m长的接地极，接地40 mm×4 mm扁钢同水塔顶避雷针相连的方式。

表3 火电厂接地系统设计方案

2.3火电厂保护接地

车间厂房的接地采用离厂房2 m，沿建筑物四周挖0.8 m深沟,每5 m埋入2.5 m长的接地极,用镀锌扁钢同接地极相连并接主地网,建筑物的门外均做均压带。厂房内的接地采用沿墙离地200 mm高，40 mm×4 mm规格扁钢一周闭环接地体，接地体同地网连接不少于4点(每个方向一点接地)。

3 电缆屏蔽接地抗干扰问题

火电厂在进行发电以及电能传输的过程中，难以避免干扰问题。机组设备要想正常运转，就需要对作为传输介质的电缆进行抗干扰处理。在参与该火电厂接地系统铺设施工的过程中发现，一些技术人员与施工人员对于电缆屏蔽接地的重要性及其原理和方式的了解不够深入。下面结合实验，对电缆屏蔽层接地问题进行讨论。

3.1火电厂接地系统中存在的干扰

火电厂的干扰主要是电磁感应干扰和静电感应干扰[8]。根据法拉第电磁感应定律可知，交流变化的磁场使得处于其中电缆的屏蔽层产生感应电流和感应电动势，进而产生干扰。此种干扰造成的影响较大，情况也更为复杂。静电感应干扰则是在各设备的电容之间以耦合方式存在。

在火电厂的控制系统中常采用220 V或110 V的强电电源，这种系统中控制设备数量多，仪表体积大，用来进行控制连接的电缆粗。变电站中被控对象较多，中国火电厂多采用弱电回路对各种设备进行控制。但强电系统中大体积设备和电缆对弱电回路产生了较大的干扰，这成为火电厂控制系统中的难题[9]。若要抑制这种强电回路干扰，除了在火电厂设计初期对变电站一次回路的耦合阻抗、互感阻抗等进行严密的计算，还需要通过使用屏蔽电缆来减小对二次设备的干扰。屏蔽电缆的使用，不仅减少了强电回路对弱电控制的干扰，有效避免弱电控制电路中的错误传输、噪音增大和信息泄露等问题，还能从根本上减小火电厂中的电磁辐射，减少环境污染。

3.2屏蔽电缆接地减少干扰的原理

屏蔽的工作原理即切断电磁噪声的传输途径。屏蔽电缆利用金属材料将屏蔽区域围起来，使得屏蔽层内外的磁场相互隔离，从而保证电缆芯不受外界影响，如图1所示。

图1 屏蔽电缆等效电路Fig.1 Equivalent circuit of shielded cable

图1中：Zab为电缆屏蔽层阻抗；C1为漏电容；C2为干扰源与屏蔽电缆间的耦合电容；C3为屏蔽层与电缆芯之间的耦合电容；X2为电缆芯与地面间的共模阻抗；US为干扰源的干扰电压。通过屏蔽电缆的等效电路可以得出电缆芯上的耦合电压计算公式，见式(4)：

(4)

屏蔽电缆的屏蔽层与电缆芯之间存在能引起串联干扰的耦合电容，通过将屏蔽层接地，阻断了干扰电压从屏蔽层到电缆芯的回路，从而实现了电场屏蔽[10]。通过式(4)可看出，将屏蔽电缆接地可减小屏蔽层阻抗，从而减小电缆芯耦合电压，降低强电回路的干扰。

3.3屏蔽电缆单点接地或多点接地的选择

电缆屏蔽层单端接地适用于传输低频信号的情况，可有效降低静电干扰；多点接地适用于高频信号传输，可有效降低电磁干扰。屏蔽层接地方式如图2所示。图2 a)为电缆屏蔽层单端接地，图2 b)为电缆屏蔽层双端接地。

图2 屏蔽层接地方式Fig.2 Grounding method of shield

如果控制电缆屏蔽层只在一端接地，不接地端对地将可能出现很高的暂态电压，将控制电缆屏蔽层在两端同时接地，允许屏蔽电流通过，由于磁感应产生的屏蔽电流将抵消产生屏蔽电流的磁束，屏蔽对信号芯线的净效果是降低干扰水平[11]。

为了说明双端接地方式的优势，针对控制线缆接地对同心干扰的影响进行了实验。实验电缆长 13 m，型号为KVVP22，按图3方式接线。

图3 实验线路Fig.3 Experimental line

屏蔽层不同接地方式的感应电压见表4。

表4 屏蔽层不同接地方式的感应电压

从表4实验数据可以看出，在屏蔽电缆中交流220 V火线对其他线芯的感应电压是较高的，13 m长电缆感应电压达12 V，一般在现场使用中屏蔽电缆长达上百米。感应电压达到百余伏，屏蔽电缆接地可降低感应电压。在实际施工中，多采用两端接地，这样不仅可以使屏蔽层与大地构成闭合回路，还可以减小强电设备对电缆芯的干扰。在电气控制回路一般要求控制电缆屏蔽层在两端同时接地。其效果明显强于单端接地，施工难度及成本的方面又比多端接地更有优势。

电缆屏蔽层在两端同时接地，可以降低由于对电位升高产生的暂态感应电压。采用两端接地的屏蔽电缆可以将暂态感应电压抑制为原值的10%以下[12]。控制电缆屏蔽层在两端同时接地的最大优点是很好地抑制高频干扰。电缆屏蔽层在两端同时接地的缺点是2个接地点之间的电位差可能会造成等电位电流流过两端连接的屏蔽层，在这种情况下，应在两接地点之间安装1个等电位导体，即要求接地电阻越小越好[13]。

4 结 语

通过参与接地系统实例的铺设施工，深入了解了火电厂接地系统有关的问题，对于其中比较突出的电缆屏蔽层接地问题进行了分析和实验，得出的结论是屏蔽层两端接地在降低感应电压和提高稳定性方面更具优势。当然，火电厂接地系统所涵盖的方面很多，由实际环境所造成的影响也各有不同，在接下来的学习实践中需要尽量多了解各类工程实例，才能更加全面、深入的认识火电厂接地系统。

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Design and analysis of the thermal power plant grounding system

XUE Tao, JIA Huiran, ZHANG Yue， LI Yongwei

(School of Electrical Engineering, Hebei University of Science and Technology, Shijiazhuang Hebei 050018, China)

The characteristics and status of thermal power generation are summarized, and the types of grounding system and the grounding device of thermal power plants are introduced. Through a design example of the grounding system in a thermal power plant, the parameter setting and laying ways of the ground part are presented, and cable shield grounded anti-jamming issue is studied through experiments and analysis, which will provide reference for related research.

thermal power; grounding system; cable shield grounding; anti-jamming

1008-1534(2014)02-0143-05

2013-05-13;

2013-06-21

河北省科技支撑计划项目(13214401D)

薛 涛(1988-)，男，河北张家口人，硕士研究生，主要从事电气工业自动化方面的研究。

E-mail：xuetaodyx@163.com

TM64

A

10.7535/hbgykj.2014yx0201

责任编辑：李 穆

薛 涛, 贾辉然，张 玥，等.火电厂接地系统的设计与分析[J].河北工业科技，2014，31(2)：143-147.

XUE Tao, JIA Huiran, ZHANG Yue， et al.Design and analysis of the thermal power plant grounding system[J].Hebei Journal of Industrial Science and Technology,2014,31(2):143-147.