燃气轮机发电厂防雷接地系统改造

励 敏, 郭世明

(1.上海闸电燃气轮机发电厂, 上海 200438; 2.长沙理工大学, 湖南 长沙 410114)

2012年8月20日,上海闸电燃气轮机发电厂全厂6台机组运行。其中,1#机组出力55 MW;2#机组出力65 MW;3#机组出力54 MW;4#机组出力50 MW;5#机组出力64 MW;6#机组出力25 MW。全厂共出力313 MW。中午12∶25左右发生雷击跳机事件,雷击后,2#,3#,4#,6#机组退出运行,1#和5#机组运行正常,1#机组出力80 MW,5#机组出力40 MW。全厂合计减少出力194 MW。由于当时正值迎峰度夏期间,对上海电网造成了一定影响,因此极有必要对电厂的防雷接地系统进行系统的评估,并根据实际情况进行改造。

1 雷电及其防护

雷电是一种自然现象,也是比较严重的自然灾害之一。直击雷、电磁感应雷、球形雷以及雷电电磁脉冲等各种不同类型的雷电危害都会对电力设施造成不同程度的影响。

雷电的威力巨大,雷电压可达几万伏至几十万伏,瞬间电流可达十几万安。通常我们会安装防雷击的避雷针、避雷线、避雷带,其目的是通过引下线和良好的接地网为雷电建立一条低阻抗通道,使雷电造成的危害降至最小。在受到雷击的过程中,由于电流和电压较高,所以雷电入地时,也会通过对周围的导体和金属构件的电容产生静电耦合以形成电磁干扰。雷击和闪电会造成强大的电磁脉冲辐射,其威力虽比不上直击雷,但发生的几率要比直击雷大。电磁脉冲辐射通过金属导线、金属构件传导,会严重影响计算机系统,甚至造成人员伤亡。

电厂内部的电力线路分布广,雷雨天气时,电力线路会感应雷电过电压并传导至用户侧,因此由电源导入的雷电过电压也是雷电引起设备损坏的主要原因之一。

雷电防护是一项系统性工作,包括雷电流引下、接地、均压、隔离、屏蔽、限压等各种措施,同时也是一项符合统计规律的工作。一般来说,在采取相关措施的前提下,投入的越多,防雷的效果越好。因此,针对电厂相关的电气设备及计算机控制设备,应采用不同方法来确定最终的防雷措施。

2 雷击数据采集及事故分析

2012年8月20日12∶25前后电厂的燃气轮机受到多次雷击,而且有的雷电流的幅值高达60 kA。调取雷电监测网数据,当日该电厂周边雷击情况见图1。图1中,圆的中心处为电厂的燃气轮机,也是闸森220 kV线路的起始位置。

图1 8月20日当天电厂燃气轮机附近2 km内落雷情况

当日机组跳机分析如下。

(1) 2#机首出报警信息INLET GUIDE VANE CONTROL TROUBLE TRIP(IGV控制故障跳机)。根据燃气轮机保护,机组转速大于95%,同时IGV的开度反馈小于50°,IGV控制故障跳机保护动作。2#机正常运行过程中,IGV开度为57°,指令与反馈均正常。雷击后,IGV开度指令仍为57°,IGV开度反馈变化为34°。满足燃气轮机保护条件,IGV控制故障跳机。

(2) 3#机首出报警信息EXHAUST OVERTEMPERATURE TRIP(排气超温跳机)。根据燃气轮机保护,排气温度平均值高于排气温度基准值40 K以上,排气超温跳机保护动作。在3#机正常运行过程中,排气温度显示正常。雷击后,16∶00排气温度瞬间显示为零,排气温度平均值实际并未高于排气温度基准值。Mark V发出错误跳机信号,排气超温跳机保护动作。

(3) 4#机首出报警信息LIQUID FUEL HYDRAULIC TRIP PRESSURE LOW(液压油压力低跳机)。根据燃气轮机保护,机组点着火后,液压油压力若低于13.792 kPa,则液压油压力低跳机保护动作。4#机正常运行过程中,液压油压力稳定。雷击后,液压油压力未有明显波动,不会达到液压油压力开关动作值,但液压油压力开关信号有动作,导致液压油压力低跳机保护动作。

雷击后,2#,3#,4#燃气轮机除了有首出跳机信号出现外,还有诸多跳机信号动作,但首出跳机信号动作后,不应再有其他跳机信号。分析2#,3#,4#燃气轮机跳机的原因,可能是Mark V控制器由于雷击时接地电位瞬间抬高,使得控制器的工作电压偏离了正常范围,造成控制器运算出错,最终导致跳机信号误动。待雷击过后,控制器工作电压恢复正常,又重新正常工作。2#,3#,4#燃气轮机Mark V控制器供电板卡受到不同程度的损坏,但1#燃气轮机已改造为Mark VIe控制系统,并安装了抗浪涌装置,因此在此次雷击事件中得以幸免。

3 防雷接地的可行性方案

3.1 优化接地装置

建筑物和电子设备要有良好的接地装置,在这一方面,请有资质的机构对该电厂的接地网进行数据采集和分析,以优化接地装置。

3.2 完善防雷装置

防雷装置一般由避雷针、下引线和接地装置3部分组成,主要用于防止直接雷击,或者将雷电流引入大地,从大地释放大电流以保护建筑物及背部设施的安全[1]。

由于燃气轮机的特殊性,闸电的燃气轮机的烟囱与周围设备的距离非常近,一旦雷电落在避雷针上,强大的雷电流落下将会对周围的设备造成严重影响。厂内东部区域是油罐区,有多根避雷针,西部的制高点为两组燃气轮机的烟囱(高度约60 m),因此电厂内雷电落在烟囱上的几率较大。控制楼以北至黄浦江边的区域相对空旷,若增加1～2根独立避雷针,可以加强该地段对直击雷的保护,但经实地考察发现,该区域较小,而且黄浦江内有很多输油管道,无法增加避雷针。

因此,需要对烟囱上避雷针的引下线和集中接地装置进行完善。根据GB/T 50064—2014[2]的标准规定:“火力发电厂烟囱附近的引风机及其电动机的机壳应与主接地网连接,并应装设集中接地装置,该接地装置宜与烟囱的接地装置分开。如不能分开,引风机的电源线应采用带金属外皮的电缆,电缆的金属外皮应与接地装置连接。机械通风冷却塔上电动机的电源线、装有避雷针和避雷线的架构上的照明灯电源线,均必须采用直接埋入地下的带金属外皮的电缆或穿入金属管的导线。电缆外皮或金属管埋地长度在10 m以上,才允许与35 kV及以下配电装置的接地网及低压配电装置相连接”。

由于地方紧凑,烟囱上避雷针的集中接地装置无法与主接地网分开,因此可以进一步加强避雷针集中接地装置,使雷击时大部分的雷电流由集中接地装置入地,以减少雷电流向主接地网分流。同时,所有烟囱上的电源线和其他信号线必须穿管屏蔽,且屏蔽层每隔5～10 m与金属构架可靠连接。

3.3 加强控制设备自身的防雷电过电压措施

以电子元件为基础的计算机控制设备对于电磁干扰比较敏感,因此在重要的设备或电磁干扰比较严重的场合,一般考虑采取更全面的防止过电压措施[2]。

目前,过电压保护元件的发展日益成熟,除了采用压敏电阻、气体放电管、热敏电阻、熔丝等元件外,还可以采用响应速度快、瞬时吸收功率大的大功率浪涌保护装置等新型元器件,从而使计算机控制设备在一定的雷电过电压下仍能正常工作。此外,也可以根据设备的布置位置及重要程度,设计一套分级布置的过电压保护元件方案。

该电厂的计算机控制设备目前没有采取特别的防治过电压措施,因此有必要根据计算机控制设备的具体情况,采用隔离和限压措施[3]。

3.4 提高电缆的屏蔽效果

该电厂的集控楼和各台发电机控制小室有很多连接电缆,都敷设在电缆沟中。电缆沟中的通信电缆应采用屏蔽电缆。当无干扰时,将屏蔽层两端接地;两端接地有干扰时,屏蔽层一端接地,另一端串一压敏电阻接地。对于既有铠带又有屏蔽层的电缆,在室内应将铠带与屏蔽层同时接地,而在另一端只将屏蔽层接地[4]。

对于微波通信站的防雷[5],一般要求电缆进入室内前水平埋地10 m以上,埋地深度应大于0.6 m;非屏蔽电缆应穿镀锌铁管并水平埋地10 m以上,铁管两端应接地。目的是加强电缆外层的散流,提高屏蔽和降压效果。该电厂利用电缆沟敷设电缆,故考虑采取增加电缆沟内接地体的方法,以提高屏蔽和散流效果:在电缆沟内增设2～4根铜质接地体与主接地网相连,使电缆外皮每隔一定距离(如10 m)与接地体连接。

此外，该电厂的计算机系统分为内网办公系统和电厂工业系统,两网独立,互不连接。目前燃气轮机的控制系统均已改造为Mark VIe控制系统,并安装了抗浪涌装置；控制柜均为一点接地,控制设备的接地与主接地网共地[1]。

4 全厂范围接地系统评估和改造

4.1 主接地网接地阻抗测量

根据DL/T 475—2006《接地装置特性参数测量导则》[6]的要求，以及近年来国内外接地测试的经验,为了准确地测量接地电阻,布线上采用远离法。测试方法使用电压电流法。为消除工频干扰,采用变频电源以避开工频干扰;为了减小电压电流极引线间互感影响,采用夹角布线。

测试中采用人工布线作电流极和电压极引线,根据该电厂的实际情况,分别沿军工路向两侧放线。电流极、电压极布线如图2所示。

图2 主接地网接地阻抗测量示意

本次试验测得该电厂的试验电压为115.2 mV，试验电流为4.979 A，接地网接地阻抗为23.15 mΩ。根据DL/T 475—2006《接地装置特性参数测量导则》要求，经修正后实际接地阻抗为39.83 mΩ。根据GB/T 50065—2011《交流接地装置的接地设计规范》[4]中要求:接地阻抗不大于2 000/IG(IG为计算用经接地网入地的最大接地故障不对称电流有效值),即最大地电位升高不超过2 000 V。目前调度提供的该电厂最大运行方式下单相接地短路电流约为23.6 kA,对应接地阻抗按39.83 mΩ考虑,对应的地电位升高为940 V,小于2 000 V,符合规程要求。

4.2 部分主设备接地导通性连接电阻测试

分别选择不同位置的接地下引线作为测试的参考点,测试周围电气设备接地部分与参考点之间的直流电阻,根据相关规定，状况良好的设备测试值应在50 mΩ以下[6]。

部分主设备接地导通性连接电阻测试数据如表1所示。

表1 部分主设备接地导通性连接电阻测试数据

本次试验中,地网土壤电阻率测试结果为11.94 Ω·m。测得数据表明，该电厂所处区域的土壤电阻率较低,这一情况下接地电阻比较容易满足要求,但土壤中含水量也较大,接地体容易受到腐蚀,建议定期开挖抽样检查接地体的腐蚀情况。

4.3 跨步电势和接触电势测试

表2为跨步电势和接触电势的测试结果。

表2 跨步电势和接触电势的测试结果

根据DL/T 475—2006《接地装置特性参数测量导则》[6]要求,该接地装置所在变电所的有效接地系统的最大单相接地短路电流不超过35 kA时,跨步电位差一般不宜大于80 V,接触电位差一般不宜超过85 V。

本次试验中,当测得的入地电流为5 A时,厂内各测点最大跨步电位差为9.330 mV,最大接触电位差为4.947 mV,对应23.6 kA入地电流时的跨步电位差为44.03 V,接触电位差为23.34 V,跨步电位差、接触电位差换算后得到的数据均小于允许值,可以满足规程要求。

4.4 局部接地网土壤电阻率测试

测试方向为东-西向，极间距为5 m,测得视在电阻率为11.94 Ω·m。

根据DL/T 475—2006《接地装置特性参数测量导则》[6]规定:状态良好的设备连接电阻测试值应在50 mΩ以下。本次试验所有被测试设备间的连接电阻均小于50 mΩ,表明设备与接地网连接良好。

4.5 接地体热稳定计算

目前,该电厂的出线电压等级为220 kV,为中性点有效接地系统,燃气轮机气轮的单相接地短路电流约为23.6 kA。采用的是两套速动主保护,结合电厂的有关参数设定,短路时间取0.5 s,可以估算出截面要求如下。

(1) 采用钢材料

(2) 采用铜材料

目前,该电厂使用的是截面60 mm×8 mm的扁钢接地材料。根据上述计算结果,该钢材料截面可以满足电厂的热稳定截面要求。

上述接地数据表明,该电厂接地网的接地阻抗和连接电阻均符合相关规程的要求。

5 结 语

经过接地测试可知,该电厂的接地网是可靠的,在对控制系统安装抗浪涌装置、对相关设备进行改进后,再未发生因雷击而导致跳机的不安全事件,由此表明,该接地系统的改造,更有利于电网的安全稳定运行。