电气接地技术的应用实践与故障问题

沈锡陵,陈 杰,陈梅强,吕 忠

(1.无锡市水利工程管理中心,江苏 无锡 214000;2.无锡市河湖治理和水资源管理中心,江苏 无锡 214000)

0 引言

随着用电安全意识的不断提高,水利工程对接地系统的安全要求越来越高,越发重视接地系统的抗干扰能力与稳定性。然而,在实际的应用过程中,部分接地系统运行会出现各种故障问题,严重影响接地系统的稳定运行及工程设备的运行安全。

电气接地技术主要是利用金属材料,将电气元件或设备线路与大地间形成良好电气连接。当前的电气接地技术主要分为两大类:一是将大地作为零电位,直接将设备金属外缘和大地进行连接,此种接地技术在保障设备有效导电的同时,可以保护电气设备,消除或降低电气设备金属外壳电压,使电气设备使用者或操作者可以安全使用设备;二是将系统和大地进行连接,保障系统安全运转,增强系统内部的电磁兼容性,强化电气设备的屏蔽保护能力[1]。

1 接地技术类型与作用

1.1 工作接地

中心点接地与其他的接地类型相比,工作接地技术可以确保电气系统及其关联电气设备在突发故障时仍旧能够稳定运行。通常人们会直接将电气系统的中性点、电气设备某处与大地连接,形成有效的工作接地。当前的工作接地主要有3种运行方式,即中性点直接接地、电源中性点经消弧电圈接地、电源中性点不接地。不同运行方式的工作接地在功能上存在一定的差别,如采取电源中性点接地时,三相电路具有相线对地电压不变的功能,而采取消弧线圈电源中心点接地的电气系统,最大限度上消除接地时的电弧,有效预防电气系统或电力设备发生过电压。

1.2 保护接地

目前,大部分电气设备的外壳材质为导电金属,当金属外壳保护层出现绝缘损坏或金属导线裸露等问题时,外壳会带电,电气设备使用者触摸到带电的金属外壳,可能会发生触电事故,严重的还会导致人员伤亡,部分电气设备外壳带电还会引发电气火灾。为了避免此类问题的发生,需要对电气设备进行接地保护,将设备金属外壳和大地进行接地连接,将外壳携带的电能导入大地,消除外壳电压,保障电气设备的用电安全。接地保护通常是利用PE线,将电气设备外露金属导线或其他可导部分与大地连接,也可以借助PEN线或PE线将与设备关联的外露设备进行接地,这种方式被称作保护接零。电气系统中常见的电气设备接地方式分为IT系统、TT系统、TN系统。接地系统的首字母代表电源端接地形式:I是间接接地,需经过对地绝缘或高阻抗接地;T是直接接地。系统符号中第2个字母代表电气设备关联外部可导部位的实际接地状态,N代表低压系统与外露可导部分进行连接,T代表大地直接与设备外露可导部分连接,且与低压系统接地点无关。接地形式不同,其功能特点也各不相同[2]。

2 接地系统技术应用与故障原因分析

2.1 设计选型、布线与设计规范要求不相符

当前的部分接地系统设计中存在低压控制电缆、信号电缆、高压电力电缆间距设计走线不合理等问题,不仅会对电气系统造成信号干扰,还容易加大安全事故发生的概率。部分接地支线与接地干线在设计选型、布线等方面不符合设计规范要求,如接地线材料选择及最小截面积不符合规范要求,不能满足系统故障状态下维持系统正常运转的保护要求。接地系统将电缆保护钢管或建筑钢结构作为导体时,钢管材料或建筑钢结构在故障状态下的导电截面积应符合接地设计规范要求;同时,电气系统的所有线路布局必须维持可靠、连续的电气连接,且在电气系统两端良好接地。接地系统布线或设计选型错误会引发一系列的接地问题,干扰电气系统正常运行,甚至引发重大安全事故,造成人员伤亡事故的发生。

2.2 施工管理不规范导致的接地故障分析

施工管理不规范会引发接地系统故障问题,具体原因为:(1)弱电工作、强电保护接地、防雷接地三者间并未采取有效隔离措施,形成了共用接地系统,出现电磁干扰,造成电气系统无法正常运行。(2)光纤电缆接地、仪表电缆接地、控制电缆、电力电缆等施工环节因施工管理不到位出现施工错误,导致设备安全保护装置失效或误动作;控制系统因为感应电较高引发误动作,出现不可预估的安全风险;信号传输显示或计量不准确,导致系统不能正常运行。(3)施工团队水平不高,管理不到位,施工人员并未严格按照施工规范设计要求开展施工,且部分施工人员安全意识薄弱、责任心不强,随意更改施工步骤,并未严格按照要求开展接地布线,出现了诸如接线错误、安全间距不足、焊接面积不够、电气连接不牢靠等问题,一旦系统出现故障,相应的接地系统因为施工错误,无法对电气系统进行保护[3]。

3 加强电接地系统安全可靠性的有效措施

3.1 做好接地系统的综合布线设计

技术人员对综合布线系统进行屏蔽时,为了保障用电安全,屏蔽层不可断开,应保持一定的连续性,且导线间的相对位置不变。同时,屏蔽层配线设备的BD或FD端应进行接地,结合用户终端的实际使用情况,选择合适的接地方式,尽量采取两端接地方式,将同一个系统内的所有电气设备连接到同一个接地体上,如果同一系统中同时存在两个不同接地体,应将两个接地体间的电位差有效值控制在20 V内。

缆线从建筑外部接入建筑内部时,雷雨天受地电势上浮、电源感应电势等因素影响,容易遭受雷击,为了保护用电安全,应采用相应的保护器进行接地保护,将雷击危害降到最低。电气电路的工作电压如果处于大于250 V的电源线路触地、雷击环境,或交流50 Hz的感应电压大于250 V等危险环境中,需要对该线采取过压过流保护;选择气体放电管保护器对综合布线系统进行过压保护,与其他的保护器相比,气体放电管保护器陶瓷外壳中封有两个电极,电极与电极间存在放电间隙,且充有一定量的惰性气体。在实际的使用中,如果电极与电极间的实际电位差大于700 V雷电浪涌电压或250 V交流电压,气体放电管击穿会产生电弧,在导体与接地体间形成一条稳定的导电通路,将多余的电力或电压接入大地,消除过压造成的负面影响。

自复保护器适用于综合布线系统过流保护,电缆在使用时其上可能会产生一定的电压,如果电缆对接设备能够为其提供对地低阻通路,不需要使用过压保护器动作,而电缆形成的电流则会引起火灾或设备损害,因此,需要使用携带自复功能的保护器。例如,20 V电力线不会导致过压保护器放电,其产生的大电流却会进入电力设备内部,对设备造成损害,为了避免这个情况,需对线路同时进行过压保护或过流保护,采用具备自复功能的过流保护装置,一来便于后续进行维修管理,二来提高接地系统的可靠性与稳定性。

3.2 不得混接PE线与N线

部分施工人员因为专业水平不足或责任心薄弱,在施工时将N线与PE线弄混,在这种情况下,在工作电流流经PE线时,其压降会增大,与该线路相连的所有电气设备外壳均出现危险电压,导致出现用电安全问题。部分使用者在未经专业指导的情况下擅自接线,也会出现N线与PE线混接的问题,为电气设备的运用埋下安全隐患,因此,N线与PE线不得混接。

3.3 加强电缆屏蔽与保护接地

3.3.1 做好金属外壳接地

如果电缆只有一层屏蔽保护,应一端接地;如果电缆有两层及两层以上的屏蔽层,最外层应采取两端接地,而内层则采取一端接地方式。最外层采取两端接地方式,可以防止电感性干扰源(雷击),采取内层一端接地方式,可以防止电容性干扰源,避免强电导致的电磁干扰。

3.3.2 做好电缆屏蔽接地与信号回路接地

电缆的屏蔽接地与信号回路接地通常为同一个单独接地极。因此,同一线路或同一信号回路屏蔽层共用同一个接地点,且确保接地电阻值符合接地系统设计规范要求。信号回路接地点通常在显示仪表侧,如果仪表选用接地型热电偶且检测部分接地,则无须进行侧接地。在对屏蔽电线的屏蔽层进行接地时,同一线路屏蔽层必须具备连续可靠的电气接地。如果接地系统有一定的防干扰要求,多芯电缆的备用芯线必须在同一点进行接地,且屏蔽电缆屏蔽与备用芯线也应在同一点接地。

3.3.3 做好高压电缆屏蔽与保护接地

单芯电缆通电运行后,会在屏蔽层产生感应电压。当屏蔽层两端同时接地时,大地与屏蔽层会产生回路,形成感应电流,导致电缆屏蔽层发热,电能损耗,影响电气系统的正常运行,想要阻止这种问题发生,应采用一端接地方式。当多芯高压电缆通电运行后,因为多芯高压电缆的输出或输入端处于超高压或开关场高压环境,会出现电磁感应干扰,为有效避免暂态过电压,应选择两端接地方式。多芯高压电缆的端头保护接地是用来预防电缆故障和电磁感应的接地保护动作,也应采取两端接地[4]。

3.4 做好接地系统施工模块交接

随着科学技术的进步,越来越多的电气设备被研发出来,所涉及的专业种类较多,构成杂乱,随着建筑工程规模的不断扩大,建筑接地系统要求也越来越严格。建筑工程的各个施工模块会承包给不同的施工单位,如果施工单位间的联系不紧密,缺乏应有的沟通交流,会导致接地系统施工不连贯,为后续的用电安全埋下许多安全隐患。因此,各单位间必须加强沟通交流,做好各接地模块施工的对接统筹工作,确保接地系统的连贯性与完整性,只有这样才能保障接地系统的安全稳定运行。

3.5 加强建筑物等电位连接建设

当前,许多智能化小区与高层建筑在建设中,为了保障用电安全,要求对幕墙零件、门窗框架、卫生间洁具、铁质护栏等位置设置相应的等电位连接。要求等电位连接线与接地线间应有两个以上的非间接相连,且等电位连接的支线不得串联,应结实有效。相关研究显示,当金属管道结构、设备外壳与大地连接发生接地短路时,管道、设备外壳等会产生故障电压,该电压会引起电气火灾事故或造成人身点击,危及群众生命健康安全。为了解决这个问题,可以通过在建筑内部设置总等电位联结,降低或消除故障电压。等电位联结这一电气安全措施并不需复杂价昂的电气设备,只需要消耗一些导线。为了保障建筑等电位联结的可靠性与导通性,等电连接线应选用铜线,接地母排应选用铜板,以延长等电位联结的实际使用寿命[5]。

4 结语

电气接地技术应用过程中存在着诸多的问题亟待解决,单位应从接地故障问题入手,依据不同接地类型的不同功能,分析各接地类型的优缺点,结合电气系统及电气设备具体接地需求,选择合适的接地技术,保障接地技术有效应用的同时,从源头解决接地系统故障问题,最大限度上提高接地系统的可靠性与稳定性,保障用电安全。