氯碱化工装置电气接地保护技术探究

段本强， 陈艳华

（山东泰汶盐化工有限责任公司， 山东 泰安 271024）

0 引言

氯碱化工装置包括离子膜电解槽、泵和压缩机等，其金属外壳有可能带电，进而引发触电事故。氯碱工艺的产物中存在H2，具有火灾爆炸风险。在生产装置的安全管理中，必须重视电气设备的接地设计，通过接地保护技术预防漏电、电火花、电弧以及其他潜在的电气危害。

1 氯碱生产工艺及主要化工装置

1.1 氯碱生产工艺

以国内某企业的氯碱生产工艺为分析对象，其主要产品为烧碱（NaOH）、工业用液氯和高纯盐酸等。氯碱生产工艺包括离子膜法、隔膜电解法和水银电解法。离子膜法是当前主要的生产工艺，该方法具有效率高、低污染和产品品质佳等优点，并且具有较高的安全性[1]。离子膜法的工艺原理如图1 所示。

图1 某企业离子膜法氯碱生产工艺

1.2 氯碱化工的主要装置

氯碱化工生产涵盖多个工艺流程，每一个工艺阶段都涉及电气化的装置和设备，各生产工序的主要用电装置见表1。以电解槽为例，该装置由阴极、阳极、离子交换膜、导电铜棒以及电解槽框组成，该企业使用的离子交换膜电解槽型号为NCH-2.7，属于自然循环的复极式电解槽，其单元槽面积为2.7 m2，设计电流密度为6.0 kA/m2，运行电流密度为4.5～6.0 kA/m2。

表1 氯碱生产工艺的主要电气装置

1.3 供配电系统

该企业的烧碱生产能力为25 万t/a，用电负荷达到90 MW，动力电源为35 kV 电缆，由市政供电直接引入企业的主变电站，主变采用2 台35 kV/10 kV 的降压变压器，经过降压处理之后，为各个配套的10 kV配电系统提供稳定的电源。为了确保供电系统的可靠性，为0.4 kV 和10 kV 的配电系统设置双回路供电，当某一个回路出现故障时，将自动切换至另一回路。35 kV 线路分为2 路，一路连接至主变电站，另一路接入整流配电，为两路电源分别设置备用线路。以上供配电设计方案能够有效提高生产电力的可靠性，当某一线路出现故障，可迅速切换至备用线路，进而快速恢复生产[2]。

2 氯碱化工装置电气接地保护技术分析

从该企业氯碱化工生产装置的特点来看，离子膜电解槽、高压泵、喷射泵、压缩机、离心机、变压器、配电盘、DCS 控制柜和母线铜排等均为金属带电设备，电压等级各有差异，当设备金属外壳带电时，有可能引起操作人员触电。因此，必须诊断生产装置和设备厂房设计系统性的接地安全保护措施。

2.1 接地保护系统选型及安全要求

2.1.1 接地保护的形式

根据相关的技术规范，常用的接地系统可分为TN、TT 和IT 三类，而TN 系统又包括TN-S、TN-C 和TN-C-S 三个类别，各种接地保护形式的区别如表2所示。以TN-S 接地保护系统为例，其接地保护的结构如图2 所示，其中，L1、L2 和L3 为三个不同的相线，N 表示中性线，PE 为保护地线[3]。

表2 接地保护形式的区别

图2 TN-S 系统的实现原理

2.1.1.1 TN-S 接地形式的特点

TN-S 接地形式又可称为三相五线制，在这种接地形式下，需要分别设置中性线和保护地线。电气设备的外露可导电部分与保护地线相连接，当设备处于正常工作状态时，其外露可导电部分不带电，如果设备接地断开，则外露可导电部分有可能带电。换言之，TN-S 系统的电气故障会引起中性线电流显著增加，在中性线上连接有熔断器，过大的电流可将其熔断，进而切断电源，发挥安全保护作用。

2.1.1.2 TN-C 接地形式的特点

TN-C 接地形式又称为三相四线制，与TN-S 接地形式不同，在TN-C 系统中，将中性线N 和保护地线PE 合在一起，形成PEN 线。由于PEN 线的阻抗较小，当连接在该线路上的设备出现接地故障时，电流强度会明显增加，此时可立即触发保护动作。因此，TN-C 接地形式具有良好的故障敏感性和响应速度。当系统用电设备不存在故障时，电流流经PEN 线路，可形成压降，因而用电设备上也存在一定的电压（通常不超过10 V）。但这种电压低于人体安全电压（36 V），对人员不构成安全威胁[4]。不过，TN-C 接地形式也可能出现失效，当PEN 线路断线时，将会失去保护作用。

2.1.1.3 TN-C-S 接地形式的特点

在TN-C-S 接地系统中，用电设备外露可导电部分具有两种连接形式，一种是连接在PEN 线上（即TN-C 接地形式），另一种则是采用TN-S 的接地形式。这种接地形式具有更强的灵活性，提供了两种接地连接模式。当设备与系统中的PE 保护线连接时，其外露导电部分及设备本身通常不带电。

2.1.1.4 TT 接地形式的特点

在TT 接地形式下，将PE 保护接地线直接连接在用电设备的金属外壳上，如果设备外露部分带电，可通过PE 线将电流导入地下，从而防止人员触电事故发生。在TT 系统中，如果用电设备发生单相接地故障，保护动作难以发挥作用，有可能导致触电事故。

2.1.1.5 IT 接地形式的特点

IT 接地形式存在两种情况：一是电源端带电部分对地绝缘（不接地）；二是通过消弧线圈实现电源中性点接地。与此同时，电气设备的外露可导电部分通过PE 保护线直接进行接地。一旦设备出现接地故障，其电压幅值不会超过50 V，几乎不会引起电弧和电火花，这种程度的故障电压无需立即切断相应的回路，但电压幅值超过了36 V 安全电压，对人体可产生一定的危害，因此，必须设置报警提示信息。

2.1.2 接地保护形式选型结果

2.1.2.1 原接地设计方案问题分析

该企业原接地保护设计方案要求接地采用TN-S形式，将中性线和PE 保护线分开设置。在这种接地形式下，用电装置仅有PE 保护一种接地措施。若三相中的某一相与用电装置的外壳发生接触或者碰撞，并且工作人员在同一时期接触金属外壳时，人体和接地保护装置将形成并联关系。在此情况下，将人体承受的电压记为Ur，则该电压值的计算方法为：

式中：Rd为保护接地装置的接地电阻值；Rr为人体电阻；R0为变压器低压侧中性点的工作接地电阻值；U为电网电压。在接地电阻设计中，要求Rd≤4 Ω，R0≤4 Ω。当皮肤干燥时，人体的电阻值通常在2 kΩ～20 MΩ 之间[5]。可见，人体电阻Rr远大于R0和Rd的阻值。此时，Rr·Rd/（Rr+Rd）近似于Rd，则有：

令Rd=R0=4 Ω，电网电压取220 V，则计算出人体承受的电压为Rr=4×220/（4+4）=110 V＞36 V。显然，在TN-S 接地形式下，原设计方案具有一定的安全隐患，当用电设备外壳与某一相接触时，人体将遭受110 V 电压。

2.1.2.2 接地形式优化设计

针对原接地设计方案存在的问题，提出以下优化措施。一是对接地干线设置重复接地措施。该设计方案旨在增加零线上的保护接地数量，当相线碰到电气装置的金属外壳时，重复接地能够有效降低故障设备的对地电压，进而限制人体接触金属外壳时的电压数值，起到保护作用。二是在原设计方案中，部分装置不设计接地措施，为提高用电安全性，将此类设备全部接入TT 保护系统中。三是剩余的用电装置均采用TN-C 接地形式进行保护。

2.2 10kV供配电系统中性点电阻接地设计

2.2.1 中性点电阻接地的作用

当氯碱企业10 kV 供配电系统受到雨雪、潮湿天气的影响时，容易发生单相接地故障，其常见的表现形式为单相断线、绝缘子单相击穿。如果不能采取有效的预防性措施，此类故障有可能导致配电设备烧毁。中性点电阻接地系统是指通过限流电阻器连接用电装置的中性点和地面，在这种方式下，用电设备（如变压器）中性点和地面之间存在一定的阻抗，当供配电系统出现单相接地故障时，电流将通过电阻导入地下，过电流不会对其他设备造成危害[6]。采用中性点电阻接地措施后，能够提高供配电系统的可靠性、安全性，减少用电设备损坏。

2.2.2 接地方式选型

对于10 kV 配电系统，电阻接地方式取决于单相接地故障电容电流的大小，如果该电流大于7 A，则推荐采用中性点高电阻接地，并且要求故障总电流不得超过10 A。否则，可采用中性点低电阻接地方式。从接地方式的选用原则来看，单相接地故障电容电流的计算结果是其中的关键，如果配电系统中性点不设置接地，系统电容电流在数值上等于流经单相金属性接地故障点的故障电流。对于10 kV 电缆线路，单相接地电容电流的计算方法为：

式中：Ic为接地电容电流；S为电缆芯线的标称截面积；L为线路长度；Ur为线路的额定电压。在工程实践中，除了式（3）所示的理论计算方法，还可通过查表的方式获取基于实践的平均值，交联聚乙烯电缆线路的电容电流平均值可查询表3。在该企业中，10 kV 配电线路的芯线截面积为500 mm2，查表可知，其电容电流均值为2.69 A/km。线路总长度为2.7 km，电容电流为2.69 A/km×2.7 km=7.263 A＞7 A，且计算结果＜10 A。因此，应采用中性点低电阻进行接地设计。

表3 交联聚乙烯电缆线路电容电流平均值 单位：A/km

2.2.3 中性点接地电阻取值

在中性点设备接地设计中，接地电阻在形式上可采用线性或非线性的材料。该企业供配电采用10 kV的中压系统，阻值的选取需要考虑较多的因素，如过电压绝缘配合、单相接地故障的继电保护可靠性等因素，不同的影响因素对电阻值的要求存在差异，应选择其中的较大值。对于中性点低电阻，10 kV 供配电系统的取值应在10～30 Ω 之间。

3 结语

氯碱生产装置包括中压供配电系统以及各种用电设备，如变压器、配电盘、压缩机和输送泵，其生产过程可产生H2，设备外壳带电、电气火花有可能引发触电事故和火灾爆炸事故。针对以上问题，企业应该对其电气生产装置设计完善的接地保护技术措施，设计重点为接地形式、接地电阻的取值。