660 MW超超臨界火力發電廠的接地系統及其保護選擇

陳宏偉

(江蘇國信靖江發電有限公司，江蘇 靖江 214513)

0 引言

發電廠接地系統在電廠建設及生產運行維護過程中屬隱蔽工程，若在設計及施工過程中不注意分類設計、精確計算并施以恰當的保護措施，將對電廠安全、穩定運行構成極大的威脅。當事故出現時，若接地網有缺陷，短路電流無法在土壤中充分擴散，導致接地網電位升高，使接地的設備金屬外殼帶高電壓并危及人身安全和擊穿二次保護裝置絕緣，甚至破壞設備、破壞系統穩定并可能造成重大設備事故或人身傷亡事故。筆者就目前國內大型電廠接地系統的保護問題進行探討，以便能找到既經濟又實用的接地系統保護方法。

1 火力發電廠接地系統的類別

發電廠接地系統從大類上可分為交流接地系統和直流接地系統，其中，交流接地系統按用途又可分為工作(系統)接地、保護接地、防雷接地和防靜電接地等。直流接地系統是指弱電系統的邏輯接地和計算機系統接地。

2 接地系統所涉及的幾個重要問題

660 MW超超臨界火力發電廠的接地系統不但要滿足工頻短路電流、雷電沖擊電流的要求，同時還要滿足對設備外殼的保護以及微機保護、綜合自動化裝置等弱電元件對接地的高要求。火電廠接地系統在設計及施工過程中主要涉及接地電阻的計算、接地體材料及截面的選擇、接地體的防腐要求、地網均壓、設備的接地和接地線的熱穩定等幾個方面。

(1)接地電阻的計算。不同的接地方式對接地電阻的要求不同。在均勻土壤中，人工接地及工頻接地電阻以及接地網接觸電位差和跨步電位差應依據《大中型火力機組設計規范》(征求意見稿)的規定進行計算，也可參照《交流電氣裝置的接地設計規范》(送審稿)中相關的內容進行計算。規范要求不同，接地類別下的接地電阻要求也不相同，具體如下:

1)工作接地的接地電阻應保證在電氣系統的工作電流或接地故障電流流經接地電極時，接地電極的電位升高不超過規定值。在發電廠交流系統中，工作接地電極的接地電阻一般為0.5～10.0 Ω。

2)保護接地的接地電阻是由故障電流大小來決定的，它可使相應的保護裝置動作或使設備外殼電位在安全值以下，其值一般為1.0～10.0 Ω。

3)防雷接地的接地電阻主要由過電壓保護的需要決定，其值一般為4.0 ～30.0 Ω。

4)防靜電接地的接地電阻一般要求在30.0 Ω以下。

5)計算機系統宜與全廠接地網共地，不宜設專用獨立接地網。各計算機系統內不同性質的接地，如電源地、邏輯地、機柜浮空后接地等應有穩定可靠的總接地板(箱)。當設備廠家對邏輯接地和計算機系統接地的阻值及接地方式有特殊要求時，應按其要求進行設計。

6)控制用電氣設備外殼、不要求浮空的盤臺、金屬橋架、鎧裝電纜的鎧裝層、計算機信號電纜的屏蔽層等應設保護接地，保護接地應牢固可靠，保護接地的電阻值應符合現行電氣保護接地規定。

(2)接地體材料及截面的選擇。接地體材料應優先考慮選用熱浸鍍鋅的鋼材，也有部分工程采用銅接地體。

(3)接地網均壓問題。接地網的局部放電容易向電纜溝內電纜產生反擊，造成控制保護設備的損壞而引發惡性事故。

(4)設備的接地問題。有的防雷設備(如避雷線和避雷器)接地不好，從而會產生很高的殘壓和反擊過電壓。

(5)接地線的熱穩定。如果接地線的熱穩定達不到要求，在接地短路電流流過時，就會把接地線燒斷，從而造成設備外殼帶電，容易發生高壓向控制線的反擊。

(6)接地網的腐蝕問題。由于接地裝置長期在地下運行，運行條件惡劣，特別在一些潮濕和有害氣體存在的地方或土壤呈酸性的地方最容易發生腐蝕。受到腐蝕的接地網的電氣參數往往會發生變化，甚至會造成電氣設備接地與地網之間以及地網各部分之間形成電氣上的開路，應該特別注意。

3 對接地系統中接地體的保護選擇

在上面提到的大型火力電廠接地系統的幾個重要問題中，特別是接地系統的保護問題，如何做好接地體的防腐問題尤為重要。接地系統的設計應保證其壽命與電廠主體工程相一致，主接地網及接地導體的設計必須充分考慮其防腐要求。采用何種方案防腐是尤為重要的，選擇時既要考慮到安全、穩定運行因素，又要兼顧經濟性和耐用性，充分保證其使用壽命，必須根據當地的實際情況詳盡核算后方可確定。筆者以國內某660 MW超超臨界電廠的接地系統保護的選擇為實例，從腐蝕機制和原因的角度出發，通過計算和分析，最終確定接地系統的保護方案，以期達到設計和實際使用的要求。

3.1 接地裝置腐蝕機制

腐蝕是指金屬與環境間的物理、化學的相互作用，由此造成金屬性能的改變，導致金屬、環境或由其構成的一部分技術體系功能的損壞。

以腐蝕機制劃分，可分為化學腐蝕和電化學腐蝕。化學腐蝕是指金屬和非電解質直接發生純化學作用而引起的金屬損耗(如金屬的高溫氧化)。電化學腐蝕是指金屬和電解質發生電化學作用而引起的金屬損耗。在電化學腐蝕過程中，同時存在著2個相互獨立的反應過程，陽極反應和陰極反應，并有電流產生。電化學腐蝕是最普遍的腐蝕現象。這種腐蝕反應的速度會因環境因素的影響而發生變化，在水中，則受水的pH值、湍流度、速度、水溫、鹽度和微生物等環境因素的影響而變化;在土壤中，則受土壤電阻率、pH值、氧化還原電位、含水量、含鹽量等因素的影響而變化。

3.2 接地裝置腐蝕原因

接地裝置接地體腐蝕的原因是多方面的，歸納起來大致有4個方面。

(1)土壤腐蝕性強，特別是在偏酸性的土壤、風化石土壤和砂質土壤中，最易發生析氫腐蝕和吸氧腐蝕。

(2)接地體采用的再生鋼材由于雜質超標，在地下易發生電偶電池腐蝕。

(3)使用了腐蝕性較強的降阻劑，特別是一些化學降阻劑，由于含有大量的無機鹽類，加速了接地體的電化學腐蝕。一些固體降阻劑由于膨脹系數與鋼接地體不一致，經過一定的時間后與接地體產生縫隙，產生了腐蝕電位差，加速了接地體的腐蝕。

(4)施工方面的原因主要有以下5個方面:

1)接地體埋深不夠，上層土壤含氧率較高，吸氧腐蝕快;

2)用砂子、碎石和建筑垃圾作回填土;

3)焊接頭存在虛焊、假焊現象，對焊接頭沒有做防腐處理;

4)對接地引下線沒采取過渡防腐措施，沒有刷防腐漆;

5)在擴大地網時，把新地網接到了原地網的電纜溝或把設備接地接到了電纜溝的均壓帶。而電纜溝的均壓帶是不定期地進行防腐處理，這樣，會因焊接接頭腐蝕斷開而造成地網肢解。

3.3 接地系統中接地體的保護選擇

接地系統中接地體的保護選擇主要采取了防止接地裝置腐蝕的有關措施。目前，國內防止接地裝置腐蝕的常用措施主要有增加接地體金屬厚度、采用耐腐蝕的接地體材料以及陰極保護等方法。

增加接地體金屬厚度一般是采用鍍鋅和加大接地導體的截面及厚度來延長接地導體的使用壽命。對于耐腐蝕材料的接地體而言，國內一般都采用銅作為接地網，采用裸銅絞線作為接地材料。陰極保護是防止地下金屬結構物腐蝕的最常用也是最為有效的方法。

所謂陰極保護就是向被保護金屬通上一定的直流電，使被保護金屬變成陰極而得到保護。根據所提供電流方法的不同，陰極保護分為外加電流法和犧牲陽極法。外加電流法是用外加可調直流電源(恒電位儀或整流器)供電，電源的正極接輔助陽極，負極接被保護的金屬，如圖1所示。

犧牲陽極法是用一種電位比所要保護的金屬還要負的金屬或合金(更活潑，易腐蝕)與被保護的金屬連接在一起，依靠電位比較負的金屬不斷地腐蝕溶解所產生的電流來保護其他金屬的方法，如圖2所示。

2種方法的優、缺點比較見表1。

表1 犧牲陽極和外加電流優、缺點比較

4 接地系統保護選擇實例分析

4.1 某660 MW超超臨界機組土壤的實際情況

某660 MW超超臨界機組土壤的實際情況主要是依據該發電廠工程可行性研究場地土壤電阻率測試專題報告提供的土壤類型進行分析。該電廠位于長江中下游地區，臨近長江，廠址地基土層主要由粉質黏土、淤泥質粉質黏土、粉土、粉沙和中/細沙等部分組成，部分地基土層表現為夾層、互層類土。

埋深0.8 m處的土壤電阻率約為22.0 Ω。總的來說，該電廠土壤腐蝕性屬于中等偏強。

4.2 接體系統的保護選擇

由于該電廠土壤腐蝕性屬于中等偏強的程度，不考慮采用銅接地網。一方面，由于銅材料價格高，幾乎是鋼材的1倍，使用銅作為接地網會使接地裝置的造價比用鋼材高出30%以上;另一方面，電廠內許多設備的外殼、構架和埋管都選用鋼材，特別是循環水管采用鋼管時更應要慎重考慮。銅本身會加速腐蝕，它與金屬材料或鄰近的其他金屬材料(如鋼材和鋼管)接觸會對鋼質循環水管產生腐蝕，也給防腐工作帶來困難。

從陰極保護中的犧牲陽極和外加電流比較來看，犧牲陽極法一次性投資較大，運行維護工作量小。外加電流法一次性投資較小，運行維護工作量較大，運行時需要用電，后期投入較大。因此，使用犧牲陽極的陰極保護方法更適合于保護碳鋼接地系統。

綜上所述，該電廠工程的接地系統的保護將在增加接地體金屬厚度和犧牲陽極陰極保護之間進行計算比較后再確定。

4.3 計算比較

4.3.1 接地裝置的熱穩定校驗

根據DL/T 621—1997《交流電氣裝置的接地》附錄C提供的接地裝置的熱穩定校驗的要求，接地裝置截面積為

由于系統為提供零序阻抗，Ig按三相短路電流計算，Ig=35.6 kA。

接地短路時間:220 kV系統取0.7 s。接地材料使用總長度按30 km考慮。

Sg≥426 mm2，采用尺寸規格為60 mm×9 mm熱鍍鋅扁鋼(水平接地體)和尺寸規格為50 mm×50 mm×6 mm角鋼(垂直接地體)。

按照DL/T 621—1997《交流電氣裝置的接地》中接地裝置機械強度要求及熱穩定的截面要求，接地裝置截面積按接地引下線截面積的75%考慮(Sg1≥341 mm2):采用尺寸規格為50 mm×8 mm熱鍍鋅扁鋼(水平接地體)接地和尺寸規格為50 mm×50 mm×4 mm角鋼(垂直接地體)。

4.3.2 增加金屬厚度

為計算需要而增加的截面面積，必須確定金屬在土壤中的腐蝕率。關于金屬在土壤中的腐蝕率的問題，目前尚無全國統一的取值標準。據國外資料及國內部分省市開挖檢查資料分析，一致意見是土壤電阻率越低，腐蝕率越大。

《交流電氣裝置接地設計規范》(最新修訂送審稿)中的附錄F提供了接地線和接地極年平均最大腐蝕速度參考值，其數據見表2。

根據《水電工程設計手冊》中提供的腐蝕速度估計式，接地線和接地土壤電阻率與腐蝕性的關系見表3。

表2 接地線和接地極年平均最大腐蝕速率

表3 接地線和接地土壤電阻率與腐蝕性的關系

美國和前蘇聯提供的金屬腐蝕速率參考值見表4。

表4 國外金屬腐蝕速率的參考值

綜合以上數據，土壤電阻率為22 Ω·m(取配電裝置區域土壤電阻率)，腐蝕速率按0.20 mm/a考慮，使用壽命按30年考慮。計算結果為:采用尺寸規格為85 mm×11 mm的熱鍍鋅扁鋼(水平接地體)和采用尺寸規格為63 mm×63 mm×10 mm的角鋼(未考慮腐蝕時，水平接地體可采用采用尺寸規格為50×8的熱鍍鋅扁鋼，垂直接地體可采用50×50×4的熱鍍鋅角鋼)。

4.3.3 犧牲陽極陰極保護

因為犧牲陽極陰極保護適合于保護鋼接地系統，電力行業目前尚無相應的陰極保護規程，下面按照SY/T 0019—1997《埋地鋼質管道犧牲陽極陰極保護設計規范》和GB/T 16166—1996《濱海電廠海水冷卻水系統犧牲陽極陰極保護》(對內陸電廠埋地管網可參照使用)中有關公式進行計算。

(1)采用材料。土壤電阻率為25 Ω·m(全廠取平均值)，所以，宜采用MUG－2鎂犧牲陽極。陽極尺寸規格為700 mm×(100+110)mm ×105 mm。陽極與接地網相同深度，與接地網平行，水平埋設。

(2)保護對象。陰極保護系統保護范圍為:主廠房區(汽機房、鍋爐房)、變壓器區域、220 kV配電裝置、廠區(爐后、電除塵、煙囪、煤場等)。

(3)設計使用年限。設計使用年限按25年考慮(自然腐蝕5年)。

(4)保護電流密度。J=17 A/m2。

(5)單只陽極發生電流。單只陽極發生電流可按式(1)計算

式中:If為單只陽極發生電流量，A;ΔE為陽極驅動電壓，0.65 V;R為陽極接地電阻，Ω。

陽極接地電阻R可按式(2)計算

式中:L為陽極長度，取0.700 m;D為填料層直徑，取0.250 m;d為陽極等效直徑，取0.134 m;ρ為土壤電阻率，取25 Ω·m;ρ1為填料電阻率，取 1.0 Ω·m;h為從地面至陽極中心的埋深，取0.800 m。

經計算，R=5.235 Ω，If=0.124 A 。

(6)地網保護電流。全廠埋地接地網，水平接地體材料為熱鍍鋅扁鋼，尺寸規格為60 mm×9 mm(考慮5年的自然腐蝕應和接地引下線的截面保持一致)，垂直接地體為熱鍍鋅角鋼，其尺寸規格為50 mm×50 mm×6 mm。

(7)所需陽極數量。

式中:N為所需陽極數量;f為備用系數，取2～3;I為所需保護電流;If為單支陽極輸出電流。

經計算，1190≤N≤1785，取 N=1300。

(8)陽極工作壽命。

式中:t為陽極工作壽命;m為陽極凈質量，取18200 kg;ω為陽極消耗率;鎂陽極取7.96 kg/(A·a);I為陽極平均輸出電流，取73.78 A。

經計算，t=26.34 a ＞25.00 a，滿足要求。

由上述計算可得出方案投資比較，見表5。

表5 方案投資費用的比較

從表5可以看出，犧牲陽極方案投資費用比增加金屬厚度方案投資費用多22.5萬元。

4.4 660 MW超超臨界機組接地系統保護的選擇

發電廠接地裝置在土壤中的腐蝕屬于電化學腐蝕，增加金屬厚度和犧牲陽極陰極保護均能夠有效地防止其腐蝕。犧牲陽極方案水平接地體采用尺寸規格為60 mm×9 mm的熱鍍鋅扁鋼，垂直接地體采用尺寸規格為50 mm×50 mm×6 mm熱鍍鋅角鋼，增加金屬厚度方案水平接地體采用尺寸規格為85 mm×11 mm熱鍍鋅扁鋼，垂直接地體采用尺寸規格為63 mm×63 mm×10 mm熱鍍鋅角鋼。雖然增加金屬厚度投資費用略少一點，但由于其涂層存在老化問題，不可避免地會有漏涂、針孔和破損的問題，腐蝕將會集中在這樣一些微小區域，導致金屬腐蝕穿孔。由于接地材料截面的增加給接地體的焊接和彎、折等施工帶來了很大的困難。因此，綜合考慮這些因素，該工程推薦采用犧牲陽極陰極保護方案。

5 結束語

因接地裝置的腐蝕而形成的接地隱患是產生接地事故的主要原因，應該受到充分的重視，對接地裝置的防腐問題首先從選材、設計、施工、運行、維護等方面嚴格把關，采用切實可行的防腐措施來進行防護。正確合理地選擇發電廠變電所的接地方法、防護方式和合理的接地裝置是保證電力系統長期、安全、穩定運行的必要條件。

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