垃圾焚燒發電廠防雷和接地做法的探討

張 瑩

(中國恩菲工程技術有限公司,北京 100038)

0 前言

交流電氣裝置過電壓保護、建筑物防雷和接地是一個比較宏大的課題,各種規范、手冊都有相關非常多的理論闡述。在實際應用中,因為行業的不同,其涉及的建筑形式、設備范圍都各有特點,加之不同設計者對于規范、手冊在理解上的不同,因而在實際設計、施工過程中,對于過電壓保護、建筑物防雷的實際應用差異還是很大的。筆者結合垃圾焚燒發電廠實際的工程實例,對在工程實踐過程中所遇到的認為應當注意的部分和有待商榷之處進行闡述,文中的內容主要集中在防雷和接地的實際做法。

1 過電壓的基本概念

在系統運行中作用于線路和設備絕緣上的電壓,包括正常工頻持續運行電壓和來自系統外部的雷電過電壓以及來自電力系統內部的操作過電壓。后者是操作或故障時,系統參數發生變化,電磁能量產生振蕩、積聚、轉化或傳遞而引起的。內部過電壓又分為持續時間較長的暫時過電壓、持續時間較短的瞬態操作過電壓和特快速瞬態過電壓。

(1)電氣裝置的內部過電壓防護

對于電氣裝置的內部過電壓,可以根據過電壓的不同成因、性質,采用加裝金屬氧化物避雷器(MOA)、高壓并聯電抗器或過電壓保護裝置、調整操作方式等多種方式加以限制。

(2)電氣裝置的雷電過電壓防護

①對于直擊雷的防護,主要是裝設直擊雷防護裝置。

戶內配電裝置：因為有建筑物的防護,避免了直接雷的傷害,相應的就要對建筑物進行防雷分類及設置防護措施。

戶外配電裝置：如果戶外配電裝置已在相鄰建筑物保護范圍內,可不裝設直擊雷防護裝置；否則就要裝設。

②對于雷電侵入波過電壓保護

有對架空線路加裝地線、在相應位置加裝MOV等措施。

2 垃圾焚燒發電廠防雷和接地做法的探討

2.1 示例工程概況

一般城市典型的垃圾焚燒發電廠,其工藝系統包括：垃圾接收及儲存系統、垃圾焚燒系統、余熱鍋爐系統、煙氣凈化系統、汽輪發電機組、汽水循環系統、灰渣處理及儲存系統、飛灰處理系統、污水處理系統、循環水系統、化學水系統、給排水系統、消防系統、電力系統、供熱系統、測量及控制系統、滲濾液收集處理系統等。主要的建、構筑物包含：綜合主廠房(垃圾接收及儲存廠房、焚燒廠房、煙氣凈化廠房、飛灰穩定化廠房、主控樓、余熱發電廠房)、煙囪、綜合水泵房及冷卻塔、油庫油泵房、蓄水池、汽車衡、垃圾運輸坡道、大門及門衛等。

圖1 作用于設備絕緣上的電壓分類

2.2 垃圾焚燒發電廠防雷和接地設計

2.2.1 綜合主廠房及一般輔助車間

垃圾焚燒發電廠的綜合主廠房是包含了垃圾接收及儲存廠房、焚燒廠房、煙氣凈化廠房、飛灰穩定化廠房、主控樓、余熱發電廠房的聯合性廠房。廠房的屋面型式分區域有采用鋼筋混凝土結構、金屬屋面板兩種型式；不同區塊屋面高度也不相同、呈高低錯落狀。須根據計算確定建筑物防雷級別,并進行相應的防雷設計。

(1)接閃器

卸料廠房、焚燒廠房、煙氣凈化廠房、發電廠房局部等部分屋面為金屬屋面,金屬面板無絕緣被覆層,板間的連接是持久的電氣貫通,金屬面板下面無易燃物品,金屬板厚度不小于0.7 mm,利用其做接閃器。

主控樓、發電廠房除氧層等部分屋面為混凝土屋面,在屋頂沿——LP——所示裝設作防雷接閃器。接閃帶支架間距為直線段1.0 m.轉角段0.5 m,具體做法參考15D501 16、19頁；接閃帶采用φ12圓鋼(熱鍍鋅),高出女兒墻及屋面150 mm,具體做法參考圖集15D501,第24頁。屋面上所有正常工作不帶電的金屬物體均應與接閃帶焊接相連、接閃器、引下線、自然接地體等應做電氣連接。

(2)引下線：圖中標注處須作引下線

該處為鋼筋混凝土柱的：利用主筋(至少兩根且不小于φ16)作引下線,自上而下的連接應是持久的電氣貫通,其上端伸出150 mm與接閃帶可靠連接,具體做法參考圖集15D501,第24頁；其下端與基礎主鋼筋焊接,標注的鋼筋混凝土柱處整坪地面上+0.5 m處預埋接地端子板,用于測試接地電阻和連接人工接地裝置。

該處為鋼柱的：利用鋼柱作為引下線,自上而下連接成為持久的電氣貫通,其上端與鋼屋架焊接,金屬面板、鋼屋架、鋼柱應做電氣貫通連接,其下端應與基礎主鋼筋焊接。

每個用電設備的基礎留預埋接地端子板熱鍍鋅扁鋼-100×100×10 mm,用于連接人工接地裝置、等電位接地裝置。預埋接地端子板位于設備基礎頂部或側壁中心距地坪0.15 m,具體定位可以根據實際情況修正。

設備基礎如果有配筋,預埋接地端子板需與基礎內主鋼筋電氣焊通,具體做法請參考15D502 42頁。預埋接地端子板間須由等電位線連接。

(3)自然接地體：接地線——E——所示處,如果有“箍筋連接的鋼筋或成網狀的鋼筋,其箍筋與鋼筋、鋼筋與鋼筋應采用土建施工的綁扎法、螺絲、對焊或搭焊連接。單根鋼筋、圓鋼或外引預埋連接板、線與構件內鋼筋的連接應焊接或采用螺栓緊固的卡夾器連接。構件之間必須連接成電氣通路?！蹦敲蠢没A鋼筋網作為(做可靠電氣連接)作為自然接地體,不需要另外做人工接地線,具體做法參考圖集15D503,第44、45頁,14D504 24頁；如果沒有如上所描述的基礎鋼筋,則人工放置等電位連接線,具體做法參考圖集15D503,第44、45頁,14D504 22頁。

若柱為獨立樁基,在地下埋設人工接地干線連接柱基礎鋼筋。

①接閃器、引下線、自然接地體、人工接地體等應做電氣連接。

②人工接地裝置/等電位聯結線：埋深為室外地坪凍土層以下(不小于-0.8 m),室內一層地坪下-0.3 m；室內二層及以上接地線埋在抹面以下,具體做法參考14D504 15～17頁。

③綜合主廠房采用聯合接地方式,即功能性接地、保護性接地、電磁兼容性接地、防靜電接地共用接地系統,要求接地電阻不大于1歐姆,實測不夠時增加如圖所示人工接地裝置；接地裝置通過接地干線與綜合管網接地干線相連。

④正常不帶電的電氣設備外殼、電纜鎧裝鋼帶、電信、儀表專業的進線和工藝設備金屬外殼、金屬管道、金屬構件(欄桿、梯、平臺、支架等)等均應做等電位連接,并可靠接地|圖中未標示的,具體做法請參考15D502 10～17頁。接地端子排做法參考圖集14D504,第42頁；15D502,第33頁。輸送含有易燃、易爆氣體或安裝在易燃、易爆環境的風管系統必須設置可靠的防靜電接地。圖中未標示的,具體做法請參考14D504 127～136頁。

利用金屬電纜橋架做接地干線,橋架全程各伸縮連接板和多節連接板處應采用軟導線或編織銅線16 mm,跨接,具體要求及做法參考圖集04D701-3,第87頁。金屬電纜橋架及其支吊架不應少于2處與接地干線相連；每隔25米設重復接地；橋架在引入引出建筑物時,應與建筑物室內接地干線或室外接地裝置相連接。

高低壓配電柜、變壓器、保護控制屏柜的保護性接地由柜體外殼與基礎框架電氣貫通,再采用-40×4熱鍍鋅扁鋼與附近的電纜溝內或電纜主架上的通長熱鍍鋅接地扁鋼-40×6電氣連通。最終聯入總等電位接地箱MEB。

變壓器中性線接入與之相連的低壓配電柜中性線母排,多段低壓配電柜中性線通過母線橋連通,最終由一點采用銅芯接地電纜接入總等電位接地箱MEB。

裝設保護和控制裝置的屏柜地面下設置的等電位接地網采用截面積不小于100 mm2的接地銅排連接成首末端可靠連接的環網,并應用截面積不小于50 mm2、不少于4根銅纜與接地網一點連接。

裝設保護和控制裝置的屏柜內下部應設有截面積不小于100 mm2的接地銅排,屏柜內裝置的接地端子應用截面積不小于4 mm2的多股銅線和接地銅排相連,接地銅排應用截面積50 mm2的銅纜與地面下的等電位接地線相連。

配電室、電纜夾層設置接地干線(-40×6熱鍍鋅扁鋼,黃綠色標),中心距地0.3 m,沿墻四周明敷設,參見《接地裝置安裝》14D504 P54；過門處暗敷,參見《接地裝置安裝》14D504 P54。主變壓器室、10 kV配電室、低壓配電室接地干線上應設置不少于2個供臨時接地用的接線柱或接地螺栓,參見《接地裝置安裝》14D504 P55。接地干線接入等電位接地箱MEB/LEB。

①主接地干線過門或經常有人出入的走道處,應鋪設瀝青路面/絕緣水泥或在地下裝設兩條與接地網相連的均壓帶,具體做法請參考14D504 40頁。現場有操作需要的設備處,應正鋪設瀝青路面/絕緣水泥/鵝卵石。

引下線3 m范圍內地表層的電阻率不小于50 kΩm,或敷設5 cm厚瀝青層或15 cm厚礫石層。

②電氣專業應與建筑、結構、水道、暖通、電信、自控等相關專業密切配合,做好防雷及接地工作。儀表、電信設備的接地設計還需見相關專業圖紙。

③參考圖集：《建筑物防雷設施安裝》15D501、《等電位聯結安裝》15D502、《利用建筑物金屬體做防雷及接地裝置安裝》15D503、《接地裝置安裝》14D504。

一般輔助車間的防雷接地設計可參考綜合主廠房的通用性原則。

2.2.2 煙囪

目前垃圾焚燒發電廠的煙囪造型一般為若干管組合鋼制煙囪,外包鋼筋混凝土套筒。在鋼筋混凝土套筒內設置鋼制走梯及多層平臺,便于巡視和維護,煙囪上部高度19～25 m處設置煙氣在線連續監測裝置；0.0米層設置煙氣在線監測室。相對于傳統的磚砌煙囪和裸露的鋼管煙囪,更近似于高聳建筑物。

根據國標GB 5057—2010《建筑物防雷設計規范》的規定,“在平均雷暴日大于15 d/a的地區,高度在15 m及以上的煙囪、水塔等孤立的高聳建筑物；在平均雷暴日小于或等于15 d/a的地區,高度在20 m及以上的煙囪、水塔等孤立的高聳建筑物?！睉獎潪榈谌惙览捉ㄖ?。

在為煙囪設置防雷設施時,除了參考綜合主廠房通用性原則外,還需考慮以下特殊方面：

①在煙囪鋼筋混凝土套筒頂部平臺的女兒墻上設置環形接閃帶,并對稱布置4根高出煙囪口不低于0.5 m的接閃桿,要求接閃桿與環形接閃帶焊接成一體。

②煙囪的鋼制本體作為接閃器和引下線,須與接地裝置電氣連接。

③垃圾焚燒發電廠的煙囪一般高度都超過60 m,須對其上部占建筑物總高度20%并超過60 m的部位設置防側擊雷的裝置,具體可參考女兒墻上設置的環形接閃帶。

④煙囪的防雷接地為獨立系統；其余功能性接地、保護性接地、電磁兼容性接地、防靜電接地共用接地系統,等電位接地箱通過接地干線與煙囪照明配電箱接地排相連,并通過進線電纜中的PE線與綜合主廠房中的接地裝置相連。

2.2.3 防爆區域

防爆區域的建構筑物及室外裝置在進行防雷和接地設計時,除了參考綜合主廠房通用性原則外,還需考慮以下特殊方面：

①在確定建筑物防雷分類時,除了計算建筑物年預計雷擊次數外,還要考慮爆炸危險場所分區,最終確認防雷類別。例如垃圾焚燒發電廠內經常會設置的油庫油泵房,雖然年預計雷擊次數不大于0.25次/a,但屬于具有2區爆炸危險環境的建筑物,因此確定其防雷類別為二類。

②所有金屬儲罐、管道、法蘭須進行防靜電連接,安裝參見圖集14D504,第130頁。

③在操作間門外、儲罐和操作平臺的扶梯入口處應設置消除人體靜電裝置。

2.2.4 其他需注意的問題規范《低壓電氣裝置 第5～54部分 接地配置和保護導體》(GB/T 16895.3—2017)的542.2.5提到“應考慮在接地配置中采用不同材料時的電解腐蝕?！?/p>

同一種金屬暗敷設在不同場所,電極電位是不相同的。暗敷設常用金屬接地體電極電位如表1所示。

表1 在土層內或混凝土內常用金屬電極電位表

從上表可以看出混凝土內的鋼筋電極電位為-0.1～-0.3 V,而在土壤中敷設的鍍鋅鐵電極電位為-0.7～-1.0 V,如果將兩處的接地體連接起來,形成原電池,其電位差為-0.4～-0.9 V之間。土壤中敷設的鍍鋅鐵接地體的鍍鋅層被腐蝕掉,變成生銹鐵,其電極電位為-0.4～-0.6 V,兩部分接地體間電位差為-0.1～-0.5 V之間。繼續不斷腐蝕土壤中的接地體,腐蝕程度取決與兩部分接地體面積的比例,利用混凝土內的鋼筋面積越大,土壤中敷設的接地體被腐蝕越塊。

為了減小電化學腐蝕,在土壤中敷設的接地體采用混凝土包圍,使接地體完全敷設在相同的場所內,使兩部分接地體具有同一電極電位,不產生電化學腐蝕。

注意到埋入混凝土內的普通鋼材(裸露或熱浸鍍鋅)與埋入土壤內銅材的電化學電位相近,在敷設于土壤中的接地體連接到混凝土基礎內起基礎接地體作用的鋼筋或鋼材的情況下,土壤中的接地體還可以采用銅質或鍍銅或不銹鋼導體,用以減輕電化學腐蝕帶來的不利因素。

筆者在工程設計中看到的普遍做法是采用熱鍍鋅扁鋼作為水平人工水平接地極,熱鍍鋅角鋼或是熱鍍鋅圓鋼作為人工垂直接地極,設計選型和實際施工時會增大熱鍍鋅扁鋼的截面(相對于計算結果需要的截面)。此種方法并不能避免電化學腐蝕,只是通過增大截面的方法延長了實際中的使用壽命?？紤]到熱鍍鋅鋼材質與銅或銅包鋼材質單位價格差,尤其是考慮到工程整體用量后的整體價格差,目前此種方法比較普遍的為業主所接受。

筆者認為在土壤電阻率不太低、或者說土壤土質對鋼材料腐蝕性不太嚴重的地區采用上述方法是一種經濟實用的方案,但是在土壤土質對鋼材料腐蝕性嚴重的地區還是要考慮采用減少電化學腐蝕的方案。

下面介紹一個筆者的實際工作案例。河南某地項目,根據地勘報告,土壤電阻率在50上下浮動,報告說明“根據本工程初步設計階段土的腐蝕性分析成果,場地土對混凝土結構具微腐蝕性,對鋼筋混凝土結構中的鋼筋具微腐蝕性。根據本工程綜合主廠房區域土壤電阻率測試成果,結合本工程初步設計階段土壤化學分析成果,判定場地土對鋼結構具有強腐蝕性”。

筆者在實際接地設計中采用如下方式：

(1)室外土壤中的水平接地干線選用電鍍銅覆鋼φ12；垂直接地極接地極電鍍銅覆鋼φ14,單根長度2.5 m,接地極與接地干線之間采用放熱焊接。

(2)室內埋入混凝土基礎內接地極或埋于樓層抹面下的接地極因為有混凝土的保護,仍采用普通扁鋼或是熱鍍鋅扁鋼。

(3)利用柱子基礎鋼筋網(做可靠電氣連接)作為自然接地體時,與鋼筋混凝土柱內鋼筋相連的、用于連接人工接地裝置的預埋接地端子板,預留在鋼筋混凝土柱處整坪地面上,與埋于土壤中的人工水平接地線在地面上(空氣中)而非地面下(土壤中)通過放熱焊接的方式相連。強調“預埋接地端子板預留在鋼筋混凝土柱處整坪地面上”而非地面下,是因為預埋接地端子板通常是采用普通鋼材質,預埋接地端子板預留在地面上,避免了暴露在土壤中的預埋接地端子板與埋入混凝土基礎內的接地極鋼材的出現的電化學腐蝕危險。

圖2 引下線及接地板做法示意圖

3 結論

如何把規范中的原則性要求落實到實際工程應用中,不同設計者有不同的理解,不同行業也有不同的設計習慣。筆者結合垃圾焚燒發電廠的工程實例,介紹了防雷和接地的實際設計做法,對所遇到的認為應當注意的部分和有待商榷之處進行闡述。具體工程中除了考慮到技術問題,還需結合各省地的特殊要求、并考慮經濟投入,從經濟技術多方面綜合比較選取合適方案。