660 MW超超临界火力发电厂的接地系统及其保护选择

2011-09-04陈宏伟

综合智慧能源 2011年9期

陈宏伟

(江苏国信靖江发电有限公司，江苏靖江 214513)

0 引言

发电厂接地系统在电厂建设及生产运行维护过程中属隐蔽工程，若在设计及施工过程中不注意分类设计、精确计算并施以恰当的保护措施，将对电厂安全、稳定运行构成极大的威胁。当事故出现时，若接地网有缺陷，短路电流无法在土壤中充分扩散，导致接地网电位升高，使接地的设备金属外壳带高电压并危及人身安全和击穿二次保护装置绝缘，甚至破坏设备、破坏系统稳定并可能造成重大设备事故或人身伤亡事故。笔者就目前国内大型电厂接地系统的保护问题进行探讨，以便能找到既经济又实用的接地系统保护方法。

1 火力发电厂接地系统的类别

发电厂接地系统从大类上可分为交流接地系统和直流接地系统，其中，交流接地系统按用途又可分为工作(系统)接地、保护接地、防雷接地和防静电接地等。直流接地系统是指弱电系统的逻辑接地和计算机系统接地。

2 接地系统所涉及的几个重要问题

660 MW超超临界火力发电厂的接地系统不但要满足工频短路电流、雷电冲击电流的要求，同时还要满足对设备外壳的保护以及微机保护、综合自动化装置等弱电元件对接地的高要求。火电厂接地系统在设计及施工过程中主要涉及接地电阻的计算、接地体材料及截面的选择、接地体的防腐要求、地网均压、设备的接地和接地线的热稳定等几个方面。

(1)接地电阻的计算。不同的接地方式对接地电阻的要求不同。在均匀土壤中，人工接地及工频接地电阻以及接地网接触电位差和跨步电位差应依据《大中型火力机组设计规范》(征求意见稿)的规定进行计算，也可参照《交流电气装置的接地设计规范》(送审稿)中相关的内容进行计算。规范要求不同，接地类别下的接地电阻要求也不相同，具体如下:

1)工作接地的接地电阻应保证在电气系统的工作电流或接地故障电流流经接地电极时，接地电极的电位升高不超过规定值。在发电厂交流系统中，工作接地电极的接地电阻一般为0.5～10.0 Ω。

2)保护接地的接地电阻是由故障电流大小来决定的，它可使相应的保护装置动作或使设备外壳电位在安全值以下，其值一般为1.0～10.0 Ω。

3)防雷接地的接地电阻主要由过电压保护的需要决定，其值一般为4.0 ～30.0 Ω。

4)防静电接地的接地电阻一般要求在30.0 Ω以下。

5)计算机系统宜与全厂接地网共地，不宜设专用独立接地网。各计算机系统内不同性质的接地，如电源地、逻辑地、机柜浮空后接地等应有稳定可靠的总接地板(箱)。当设备厂家对逻辑接地和计算机系统接地的阻值及接地方式有特殊要求时，应按其要求进行设计。

6)控制用电气设备外壳、不要求浮空的盘台、金属桥架、铠装电缆的铠装层、计算机信号电缆的屏蔽层等应设保护接地，保护接地应牢固可靠，保护接地的电阻值应符合现行电气保护接地规定。

(2)接地体材料及截面的选择。接地体材料应优先考虑选用热浸镀锌的钢材，也有部分工程采用铜接地体。

(3)接地网均压问题。接地网的局部放电容易向电缆沟内电缆产生反击，造成控制保护设备的损坏而引发恶性事故。

(4)设备的接地问题。有的防雷设备(如避雷线和避雷器)接地不好，从而会产生很高的残压和反击过电压。

(5)接地线的热稳定。如果接地线的热稳定达不到要求，在接地短路电流流过时，就会把接地线烧断，从而造成设备外壳带电，容易发生高压向控制线的反击。

(6)接地网的腐蚀问题。由于接地装置长期在地下运行，运行条件恶劣，特别在一些潮湿和有害气体存在的地方或土壤呈酸性的地方最容易发生腐蚀。受到腐蚀的接地网的电气参数往往会发生变化，甚至会造成电气设备接地与地网之间以及地网各部分之间形成电气上的开路，应该特别注意。

3 对接地系统中接地体的保护选择

在上面提到的大型火力电厂接地系统的几个重要问题中，特别是接地系统的保护问题，如何做好接地体的防腐问题尤为重要。接地系统的设计应保证其寿命与电厂主体工程相一致，主接地网及接地导体的设计必须充分考虑其防腐要求。采用何种方案防腐是尤为重要的，选择时既要考虑到安全、稳定运行因素，又要兼顾经济性和耐用性，充分保证其使用寿命，必须根据当地的实际情况详尽核算后方可确定。笔者以国内某660 MW超超临界电厂的接地系统保护的选择为实例，从腐蚀机制和原因的角度出发，通过计算和分析，最终确定接地系统的保护方案，以期达到设计和实际使用的要求。

3.1 接地装置腐蚀机制

腐蚀是指金属与环境间的物理、化学的相互作用，由此造成金属性能的改变，导致金属、环境或由其构成的一部分技术体系功能的损坏。

以腐蚀机制划分，可分为化学腐蚀和电化学腐蚀。化学腐蚀是指金属和非电解质直接发生纯化学作用而引起的金属损耗(如金属的高温氧化)。电化学腐蚀是指金属和电解质发生电化学作用而引起的金属损耗。在电化学腐蚀过程中，同时存在着2个相互独立的反应过程，阳极反应和阴极反应，并有电流产生。电化学腐蚀是最普遍的腐蚀现象。这种腐蚀反应的速度会因环境因素的影响而发生变化，在水中，则受水的pH值、湍流度、速度、水温、盐度和微生物等环境因素的影响而变化;在土壤中，则受土壤电阻率、pH值、氧化还原电位、含水量、含盐量等因素的影响而变化。

3.2 接地装置腐蚀原因

接地装置接地体腐蚀的原因是多方面的，归纳起来大致有4个方面。

(1)土壤腐蚀性强，特别是在偏酸性的土壤、风化石土壤和砂质土壤中，最易发生析氢腐蚀和吸氧腐蚀。

(2)接地体采用的再生钢材由于杂质超标，在地下易发生电偶电池腐蚀。

(3)使用了腐蚀性较强的降阻剂，特别是一些化学降阻剂，由于含有大量的无机盐类，加速了接地体的电化学腐蚀。一些固体降阻剂由于膨胀系数与钢接地体不一致，经过一定的时间后与接地体产生缝隙，产生了腐蚀电位差，加速了接地体的腐蚀。

(4)施工方面的原因主要有以下5个方面:

1)接地体埋深不够，上层土壤含氧率较高，吸氧腐蚀快;

2)用砂子、碎石和建筑垃圾作回填土;

3)焊接头存在虚焊、假焊现象，对焊接头没有做防腐处理;

4)对接地引下线没采取过渡防腐措施，没有刷防腐漆;

5)在扩大地网时，把新地网接到了原地网的电缆沟或把设备接地接到了电缆沟的均压带。而电缆沟的均压带是不定期地进行防腐处理，这样，会因焊接接头腐蚀断开而造成地网肢解。

3.3 接地系统中接地体的保护选择

接地系统中接地体的保护选择主要采取了防止接地装置腐蚀的有关措施。目前，国内防止接地装置腐蚀的常用措施主要有增加接地体金属厚度、采用耐腐蚀的接地体材料以及阴极保护等方法。

增加接地体金属厚度一般是采用镀锌和加大接地导体的截面及厚度来延长接地导体的使用寿命。对于耐腐蚀材料的接地体而言，国内一般都采用铜作为接地网，采用裸铜绞线作为接地材料。阴极保护是防止地下金属结构物腐蚀的最常用也是最为有效的方法。

所谓阴极保护就是向被保护金属通上一定的直流电，使被保护金属变成阴极而得到保护。根据所提供电流方法的不同，阴极保护分为外加电流法和牺牲阳极法。外加电流法是用外加可调直流电源(恒电位仪或整流器)供电，电源的正极接辅助阳极，负极接被保护的金属，如图1所示。

牺牲阳极法是用一种电位比所要保护的金属还要负的金属或合金(更活泼，易腐蚀)与被保护的金属连接在一起，依靠电位比较负的金属不断地腐蚀溶解所产生的电流来保护其他金属的方法，如图2所示。

2种方法的优、缺点比较见表1。

表1 牺牲阳极和外加电流优、缺点比较

4 接地系统保护选择实例分析

4.1 某660 MW超超临界机组土壤的实际情况

某660 MW超超临界机组土壤的实际情况主要是依据该发电厂工程可行性研究场地土壤电阻率测试专题报告提供的土壤类型进行分析。该电厂位于长江中下游地区，临近长江，厂址地基土层主要由粉质黏土、淤泥质粉质黏土、粉土、粉沙和中/细沙等部分组成，部分地基土层表现为夹层、互层类土。

埋深0.8 m处的土壤电阻率约为22.0 Ω。总的来说，该电厂土壤腐蚀性属于中等偏强。

4.2 接体系统的保护选择

由于该电厂土壤腐蚀性属于中等偏强的程度，不考虑采用铜接地网。一方面，由于铜材料价格高，几乎是钢材的1倍，使用铜作为接地网会使接地装置的造价比用钢材高出30%以上;另一方面，电厂内许多设备的外壳、构架和埋管都选用钢材，特别是循环水管采用钢管时更应要慎重考虑。铜本身会加速腐蚀，它与金属材料或邻近的其他金属材料(如钢材和钢管)接触会对钢质循环水管产生腐蚀，也给防腐工作带来困难。

从阴极保护中的牺牲阳极和外加电流比较来看，牺牲阳极法一次性投资较大，运行维护工作量小。外加电流法一次性投资较小，运行维护工作量较大，运行时需要用电，后期投入较大。因此，使用牺牲阳极的阴极保护方法更适合于保护碳钢接地系统。

综上所述，该电厂工程的接地系统的保护将在增加接地体金属厚度和牺牲阳极阴极保护之间进行计算比较后再确定。

4.3 计算比较

4.3.1 接地装置的热稳定校验

根据DL/T 621—1997《交流电气装置的接地》附录C提供的接地装置的热稳定校验的要求，接地装置截面积为

由于系统为提供零序阻抗，Ig按三相短路电流计算，Ig=35.6 kA。

接地短路时间:220 kV系统取0.7 s。接地材料使用总长度按30 km考虑。

Sg≥426 mm2，采用尺寸规格为60 mm×9 mm热镀锌扁钢(水平接地体)和尺寸规格为50 mm×50 mm×6 mm角钢(垂直接地体)。

按照DL/T 621—1997《交流电气装置的接地》中接地装置机械强度要求及热稳定的截面要求，接地装置截面积按接地引下线截面积的75%考虑(Sg1≥341 mm2):采用尺寸规格为50 mm×8 mm热镀锌扁钢(水平接地体)接地和尺寸规格为50 mm×50 mm×4 mm角钢(垂直接地体)。

4.3.2 增加金属厚度

为计算需要而增加的截面面积，必须确定金属在土壤中的腐蚀率。关于金属在土壤中的腐蚀率的问题，目前尚无全国统一的取值标准。据国外资料及国内部分省市开挖检查资料分析，一致意见是土壤电阻率越低，腐蚀率越大。

《交流电气装置接地设计规范》(最新修订送审稿)中的附录F提供了接地线和接地极年平均最大腐蚀速度参考值，其数据见表2。

根据《水电工程设计手册》中提供的腐蚀速度估计式，接地线和接地土壤电阻率与腐蚀性的关系见表3。

表2 接地线和接地极年平均最大腐蚀速率

表3 接地线和接地土壤电阻率与腐蚀性的关系

美国和前苏联提供的金属腐蚀速率参考值见表4。

表4 国外金属腐蚀速率的参考值

综合以上数据，土壤电阻率为22 Ω·m(取配电装置区域土壤电阻率)，腐蚀速率按0.20 mm/a考虑，使用寿命按30年考虑。计算结果为:采用尺寸规格为85 mm×11 mm的热镀锌扁钢(水平接地体)和采用尺寸规格为63 mm×63 mm×10 mm的角钢(未考虑腐蚀时，水平接地体可采用采用尺寸规格为50×8的热镀锌扁钢，垂直接地体可采用50×50×4的热镀锌角钢)。

4.3.3 牺牲阳极阴极保护

因为牺牲阳极阴极保护适合于保护钢接地系统，电力行业目前尚无相应的阴极保护规程，下面按照SY/T 0019—1997《埋地钢质管道牺牲阳极阴极保护设计规范》和GB/T 16166—1996《滨海电厂海水冷却水系统牺牲阳极阴极保护》(对内陆电厂埋地管网可参照使用)中有关公式进行计算。

(1)采用材料。土壤电阻率为25 Ω·m(全厂取平均值)，所以，宜采用MUG－2镁牺牲阳极。阳极尺寸规格为700 mm×(100+110)mm ×105 mm。阳极与接地网相同深度，与接地网平行，水平埋设。

(2)保护对象。阴极保护系统保护范围为:主厂房区(汽机房、锅炉房)、变压器区域、220 kV配电装置、厂区(炉后、电除尘、烟囱、煤场等)。

(3)设计使用年限。设计使用年限按25年考虑(自然腐蚀5年)。

(4)保护电流密度。J=17 A/m2。

(5)单只阳极发生电流。单只阳极发生电流可按式(1)计算

式中:If为单只阳极发生电流量，A;ΔE为阳极驱动电压，0.65 V;R为阳极接地电阻，Ω。

阳极接地电阻R可按式(2)计算

式中:L为阳极长度，取0.700 m;D为填料层直径，取0.250 m;d为阳极等效直径，取0.134 m;ρ为土壤电阻率，取25 Ω·m;ρ1为填料电阻率，取 1.0 Ω·m;h为从地面至阳极中心的埋深，取0.800 m。

经计算，R=5.235 Ω，If=0.124 A 。

(6)地网保护电流。全厂埋地接地网，水平接地体材料为热镀锌扁钢，尺寸规格为60 mm×9 mm(考虑5年的自然腐蚀应和接地引下线的截面保持一致)，垂直接地体为热镀锌角钢，其尺寸规格为50 mm×50 mm×6 mm。

(7)所需阳极数量。

式中:N为所需阳极数量;f为备用系数，取2～3;I为所需保护电流;If为单支阳极输出电流。

经计算，1190≤N≤1785，取 N=1300。

(8)阳极工作寿命。

式中:t为阳极工作寿命;m为阳极净质量，取18200 kg;ω为阳极消耗率;镁阳极取7.96 kg/(A·a);I为阳极平均输出电流，取73.78 A。

经计算，t=26.34 a ＞25.00 a，满足要求。

由上述计算可得出方案投资比较，见表5。

表5 方案投资费用的比较

从表5可以看出，牺牲阳极方案投资费用比增加金属厚度方案投资费用多22.5万元。

4.4 660 MW超超临界机组接地系统保护的选择

发电厂接地装置在土壤中的腐蚀属于电化学腐蚀，增加金属厚度和牺牲阳极阴极保护均能够有效地防止其腐蚀。牺牲阳极方案水平接地体采用尺寸规格为60 mm×9 mm的热镀锌扁钢，垂直接地体采用尺寸规格为50 mm×50 mm×6 mm热镀锌角钢，增加金属厚度方案水平接地体采用尺寸规格为85 mm×11 mm热镀锌扁钢，垂直接地体采用尺寸规格为63 mm×63 mm×10 mm热镀锌角钢。虽然增加金属厚度投资费用略少一点，但由于其涂层存在老化问题，不可避免地会有漏涂、针孔和破损的问题，腐蚀将会集中在这样一些微小区域，导致金属腐蚀穿孔。由于接地材料截面的增加给接地体的焊接和弯、折等施工带来了很大的困难。因此，综合考虑这些因素，该工程推荐采用牺牲阳极阴极保护方案。