杜文華，張魁

(陽泉煤業(yè)集團(tuán)西上莊熱電有限公司，山西 陽泉 045000)

0 引言

所謂接地，就是將電氣設(shè)備某一部分，通過接地線、接地網(wǎng)、接地極與大地相連，起到為故障電流、雷電流提供泄流通道，為設(shè)備提供零電位參考點(diǎn)，消除靜電、電磁干擾等作用?；痣姀S接地系統(tǒng)復(fù)雜，若設(shè)計(jì)、監(jiān)督、維護(hù)不到位，極易發(fā)生接地故障，如互感器二次回路多點(diǎn)接地、直流控制回路多點(diǎn)接地等，將造成保護(hù)、開關(guān)誤動(dòng)或拒動(dòng)，給設(shè)備安全運(yùn)行帶來極大隱患。因此，了解各類接地作用，熟悉常見接地故障，掌握常見故障排查方法，對(duì)于電氣專業(yè)人員來說尤為重要。

1 火電廠接地系統(tǒng)分類及用途

火電廠電氣設(shè)備接地從使用功能上來說，分為工作接地、保護(hù)接地、防雷接地、防靜電接地和屏蔽接地5種。

1.1 工作接地

將電力系統(tǒng)中某一點(diǎn)與大地相連，為電氣系統(tǒng)提供一個(gè)基準(zhǔn)電位，這個(gè)基準(zhǔn)電位通常為零，如火電廠變壓器中性點(diǎn)接地、發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)接地。火電廠電力系統(tǒng)中通常采用中性點(diǎn)接地和中性點(diǎn)不接地兩種系統(tǒng)，而中性點(diǎn)接地系統(tǒng)又分為經(jīng)消弧線圈接地、經(jīng)電阻接地、經(jīng)電抗器接地和直接接地幾種。

1.2 保護(hù)接地

將電氣設(shè)備不帶電金屬部分接零或接地，是為了防止電氣設(shè)備絕緣損壞時(shí)外露金屬部分帶電，通過接地降低電壓，防止人身觸電。針對(duì)不同接地形式的配電系統(tǒng)，我國保護(hù)接地常采用3種方式來限制漏電電流，即IT，TT，TN。

IT，TT均屬于保護(hù)接地系統(tǒng)，它的保護(hù)原理是當(dāng)人體接觸漏電設(shè)備后，由于外殼接地電阻相對(duì)人體電阻非常小，絕大部分電流通過接地電阻，從而保證了人體的安全；TN系統(tǒng)屬于保護(hù)接零系統(tǒng)，它的保護(hù)原理是當(dāng)電氣設(shè)備外殼漏電時(shí)，漏電電流上升為短路電流，電源開關(guān)直接保護(hù)動(dòng)作跳閘，切斷故障，從而保護(hù)人身安全。

1.3 防雷接地

防雷接地的作用是通過大地釋放雷擊電流，以保護(hù)人身、建筑物、電氣設(shè)備安全。防雷裝置通常由接閃器、防雷引下線、接地裝置3部分組成。

1.4 防靜電接地

靜電是干燥環(huán)境摩擦產(chǎn)生的積蓄電荷，火電廠防靜電接地的作用是消除靜電，防止靜電引燃或引爆易燃油、氫氣儲(chǔ)罐和管道等易燃易爆物體，避免電子元器件遭受靜電損傷。

1.5 屏蔽接地

在電氣設(shè)備屏蔽體與大地之間做永久電氣連接，防止外來電磁干擾，造成電子設(shè)備誤動(dòng)或通信質(zhì)量下降。屏蔽接地方式一般有屏蔽層單端接地和屏蔽層雙端接地兩種，單端接地適用于長度較短以及弱電回路消除干擾，雙端接地適合強(qiáng)磁場環(huán)境消除干擾。

2 火電廠常見接地故障

2.1 繼電保護(hù)二次回路兩點(diǎn)接地故障

根據(jù)《防止電力生產(chǎn)事故的二十五項(xiàng)重點(diǎn)要求》的規(guī)定，電流互感器、電壓互感器二次回路必須有且只有一點(diǎn)接地，其原因既是為了人身和二次設(shè)備的安全，又是為了保證繼電保護(hù)正確動(dòng)作?；痣姀S的電流互感器和電壓互感器多分布在室外且分布范圍廣，因此，二次回路絕緣老化或檢修時(shí)人為誤操作會(huì)導(dǎo)致互感器二次回路形成兩點(diǎn)甚至多點(diǎn)接地，造成保護(hù)誤動(dòng)或拒動(dòng)。

2.1.1 電流互感器兩點(diǎn)接地對(duì)保護(hù)的影響

(1)電流互感器兩點(diǎn)接地可能造成保護(hù)拒動(dòng)。

當(dāng)兩點(diǎn)接地發(fā)生在電流互感器二次線圈兩側(cè)時(shí)，兩接地點(diǎn)經(jīng)大地形成回路，可能會(huì)造成二次側(cè)電流分流，尤其當(dāng)兩接地點(diǎn)距離較近時(shí)，將直接短路保護(hù)裝置采樣回路，因此對(duì)于過流保護(hù)而言，由于采集不到故障電流，故將發(fā)生保護(hù)拒動(dòng)。

(2)電流互感器二次回路兩點(diǎn)接地可能造成誤動(dòng)。以變壓器差動(dòng)保護(hù)為例，理想狀態(tài)下，運(yùn)行中變壓器高、低壓側(cè)電流互感器二次電流基本相等，差動(dòng)繼電器不動(dòng)作。當(dāng)二次差動(dòng)回路兩點(diǎn)接地時(shí)，若接地點(diǎn)間存在電勢差，尤其是接地點(diǎn)有故障接地電流時(shí)，兩接地點(diǎn)電勢差會(huì)在差動(dòng)回路中產(chǎn)生較大的不平衡電流，造成差動(dòng)保護(hù)誤動(dòng)。

2.1.2 電壓互感器二次回路兩點(diǎn)接地對(duì)保護(hù)的影響

電壓互感器二次中性點(diǎn)要求一點(diǎn)接地，二次側(cè)如發(fā)生兩點(diǎn)接地，接地點(diǎn)接地電勢不同，尤其當(dāng)接地點(diǎn)存在一次系統(tǒng)接地故障時(shí)，兩接地點(diǎn)間存在較大的電勢差，互感器將產(chǎn)生相電壓測量誤差，分析如下：設(shè)中性點(diǎn)兩接地點(diǎn)電勢差為Uγ，則有Ua=Ua′+Uγ，Ub=Ub′+Uγ，Uc=Uc′+Uγ，此時(shí)保護(hù)采集的各相電壓不再是真實(shí)相電壓，電壓的幅值、相位均會(huì)發(fā)生改變；同理，系統(tǒng)接地時(shí)互感器自產(chǎn)零序電壓也將發(fā)生改變，3U0=Ua′+Ub′+Uc′+3Uγ：因此，對(duì)采用相電壓以及零序電壓作為判據(jù)的保護(hù)都將造成影響[1]。

以接地距離保護(hù)為例，接地距離保護(hù)就是利用短路時(shí)電流、電壓同時(shí)變化的特征，測量電壓、電流比值(該比值反映了保護(hù)至故障點(diǎn)的距離，即阻抗)，如果該比值小于整定值則保護(hù)跳閘，距離越近保護(hù)動(dòng)作時(shí)間越短。電壓互感器兩點(diǎn)接地時(shí)測量阻抗由Zm=Ua/Ia變?yōu)閆m=(Ua+Uγ)/Ia，將造成測量阻抗存在誤差。當(dāng)測量阻抗比故障點(diǎn)真實(shí)阻抗大時(shí)，可能引起保護(hù)拒動(dòng)，當(dāng)測量阻抗比故障點(diǎn)真實(shí)阻抗小時(shí)，將造成故障測距錯(cuò)誤。

從上述分析可知，無論電壓互感器還是電流互感，二次回路一旦發(fā)生兩點(diǎn)接地，都將引起保護(hù)誤動(dòng)或拒動(dòng)。

2.2 熱工回路屏蔽電纜兩端接地故障

根據(jù)DL/T 1083—2008《火力發(fā)電廠分散控制系統(tǒng)技術(shù)條件》以及電力安全規(guī)程要求，電纜屏蔽層應(yīng)在機(jī)柜側(cè)單端接地。實(shí)際運(yùn)行中，往往由于規(guī)程執(zhí)行不到位及電纜破損等原因，致使屏蔽線雙端兩點(diǎn)或多點(diǎn)接地，造成熱工信號(hào)測量誤差，影響系統(tǒng)運(yùn)行。

正常運(yùn)行時(shí)，外部電磁干擾將會(huì)在屏蔽層產(chǎn)生感應(yīng)電勢，屏蔽層上的感應(yīng)電勢通過信號(hào)電纜的分布電容耦合到信號(hào)線中，干擾有用信號(hào)。對(duì)于干擾信號(hào)，可通過屏蔽層單端接地來消除感應(yīng)電勢，但如果屏蔽層雙端接地，A，B點(diǎn)存在電勢差，兩點(diǎn)會(huì)通過大地形成環(huán)流，這個(gè)電流將會(huì)對(duì)信號(hào)產(chǎn)生干擾。

熱工系統(tǒng)不同于電氣系統(tǒng)，電氣系統(tǒng)的測量回路一端在高電壓的環(huán)境中，高壓尤其暫態(tài)過電壓帶來的電磁干擾非常強(qiáng)，且電氣測量回路一般為強(qiáng)電回路，地電位形成的環(huán)流已不是主要矛盾，故GB/T 14285—2016《繼電保護(hù)和安全自動(dòng)裝置技術(shù)規(guī)程》和防止電力生產(chǎn)重大事故的二十五項(xiàng)反措第18.7.7條規(guī)定，電氣屏蔽電纜必須采用雙端接地來消除干擾源。對(duì)于熱工系統(tǒng)而言，電磁干擾矛盾不突出，由于測量回路為弱電回路，因此兩點(diǎn)接地形成的環(huán)流反而會(huì)成為主要矛盾。

2.3 電氣二次回路兩點(diǎn)接地對(duì)電度表計(jì)量的影響

電度表的準(zhǔn)確性直接影響火電廠電能計(jì)費(fèi)。電度表在電廠通常以三相三線電度表、三相四線電度表、單相電度表的形式出現(xiàn)。一般情況下，造成電度表計(jì)量誤差的原因有：電度表本身準(zhǔn)確度不同引起的誤差；互感器變比選擇、二次回路故障引起的誤差；電壓回路壓降引起的誤差；電度表接線極性錯(cuò)誤引起的誤差。本文著重對(duì)互感器二次回路故障引起的誤差進(jìn)行分析。

若電流互感器二次線圈兩側(cè)發(fā)生接地，兩接地點(diǎn)間將短路電度表電流線圈，電度表電流采樣單元采樣不到或采樣電流比實(shí)際二次電流小，會(huì)導(dǎo)致電度表測量電量低。

電壓互感器中性線發(fā)生兩點(diǎn)接地，若兩接地點(diǎn)電勢不同，將造成互感器二次側(cè)中性點(diǎn)偏移，產(chǎn)生相電壓測量誤差，從而導(dǎo)致電度表測量電量出現(xiàn)誤差。

2.4 直流控制回路接地故障

在火電廠電氣系統(tǒng)中，斷路器和部分重要輔機(jī)均采用直流電源控制，由于直流線路分布范圍廣，極易發(fā)生直流接地，一旦直流系統(tǒng)發(fā)生接地，就可能造成開關(guān)拒跳或誤跳，影響火電廠安全運(yùn)行。

造成直流接地的常見原因：控制回路電纜外皮破損；斷路器二次插頭接線開焊、斷線；分、合閘線圈燒毀?；痣姀S直流控制系統(tǒng)一般采用220 V電壓等級(jí)，其中正極+110 V，負(fù)極-110 V，因此直流接地也分為直流正接地和直流負(fù)接地。當(dāng)直流控制回路發(fā)生一點(diǎn)接地時(shí)，不會(huì)對(duì)控制造成影響，但必須立即查找、處理，因?yàn)楫?dāng)控制回路發(fā)生第2點(diǎn)或多點(diǎn)接地時(shí)，將造成開關(guān)拒動(dòng)或誤動(dòng)。

圖1為斷路器控制回路原理圖。當(dāng)控制回路中正極a點(diǎn)接地，同時(shí)c點(diǎn)又接地時(shí)，a，c兩點(diǎn)通過大地形成回路，將使合閘中間繼電器線圈導(dǎo)通，造成開關(guān)誤合。若回路中a，d點(diǎn)同時(shí)接地，將造成跳閘線圈導(dǎo)通，從而導(dǎo)致開關(guān)誤跳。

當(dāng)控制回路中負(fù)極b點(diǎn)接地，同時(shí)d點(diǎn)又接地時(shí)，將短路合閘線圈，造成開關(guān)拒跳。b，c點(diǎn)同時(shí)接地，將短路合閘線圈，造成開關(guān)拒合，同時(shí)會(huì)造成保險(xiǎn)FU熔斷。

圖1 斷路器控制回路原理

因此由上述分析可知，正極兩點(diǎn)接地可造成開關(guān)誤動(dòng)，負(fù)極兩點(diǎn)接地可造成開關(guān)拒動(dòng)。

2.5 防雷接地可能出現(xiàn)的問題

火電廠防雷系統(tǒng)在保證電力設(shè)備和人身安全方面有著不可替代的作用，但防雷接地存在設(shè)計(jì)不合理、施工不規(guī)范、后期維護(hù)不到位等隱患，本文統(tǒng)計(jì)了火電廠基建及運(yùn)行期間的接地問題。

(1)防雷接地設(shè)計(jì)時(shí)，忽略道路及建筑物出入口均壓帶的設(shè)置。根據(jù)GB 50169—2016 《電氣裝置安裝工程接地裝置施工及驗(yàn)收規(guī)范》要求，避雷針及其接地裝置與道路或建筑物出入口距離小于3 m時(shí)，應(yīng)采取均壓措施或敷設(shè)卵石或?yàn)r青地面。當(dāng)雷擊發(fā)生時(shí)，接地點(diǎn)電勢升高，采用均壓帶是為了降低跨步電壓，防止人員通行時(shí)觸電。

(2)施工時(shí),施工人員為圖方便，隨意開挖敷設(shè)，致使避雷針集中接地裝置與主接地網(wǎng)的接地點(diǎn)至35 kV及以下設(shè)備與主接地網(wǎng)接地點(diǎn)的距離不足15 m，不滿足規(guī)范要求。GB 50169—2014 《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》條文說明中認(rèn)為，避雷針遭雷擊后，接地點(diǎn)電勢向外傳播15 m后，一般不會(huì)危及設(shè)備。

(3)接地網(wǎng)搭接焊接不符合規(guī)范要求，焊接處未進(jìn)行防腐處理。如某電廠基建期敷設(shè)接地網(wǎng)時(shí)，水平接地網(wǎng)焊接部分扁鋼搭接面僅有2個(gè)棱邊焊接(規(guī)程要求至少3個(gè)棱邊焊接)，且焊接處防腐處理時(shí)未清理焊藥。焊接不良及防腐處理不到位，均會(huì)加速接地連接點(diǎn)腐蝕、斷裂，影響接地網(wǎng)接地電阻。

(4)運(yùn)行期維護(hù)不到位，接地網(wǎng)腐蝕嚴(yán)重甚至斷裂，造成接地電阻增大。

(5)避雷器泄漏電流監(jiān)測不到位，未按期進(jìn)行預(yù)防性試驗(yàn)，未能及時(shí)發(fā)現(xiàn)避雷器斷相或擊穿，造成系統(tǒng)故障。

2.6 電氣設(shè)備保護(hù)接地可能出現(xiàn)的問題

火電廠中低壓配電系統(tǒng)保護(hù)接地通常采用TN-C系統(tǒng)，其中零線的作用是：在三相負(fù)荷不平衡時(shí)，保證中性點(diǎn)電壓不偏移，維持相電壓基本不變；作為保護(hù)接零系統(tǒng)PE線；與相線組成單相負(fù)荷電氣回路。一旦零線發(fā)生斷線，將給人員以及電氣設(shè)備安全運(yùn)行帶來極大的威脅。零線斷線故障分析如下。

如圖2所示，正常情況下，TN-C系統(tǒng)零線不帶電，設(shè)備外殼保護(hù)接于PEN線上，當(dāng)設(shè)備外殼發(fā)生漏電時(shí)，相當(dāng)于零線與相線短路，保護(hù)跳閘。

圖2 TN-C系統(tǒng)零線斷線

若在圖中a點(diǎn)發(fā)生零線斷線，a點(diǎn)之前零線電壓仍為零，a點(diǎn)之后，所有單相設(shè)備組成星形負(fù)載，且零線均帶電。

若在圖中b點(diǎn)發(fā)生零線斷線，b點(diǎn)之后的單相負(fù)荷相當(dāng)于串接在B，C相之間，B，C相負(fù)荷兩端電壓為線電壓，根據(jù)串聯(lián)分壓原理，阻抗大的分壓大，阻抗小的分壓小，將燒毀B，C相負(fù)荷或因電壓太低而無法工作。

若在圖中c點(diǎn)發(fā)生零線斷線，c點(diǎn)之后所有的單相設(shè)備由于電氣回路開斷，均不能工作。另外，若設(shè)備外殼發(fā)生漏電，由于零線與中性點(diǎn)斷線，不能形成短路電流，保護(hù)接零也會(huì)失去作用，設(shè)備外殼帶電，威脅人員安全。

3 火電廠常見接地故障排查方法

3.1 互感器二次側(cè)兩點(diǎn)接地排查方法

3.1.1 電流互感器二次側(cè)兩點(diǎn)接地排查方法

正常運(yùn)行時(shí)，電流互感器二次側(cè)接地點(diǎn)接地電流為零，下面就電流互感器線圈兩側(cè)接地以及中性線兩點(diǎn)接地電流情況進(jìn)行分析，得出二次回路是否兩點(diǎn)接地的檢測方法。

(1)互感器線圈兩側(cè)接地分析。如圖3所示，根據(jù)節(jié)點(diǎn)電流定律可得出：I3=I1+I2，I1=Ia+Ib1+Ic，Ib1=Ib-Ib2，Ia+Ib+Ic=0，I1=-Ib2，I3=0。

由以上公式可得出I2=Ib2，故當(dāng)電流互感器發(fā)生兩點(diǎn)接地時(shí)，中性線電流與永久接地點(diǎn)電流大小相等方向相反，兩接地點(diǎn)電勢差需經(jīng)過互感器、負(fù)載才能形成回路，而回路電阻較大，故此時(shí)電勢差影響可以忽略。

圖3 電流互感器線圈兩側(cè)接地

(2)電流互感器中性線兩點(diǎn)接地分析。如圖4所示，當(dāng)2，3接地點(diǎn)存在電勢差時(shí)，定義電勢差作用下形成的電流為Is，同樣可以得出：I3=I1+I2，I1=Ia+Ib+Ic-Is=-Is，I3=0。

由以上公式可以得出I2=Is。I2與I1大小相等方向相反。

圖4 電流互感器中性線兩點(diǎn)接地

通過上述分析可得出結(jié)論：當(dāng)電流互感器發(fā)生多點(diǎn)接地時(shí)，I1，I2將顯著增大，且大小相等方向相反，日常運(yùn)行時(shí)，通過檢測永久接地點(diǎn)以及電流互感器中性點(diǎn)電流，即可判斷二次回路是否發(fā)生兩點(diǎn)接地[2]。

3.1.2 電壓互感器二次側(cè)兩點(diǎn)接地排查方法

設(shè)備運(yùn)行中，由于無法解開電壓互感器二次接地線，因此一般采用電阻法查找二次回路多點(diǎn)接地互感器。正常情況下，由于對(duì)地未形成回路呈現(xiàn)高阻抗，因此接地回路中電流值非常小。當(dāng)在接地點(diǎn)串入滑線電阻時(shí)，相對(duì)于對(duì)地的高阻抗，滑線電阻阻值非常小，因此改變滑線電阻阻值，接地電流幾乎不變。當(dāng)電壓互感器中性線發(fā)生兩點(diǎn)接地時(shí)，由于兩接地點(diǎn)存在電勢差，并且構(gòu)成回路，在永久接地點(diǎn)串入滑線電阻，a點(diǎn)接地電流將隨著阻值變化發(fā)生顯著改變，此時(shí)即可判斷互感器是否二次回路兩點(diǎn)接地[3]。

3.2 直流控制系統(tǒng)接地排查方法

(1)通過直流絕緣監(jiān)測系統(tǒng)判斷接地支路。

(2)逐一切除直流負(fù)荷，查找接地支路上的接地點(diǎn)。

(3)對(duì)于直流停電可能引起誤動(dòng)作的設(shè)備，應(yīng)將負(fù)荷倒切至備用電源后，方可停電查找接地點(diǎn)。

(4)直流接地查找原則：根據(jù)運(yùn)行方式、操作情況、天氣情況判斷可能發(fā)生的接地點(diǎn)。接地查找應(yīng)遵循先照明、后信號(hào)、再操作的順序。

3.3 熱工屏蔽回路接地故障排查方法

熱工系統(tǒng)中，經(jīng)常由于屏蔽層接地線斷線或多點(diǎn)接地造成測量誤差，影響系統(tǒng)運(yùn)行。對(duì)于屏蔽層接地，通常按照以下方法查找。

(1)屏蔽層接地線斷線排查。使用萬用表測量屏蔽層對(duì)地電阻，若電阻值顯著增大(大于4 Ω或無窮大)，說明屏蔽層接地線虛接或斷線。

(2)屏蔽層多點(diǎn)接地點(diǎn)排查。當(dāng)屏蔽層發(fā)生多點(diǎn)接地時(shí)，通過信號(hào)發(fā)生儀給屏蔽層加電流，電流通過接地點(diǎn)形成回路，利用掐流表，以加電流側(cè)為起點(diǎn)，任意選擇電纜一點(diǎn)測量屏蔽層電流，若有電流，說明故障點(diǎn)在測量點(diǎn)之后，若無電流，說明測量點(diǎn)在故障點(diǎn)之后。

3.4 電纜接地故障排查方法

電纜故障接地，目前常用的排查方法為直流電橋法。

如圖5所示，若電纜單相接地，將電纜的完好芯線和故障芯線短接構(gòu)成環(huán)線，電橋a1，b1分別和故障芯線、完好芯線相連，測量電流經(jīng)接地點(diǎn)形成回路，調(diào)節(jié)可調(diào)測量臂電阻Ra，當(dāng)檢流計(jì)電流為零時(shí)，電橋平衡。根據(jù)惠斯通電橋原理可知，此時(shí)Rm/Ra=(2RL-RX)/RX(Rm為比例臂電阻)，而電纜的電阻跟長度和截面積有關(guān)，由于同一根電纜的電阻率和截面積不變，故RX=LXρ/s，RL=Lρ/s，因此，故障點(diǎn)距離LX=2LRa/(Rm+Ra)。電纜兩相接地可按上述辦法逐一找出接地點(diǎn)。電纜三相接地，需借助附近另一完好平行線路中的一根芯線作為輔助線，原理與單相接地查找相同。

圖5 直流電橋測量電纜接地點(diǎn)原理

4 結(jié)束語

火電廠電氣設(shè)備接地系統(tǒng)十分復(fù)雜，涉及的知識(shí)面廣，加強(qiáng)接地系統(tǒng)技術(shù)管理工作是電氣設(shè)備安全、穩(wěn)定運(yùn)行的基礎(chǔ)。電氣設(shè)備接地系統(tǒng)如發(fā)生故障，輕則導(dǎo)致計(jì)量不準(zhǔn)確、信號(hào)異常，重則會(huì)發(fā)生保護(hù)誤動(dòng)、拒動(dòng)，進(jìn)而發(fā)生重大事故。如果防雷接地和保護(hù)接地不規(guī)范，還有可能發(fā)生人身傷害事故。因此，需要火電廠電氣專業(yè)人員從基建期開始，認(rèn)真學(xué)習(xí)相關(guān)的規(guī)程規(guī)范，認(rèn)真落實(shí)相關(guān)的規(guī)定；在運(yùn)營期要嚴(yán)格執(zhí)行接地設(shè)備定期檢查、檢驗(yàn)的工作制度，發(fā)生接地故障要及時(shí)排查處理。