南水北调东线大型调水泵站安全接地系统标准化设计探究

0引言

泵站内接地分为保护接地、工作接地、防雷保护接地和防静电接地[1]。在南水北调东线大型调水泵站群,接地系统主要由保护、工作、防雷保护和防静电接地等共同组成,该系统在最大程度上决定了调水泵站的工作效率、设备设施能否安全运行、后期维养是否简单方便。本文从南水北调东线某大型调水泵站的工程建设和日常使用现状进行分析,发现泵站整个接地系统还未达到标准化、样板化、精细化的要求,难以满足正常的工程运行和维护保养需要。因此,通过对该接地系统的安全可靠性进行研究,对其标准化做法进行设计,来保证调水泵站设备设施正常运行,进而从根源上控制住因现场接地问题引起的生产安全事故和已发现问题隐患屡查屡有现象,有效提升泵站的运行管理水平。

1 接地装置设计

本文结合相关现行标准规范、泵站工程管理规程以及工程现场实际情况,对该泵站接地装置安装现状进行分析,发现存在现场选用的接地材料规格未统一、接地线不符合现有技术规范、未涂刷接地标识及缺少标示类标牌等问题。为充分满足接地装置的设计要求,保证接地系统长期、可靠、稳定运行,下面对系统内接地装置的材质、颜色、规格等方面进行探究。

1.1 接地装置材质

1)钢质接地体。接地装置一般选用结构钢制成,除临时接地装置外,使用钢材作为接地装置材料时均应进行热镀锌处理。水平接地体宜选用热镀锌扁钢[2],垂直接地体可选用角钢或钢管等热镀锌钢质材料,虽然角钢制成的接地体在散流效果方面比钢管差一点,但施工难度小、成本低,现场安装一般采用角钢。2)软性接地体。由于接地体应用于低压成套开关设备和控制设备具有多变性和复杂性,为满足连接方便容易的要求,选择软材为佳,如多股和单股芯线、编织线。低压成套开关设备和控制设备的盖板、柜门、遮板和其他类似部件上如果没有安装超过特低电压限值(ELV)的电气装置,如信号灯、仪表、操作电器等,通常采用金属螺钉连接和金属铰链连接;若装有,一般采用金属螺钉连接和黄、绿双色地线连接。3)铜质接地体。铜排,有的场合也称为铜母线、铜母排、铜汇流排或接地铜排,通常采用优质铜材制作,是种截面形状为矩形或倒角(圆角)矩形的优良接地导体。铜排能够承受大电流而不易发热,热稳定性较好,电阻率低,可折弯度大,特别耐腐蚀,寿命一般为30~60年,可在电路中起输送电流、连接电气设备的作用,一般用于弱电机房接地。

1.2 接地装置颜色

1)按照有关标准和生产实际情况,用黄、绿双色作为安全用电的接地线颜色。黄、绿双色是国际电工委员会规定的保护接地线专用色标,已为国际通用[3]。此外,黄、绿双色线较其他颜色更为醒目和具有安全感,任何情况下接地软导线颜色均应为黄、绿双色,其他导线不得采用此种颜色,也不可和其他颜色互相代用。2)明敷接地线安装时,在接地线全部长度上或者每个区间或每个可接触到的部位的表面,涂刷宽度相等、绿色和黄色相间的条纹标识。导体长度在20 cm以下时,导体表面各1/2涂刷;长度在20 cm以上时,导体表面间隔10cm涂刷。3)接地材料采用铜排时,为预防硬铜排腐蚀,保护铜排免受腐蚀和氧化侵害,需要在铜排表面套热缩管。热缩管采用交流电的三相五线标准导线颜色,PE线的热缩管颜色为黄、绿双色。

1.3 接地装置截面

1)接地铜排截面积的选择需要测量实际负荷电流并考虑电流过载因素。可以通过负荷电流除以电流密度(通常为5~8 A/mm2)得出,然后参考铜排载流量表并根据安装方式和散热条件确定铜排的宽度和厚度。结合站内不同设备的最大负载电流要求,铜排截面积不应小于50 mm²,厚度不应小于2 mm,以免接地故障时发生电气危险。2)低压电气设备地面上连接至接地极或保护线(PE)的外露接地线最小截面积应不小于4 mm²。为保证电动机接地故障时保护接地线有足够的容量,应根据电动机相线截面积确定接地线截面积。泵站内中小型电动机相线截面积在4~16 mm²之间,远小于标准临界值25 mm²,接地时接地线应等同相线的截面积,以避免电动机受损或引发更严重的安全事故。3)接地装置水平接地极的截面不应小于连接至该装置接地线截面的75%,扁钢材质的接地极和接地线的截面积不应小于48 mm²,电力线路杆塔的接地极引出线的截面积不应小于50 mm²。此外,敷设在混凝土中作为防雷接地装置的钢筋或圆钢,当仅为一根时,其截面积不应小于50 mm²,直径不应小于10 mm。如暗敷引下线,采用圆钢时直径不应小于10 mm,而采用扁钢时截面不应小于80 mm²。

2接地系统标准化做法

泵站安全接地系统剖面图如图1所示,该调水泵站接地系统为一个总的接地装置。

在标准化建设过程中,对泵站内机械设备接地、电气设备接地、水工建筑物接地、特殊设备接地等多种类型进行了专题研究。本文就标准化做法的几个方面做以下具体阐述。

2.1机械设备接地

机械设备接地是泵站整个接地系统中的一个重要环节,直接关系到设备的运行安全性和可靠性。主机组及辅机设备作为整个泵站抽水系统的核心组件,其工作环境对接地提出了严格要求。对于电动机额定电压超过交流1 000 V或直流1500 V的主水泵机组部分,主电动机定子与50 mm× 5 mm镀锌扁钢通过M14热镀锌螺丝螺母紧固连接,电力电缆金属护层与50 mm×5 mm热镀锌扁钢通过M14螺丝螺母紧固连接,并将φ10镀锌圆钢从主电机周边干线引出和主机组机座进行可靠电弧焊接,接地完成后在表面涂刷黄绿双色漆防腐,以形成可靠的接地保护体系。对于泵站内额定电压大于交流50 V或直流120 V但不超过交流1 000 V或直流1 500 V的电动机,如供水泵、排水泵、冷水机组等辅助设备,与其相连接的机械设备和附属金属结构接地时,从电动机周边干线引出水平镀锌扁钢接地线采用焊接方式与机械设备连接;而这些小型电机接地时采用BVR黄绿双色软铜线与设备内的电机底座及电机外壳相连接,软铜线具体截面积取决于电机相线截面积;之后双色软铜线和40 mm×4 mm镀锌扁钢通过螺丝螺母紧固相连,再将其接入接地网。

2.2电气设备接地

电气设备接地是为保证电气设备正常工作和人身安全而采取的一种用电安全措施[4]。在泵站安全接地中,除机械设备接地外,站内电气设备的防护也是至关重要的。这些设备包括但不限于高低压开关柜、直流柜、励磁柜、计算机保护柜等。控制盘柜接地时将截面不小于50 mm2的镀锌扁钢一端与此类电气设备的控制盘柜进行可靠焊接,另一端就近与主接地网进行焊接相连。控制柜门跨接线时柜门一侧没有安装超过特低电压限值的电气装置,使用截面不小于4 mm2 的透明软胶铜绞线通过螺丝螺母紧固方式将设备柜门与等电位接地网紧密连接;若另一侧安装超过特低电压限值的电气装置,以同样连接方式用截面不小于4 mm2的黄、绿双色软铜线跨接。

2.3水工建筑物接地

某大型调水泵站的主要建筑物包括泵站工程的站身、翼墙、上下游护坡、节制闸及配套管理设施,设计施工时建有稳定可靠的外部避雷装置。避雷装置主要由接闪器、引下线和接地装置三部分组成[5]。如图2所示,泵站在建筑物顶部使用φ10镀锌圆钢制作成避雷网,利用φ16圆钢或建筑物墩柱内主筋连焊后作引下线,将雷电流直接引入大地泄散,以降低电位,避免引起电位不均或对设备造成反击破坏;在数根引下线上距地面0.3 m处设连接测试板,焊接后除去残留焊药并涂刷沥青防腐。泵站、节制闸与检修间的基础不在同一高程上,接地极根据各自底板高程分别敷设并引上至屋顶避雷网,三部分的接地及避雷网连通形成一个防雷接地系统。在接地装置设计和安装时,充分利用工程现场的自然接地体接地,根据实际需要再另设人工接地体以节省用料,减少工程投资。人工接地体有垂直埋设和水平埋设两种。泵站水工建筑物内根据需要采取垂直埋设人工接地体,如图3所示,使用的垂直接地体为50mm×50mm×5 mm规格、2.5 m长的镀锌角钢。

2.4特殊设备接地

1)通信机房接地。泵站通信机房设备接地时在机房内架设接地汇流排,机房内的设备及其金属外壳利用黄、绿双色接地铜线,采用等电位连接形式连接到敷设在机房设备顶部桥架上端的接地汇流排上,铜排配有专用接地端子,利用接地线接入泵站的保护地,在铜排空余处使用黄、绿双色的热缩套管进行防护,以提高安全性。2)室外路灯接地。室外路灯除用金属灯柱兼作接闪器和引下线,路灯基础内钢筋做自然接地体外,额外增加人工接地体用于防雷接地。接地时路灯底部均安装长2.5 m的50 mm×5 mm镀锌角铁,通过50 mm× 5 mm热镀锌扁钢开孔利用螺栓与路灯立杆连接,实现路灯基础与接地极的可靠连接,焊接后进行防腐处理。3)电缆桥架接地。金属电缆桥架接地时沿电缆桥架敷设镀锌扁钢,电缆桥架的开始部分和终点部分两端均应与接地网可靠连接,桥架两端连接镀锌扁钢,每隔20 m桥架增加与接地网的连接点。电缆桥架的镀锌支吊架和镀锌电缆桥架之间无跨接地线时,电缆桥架间采用6 mm2黄绿双色软铜线连接,连接处使用两个专用接地螺栓固定。

3接地系统标准化控制措施

在实际的接地系统标准化建设过程中,需要注意整个接地系统内可能遇到的困难或问题,以确保建筑物和设备的安全运行。针对上文提出的标准化做法,本文从以下几个方面采取有效的控制措施来保证接地系统标准化创建质量。

1)接地网的防腐。在机组平稳运转的前提下,需要及时解决接地网中存在的腐蚀问题,做好泵站接地系统防腐蚀工作,确保其正常使用。接地体的材料有铜、热镀锌钢、电镀铜钢、不锈钢、铝、铅等,这些材料在不同的环境和应用中展现出不同的耐腐蚀性能。工程人员应根据具体的应用环境,选择性能优良的材质。选用接地材料时必须进行检查,材料不应存在严重的锈蚀;此外,需要对这些材质表面进行有效的防腐保护,可将接地引下线浇筑在混凝土内,其引出部分、焊接部分涂刷沥青或防腐漆料,并进行定期检查。2)接地电阻的控制。接地电阻是接地装置是否满足相关规程要求的主要参考指标,也是接地系统质量评估和安全水平的重要参数之一。接地电阻应考虑季节变化导致土壤干燥或冻结的影响,来满足各季节土壤的要求;要针对工程现场不同部分、不同土壤条件,采用不同的方法来有效控制接地电阻,确保接地阻值在设计范围之内,使泵站接地系统整体能够稳定运行。工程现场人员要定期测量电阻值确保泵站接地安全,若发现不满足国家现行标准和现场对接地电阻值要求,要补做人工接地装置或采取其他措施进行处理。3)接地线(极)的连接。接地线、接地极的连接一般采用焊接或螺栓的连接方式。

接地线或接地极采用焊接相连时,可能出现焊接不良或焊接长度不够的问题,影响接地正常使用,还会造成泵站连接开路,连接质量差,因此焊接应均匀平整,焊接处表面不应有裂纹、弧坑、未焊透等外部缺陷。不能采用焊接、可用螺栓连接时应符合现行标准的搭接要求,若螺栓连接处未采用弹簧垫圈、锁紧螺母等防松措施,长时间受到振动可能会产生松动变形,导致无法紧密连接;母线连接处螺孔尺寸应与螺栓相匹配。导线两端需使用专用连接端子,所用的端子规格应与其连接体相匹配。

4 结束语

随着当前水利工程标准化管理工作的加速推进,常规、分散、标准不统一的接地方式已不能适应泵站标准化、规范化建设的需要。本文根据我国调水泵站工程运行管理的特点,在借鉴国内其他工程接地系统运用经验的基础上,结合标准化理念将南水北调东线某大型调水泵站接地系统内各种类型的接地结合起来进行设计和研究,为该调水泵站的安全接地提供了科学有效的技术支撑,填补了大中型调水泵站安全接地系统标准化的空白,也为其他类型工程的接地系统标准化设计与建设提供了借鉴。

[参考文献]

[1]周慧芬,朱贻忠.平苍引水工程北山泵站接地系统改造[J].水电站机电技术,2024,47(7):73—75.

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[3] 况金宏,张玲会.浅析企业“安全生产标准化”创建中的保护接地[J].科技创新与应用,2014(21):300.

[4]孔令超,李振清,刘军,等.油气场所电动机接地常见问题与标准化做法研究[J].石油工程建设,2024,50 (1):84—88.

[5]杨雷,刘志鹏,范兰艳.设施农业雷电灾害影响途径及避雷装置检测[J].现代农业科技,2021(10):159—160.

《机电信息》2025年第15期第14篇