摘要：核电站电气装置接地涉及两个方面：一方面是电源功能接地，如发电机组、电力变压器等中性点的接地，一般称为系统接地，或称系统工作接地或功能接地。另一方面是电气装置外露可导电部分接地，起保护作用，故习惯称为保护接地。
针对每一个建筑物,其中的接地设计会有一定的差别,但是总的原则是不变的。核电站的接地系统把全厂各建筑物的地网全部连接起来,构成一个大系统,这对降低接地电阻、保障人员安全有重要作用;而国内电厂一般在满足接地电阻的条件上采用独立的接地网,或仅是建筑群中将地网连在一起,这是同核电站接地做法是很不同的。虽然核电站接地系统似乎太复杂且浪费,但从核电“安全第一”的方法出发,这种作法是必要的。
关键词：核电站；接地；接触电压；跨步电压
一、核电站电气装置接地必要性
1、电气装置接地分类
核电站电气装置接地涉及两个方面：一方面是电源功能接地，如发电机组、电力变压器等中性点的接地，一般称为系统接地，或称系统工作接地或功能接地。另一方面是电气装置外露可导电部分接地，起保护作用，故习惯称为保护接地。电气装置功能接地与保护接地如图1-1所示。
图1-1 电气装置功能接地与保护接地
功能接地：
－为大气或操作过电压提供对地泄放的回路，避免电气设备绝缘被击穿；
－提供接地故障回路，当发生接地故障时，产生较大的接地故障电流，迅速切断故障回路；
－降低电气设备和和输电线路的绝缘水平；
－中性点不接地系统，当发生接地故障时，虽能保证供电连续性，但非故障相对地电压升高1.73倍，系统中的设备及线路绝缘均较中性点接地系统绝缘水平高，增加投资费用；
－中性点不接地系统，需大量安装绝缘监测装置。
保护接地：
－降低预期接触电压；
－提供工频或高频泄漏回路；
－为过电压保护装置提供安装回路；
－等电位联结。
根据电气装置的要求，接地配置可以兼容或分别地承担保护和功能两种目的。对于保护的目的要求，始终应当予以优先地考虑。
交流电气装置的接地应符合下列规定
当配电变压器高压侧工作于小电阻接地系统时，保护接地网的接地电阻应符合下式要求：
Ｒ≤2000／Ｉ
式中Ｒ—考虑到季节变化的最大接地电阻（Ω）；
Ｉ—计算用的流经接地网的入地短路电流（Ａ）。
当配电变压器高压侧工作于不接地系统时，电气装置的接地电阻应符合下列要求：
１）高压与低压电气装置共用的接地网的接地电阻应符合下式要求，且不宜超过４Ω：
Ｒ ≤120／Ｉ
２）仅用于高压电气装置的接地网的接地电阻应符合下式要求，且不宜超过10Ω：
Ｒ ≤250／Ｉ
式中Ｒ—考虑到季节变化的最大接地电阻（Ω）；
Ｉ—计算用的接地故障电流（Ａ）。
在中性点经消弧线圈接地的电力网中，当接地网的接地电阻按本规范公式计算时，接地故障电流应按下列规定取值：
１）对装有消弧线圈的变电所或电气装置的接地网，其计算电流应为接在同一接地网中同一电力网各消弧线圈额定电流总和的1.25倍；
２）对不装消弧线圈的变电所或电气装置，计算电流应为电力网中断开最大一台消弧线圈时最大可能残余电流，并不得小于30Ａ。
2、电气装置接地必要性
电力设备发生接地故障时，接地故障电流流过接地装置，由于土壤电阻的存在，电流自接地极经周围土壤流散时，在大地表面形成分布电位，当人在电极附近走动时，人的两脚将处于大地表面的不同电位点上。两脚间的电压称为跨步电压。地面上距设备水平距离0.8 m 处与沿设备外壳垂直距离1.8 m 处两点间的人体接触该两点时所承受的电压，称为接触电压。图2-1和图2-2分别给出了人遭受接触电压和跨步电压作用的示意图，显然，当接触电压或跨步电压超过某一安全数值时就会导致人体的触电事故。由于不同形状和不同埋深的电极会有不同形状的地表电位分布，因此最大接触电压和最大跨步电压，出现的位置将和电极的形式、尺寸以及埋深等因素有关，但一般均在电极附近。
图2-1 人体所遭受的接触电压
图2-2 人体所遭受的跨步电压
为了计算人脚与土壤的接触电阻RF，将人脚用一半径r=0.08m的金属圆盘近似代替，如图2-3所示。
图2-3 圆盘接地极（半空间）
由上述分析,为了满足跨步电压和接触电压在允许范围之内,电气装置与接地网电气连接是必要的。
二 核电站接地设计原则及方法
1接地网设计
1.1接地装置组成
1.1.1由建筑物地下接地网相连的全厂接地主网
它由深层地下接地网(基础层上构筑物下的接地连接线)、地下接地网(埋入地下为深层网提供等电位连接,这样,任何时候全厂所有建筑物均能处在同一电位上)和检查坑(坑中有接地母线使接地网络各分支互相连接,并可定期进行检查)组成。
1.1.2主接地导体或接地干线。
由沿建筑物内表面布置、形成环网或汇流母线的接地线组成。
1.1.3从装置接地点接至主接地导体的接地导线。
1.2设备设计
1.2.1地下接地主网
在接地故障期间,会有50Hz的电流穿过人的身体,地下接地网的设计必须使得这些电流被限制在对人员不产生危险的数值以下。为了满足此要求,地下接地网必须地网状的,这样使得在接地装置某一特定点上接地导线的故障不会引起该点与其它部分的隔离。为减轻不同地质条件土壤间电阻率的差别,以及避免土壤冻结和干燥现象,接地网要深埋。
1.2.2接地网络设计
(1)深层地下接地网由布置在基础层上并由围绕厂区每个建筑物的截面为185mm2的裸铜缆接地线组成。裸铜缆埋在基础层下大约50cm处的低电阻率材料层(如表土层)中,以便与大地有良好的接触。这些接地线的上引线及其与接地网络的连接导线均为铜连接。
(2)在检查井用于外部网络(地下接地网)连接。
(3)在建筑物或设施中用于与内部接地网络(接地干线、电子接地等)连接,每个建筑物的深层地下接地网至少有两点(最多四点)与主接地网络相连。
1.2.3地下接地网
地下接地网用于进行深层地下接地网的互相连接,这种连接通过检查井实现;它另外一个功能是维持地面上的等电位,以限制建筑物外的跨步电压。地下接地网由埋深约1m的截面为185mm2的裸铜缆组成,其总体形状为网状,网的密度随土壤性质和其覆盖物而变化。
1.2.4检查井
设置检查井的目的:
(1)使深层地下接地网与地下接地网位置上便于连接;
(2)使建筑物主接地导体与主体厂主接地网络能够连接;
(3)能对埋地的接地线的电气连续性进行检查,对接地连接的不同部件的电阻进行评价。
1.2.6安全接地网
建筑物内的接地导线环网以及设备同接地导线环网的保护接地构成安全接地网。安全接地网在建筑物内一般以架空方式敷设,如固定在桥架上或固定在墙上。
建筑物内的电压高于50V的电气设备外壳、金属框架、电缆金属层、变压器中性点等均与此网相连。对于低压配电系统来说,安全接地网相当于TN-S系统。由于构成安全接地网的裸铜缆起到了PE保护线的作用,所以在380V系统中可以省支PE芯线;但在建筑物内用电不集中的地方,可通过绝缘电缆(线)的PE芯线将设备与安全接地网相连。一般为185mm2的裸铜缆,其两端至少应有两点与全厂接地主网相连。这种连接在检查井的接地母排或在设置于建筑物内墙上1m处的接地母排上进行。
2工作接地回路设计
2.1混凝土钢筋接地
对核岛和装有中压和高压设备的BOP建筑物用50mm2裸铜缆将混凝土钢筋与接地母排连接,同时与予埋在混凝土中与钢筋相连的钢缆相连,从而使钢筋接地。
2.2中性线接地
三相电气设备的中性点,直接接地或通过一个规定值的阻抗接地,在事故或短路时,它能使相对较大的电流流入大地,接地线截面视不同情况而变化。
2.3防雷接地井
防雷接地井与检查井类似,区别仅在于防雷接地井内设置有人工深埋辐射型接地极,接地极由185mm2裸铜棒制成;防雷接地井既可用于防雷接地又可用于接地线的连接。用井中的可拆连接,可对接地电阻进行检查。它位于离建筑物至少1m处。
2.3.1电子接地网
每台核电机组的电子接地网都专用的。电子接地是从防雷接地井引出,通过分配箱分配给用户。防雷接地井与分配箱之间的连接为50mm2的铜缆,分配箱与用户之间的连接采用6mm2绝缘导线。下列设备应与电子接地网相连: (1)监控的仪表系统金属外壳; (2)计算机系统; (3)集中数据处理系统; (4)电子设备终端接线盒; (5)功率测量系统。
2.3.2避雷针
安装在核辅助厂房烟囱上、反应堆厂房高位点上以及受保护的厂区建筑物的高位点上,通过各自的防雷接地井对地连接。
2.3.3通信
厂区安装共用设施的建筑物设有一防雷接地井,用于三个分支组成的电话网接地回路。三个分支为: (1)蓄电池正极一个; (2)电话电缆屏蔽干线一个;(3)人员呼叫装置和PABX柜(程控交换机柜)的金属壳接地一个。
2.3.4核岛接地回路
核岛厂房有的布置成接地导线环网,有的布置成半环的接地母线,所有的接地导线都有两点相接,构成核岛的安全接地网络,该网络最终通过不同的两点在检查井母排上接入全厂主接地网,所采用的接地导线为185mm2裸铜缆。
2.3.5常规岛接地回路
接地环网由50mm×5mm的铜带制成。汽机厂房和电气附属建筑物内的所有设备通过合适大小的铜线接至这些接地环路。在铜带敷设受进口通道、门厅、开孔和闸门阻挡时,将铜带上移并经过它们的上方。
2.3.6BOP接地回路
BOP各建筑物在安全接地网中已经提及,由于建筑物很多,此处不再敷述。
2.3.7雷击保护
对于雷击保护,核岛每个反应堆厂房穹顶设有多个避雷针,核辅助厂房烟囱顶部亦设有避雷针;每个避雷针通过两根30×2mm裸铜带引下线接入核岛厂房旁的防雷接地井,并在接地井中将引下线通过连接片分别接入全厂主接地网。建筑物的低压电气装置应采用等电位联结以降低建筑物内电击电压和不同金属物体间的电位差；避免自建筑物外经电气线路和金属管道引入的故障电压的危害；减少保护电器动作不可靠带来的危险和有利于避免外界电磁场引起的干扰、改善装置的电磁兼容性。
结论
针对每一个建筑物,其中的接地会有一定的差别,但是总的原则是不变的。只要按照上述设计思路进行设计,便能满足核电站对接地的要求(接地电阻小于0.5Ω)。当然,与国内的常规作法相比,核电站的接地系统把全厂各建筑物的地网全部连接起来,构成一个大系统,这对降低接地电阻、保障人员安全有重要作用;而国内电厂一般在满足接地电阻的条件上采用独立的接地网,或仅是建筑群中将地网连在一起,这是同我们很不同的。虽然核电站接地系统似乎太复杂且浪费,但从核电“安全第一”的方法出发,这种作法是必要的。
参考文献
[1]核动力厂设计安全规定 HAF102
[2]低压配电设计规范 GB50054
[3]通用用电设备配电设计规范 GB50055
论文作者:纪秀艳
论文发表刊物:《电力设备》2018年第4期
论文发表时间:2018/6/25
标签：建筑物论文; 电压论文; 装置论文; 电阻论文; 电气论文; 核电站论文; 系统论文; 《电力设备》2018年第4期论文;