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第十四章 电力装置接地
第一节 功能接地与保护接地
1. 电气装置接地
电气装置接地涉及两个方面:一方面是电源功能接地,如电源系统接地,多指发电机组、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。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。
功能接地的主要作用:
-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;
-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。
保护接地的主要作用:
-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。
图14.1-1 电气装置功能接地与保护接地
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。
接地配置的设施的选择和安装应满足:
-接地电阻值符合电气装置的功能和保护要求,并预计长期有效;
-能承受接地故障电流和对地泄漏电流而无危险,特别是热的、热-机械应力、电机械应力引起的危害;
-有足够的强度或有附加的机械保护,以适应所在场所的外部的影响;
-应采取措施,防止由于电腐蚀作用对接地配置的设施和其它金属部分造成危害。
2. 金属接地体的腐蚀
(1) 原电池
原电池是借助化学变化得到电流的装置,将化学能量转换成电能的装置。任何两种不同金属(金属或另一种导电材料),插入任何电解质溶液中,都可以组成原电池。较活泼的金属为负极,较不活泼的金属为正极。例如,将铜片和锌片插入稀硫酸溶液中,并在两金属之间连上导线,就构成一个原电池。这就是伏打电池,如下图所示:
图14.1-2 伏打电池示意图
因为锌比铜活泼,所以锌是负极,铜是正极。电极反应是:
负极:Zn-2e=Zn2+
正极:2H++2e=H2↑
伏打电池总反应:Zn+2H+= Zn2++ H2↑
从上述原电池可看出,电子由负极流向正极,负极与正极之间存在电位差。两种金属的化学活泼性相差越大,其电位差也越大。常见金属电极电位见下表:
表14.1-1 常见金属标准电极电位表(25℃)
金属名称 化学符号 电极电位(伏) 钾 K -2.934 钙 Ca -2.76 钠 Na -2.71 镁 Mg -2.375 铝 Al -1.706 锰 Mn -1.029 锌 Zn -0.7628 铁 Fe -0.409 镍 Ni -0.23 锡 Sn -0.1364 铅 Pb -0.1263 氢 H ±0.00 铜 Cu +0.3402 银 Ag +0.7996
(2) 金属接地体的腐蚀
金属接地体和周围的气体或液体等介质接触时,所发生的化学破坏过程称为金属接地体腐蚀。其腐蚀可分为:
1) 化学腐蚀:金属接地体与干燥空气(O2、SO2、H2S、Cl2等)或非电解质接触,发生化学作用,引起的腐蚀称为化学腐蚀。在金属接地体表面形成一层氧化物。化学腐蚀与温度有关,温度越高腐蚀加快。
2) 电化学腐蚀:不纯的金属或合金与电解质溶液接触,发生原电池反应,较活泼的金属原子失去电子被氧化而引起的腐蚀称为电化学腐蚀。以钢质接地体为例来说明电化学腐蚀,钢除含铁外,还含有C、Si、Mn等杂质。这些杂质都比铁不易失去电子,但又有导电性,这些杂质与铁可构成原电池的两极。钢质接地体与潮湿空气接触,在其表面形成一层水膜,水膜中又溶有空气中的CO2、SO2、H2S等气体,使水膜中H+离子浓度大大增加,形成电解液,铁和杂质形成微原电池。
图14.1-3 钢的电化学腐蚀示意图
在微电池中,水膜为电解液,铁为负极,杂质为正极。铁和杂质直接接触,等于用导线将两极接通。
负极:铁失去电子形成Fe2+离子接入水膜中,同时将铁上多余电子转移到杂质上,其反应是:
Fe-2e=Fe2+
正极:杂质不易失去电子,只起传递电子的作用,所以水膜中的的H+离子从正极获得电子成为H2放出,其反应是:
2H++2e=H2↑
在一般情况下,水膜中含有氧气,这时:
在负极上铁被氧化成Fe2+离子,其反应是:
2Fe-4e=2Fe2+
在正极上获得电子的不是H+离子,主要是溶解水膜中的氧气,从正极获得电子,而后与水合成OH-离子,其反应是:
O2+2H2O+4e=4OH-
其腐蚀总反应是:
2Fe+O2+2H2O=2Fe(OH)2
Fe(OH)2被空气中氧气为Fe(OH)3, 其反应是:
Fe(OH)2 +O2+2H2O= 4Fe(OH)3
Fe(OH)3生成Fe2O3﹒xH2O,是红褐色铁锈的主要成
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