核四厂接地系统建设

大胡子

核四厂接地系统建设

                              中国台湾原子能委员会核能管制处  黃智宗

1、前言
台电公司于1999年3月17日取得原能会核发之核四建厂执照后，于同年即全面展开核四建厂工程，其后历经核四再评估、停建及复工。此期间，造成核四工程进度落后，使得电气设备之采购及安装日程之延宕。整体上，主要电气设备仍在设计、图纸之审查及制造中，预定于2005年陆续交运并展开安装作业。由于电气设备尚未进行安装作业，本次乃就核四厂接地系统之规划及设计进行探讨。接地系统为涉及安全有关之系统，且依品质等级分类为G级，但其规划、施作是否周延，潜在影响人员安全及日后电气与仪控设备运转之稳定性，本次主要以初期安全分析报告（Preliminary Safety Analysis Report, PSAR）之承诺、接地系统设计文件及现场施作之品质文件查证等项目进行探讨。
2、接地系统概述
接地之目的在防止人员发生感电并稳定电力系统之运作功能，接地系统之设计基于人员安全，必须考虑发生最大故障电流时，人员所能承受之接触电压（Touch Voltage）与步间电压（Step Voltage）。人体所能承受之接触电压系指被接地之结构物若通过接地电流时，其接地电极所产生的异常电压，在人体接触下不会造成危害。而人体所允许之步间电压则指在雷击突波或故障电流导致接地电极产生之异常电压，于人体两足间所产生之电位差，不会危害人员安全。至于设备安全则必须考虑接地电位上升（Ground Potential Rise ,GPR），以避免雷击或开关突波导致接地电位上升，而危及设备安全。
核四厂接地系统分为系统接地、设备接地、仪控（信号）接地及避雷接地等系统，系统接地主要为发电机及变压器之中性点接地，以防止高、低压之混触，避免危及人员及设备之安全；设备接地主要为结构体、机械设备及电气设备等外壳铁构非带电部分之接地，以防止电气设备绝缘劣化发生漏电时，产生之异常电压造成人员感电；仪控接地系统主要将噪声能量释放至大地之接地系统，以隔离噪声避免影响仪器及计算机系统之运作；避雷接地系统为防止发生雷击突波时，因接地电位上升，而造成电气设备绝缘破坏及危害人员安全。
核四厂接地系统由系统接地、设备接地、仪控（信号）接地及避雷接地等组成并连接至厂区接地网，厂区接地网依据 IEEE Std-80（交流变电站接地安全指引）、IEEE Std-665（电厂接地网指引）及 IEEE 1050（电厂仪控设备接地指引）规划设计。全厂区接地网由发电厂区及开关场区接地网所组成，发电厂区及开关场区之接地网系环绕一、二号机厂房及开关场四周深 60 公分处，由裸铜线及接地棒以矩形方式铺设形成接地网，并依据 PSAR 要求将二区接地网连结一起，使全厂区形成一共同接地网，以降低全厂区接地网之总接地电阻值。
3、核四厂接地系统之规划
3．1接地系统 PSAR 之承诺
核四厂接地系统分别由仪控接地、设备接地、避雷接地及接地网所组成，现对个别系统之要求叙述如下：
3.1.1仪控接地部分
仪控接地系统由一总线及电缆构成辐射网络，必须以单点方式连接至厂区接地网，且在未连结至厂区接地网前须与其它接地系统相互绝缘，仪控接地主要提供模拟组件（电热偶、转换器、RTD）及数字组件（电驿）之接地。
3.1.2设备接地部分
设备接地系将主要设备、结构物及贮存槽等非带电部分进行接地，并使用对角方式接地。至于开关设备、马达控制中心及控制盘等，必须至少使用二条电缆连结至接地网。另，厂区之电气管道必须连接至接地网。
3.1.3接地网部分
厂区接地网由发电厂区及开关厂区之接地网所组成，接地网则由接地棒及裸铜线以矩形方式埋设于地面深 60 公分处，且必须在厂区发生最大故障电流时，其步间电压及接触电压均能符合安全值。另对厂区接地网外环接地导线必须使用 500MCM（253mm2）之裸铜线。
3.1.4系统接地部分
系统接地主要有发电机中性点接地、345kV/161kV 系统及中、低压系统之接地，核四厂发电机中性点采用阻抗接地方式，以限制最大故障之相电流小于三相故障之电流值。345kV/161kV 系统之变压器则采用避雷器接地方式，中、低压之变压器使用低电阻接地或直接接地方式，降低系统之故障电流，以利系统保护协调之设定。
3.1.5避雷接地部分
核四厂结构体必须装置避雷设备以避免电气及仪控设备遭受雷击，避雷系统使用避雷针（Air Terminal）及接地电极等须与接地系统隔离，仪控电缆连接至户外需装设突波吸收器（Surge Suppression Devices），以防止雷击之感应电压。
3.1.6反应器厂房、汽机厂房、控制厂房、开关设备室及废料厂房接地电阻值之目标值应 1Ω，且电厂接地网、开关场接地网及接地棒等之接地电阻值必须综合计算，若综合值未达目标值则须适当改善以符合要求，另须依据 IEEE 81（接地系统土壤电阻、接地阻抗及接地电位量测指引）准则，就厂区接地网进行量测接地电阻值。
3.2核四厂接地网之规划及设计
核四厂接地系统系由石威（Stone & Webster）公司进行规划设计，该公司依照核准之「06888-0R41-3000 接地及避雷系统设计准则（Grounding and Lightning Protection Criteria）」进行接地设计。石威公司依据 IEEE 665-1995 指引进行发电厂区及开关场区之接地网设计，并提送「06888-OR41-3103 电力站接地网设计计算书（Station Ground Grid Design Calculation）」供台电公司接地系统安装参考。其计算书之设计依据如下：
3.2.1因厂区接地网埋设于地下 60 公分处，所以大地土壤电阻系数采用深 1.5公尺之电阻系数设计，其发电厂区电阻系数为 55.96Ω·m，开关场区电阻系数为 40.15Ω·m。
3.2.2厂区最大故障电流以 345kV 断路器之额定启断电流容量为 63kA 设计。
3.2.3故障电流通过期间，以台电公司 345kV 及 161kV 系统之保护协调的后卫保护清除期间 19周为设计依据，所以电流通过期间以 0.32 秒设计。
3.2.4厂区接地网之接触电压及步间电压，以人体 50 公斤重所能承受之经验公式设计。
3.2.5全厂区接地网由发电区及开关区两处所组成，为降低接地电流所引起两接地网间之电位差，将全厂区保持相同接地电压上升（GPR）值，以确保设备安全。
3.3接地网计算书之设计结果
3.3.1依计算书全厂区总接地电流为 63kA，发电厂区接地网接地电流约为42kA，开关场区接地网接地电流约为 21kA。各接地网及全厂区接地网之接地电压上升均为 1306V。
3.3.2发电厂区接地网设计值
1.接地网由长 465 公尺× 宽 387.5 公尺，且分别由 31 根（长边）导体及 26根（宽边）导体以间隔 15.5 公尺矩形网状方式组成，接地网导线采用 4/0 AWG（107.2 ㎜2）裸铜线设计。
2.接地棒使用 57 支，直径为 19mm、长 3 公尺。
3.依接地电流（42kA）及通过期间（0.32 秒）人体所能承受之接触电压为222V 及所能承受之步间电压为 273V。
4.接地电阻为 0.063Ω、网络电压为218V、步间电压为 87 V。
3.4开关场区接地网设计值
1.接地网由长 348.5 公尺× 宽 61.5 公尺，且分别由 18 根（长边）导体及 4根（宽边）导体以间隔 20.5 公尺矩形网状方式组成，接地网导线采用 4/0 AWG（107.2 ㎜2）裸铜线设计。
2.接地棒使用 22 支，直径为 19mm、长 3 公尺。
3.依接地电流（21kA）及通过期间（0.32 秒）人体所能承受接触电压为 691V及所能承受之步间电压为 2150V。
4.接地电阻为 0.126Ω、网络电压为 364V、步间电压为 19V。
3.5发电厂区与开关场区接地网以并联连接，全厂区总接地电阻为 0.042Ω。
厂区接接地网外环接地线以 500MCM（253 ㎜2）裸铜线及网内接地线以 107.2 ㎜2裸铜线埋设于地下 60 公分处，符合PSAR之要求。全厂区总接地电阻值为 0.042Ω，符合 PSAR 要求各厂房接地电阻目标值小于1Ω以下之要求。
3.5、接地系统现场安装查证
核四工程目前主要进行厂房结构体施作，厂区接地网尚未进行施工， 施工处预定于2004年底将「厂区接地网安装工程」公告招标，2005年6月展开相关安装作业。依工程进度，接地系统工程之施作主要为配合厂房结构工程之设备接地之接地线预埋作业（照片1、2）。施工处依据「LMP-ELD-007 接地与避雷系统检验作业程序书」查验承包商施作之接地线，该程序书主要检验项目有接地电阻量测、接地线接头火泥熔接处理、接地棒之埋设、接地垫板埋设及避雷系统等安装检验。由于工程进度延宕，主要接地系统尚未展开，目前以检查接地线接头火泥熔接处理及接地垫板埋设等项目。查阅2004年7月20日一号机反应器厂房 EL+4800 之接地系统安装检验之品质文件，由于该楼板混凝土浇置前必须完成接地线检查，承包商新亚公司就接地线自主检查于2004年7月19日完成后，经由电气课及品质课在2004年7月20日就接地导线及连接接头等进行检验合格。本次查阅之接地及避雷系统安装检验表主要施作项目为设备外部未带电之铁构接地，并依规定以对角方式预埋接地线，其接地线使用 4/0 AWG（107.2 ㎜2）之裸铜线。承包商在混凝土浇置时，用帆布包扎裸铜线避免遭混凝土污染（照片3、4）。

 
照片一：一号机反应厂房东侧墙之预埋接地线
 
照片二：一号机反应厂房 EL-1700 之预埋接地线

 
照片三：一号机反应厂房 EL+4800 之预埋接地线（一）
 
照片二：一号机反应厂房 EL+4800 之预埋接地线（二）

4、结论
核四厂之各接地系统均连接至共同接地网，由于全厂区总接地电阻值甚低，若发生短路故障时，其接地电压上升应不致损坏设备绝缘。且全厂区二处接地网连结在一起，可避免接地网之间产生接地电位差（Ground Potential Difference）。而接地网设计计算书系依据 IEEE 665 提供之相关经验公式进行规划设计，由于该指引对于每一方向之平行导线超过 25 根以上，建议保守使用所提供之经验公式。在发电厂区接地网之每一方向平行导线分别为 31 及 26 根导线组成，且厂区所能承受之接触电压为 222V，而接地网之网络电压达 218V，
其余裕略显不足。此外，该计算书之接地电流系以 345kV 断路器额定启断电流值（63kA）为基准而设计，且并未考虑未来系统之成长，故日后更换断路器时，必须重新评估接地系统之相关设计值，建议台电公司应再考量预留余裕。
核四接地系统主要工程尚未进行施作，为确保接地系统达到安全防护之目的，对于接地电阻之量测施工处应规划完整测试计划，以达设计之要求。另，对于雷击和开关突波含有高频成分，无法以传统接地电阻分析，必须以接地线之分布电感及电容分析高频之影响，而分布电感及电容之参数与接地网几何配置有关。所以未来接地网施工，除确保接地电阻值符合设计值外，其接地网之几何配置亦是相当重要。