工業(yè)配電系統(tǒng)的防雷接地設(shè)計(jì)

鄒晗 高波

摘 要：配電系統(tǒng)的防雷是配電領(lǐng)域用電設(shè)備的重要保護(hù)措施，若系統(tǒng)發(fā)生雷擊事故，將造成局部停電，危及社會生產(chǎn)。本文參照國內(nèi)外相關(guān)領(lǐng)域規(guī)程規(guī)范的做法，從防雷、接地兩個(gè)方面闡述了工業(yè)配電系統(tǒng)的防雷措施，給出了配電系統(tǒng)防雷接地配置的具體方案。

關(guān)鍵詞：防雷 接地 配電系統(tǒng) SPD

中圖分類號： TU856 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2016）01（a）-0000-00

0 引言

通過對配電網(wǎng)的變壓器和線路的投運(yùn)情況相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行的統(tǒng)計(jì)得出結(jié)論：多數(shù)事故由感應(yīng)雷過電壓所引起。雷擊也經(jīng)常引發(fā)絕緣架空導(dǎo)線斷線的；另外雷擊及閃電電磁脈沖對電子系統(tǒng)的干擾和破壞日益產(chǎn)生嚴(yán)重的后果。上述現(xiàn)象指出了配電設(shè)備的防雷保護(hù)措施和配電網(wǎng)線路的防雷設(shè)計(jì)所面臨的問題。本文給出了工業(yè)配電設(shè)備接地、防雷保護(hù)設(shè)計(jì)的措施。

1 配電變壓器的防雷設(shè)計(jì)

1.1 配電變壓器防雷接地

多個(gè)用于不同目的的接地系統(tǒng)，分開接地方式不同電位帶來了不安全因素；不同目的的接地體之間的耦合現(xiàn)象亦難以避免，容易引發(fā)相互干擾。最常見的配電變防雷接線是將配電變壓器的工作、防雷和保護(hù)接地點(diǎn)接到一處。

1.2接地電阻的數(shù)值

三點(diǎn)共地就是將防雷、保護(hù)和工作接地一同接至一個(gè)接地裝置，該接地裝置的接地電阻，應(yīng)小于各要求值中的最低界限。比如，防雷接地的阻值一般規(guī)定小于10Ω，同時(shí)要具備垂直接地體，以方便分散電流，低壓工作接地的阻值則應(yīng)小于4Ω；所以其接地電阻等同于于高壓側(cè)對地?fù)舸┧查g的保護(hù)接地電阻。根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)保護(hù)接地的接地電阻R≤50/I時(shí)，低壓側(cè)工作接地才可與高壓側(cè)防雷及保護(hù)接地共用相同的接地裝置。也就是說，如果要設(shè)計(jì)成三點(diǎn)共地系統(tǒng)，必有R≤50/I。 I為高壓系統(tǒng)的單相接地故障電流。對于不接地系統(tǒng)，I為系統(tǒng)電容電流（IC）；對于消弧線圈接地系統(tǒng)，I為故障點(diǎn)處殘流。

裝有消弧線圈的某些低壓配電系統(tǒng)，會經(jīng)常因某些情況而退出運(yùn)行，通常10kV系統(tǒng)IC多數(shù)約為40A，在類似等級的高壓系統(tǒng)中R應(yīng)取值1Ω。在R≤50/I中，50為高壓側(cè)對外殼單相接地時(shí)，接地電流流經(jīng)接地體的壓降不得超過的安全值。

在具體工程中，10kV配電系統(tǒng)的電容電流各有不同，數(shù)值離散，從不足10A，到幾百安不等。故配電變?nèi)c(diǎn)共地系統(tǒng)確定接地裝置的接地電阻要考慮所在10kV系統(tǒng)的具體情況，不能一概而論，認(rèn)為不是4Ω就是10Ω。某些情況下，100kVA以下的配電變壓器的低壓側(cè)工作接地電阻，可放寬到10Ω，條件是低壓工作接地單獨(dú)另設(shè)。原因在于變壓器容量不大，繞組阻抗相對提升，限制入地電流，鉗制地電位的提升。

1.3 共同接地

施工中還有其它接地裝置的連接方式，亦為共同接地，僅配置次序不同。保護(hù)變壓器高壓線圈與外殼之間的絕緣通常要在高壓側(cè)安裝避雷器實(shí)現(xiàn)，如圖2中的接線，高壓側(cè)線圈、外殼之間承受的電壓是由避雷器殘壓和接地引下線的電阻壓降組成，雷電流到來時(shí)，沖擊電壓是不容忽視的，其保護(hù)效果大打折扣。

2 配電線的防雷接地設(shè)計(jì)

2.1接地的分類

根據(jù)接地的不同作用，分類如下：

（1）功能接地：用于保證配電網(wǎng)正常運(yùn)行要求而設(shè)置，如變壓器中性點(diǎn)接地，通訊電源接地、電子設(shè)備信號地等。（2）保護(hù)接地：為了保證配電網(wǎng)故障時(shí)人身和設(shè)備的安全而設(shè)置。如保護(hù)接地、陰極保護(hù)、桿塔防雷接地等。

2.2 配電線路的防雷保護(hù)

目前1OkV配電線路的運(yùn)行狀況相關(guān)數(shù)據(jù)表明：雷害事故主要是由感應(yīng)雷電過電壓引起。故線路的耐雷水平是由配電線路的絕緣水平?jīng)Q定的。架空絕緣導(dǎo)線因絕緣點(diǎn)累積擊穿而斷線的現(xiàn)象也亟待解決。配電線路的防雷可采用避雷線、避雷器。

2.2.1 10kV裸導(dǎo)線線路

通常設(shè)計(jì)避雷線對10kV裸導(dǎo)線防雷保護(hù)，缺點(diǎn)在于施工不便成本高，漸漸淡出；設(shè)計(jì)院現(xiàn)今普遍在雷電頻繁的區(qū)域?qū)Ь€上裝設(shè)避雷器，在施工中檢查桿塔的接地狀況，取得了良好的防雷效果。同樣的思路可以應(yīng)用在配電線路中防雷中，避雷器雖可保護(hù)架空線路免受雷擊。但其易老化的特點(diǎn)降低了其穩(wěn)定性。解決方法是選用免維護(hù)的氧化鋅避雷器，安裝配電線路中的易擊段。

2.2.2 10kV絕緣線線路

近幾年城市配網(wǎng)改造，城市線路基本都換成交聯(lián)聚乙烯架空絕緣線，但其防雷措施與原來的裸導(dǎo)線線路的防雷措施并沒有變化，發(fā)生了多起雷擊絕緣線斷線事故。對架空絕緣線可采取以下措施：①裝設(shè)避雷線，安裝難度大，造價(jià)成本高，但是效果好。②提升線路耐壓水平，將普通絕緣子替換成防雷專用絕緣子。③在雷暴區(qū)按低檔距裝設(shè)避雷器。④在導(dǎo)線與絕緣子間隙處增加絕緣厚度，這樣放電僅能從加強(qiáng)絕緣區(qū)的邊沿處穿過，可大幅提高線路的擊沖放電電壓耐受水平；也可采用長閃爍路徑避雷器等。⑤定點(diǎn)區(qū)域剝離導(dǎo)線的絕緣層，在局部裸露導(dǎo)體，使電弧在裸導(dǎo)體上滑動(dòng)，避免了固定在某一點(diǎn)侵蝕絕緣層。

2.2.3 低壓配電線路

在變壓器進(jìn)線端裝設(shè)避雷器即可。

3 配電系統(tǒng)的浪涌保護(hù)

3.1 配電系統(tǒng)浪涌的影響

浪涌釋放出數(shù)百兆焦耳的能量及數(shù)百千伏的高壓，引起電子設(shè)備的誤動(dòng)；或使電子設(shè)備老化加速。浪涌來自雷電和電氣設(shè)備內(nèi)部斷路器啟停與故障。雷擊包括直接雷擊：雷電放電直接命中物體，導(dǎo)入脈沖電流；和間接雷擊：雷電放電擊中設(shè)備附近的大地，在線路中感應(yīng)出雷電流和入侵電壓。

配電系統(tǒng)內(nèi)部由于電動(dòng)機(jī)的啟停、斷路器的投切和變頻設(shè)備的啟動(dòng)，帶來內(nèi)部浪涌。間接雷擊、內(nèi)部浪涌屬于多發(fā)事件，對這部分浪涌能量的吸收成為提防浪涌的關(guān)鍵。

經(jīng)驗(yàn)表明，電源進(jìn)線處即使裝設(shè)了氧化鋅避雷器，仍有一些設(shè)備遭受雷擊。避雷器導(dǎo)通材料通常采用導(dǎo)通性一般的銅鐵合金，反應(yīng)速度僅為300？S，而閃電過境的脈沖的峰速度為幾十？S。也即閃電電磁脈沖的動(dòng)作時(shí)間早于避雷器被擊穿，于是避雷器在被擊穿后將一次雷的電流導(dǎo)通入地后，無法繼續(xù)應(yīng)付二次雷、三次雷，這些電流將直接泄漏至設(shè)備。浪涌的產(chǎn)生一般僅25%來自雷擊等外部環(huán)境，氧化鋅避雷器對于大部分浪涌無法應(yīng)付。因此通常設(shè)計(jì)方使用浪涌保護(hù)器來進(jìn)行浪涌抑制保護(hù)。

3.2浪涌保護(hù)器

浪涌保護(hù)器（SPD）是通過限制浪涌電壓、泄放雷電流來保護(hù)用電設(shè)備，是內(nèi)部抑制浪涌的主要措施。

通常將SPD與設(shè)備并聯(lián)，作為旁路泄放浪涌來保護(hù)設(shè)備。在被保護(hù)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，浪涌未出現(xiàn)之前，表現(xiàn)為高電阻；浪涌到來，SPD迅速轉(zhuǎn)變?yōu)榈碗娮瑁月防擞?；至浪涌過后又迅速恢復(fù)為高電阻。

SPD反應(yīng)速度快，遠(yuǎn)超氧化鋅避雷器，，有效防止二次雷和三次雷。由于是雙向作用，可有效防止感應(yīng)雷。所以IEEE及NEC規(guī)定，在安裝避雷器的同時(shí)應(yīng)該加裝SPD，以形成防雷雙保險(xiǎn)。

3.3 配電系統(tǒng)浪涌的保護(hù)措施

3.3.1 分級保護(hù)概念簡述

對建筑物和房間根據(jù)不同防雷區(qū)（LPZ）的電磁環(huán)境要求在其外部設(shè)置屏蔽；以適合的路徑敷設(shè)線路及線路屏蔽措施；前文提及的共用及聯(lián)合接地系統(tǒng)；建筑物及內(nèi)部等電位聯(lián)結(jié)及接地措施；裝設(shè)SPD以限制過電壓。上述措施宜聯(lián)合使用。

針對浪涌引起的瞬態(tài)過電壓保護(hù)，通常采用分級裝設(shè)不同性質(zhì)的SPD完成。從配電系統(tǒng)進(jìn)線處通過兩到三步吸收浪涌，分階段抑制瞬態(tài)過壓。

第一級保護(hù)是連接在入口進(jìn)線各相和大地之間的相對大一些容量的SPD。普通工業(yè)廠房要求該級SPD具備50KA/相以上的最大沖擊電流，對于系統(tǒng)標(biāo)稱電壓為400V的配電系統(tǒng)，限制電壓應(yīng)小于2000V。應(yīng)選用符合I級分類試驗(yàn)的產(chǎn)品。其保護(hù)敏感度存在不足，僅靠該級SPD尚無法完全保護(hù)區(qū)域中的敏感電子設(shè)備。第二級保護(hù)是安裝在向重要或敏感用電設(shè)備回路處的延續(xù)浪涌區(qū)域的SPD。對通過了用戶供電入口SPD的剩余浪涌進(jìn)行更完善的吸收。選用符合II級分類試驗(yàn)的產(chǎn)品。電源防浪涌保護(hù)器要求的最大沖擊容量為40～45kA/相，限制電壓小于1200V。第三級保護(hù)是于用電設(shè)備電源接線盒上使用內(nèi)置SPD，可消除微小擾動(dòng)的瞬時(shí)過壓。SPD要求的最大沖擊容量為7KA/相，限制電壓應(yīng)小于1000V。

3.3.2 SPD選取原則簡述

首先需要?jiǎng)澐纸ㄖ飪?nèi)的雷電保護(hù)區(qū)，此后經(jīng)雷擊風(fēng)險(xiǎn)分級與雷擊電流分流校驗(yàn)來進(jìn)行SPD的選擇。SPD分為如下三種。

（1）電壓開關(guān)型SPD：適用于雷電浪涌保護(hù)，可最大限度地消除電網(wǎng)后續(xù)電流，疏導(dǎo)10/350？s的雷電沖擊電流。（2）限壓型SPD：用于操作過電壓和雷擊過電壓的保護(hù)。通常將其安裝在建筑物內(nèi)，疏導(dǎo)8/20？s的雷電沖擊電流。（3）混合型SPD：其同時(shí)兼有電壓開關(guān)型和限壓型兩種特性，但沒有電壓開關(guān)型元件和限壓型元件的單獨(dú)特性好，且價(jià)格較貴，僅在特殊情況下才考慮用混合型SPD。

4 結(jié)論

工業(yè)與民用配電系統(tǒng)的防雷與接地要在設(shè)計(jì)初始階段就完成對于防雷區(qū)域建筑物的了解，能夠做到通盤考慮，細(xì)節(jié)為上。根據(jù)工程的實(shí)際情況，依據(jù)規(guī)程規(guī)范，嚴(yán)格把關(guān)選取設(shè)備的型號與質(zhì)量并制定周到可行的防雷方案。

參考文獻(xiàn)

[1] 工業(yè)與民用配電設(shè)計(jì)手冊.北京： 中國電力出版社， 2005 .10 第三版. [Z]

[2] GB/T 50065-2011 ，交流電氣裝置的接地設(shè)計(jì)規(guī)范[Z]

[3] DL/T 620-1997， 交流電氣裝置的過電壓保護(hù)和絕緣配合[Z]

[4] 龔炳林.配電變壓器接地裝置的幾個(gè)問題. 大眾用電，2007.11 [C]

[5] 范耀升 梁喜標(biāo).10kV配電線路防雷措施分析. 電力科技 2012.5[C]

[6] National Electrical Code 2011 [Z]