淺談配電系統(tǒng)防雷設(shè)計(jì)

【摘要】防雷接地是電氣安全的重要手段，本文根據(jù)雷電的特點(diǎn)，討論了低壓配電系統(tǒng)的防雷措施，并對(duì)不同形式的接地進(jìn)行了說明。分析了接地在低壓系統(tǒng)中的接線方式和工作內(nèi)容，將避雷帶、引下線、接地裝置、等電位、浪涌保護(hù)器等保護(hù)器件與配電設(shè)施相結(jié)合，為低壓配電系統(tǒng)能最大限度達(dá)到安全防雷措施提供參考。

【關(guān)鍵詞】配電；安全；接地；防雷配置

一、引言

在供配電工程中，接地系統(tǒng)占有非常重要的位置，它關(guān)系到整個(gè)配電系統(tǒng)的正常運(yùn)行和穩(wěn)定性，尤其是在雷電所產(chǎn)生的雷電波侵入方面，對(duì)接地技術(shù)提出了更高的要求。電氣設(shè)備、變頻設(shè)備和非線性用電設(shè)備在操作或運(yùn)行時(shí)會(huì)在供電系統(tǒng)的內(nèi)部產(chǎn)生浪涌，而低壓供電系統(tǒng)的外部浪涌主要來自雷電放電。因此，其產(chǎn)生的內(nèi)外部浪涌，即便是很窄的過電壓沖擊，也會(huì)對(duì)設(shè)備或電源系統(tǒng)造成損壞。

目前，我國低壓配電網(wǎng)沿用三相四線制及保護(hù)接地或保護(hù)接零方式，根據(jù)GB50054—95《低壓配電設(shè)計(jì)規(guī)范》中的定義，將低壓配電系統(tǒng)分為TN、TT、IT三類。其中，第一個(gè)字母表示電源接地點(diǎn)對(duì)地關(guān)系：T—電源變壓器中性點(diǎn)直接接地；I—電源變壓器中性點(diǎn)不接地或通過高阻接地。第二個(gè)字母表示裝置外露導(dǎo)電部分（或金屬外殼）對(duì)地關(guān)系：T—表示電氣設(shè)備金屬外殼直接接地，且與配電網(wǎng)接地系統(tǒng)無關(guān)；N—電氣設(shè)備金屬外殼直接與配電系統(tǒng)的接地線相連接。

二、防雷接地與電氣設(shè)備接地的區(qū)別

防雷接地裝置包括：接閃器、接地線（引下線）和接地裝置（接地線和接地體的總和）。就其接地裝置的型式和結(jié)構(gòu)與通常的電氣設(shè)備工作或保護(hù)接地是一樣的。主要區(qū)別在于防雷接地是把雷電流導(dǎo)泄入到大地，電氣設(shè)備接地是將工頻短路電流導(dǎo)泄入到大地。由于工頻短路電流遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于雷電流，流過接地裝置時(shí)所產(chǎn)生的電壓降也較小，不會(huì)出現(xiàn)反擊現(xiàn)象，雷電流流過接地裝置時(shí)的電壓降往往較高，會(huì)對(duì)某些絕緣弱點(diǎn)或絕緣間隙產(chǎn)生反擊，因此用于防雷的接地裝置應(yīng)獨(dú)立設(shè)置。

三、配電系統(tǒng)防雷配置

供電線路是雷電波侵入的主要通道之一，因此對(duì)引入建筑體的電力線路及其內(nèi)部的配電系統(tǒng)應(yīng)進(jìn)行過電壓防護(hù)，即安裝浪涌防護(hù)器（SPD），其目的是用分流（或限幅）技術(shù)將雷電過電壓（脈沖）能量分流泄入到大地，達(dá)到保護(hù)目的。同時(shí)雷電對(duì)低壓供電系統(tǒng)浪涌引起的瞬態(tài)過電壓能夠?qū)訉忧秩?，?yīng)采用分級(jí)保護(hù)的方式來完成，從供電系統(tǒng)的入口（如樓宇總配電房）開始、逐步進(jìn)行浪涌能量的吸收，對(duì)瞬態(tài)過電壓進(jìn)行分級(jí)防護(hù)。

1.TN—C—S系統(tǒng)防雷配置

TN—C—S是TN—C和TN—S兩種系統(tǒng)的組合，第一部分是TN—C系統(tǒng)，第二部分是TN—S系統(tǒng)，PEN線在A點(diǎn)處分為中性線（N線）與保護(hù)零線（PE線）。該系統(tǒng)通常用在建筑物內(nèi)有區(qū)域配電供電的場(chǎng)所。進(jìn)戶前采用TN—C系統(tǒng)，進(jìn)戶處作重復(fù)接地，進(jìn)戶后變成TN—S系統(tǒng)，由于在建筑電氣設(shè)計(jì)中，采用TN系統(tǒng)時(shí)應(yīng)做等電位聯(lián)結(jié)，從而消除自建筑外沿PEN線或PE線竄入的危險(xiǎn)故障電壓和外界電磁場(chǎng)、雷電波引起的干擾，以改善裝置的電磁兼容性能。

TN—C—S系統(tǒng)中的雷電流避雷器和浪涌保護(hù)器，如圖1所示。第一級(jí)保護(hù)是從電力變壓器低壓側(cè)埋地電纜引入到樓宇配電房總配電柜，電纜相線與NPE線之間加裝三相雷電流避雷器（SPD），該SPD是專為承受直擊雷電產(chǎn)生的大電流和高能量浪涌能量吸收而設(shè)計(jì)，可將第一次直擊雷電產(chǎn)生的浪涌電流泄入到大地，但對(duì)二次雷、三次雷不起作用。第二級(jí)保護(hù)是在樓宇總配電柜至樓層分配電箱間電纜內(nèi)芯線、中性線N與PE線兩端安裝的浪涌保護(hù)器（SPD），能夠抑制第一級(jí)防雷保護(hù)中的剩余過電壓的沖擊，同時(shí)阻止感應(yīng)雷通過金屬導(dǎo)線、傳輸線等產(chǎn)生的電磁脈沖的影響，進(jìn)一步降低電源線路上的電壓峰值和雷電流強(qiáng)度。樓宇內(nèi)所有電氣設(shè)備及智能信息電子設(shè)備前端對(duì)地安裝防雷器（SPD）做為第三級(jí)保護(hù)，這部分主要是考慮到電氣與信息系統(tǒng)的重要性和抵抗雷電壓的脆弱性等原因，通過分流（限流）技術(shù)將雷電產(chǎn)生的過電壓（脈沖）能量分流疏導(dǎo)至大地，從而達(dá)到保護(hù)設(shè)備的目的。

2.TN—S系統(tǒng)防雷配置

TN—S系統(tǒng)的PE線（地線）與N線（中線）在變壓器低壓側(cè)中性點(diǎn)相連并與大地連接，在后面的供電電路中PE線和N線分開布放，因此需要分別在相線與PE線、N線與PE線之間進(jìn)行防雷保護(hù)。TN—S系統(tǒng)中的雷電流避雷器和浪涌保護(hù)器示如圖2所示。

3.TT系統(tǒng)防雷配置

TT系統(tǒng)中，N線（中線）只在變壓器低壓側(cè)的中性點(diǎn)接地，它與設(shè)備的保護(hù)接地是嚴(yán)格分開的，因此在防雷保護(hù)配置時(shí)，需要在相線與N線，N線與地線之間做防雷措施，如圖3所示。

圖3 TT系統(tǒng)防雷配置圖

4.IT系統(tǒng)防雷配置

IT系統(tǒng)俗稱三相三線制，IT系統(tǒng)中變壓器中性點(diǎn)不接地或通過大電阻接地，線路中無工作零線。此種供電系統(tǒng)適于三相對(duì)稱負(fù)載，實(shí)際應(yīng)用于工廠供電系統(tǒng)中給電動(dòng)機(jī)供電，其防雷保護(hù)需在負(fù)載的輸入側(cè)做一接地體，作為系統(tǒng)防雷保護(hù)地，如圖4所示。

圖4 IT系統(tǒng)防雷配置圖

圖5 配電變壓器的防雷保護(hù)

圖6 配電變壓器的防雷保護(hù)

四、配電變壓器的防雷

配電變壓器高壓側(cè)一般都是用FS系列閥型避雷器作為防雷保護(hù)；變壓器低壓側(cè)可用FS系列低壓避雷器、440V壓敏電阻。避雷器接地線應(yīng)與低壓側(cè)中性點(diǎn)及變壓器外殼連接并共同接地，如圖5所示。其接地電阻對(duì)100KVA以上的配電變壓器應(yīng)不大于4Ω；對(duì)100KVA及以下的變壓器應(yīng)不大于10Ω。采用三點(diǎn)共地的好處是，當(dāng)避雷器放電時(shí)，高壓繞組對(duì)變壓器外殼、高壓繞組對(duì)低壓繞組之間的過電壓，因在低壓側(cè)裝設(shè)了保護(hù)裝置，避免了在低壓繞組上可能出現(xiàn)的過電壓，同時(shí)也保護(hù)了高壓繞組，且與接地電阻無關(guān)，這樣比較安全。對(duì)于低壓側(cè)中性點(diǎn)不接地的配電變壓器，應(yīng)在其中性點(diǎn)增設(shè)擊穿保險(xiǎn)器；擊穿保險(xiǎn)器的一端必須與總接地網(wǎng)相連，如圖6所示。閥型避雷器用作保護(hù)配電變壓器時(shí)，其安裝原則離變壓器越近越好。當(dāng)配電變壓器高壓側(cè)或低壓側(cè)落雷時(shí)，為避免雷電流流過接地電阻時(shí)產(chǎn)生的壓降與避雷器的殘壓疊加在一起作用在變壓器繞組絕緣上，所以應(yīng)將避雷器的接地線與變壓器外殼連在一起并接地。

五、低壓電纜線路的防雷措施

低壓電纜通常是直埋鋪設(shè)，當(dāng)電纜絕緣層損壞時(shí)，在電纜的金屬外皮、鎧甲和接頭盒上都可能帶電。電纜在地下鋪設(shè)時(shí)，由于人是接觸不到的，所以不必沿線路把金屬護(hù)套和鎧甲接地，直埋電纜穿越道路時(shí)，保護(hù)電纜的金屬鋼管不必考慮接地，只要將低壓電纜兩端接地，即將電纜的金屬護(hù)套、鎧甲和終端盒連接到電纜兩端的總接地網(wǎng)上。當(dāng)電纜由地下引出地面時(shí)，不僅要加保護(hù)管，而且引出地面的金屬管必須接地或接零，據(jù)GB50169-1992《電氣裝置安裝工程接地裝置施工及驗(yàn)收規(guī)范》中對(duì)電纜施工要求如下：

1.可觸及的電纜金屬保護(hù)管均應(yīng)接地或接零。

2.低壓電纜除在特別危險(xiǎn)的場(chǎng)所（潮濕、腐蝕性蒸汽和氣體、導(dǎo)電塵埃）需要接地外，其它環(huán)境可不作接地。

3.金屬外皮電纜的支架可不接地。電纜外皮如是非金屬材料如塑料、橡皮等，以及電纜與支架間有絕緣墊層時(shí)，其支架必須接地。

4.兩根單芯電纜平行敷設(shè)時(shí)，為限制產(chǎn)生過高的感應(yīng)電壓，應(yīng)將電纜金屬外皮及鎧甲進(jìn)行了多點(diǎn)接地。

六、防雷接地

在電力系統(tǒng)中，變壓器中性點(diǎn)的工作接地和設(shè)備外殼的保護(hù)接地處于同一地網(wǎng)內(nèi)，因此在中性點(diǎn)直接接地的高壓電力系統(tǒng)中，當(dāng)電氣設(shè)備因絕緣損壞而使外殼帶電時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生較大的短路接地電流使斷路器跳閘，切除故障。所以在變電站中因電氣設(shè)備外殼帶電而引發(fā)的觸電事故危險(xiǎn)率很很低。然而在中性點(diǎn)直接接地的380/220V低壓配電系統(tǒng)中，由于低壓系統(tǒng)中用電設(shè)備的保護(hù)地和電源的工作地通常不在一起，如處理不當(dāng)，使人體易遭受觸電的危險(xiǎn)，因此低壓系統(tǒng)的接地應(yīng)特別重視。

1.接地電阻的確定

應(yīng)考慮系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行和系統(tǒng)保護(hù)的可靠性，同時(shí)還要避免受外界干擾和防止對(duì)電氣敏感設(shè)備的干擾。防雷接地電阻值要能確保設(shè)備和建筑免受直擊雷、感應(yīng)雷及引入雷造成的危害，其它如防靜電的挖地電阻值、防電磁干擾的接地電阻值都要能滿足對(duì)電磁環(huán)境的要求。因此只要能滿足規(guī)程中的接地電阻值，就能滿足設(shè)備在正常情況下相應(yīng)的保護(hù)要求，如表1所示。

表1 低壓系統(tǒng)接地電阻允許值

2.確定接地電阻時(shí)應(yīng)注意的問題

（1）首先了解接地電阻的條件，接地電阻值是根據(jù)一定條件確定的，只有條件相同時(shí)才能采用。如變壓器的高、低壓側(cè)采用共同接地時(shí)，接地電阻為1Ω，決定這個(gè)數(shù)值的條件是高壓為不接地系統(tǒng)，且電容電流不超過30A。如果高壓側(cè)是接地系統(tǒng)，或電容電流大于30A，則這個(gè)1Ω的接地電阻就不能被采用。因此實(shí)施接地電阻時(shí)，首先應(yīng)該了決定這個(gè)接地電阻的條件。

（2）作為多用途的接地電阻，有的接地裝置不僅作為工作接地，又作保護(hù)接地，或即作保護(hù)接地又作防雷和防靜電接地，此時(shí)，應(yīng)選用其中的最小值作為接地裝置的接地電阻。

（3）由于復(fù)雜電氣裝置或多功能建筑體內(nèi)金屬管線縱橫交錯(cuò)，地上和地下的鋼結(jié)構(gòu)甚多，很難按不同系統(tǒng)或設(shè)備采用單獨(dú)接地，因此只能采用共同接地。由于不同的電氣設(shè)備對(duì)接地電阻有不同的要求，接地電阻一般采用1Ω，這對(duì)于泄漏大電流和減少雷電反擊是有利的。

七、低壓配電系統(tǒng)接地的實(shí)施

低壓配電系統(tǒng)接地取大地為參考電位，當(dāng)系統(tǒng)負(fù)荷較大時(shí)，為滿足用電負(fù)荷對(duì)可靠性的要求，通常采用兩臺(tái)變壓器，以利于電能的合理輸送和分配。兩臺(tái)變壓器互為備用，當(dāng)一臺(tái)出現(xiàn)事故或檢修時(shí)，另一臺(tái)能承擔(dān)起全部系統(tǒng)負(fù)荷的需要。根據(jù)IEC對(duì)系統(tǒng)接地的要求，不允許在配電室內(nèi)將變壓器中性點(diǎn)就地接地，同時(shí)從配電室引出去的中性線（PEN線）必須絕緣，因此只能在低壓配電柜的一點(diǎn)與接地的PE母排連接從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)接地，其中從PEN線引出的PE線因不承載電流，可進(jìn)行多次接地。如圖7所示。為避免總配電箱受到雷電瞬態(tài)沖擊過電壓的危害，當(dāng)總配電箱以TN—S系統(tǒng)或TN—C—S系統(tǒng)供電時(shí)，由于PE線和中性線被短接，只需在相線和PE線間安裝第一級(jí)3個(gè)電涌保護(hù)器，用于泄放瞬態(tài)沖擊電流并將沖擊電壓降低。

圖7 低壓配電系統(tǒng)中系統(tǒng)接地的實(shí)施

八、結(jié)束語

防雷保護(hù)的第一道防線是把雷電能量安全導(dǎo)入大地，為了達(dá)到這一目的，直擊雷防護(hù)用的接閃裝置和侵入波保護(hù)用的過電壓保護(hù)裝置都需要接地，因此防雷是和接地密切相關(guān)的。現(xiàn)代防雷技術(shù)不僅要在建筑物外部構(gòu)建避雷針、避雷帶等防護(hù)措施，對(duì)其內(nèi)部的供配電系統(tǒng)、電子信息系統(tǒng)也同樣采取雷電侵入波防護(hù)和電磁感應(yīng)防護(hù)等措施。

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