配電系統(tǒng)的防雷與接地探析

胡保有 康紅軍

摘 要：文章在對(duì)雷擊現(xiàn)象及其主要危害進(jìn)行論述的基礎(chǔ)上，分析了配電系統(tǒng)接地防雷擊系統(tǒng)的主要形式，并對(duì)其具體的應(yīng)用環(huán)境進(jìn)行了分析。同時(shí)，從變電站的進(jìn)線防護(hù)技術(shù)、侵入波的防護(hù)、建筑物的防雷接地以及外電源線路采用浪涌保護(hù)器四個(gè)方面探討了配電系統(tǒng)的防雷與接地技術(shù)，為配電系統(tǒng)的防雷設(shè)計(jì)與施工提供參考。

關(guān)鍵詞：配電系統(tǒng)；防雷；接地；浪涌保護(hù)

中圖分類號(hào)：TM861 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-8937（2014）24-0107-02

隨著電網(wǎng)系統(tǒng)建設(shè)的迅速發(fā)展，電力系統(tǒng)的可靠性得到持續(xù)提高。但與此同時(shí)，在施工建設(shè)過(guò)程中由于設(shè)計(jì)以及施工方面的原因，導(dǎo)致電網(wǎng)建設(shè)之后出現(xiàn)了雷擊事故。究其原因，主要是由配電系統(tǒng)防雷設(shè)計(jì)過(guò)于簡(jiǎn)單、施工技術(shù)措施不力等原因造成的。因此，在配電系統(tǒng)的防雷接地設(shè)計(jì)過(guò)程中，有必要在對(duì)防雷接地技術(shù)方式進(jìn)行充分認(rèn)識(shí)的基礎(chǔ)上，從防雷接地施工、配電設(shè)備及相關(guān)系統(tǒng)防雷接地、浪涌設(shè)備的設(shè)置等幾個(gè)方面提出對(duì)應(yīng)的防雷接地措施，從而達(dá)到有效控制雷擊事故的目的。

1 雷擊現(xiàn)象及其主要危害

雷擊是自然界中一種常見(jiàn)的放電現(xiàn)象。大氣中存在大量的正負(fù)電荷雷云，當(dāng)帶有異種電荷的雷云相互之間的距離接近至一定程度之后，或者雷云與大地凸出物接近至一定的程度之后，電場(chǎng)將會(huì)在凸出物與雷云之間的空間擊穿，從而出現(xiàn)強(qiáng)烈的氣體放電現(xiàn)象，產(chǎn)生閃電、雷鳴等。雷擊通過(guò)直擊雷、感應(yīng)雷或者雷電侵入波等形式給人畜造成傷亡；使得電力線路、發(fā)電設(shè)備或者電力設(shè)備等產(chǎn)生高壓沖擊，直接影響到設(shè)備的絕緣層，形成短路、爆炸以及火災(zāi)等問(wèn)題，最終造成大面積的停電故障。同時(shí)，在雷擊過(guò)程中還產(chǎn)生了強(qiáng)大的電排斥力、電磁推力等作用，可能會(huì)對(duì)建筑物產(chǎn)生結(jié)構(gòu)性的破壞，使建筑物倒塌。

2 配電系統(tǒng)接地防雷擊系統(tǒng)的主要形式

接地防雷系統(tǒng)是配電系統(tǒng)防雷的主要形式，在具體的實(shí)施過(guò)程中主要包括兩種：

①設(shè)備外露中的可導(dǎo)電部分通過(guò)各自PE線直接接地。

②設(shè)備外露中的可導(dǎo)電部分通過(guò)PE線、PEN線進(jìn)行接地。因此，通常在對(duì)配電系統(tǒng)進(jìn)行接地防雷設(shè)計(jì)中，采用如下三種接地防雷形式。

2.1 TN-S接地防雷系統(tǒng)

該種防雷系統(tǒng)的N線與PE線是相互分開(kāi)的，系統(tǒng)的所有外露可導(dǎo)電部分都與公共的PE線直接連接，形成了三相五線制的系統(tǒng)。在當(dāng)前的配電系統(tǒng)當(dāng)中，這種防雷接地系統(tǒng)應(yīng)用最為廣泛，但是由于消耗材料較多，導(dǎo)致投資成本增加，且構(gòu)成的三相不平衡系統(tǒng)用作單相使用時(shí)會(huì)在N相線上形成高電位，因此通常設(shè)計(jì)時(shí)會(huì)將末級(jí)開(kāi)關(guān)與總開(kāi)關(guān)的N線連接斷開(kāi)，而采用兩級(jí)開(kāi)關(guān)，同樣會(huì)造成投資增加。所以，TN-S接地防雷系統(tǒng)主要用戶環(huán)境較差、對(duì)設(shè)備可靠性要求高以及電磁環(huán)境復(fù)雜的配電系統(tǒng)中，其具體的連接方式如圖1所示。

2.2 TN-C接地防雷系統(tǒng)

該種防雷接地系統(tǒng)的N線與PE線整合成為了一根PEN 線，且系統(tǒng)所有的外漏可導(dǎo)電部分都與PEN線直接相連。由于系統(tǒng)的N線不能斷線，因此在接入到建筑物內(nèi)部之前，必須對(duì)N線或者PE線進(jìn)行重復(fù)的接地。TN-C接地防雷系統(tǒng)能夠很好的適應(yīng)三相負(fù)荷基本平衡的使用環(huán)境，而且能夠用于有容量相對(duì)較小的單相220 V的移動(dòng)用電設(shè)備以及便攜式設(shè)備當(dāng)中，其系統(tǒng)連接如圖2所示。

2.3 TN-C-S接地防雷系統(tǒng)

在TN-C-S接地防雷系統(tǒng)當(dāng)中，N線與PE線中有部分是共同使用，而另一部分則采用了局部的保護(hù)線。即系統(tǒng)的前半部分與TN-C系統(tǒng)相同，而系統(tǒng)的后半部分則采用了與TN-S系統(tǒng)一致的結(jié)構(gòu)，其具有兩個(gè)系統(tǒng)的共同特點(diǎn)。該種防雷接地系統(tǒng)主要用于配電系統(tǒng)的末端設(shè)備，這些設(shè)備的使用環(huán)境條件較差，或者主要是進(jìn)行數(shù)據(jù)處理工作。因此，該種系統(tǒng)主要用于工業(yè)企業(yè)、普通民用建筑等中。當(dāng)配電系統(tǒng)負(fù)荷設(shè)置有漏電開(kāi)關(guān)，且干線末端處有接零保護(hù)時(shí)，該系統(tǒng)還可以用于民用住宅小區(qū)中，其系統(tǒng)連接如圖3所示。

3 配電系統(tǒng)防雷接地的技術(shù)措施

3.1 變電站的進(jìn)線防護(hù)技策略

為了限制經(jīng)過(guò)避雷器的雷擊電流復(fù)制以及雷電波的坡度，必須在防雷接地系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中對(duì)變電站的進(jìn)線進(jìn)行對(duì)應(yīng)的保護(hù)。一旦線路中出現(xiàn)過(guò)電壓現(xiàn)象，將引導(dǎo)電波向變電站運(yùn)動(dòng)。因?yàn)殚W絡(luò)電壓的起伏值是線路絕緣的50%，因此線路的沖擊耐壓能力要高于變電站設(shè)備的耐壓能力。接近變電站，在進(jìn)線上設(shè)置避雷線成為線路防雷的主要措施。

3.2 變電站對(duì)侵入波的防護(hù)

變電站針對(duì)侵入波的防護(hù)措施是在變電站的進(jìn)線處設(shè)置閥型的避雷器。該種避雷器的基本單元是非線性電阻或是火花間隙電阻。當(dāng)前，配電系統(tǒng)中采用的避雷器主要是SFZ系列的閥型避雷器，其主要用于保護(hù)中等或者大容量的電氣設(shè)備，而FS系列的閥型避雷器則主要是針對(duì)小容量的配電裝置而設(shè)置的。

3.3 配電系統(tǒng)建筑物的防雷接地技術(shù)措施

配電系統(tǒng)以及整個(gè)電氣設(shè)備的防雷性能將直接受到其所在建筑物自身的防雷性能影響，所有的建筑物內(nèi)部的配電系統(tǒng)以及設(shè)備的首道防線是建筑物自身，因此做好配電系統(tǒng)的接地防雷措施，首先要考慮配電系統(tǒng)所在建筑物本體的防雷性能。針對(duì)建筑物以及電氣、電子設(shè)備的防雷接地裝置的設(shè)置可以基于GB 50054-95中的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行等電位的連接，而不是采用傳統(tǒng)的獨(dú)立行使的接地防雷網(wǎng)絡(luò)。通過(guò)使用等電位連接方式，將建筑物中設(shè)置的人工接地體、室內(nèi)電氣設(shè)備以及自然接地體、電氣設(shè)備的外露導(dǎo)體等進(jìn)行等電位連接。當(dāng)雷擊現(xiàn)象再次發(fā)生時(shí)，其產(chǎn)生的高峰值雷擊電流相對(duì)地面產(chǎn)生強(qiáng)大的高電壓，該電壓將使得依然處于大地電位的電氣設(shè)備、配電系統(tǒng)以及工作人員產(chǎn)生閃絡(luò)，從而導(dǎo)致設(shè)備或者人員雷擊事故。在采用等電位的連接方式之后，雷擊事故將大大降低，這也使得等電位防雷措施成為了接地防雷措施的一種有效形式。建筑在進(jìn)行防雷設(shè)計(jì)的過(guò)程中，必須結(jié)合建筑物所在的地質(zhì)、氣象、環(huán)境以及被保護(hù)系統(tǒng)的特點(diǎn)，綜合采用對(duì)應(yīng)的防雷措施，設(shè)計(jì)形成科學(xué)合理的施工技術(shù)方案。

3.4 針對(duì)外電源線路采用浪涌保護(hù)器進(jìn)行保護(hù)

針對(duì)外電源線路的防雷接地措施，其可以將防雷接地措施分為三個(gè)級(jí)別。對(duì)于第一級(jí)電源防雷施工，按照國(guó)家的相關(guān)規(guī)定，外接金屬線路在接入建筑物之前必須在15 m以內(nèi)穿入預(yù)先設(shè)置好的金屬管槽，且必須在建筑物的線纜進(jìn)入端部的低壓端設(shè)置浪涌保護(hù)器，將可能從外部引入的雷擊高電壓引入到大地進(jìn)行釋放，確保設(shè)備后續(xù)的使用安全。對(duì)于該級(jí)別的防雷接地，三相進(jìn)線必須對(duì)每條線路安裝15 kA（10/350 μs）以上的通流容量浪涌保護(hù)器，從而將數(shù)萬(wàn)伏特甚至十幾萬(wàn)伏特的過(guò)電壓限制在幾千伏特以內(nèi)。浪涌保護(hù)器必須與配電系統(tǒng)的總配電室的進(jìn)線端并聯(lián)，從而達(dá)到保護(hù)直擊雷或者傳導(dǎo)雷擊的目的。該種浪涌保護(hù)器不會(huì)限制后續(xù)接入設(shè)備的功率，因此可以利用線路來(lái)傳輸直擊雷以及雷擊造成的高強(qiáng)感應(yīng)，達(dá)到保護(hù)配電系統(tǒng)的目的。

對(duì)于第二級(jí)浪涌保護(hù)器，其一般是作為次級(jí)防雷設(shè)備使用，可以將幾千伏特的過(guò)電壓進(jìn)行持續(xù)的限制，通?？梢詫⒅拗圃? kA以內(nèi)。該級(jí)別的電源浪涌保護(hù)設(shè)備要求的同流容量一般在40 kA（8/20μs）的范圍內(nèi)，通過(guò)將第一級(jí)浪涌保護(hù)器釋放之后產(chǎn)生的雷擊殘壓和感應(yīng)雷擊電流進(jìn)行再次釋放。單相線路以及三相線路都可以使用通流容量為40 kA（8/20μs）的電源浪涌保護(hù)器進(jìn)行防雷保護(hù)控制，該種類型的浪涌保護(hù)器一般并聯(lián)設(shè)置在線路中，而且對(duì)后接入的設(shè)備公路亦不予以限制。

對(duì)于第三級(jí)電源防雷，該級(jí)別的防雷措施是在進(jìn)行配電系統(tǒng)系統(tǒng)性防雷工程施工中比較容易忽略的地方。因?yàn)楝F(xiàn)代電子設(shè)備都使用了大量的集成電路以及精密原建設(shè)部，而且這些元器件的擊穿電壓一般只有數(shù)十伏特，且最大的允許工作電流強(qiáng)度通常處于mA級(jí)別。若不進(jìn)行第三級(jí)別的防雷設(shè)置，通過(guò)第一、二級(jí)的防雷處理之后，進(jìn)入設(shè)備的雷擊電壓依然達(dá)到上千伏特，這可能對(duì)后續(xù)電子設(shè)備的使用造成極大的沖擊，同時(shí)導(dǎo)致現(xiàn)代的配電系統(tǒng)造成破壞。第三級(jí)的浪涌保護(hù)器所選擇的同流容量一般為20 kA（8/20μs）的串聯(lián)式浪涌保護(hù)器，而且該浪涌保護(hù)器同樣不對(duì)后續(xù)接入設(shè)備的功率進(jìn)行限制。若配電系統(tǒng)用于供應(yīng)單相用電設(shè)備，則可以選擇同流容量為20 kA的浪涌保護(hù)器，并將其直接與設(shè)備的前端串聯(lián)起來(lái)，從而達(dá)到對(duì)操作電壓以及高壓靜電產(chǎn)生防范的效果。但是，這種連接方式的缺陷就是對(duì)接入的設(shè)備功率有限制作用，通常要求后接入設(shè)備的功率在4 kW以下。

4 結(jié) 語(yǔ)

配電系統(tǒng)的防雷接地施工是一項(xiàng)系統(tǒng)性的工程，在接地施工過(guò)程中需要結(jié)合當(dāng)?shù)氐牡刭|(zhì)、氣候、供電設(shè)備以及系統(tǒng)使用要求等相關(guān)要求，從多個(gè)方面采取針對(duì)性的措施進(jìn)行防雷設(shè)置，只有這樣才能達(dá)到保護(hù)配電系統(tǒng)以及相關(guān)設(shè)備的目的。

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