泵站低壓系統(tǒng)的過(guò)電壓防護(hù)

栗禎澤

（陜西省水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，陜西 西安 710001）

1 概述

低壓電氣設(shè)備的過(guò)電壓來(lái)源主要有種：一種為建筑物周邊雷電產(chǎn)生的高頻電磁場(chǎng)通過(guò)電氣線路或空間電磁場(chǎng)的耦合感應(yīng)造成的過(guò)電壓；第二種為電力系統(tǒng)發(fā)生短路故障或大型電力設(shè)備的投切導(dǎo)致在低壓系統(tǒng)引起過(guò)電壓。其中電力系統(tǒng)發(fā)生短路故障或大型電力設(shè)備的投切對(duì)泵站高壓系統(tǒng)影響較大，由于站用變的存在對(duì)低壓系統(tǒng)造成的過(guò)電壓影響較小，低壓系統(tǒng)過(guò)電壓大多數(shù)由雷電流產(chǎn)生的電磁場(chǎng)造成，原因如下所示：

（1）泵站多分布于空曠的戶外郊區(qū)，孤立建筑物和電氣設(shè)備易受雷擊，需設(shè)置避雷針和避雷帶進(jìn)行防直擊雷保護(hù)，避雷設(shè)施起到了引雷的作用，將雷電流導(dǎo)入大地，保護(hù)了建筑物和戶外電氣設(shè)備免受直接雷的危害，但在引流的同時(shí)，雷電流產(chǎn)生的電磁場(chǎng)使得建筑物內(nèi)電氣設(shè)備的電源線或信號(hào)線感應(yīng)出瞬態(tài)過(guò)電壓，造成電氣設(shè)備或線纜絕緣的破壞。

（2）泵站遠(yuǎn)方發(fā)生雷擊時(shí)，雷電產(chǎn)生的瞬變電磁場(chǎng)在電源線或線號(hào)線路上感應(yīng)出瞬態(tài)涌壓，它沿著架空線路傳到泵站內(nèi)電氣設(shè)備上，擊穿設(shè)備絕緣。

因此，在設(shè)計(jì)過(guò)程中需采用一定措施來(lái)抑制和消除雷電波過(guò)電壓的影響，而由電力系統(tǒng)故障原因造成的過(guò)電壓為系統(tǒng)內(nèi)部故障，無(wú)法通過(guò)措施來(lái)抑制，只能通過(guò)避雷器或浪涌保護(hù)器設(shè)備來(lái)消除。

2 過(guò)電壓的抑制措施

在設(shè)計(jì)過(guò)程中可以通過(guò)分流、屏蔽措施、線路屏蔽和合理布線、設(shè)置接地和等電位聯(lián)結(jié)等措施來(lái)抑制過(guò)電壓的產(chǎn)生。

2.1 分流措施

泵站建筑物設(shè)置有避雷帶，當(dāng)雷擊避雷帶時(shí)，雷電流沿著防雷引下線泄至大地后，通過(guò)接地裝置進(jìn)行散流，在此過(guò)程中引下線會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)大電磁場(chǎng)，該電磁場(chǎng)使得建筑物內(nèi)電氣設(shè)備和線路感應(yīng)出過(guò)電壓，可通過(guò)增加防雷引下線的根數(shù)、縮短引下線之間的間距來(lái)對(duì)雷電流進(jìn)行分流，而相鄰防雷引下線產(chǎn)生的電磁場(chǎng)在一定程度上會(huì)相互抵消，減小了感應(yīng)電磁場(chǎng)的強(qiáng)度，從而降低了感應(yīng)過(guò)電壓的幅度。當(dāng)感應(yīng)過(guò)電壓從架空線路上過(guò)來(lái)時(shí)，應(yīng)在架空線路末端安裝避雷器，使雷電流在進(jìn)入建筑物前進(jìn)行強(qiáng)制分流來(lái)減小過(guò)電壓幅度。

2.2 屏蔽措施

首先充分利用整座主副廠房和各電氣設(shè)備功能房間內(nèi)的鋼筋、金屬構(gòu)件、金屬支撐件等金屬形成的籠式格柵屏蔽體，使建筑物內(nèi)部鋼筋相互等電位聯(lián)結(jié)；其次泵站的二次監(jiān)控室應(yīng)盡量靠近副廠房中心位置，避免布置在建筑頂層或靠近防雷引下線處，若無(wú)法避開(kāi)防雷引下線，則需保證設(shè)備的電源和線號(hào)線與防雷引下線保持2 m以上的距離，在一定程度上減小過(guò)電壓；第三電纜在敷設(shè)時(shí)，泵站電纜溝采用鋼筋混凝土電纜溝，電氣設(shè)備的電源線路、信號(hào)線路在電纜溝內(nèi)敷設(shè)，在無(wú)法設(shè)置鋼筋混電纜溝的位置設(shè)置金屬槽盒或穿管敷設(shè)，使雷電壓無(wú)從感應(yīng)產(chǎn)生。

2.3 合理的布線措施

為滿足自動(dòng)化和信息化的要求，泵站內(nèi)設(shè)置大量保護(hù)自動(dòng)化設(shè)備和信息技術(shù)設(shè)備，該設(shè)備需要供電電源，同時(shí)有信號(hào)上傳是監(jiān)控系統(tǒng)，因此有信號(hào)電纜和電源電纜，當(dāng)信號(hào)線和電源線布線不合理時(shí)，在外部發(fā)生雷擊時(shí)，也可能造成電氣設(shè)備的燒壞。具體原因見(jiàn)圖1，泵站內(nèi)的自動(dòng)化設(shè)備和信息技術(shù)設(shè)備電源電纜和信號(hào)電纜會(huì)形成一個(gè)感應(yīng)環(huán)路，當(dāng)廠房受雷擊或泵站周圍發(fā)生雷擊時(shí)，周圍空間會(huì)發(fā)生瞬變電磁場(chǎng)，感應(yīng)環(huán)路會(huì)受瞬變磁場(chǎng)影響，產(chǎn)生涌壓，且感應(yīng)環(huán)路包圍的面積與感應(yīng)電壓成正比關(guān)系，面積越大，感應(yīng)的涌壓越大。當(dāng)設(shè)備的電源電纜與信號(hào)電纜未布置在同一個(gè)通道，兩根電纜會(huì)形成一個(gè)較大面積的包繞環(huán)，見(jiàn)圖1-a，該包繞環(huán)會(huì)根據(jù)其包繞的面積產(chǎn)生相應(yīng)的過(guò)電壓，從而造成設(shè)備的過(guò)電壓事故。因此，在線路布線時(shí)，建議將電源電纜和信號(hào)電纜布置在同一電纜溝或槽盒中進(jìn)行敷設(shè)，如圖1-b所示，以減小包繞面積，降低感應(yīng)過(guò)電壓。但同時(shí)還應(yīng)考慮電力電纜中的大電流會(huì)對(duì)信號(hào)線纜造成干擾，兩者之間應(yīng)保持不小于50 mm的間距，同時(shí)信號(hào)線纜需采用屏蔽型線纜，并正確接地。

圖1 泵站內(nèi)線纜的布置圖

2.4 接地措施

泵站內(nèi)設(shè)置合理的接地網(wǎng)格，不僅可以起到良好的散流，同時(shí)也是防雷擊電磁脈沖的基本措施之一，具體措施如下所示：

（1）泵站防雷接地、電氣設(shè)備工作接地、安全保護(hù)接地等采用共用接地裝置。

（2）建筑物接地網(wǎng)設(shè)置外部沿建筑一周敷設(shè)，形成環(huán)形接地網(wǎng)，并與建筑物內(nèi)的接地網(wǎng)格每隔5 m進(jìn)行一次可靠焊接。

（3）泵站內(nèi)各建筑物之間的接地裝置通過(guò)接地扁鋼、PE導(dǎo)體、穿墻鋼管、電纜溝內(nèi)的鋼筋及其他金屬管道相連，形成統(tǒng)一接地網(wǎng)。

（4）泵站內(nèi)各等電位聯(lián)結(jié)接入共用接地網(wǎng)。

（5）低壓配電系統(tǒng)必須采用TN-S接線。

2.5 等電位聯(lián)結(jié)措施

泵站各功能房間內(nèi)通過(guò)設(shè)置等電位聯(lián)結(jié)，可以有效減小防雷空間內(nèi)各系統(tǒng)或金屬構(gòu)件物之間的電位差，削弱磁場(chǎng)強(qiáng)度，從而減小感應(yīng)過(guò)電壓。具體可按照以下措施進(jìn)行實(shí)施：

（1）在泵房各防雷區(qū)界面處設(shè)置等電位聯(lián)結(jié)，例如LPZ0與LPZ1區(qū)界面處，所有進(jìn)入泵房的管道、電力系統(tǒng)電纜、弱點(diǎn)系統(tǒng)電纜線路均應(yīng)設(shè)置等電位聯(lián)結(jié)，并與附近接地體聯(lián)結(jié)，保證在電氣上的貫通。LPZ1 與LPZ2區(qū)界面及后續(xù)界面的等電位聯(lián)結(jié)按LPZ0 與LPZ1 區(qū)界面處的等電位聯(lián)結(jié)的原則進(jìn)行實(shí)施[1]。

（2）廠房?jī)?nèi)各防雷區(qū)設(shè)置內(nèi)部導(dǎo)電物的等電位聯(lián)結(jié)，泵房?jī)?nèi)水泵、電機(jī)、管道、電動(dòng)葫蘆、金屬門(mén)框架、電纜托盤(pán)、梯架應(yīng)以最短的路徑連接到最近的等電位聯(lián)結(jié)帶上，或聯(lián)結(jié)到已設(shè)置等電位連接的金屬物體上，且各導(dǎo)電物之間盡可能的多次相互連接。

3 過(guò)電壓的消除措施

3.1 過(guò)電壓消除原理

泵站在設(shè)計(jì)過(guò)程中，采用上述措施僅在一定程度上抑制減小雷擊電磁場(chǎng)引起的過(guò)電壓危害，但無(wú)法徹底消除過(guò)電壓，因此需要借助浪涌保護(hù)器SPD來(lái)消除它的危害，以保證電氣設(shè)備的安全和正常運(yùn)行。但實(shí)際上避雷器和浪涌保護(hù)器也并非是消除過(guò)電壓，它是利用設(shè)備特性，將雷電流泄放至大地，并將過(guò)電壓幅值降低設(shè)備能夠承受的范圍，最終利用電氣設(shè)備自身的絕緣水平來(lái)抵抗殘留過(guò)電壓。

3.2 浪涌保護(hù)器的選擇

浪涌保護(hù)器（SPD）的選擇與安裝位置、泵站配電系統(tǒng)、接地方式都有關(guān)聯(lián)。不同的情況，在低壓系統(tǒng)引起過(guò)電壓的情況亦各不相同，因此針對(duì)不同類型的泵站需采用不同的過(guò)電壓防護(hù)措施。如果浪涌保護(hù)裝置選用不當(dāng)，不僅起不到防護(hù)作用，反而會(huì)造成其他的電氣事故。泵站浪涌保護(hù)的選擇主要考慮SPD的最大持續(xù)工作電壓UC、沖擊放電電流Iimp或標(biāo)稱放電電流In、電壓保護(hù)水平Up。

（1）SPD的接線方式確定

在選擇SPD時(shí)，首先應(yīng)確定泵站的配電方式，確定SPD的接線方式。當(dāng)供電對(duì)象為農(nóng)灌或其他類小型泵站時(shí)，由于其裝機(jī)功率較小，泵站變壓器往往安裝于終端桿或直接采用低壓進(jìn)行供電，低壓配電接線方式通常為T(mén)N-C-S系統(tǒng)，PEN線在電源進(jìn)線處分為PE線和N線；當(dāng)泵站為中大型時(shí)，往往采用10 kV或35 kV高壓系統(tǒng)進(jìn)行供電，高壓經(jīng)站用變壓器降壓后其低壓配電接線方式通常為T(mén)N-S系統(tǒng)，PEN線在低壓進(jìn)線柜處被分為PE線和N線[2]。上述兩種類型額泵站接線方式均在配電柜內(nèi)將PE線和N線接地，只需相線和PE線之間安裝第一級(jí)SPD，見(jiàn)圖2。

圖2 泵站TN系統(tǒng)SPD接線方式

（2）SPD的最大持續(xù)工作電壓UC

浪涌保護(hù)器的UC取決于泵站系統(tǒng)最大持續(xù)工作電壓的最小值，同時(shí)考慮低壓系統(tǒng)的電壓偏差（按10%進(jìn)行考慮）和SPD的老化問(wèn)題（按5%進(jìn)行考慮），因此需按照1.15 倍的低壓系統(tǒng)電壓進(jìn)行設(shè)計(jì)，目前，絕大部分低壓系統(tǒng)采用0.38 kV進(jìn)行供電，其SPD的最大持續(xù)工作電壓UC不應(yīng)小于437V，少數(shù)泵站采用0.69 kV進(jìn)行供電，其SPD的最大持續(xù)工作電壓UC不應(yīng)小于794 V。

（3）SPD的沖擊放電電流Iimp或標(biāo)稱放電電流In

對(duì)于SPD的Iimp或In的選擇，需考慮其安裝位置、暴露程度進(jìn)行選擇。若泵站內(nèi)易受雷擊，設(shè)有避雷針或避雷帶等避雷措施，則需在電源進(jìn)線處設(shè)置的SPD沖擊電流按不應(yīng)小于12.5 kA進(jìn)行設(shè)計(jì)，應(yīng)選擇I級(jí)試驗(yàn)的開(kāi)關(guān)型SPD，該類型浪涌保護(hù)器能夠通過(guò)1.2/50 μs沖擊電壓、10/350 μs的沖擊電流。若泵站內(nèi)僅考慮線路上的傳導(dǎo)性雷電波過(guò)電壓，則在電源進(jìn)線處設(shè)置的SPD的沖擊電流按不應(yīng)小于5 kA進(jìn)行設(shè)計(jì)，應(yīng)選擇II級(jí)試驗(yàn)的限壓型SPD，該類型浪涌保護(hù)器能夠通過(guò)1.2/50 μs沖擊電壓、8/20 μs的沖擊電流。

（4）SPD的電壓保護(hù)水平Up

為有效且合理的對(duì)泵站內(nèi)各電氣設(shè)備進(jìn)行保護(hù)，按電氣設(shè)備的耐沖擊電壓水平進(jìn)行分級(jí)保護(hù)，保證SPD的電壓保護(hù)水平Up小于電氣設(shè)備的耐沖擊電壓水平。泵站內(nèi)低壓供電設(shè)備主要包括通信設(shè)備、保護(hù)設(shè)備、直流配電設(shè)備、DC/AC逆變器、DC/DC變換器、一般電器（如燈具）等，因此泵站內(nèi)SPD的電壓保護(hù)水平按表1 進(jìn)行配置。

表1 泵站內(nèi)SPD的電壓保護(hù)水平

4 結(jié)論

通過(guò)上述抑制和消除措施，可將泵站的雷電過(guò)電壓對(duì)設(shè)備的危害限制在電氣設(shè)備可控范圍內(nèi)，使泵站內(nèi)建筑物受雷擊或周圍發(fā)生雷擊時(shí)能夠安全可靠的運(yùn)行。