配電系統(tǒng)的防雷與接地技術研究

李曉磊，姚東升，雒新萍，胡 旻

（陜西省突發(fā)事件預警信息發(fā)布中心，陜西西安 710000）

隨著社會經(jīng)濟水平的提升，人們對生活質量的要求不斷增加，電力需求也隨之增加，推動了電力工程的建設。但在雷電活動頻繁的地區(qū)，電力設備易受到雷擊的影響。因此，防雷與接地是配電系統(tǒng)中必不可少的環(huán)節(jié)，要合理設計和施工，保障電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行，使社會經(jīng)濟得以正常運轉和發(fā)展。

1 防雷與接地工作原理

雷電是由于大氣中電荷不平衡引起的自然現(xiàn)象，在云內(nèi)部，水汽和顆粒物等帶電粒子不斷碰撞，導致電荷分離，通常情況下，云的上部帶正電荷，下部帶負電荷。當不同電荷的云相互靠近時，電荷分離也會發(fā)生，云底部的負電荷會吸引附近地面的正電荷，導致地面附近形成帶正電荷的區(qū)域。由于電荷分離，云與地面間形成了巨大的電場，這個電場會導致空氣中的分子離子化，形成電離通道，即閃電通道。當電離通道形成后，電荷會沿著通道進行放電，這個過程中，電荷會以極快的速度移動，形成閃電。閃電是由電流流動引起的，通常是從云底或云與地面間放電，也有可能是云與云之間放電。雷擊會導致線路和設備受損，甚至擊穿絕緣保護層，造成爆炸、火災或者停電等現(xiàn)象，因此，為保護電力系統(tǒng)免受雷擊的影響，須采取防雷與接地技術進行保護。其工作原理為利用雷電的特性，將電力系統(tǒng)中的金屬部件與地面形成良好的連接，通過導線將雷擊所產(chǎn)生的電流安全地引流到地下，結構如圖1所示。

圖1 防雷接地

2 配電系統(tǒng)防雷與接地的主要形式

（1）單點接地。單點接地是最常見的接地方式，即將電力設備的中性點與地面相連接。其能夠將設備的電荷積累導入地下，減少設備的電壓升高，提高設備的安全性。

（2）多點接地。多點接地是在電力系統(tǒng)中設置多個接地點，通過增加接地點的數(shù)量，可增加接地面積，降低接地電阻，提高整個系統(tǒng)的防雷能力。

（3）接地網(wǎng)格。接地網(wǎng)格是在電力設備周圍布置的金屬網(wǎng)格，通過將多個接地點相互連接，形成接地網(wǎng)格，可提高接地效果，增強防雷能力。

（4）防雷設備的安裝。除了接地外，還可安裝其他防雷設備，如避雷針、避雷帶等。這些設備能夠吸引雷電并將其引導到地下，保護電力設備免受雷擊。

2.1 TN-S接地防雷系統(tǒng)

TN-S 接地防雷系統(tǒng)是最常用的一種配電系統(tǒng)的接地和防雷系統(tǒng)，由電源供應系統(tǒng)、接地電極、設備接地線和避雷器等組成，是一種單一中性點接地的系統(tǒng)，TN 代表電源中性點與設備接地點間的連接方式，S 代表設備的金屬外殼通過獨立的地線與地面相連。三相五線制系統(tǒng)是一種配電系統(tǒng)，其由三相線（L1、L2、L3）、中性線（N 線）和保護地線（PE 線）共同組成。中性線（N 線）用于平衡三相電壓，保護地線（PE線）用于提供設備和人員的安全保護。在TN-S 接地系統(tǒng)中，中性線（N 線）和保護地線（PE 線）是分開布置的。中性線（N 線）用于回流電流，保護地線（PE 線）用于提供設備和人員的安全保護，在供電過程中，電流只會通過中性線而不會通過保護地線，這樣可有效降低電流通過人體或設備的風險。在遭遇雷擊時，系統(tǒng)的中性點通過低阻抗的接地電極與地面形成連接，以實現(xiàn)電流的安全引流和電壓的平衡。通過中性點接地，可將電力系統(tǒng)中的故障電流引流到地下，保護設備和人員免受電擊傷害。因為TN-S 接地防雷系統(tǒng)具有安全可靠的特點，且防雷效果好，再加上相對簡單，易于施工和維護，降低了系統(tǒng)的建設和運維成本，因此經(jīng)常被用在電磁環(huán)境差、設備可靠性要求高的復雜配電系統(tǒng)中。

2.2 TN-C接地防雷系統(tǒng)

TN-C 接地防雷系統(tǒng)是將零線（N 線）和保護地線（PE 線）整合成為PEN 線，在這種系統(tǒng)中，PEN線既充當中性線（N 線）的功能，也充當保護地線（PE線）的功能，因此既能提供電力系統(tǒng)的接地保護，又能有效防止雷電對系統(tǒng)的影響。在TN-C 接地系統(tǒng)中，PEN 線與地線相連，通常在主配電盤或主接地點處連接，目的是將電力設備的零線和保護地線集中在一條導線上，形成一個共同的接地點，稱為TN-C接地點，更好地保護電力系統(tǒng)免受雷擊和故障的影響。PEN線的外露可導電部分（如金屬管道、金屬框架等）可直接與PEN 線連接，以提供良好的接地保護。整個系統(tǒng)由接地裝置、避雷器、接地導線、等離子保護器等構件組成，當雷電擊中地面附近時，通過PE 導體的接地，將雷電流引入地下，使其分散和消散，這樣可有效降低雷電對電力系統(tǒng)的影響，保護設備的安全。這種系統(tǒng)設計的優(yōu)點既能夠發(fā)揮保護設備和人員的功能，又通過簡化線路結構，從而減少了線纜的數(shù)量和成本。TN-C 接地防雷系統(tǒng)通常應用于三相負荷平衡或者單相220 V 的移動便攜設備中。

2.3 TN-C-S接地防雷系統(tǒng)

TN-C-S 接地防雷系統(tǒng)是在TN-C 接地系統(tǒng)的基礎上增加了S 導體，即采用了PE（Protective Earth）、N（Neutral）和S（Separated）3 個導體進行接地，PE 導體是專門用于系統(tǒng)的保護接地，N 導體是電力系統(tǒng)的中性導體，而S 導體是用于隔離故障電流的導體，以進一步提高系統(tǒng)的防雷性能。PE 和N 導體通常是通過同一根導線連接到地下的共同接地點，而S導體則是通過另一根獨立的導線連接到地下的獨立接地點，實現(xiàn)對故障電流的有效隔離，提高系統(tǒng)的安全性和可靠性。這一系統(tǒng)的設計主要考慮到不同部分的需求和實際情況，一般來說，TN-S 接地系統(tǒng)適用于對電力質量和設備安全要求較高的部分，如關鍵設備、敏感儀器等；而TN-C 接地系統(tǒng)適用于對電力質量和設備安全要求相對較低的部分，如一般照明、插座等。TN-C-S 接地防雷系統(tǒng)整合了TN-S 和TN-C 這兩個系統(tǒng)的特點，既提供了較高的電力質量和設備安全保護，又簡化了線路結構和降低了成本，因此，經(jīng)常被用在工業(yè)和民用建筑配電系統(tǒng)中。

3 配電系統(tǒng)的防雷與接地技術研究

3.1 配電線路的防雷與接地保護

配電線路的防雷與接地保護，主要從高壓、中壓和低壓線路3方面展開。

（1）高壓線路的防雷接地。高壓線路是指輸送高電壓電能的線路，一般用于電力系統(tǒng)的輸電和配電，由高壓輸電塔或者電纜進行支撐和傳輸，將電力從發(fā)電廠輸送到各個用戶或者將電力從變電站分配到不同的區(qū)域。針對高壓線路，一般選擇架設避雷線來起到保護作用，不同等級的高壓線路，架設要求不一樣。110 kV 的高壓線路，因為沿線環(huán)境復雜，變化較大，需全線架設，若是山區(qū)等環(huán)境惡劣地區(qū)，還需雙層架設。35 kV 的高壓線路，因為沿線環(huán)境穩(wěn)定，可每隔1～2 km 架設，以節(jié)約成本，避免過度浪費。若沿途雷電活動頻繁，則可根據(jù)實際情況添加避雷器，提高防雷效果。

（2）中壓線路防雷接地。中壓線路主要用于將電力從變電站輸送到用戶終端，或者將電力從配電站分配到不同的區(qū)域，當受雷電襲擊時，可能引發(fā)變電站跳閘事故，可采用線路避雷器或者避雷線來實現(xiàn)防雷效果。對于10 kV配電線路，可在特定位置使用避雷器，并適當增加防雷絕緣子的數(shù)量，從而提高防雷效果。

（3）低壓線路防雷接地。低壓線路通常較短，雷擊的威脅較小，防雷措施一般為絕緣子角鐵接地，合理控制接地電阻，通過電源中性點接地來實現(xiàn)電流的安全引流。

3.2 變電所建筑的防雷

變電所的建筑在保護設備方面發(fā)揮著重要作用，國家對其建設有著嚴格的要求和標準。一方面，遵循國家強制標準。國家強制標準通常對變電所建筑及設備的防雷接地提出了具體要求，如接地電阻的要求、接地網(wǎng)的布置等，目的是為保證變電所的安全運行，減少雷電對設備造成的損害。另一方面，采用等電位連接防雷接地方式。等電位連接防雷接地是指將變電所建筑及設備的接地系統(tǒng)與地下埋設的接地網(wǎng)相連接，使其處于相同的電位，以確保設備在雷電活動時能夠有一個良好的電流分布路徑，從而減少雷電對設備的損害。在變電所建筑的高處安裝避雷針，用于吸收和分散雷電能量，減少雷電對建筑物的影響。安裝方式上，110 kV 以上的變電所，在配電架構上獨立安裝；35 kV 以下的變電所，獨立安裝。建筑鋼筋框架是建筑物的結構支撐系統(tǒng)，防雷引線是將雷電沖擊引導到接地系統(tǒng)的導體，可將二者交叉連接，構建成法拉第籠狀避雷器，使得雷電沖擊從防雷引線傳導到建筑鋼筋框架上，再通過建筑鋼筋框架的導電性，使其成為一個均勻導體，將雷電沖擊分散到接地系統(tǒng)中，從而保護建筑物和設備免受雷擊的影響。

3.3 配電變壓器的防雷接地

配電系統(tǒng)中的變壓器是電力傳輸和配電的重要組成部分，通過完成電壓轉換、電能分配、電力質量調(diào)節(jié)等功能，確保電能以安全、穩(wěn)定、高效的方式供應給用戶，保障電力系統(tǒng)的正常運行。在配電變壓器進行防雷接地保護時，一般采用架設避雷器和三位一體的接地方式。架設避雷器是為有效吸收和分散雷電沖擊，保護配電變壓器免受雷擊損害。避雷器通常安裝在變壓器的高壓側和低壓側，能夠迅速將雷電沖擊引到接地系統(tǒng)，保護變壓器和其他電氣設備。三位一體的接地方式是為確保接地系統(tǒng)的連續(xù)性和可靠性，通過將變壓器金屬基座、低壓側中性點與避雷器的接地下引線統(tǒng)一連接到接地裝置上，可形成一個連續(xù)的接地回路，使得雷電沖擊能夠有效通過接地裝置分散到地下。避雷器在工作時會吸收和分散雷電沖擊，但在雷電沖擊結束后，避雷器內(nèi)部可能會殘留一定的電壓，即避雷器的殘壓。若避雷器接地引線的長度較長，殘壓會在引線上產(chǎn)生電壓降，進而在引線與地之間形成電場，這樣的電場會引起電流的流動，可能導致引線和接地系統(tǒng)的損壞。當避雷器接地引線的長度較長時，殘壓的電場會與引線自身的電場相疊加，這種疊加效應會導致電場強度增大，電壓分布不均勻，可能出現(xiàn)電壓過高的局部區(qū)域，從而引發(fā)電弧放電和擊穿現(xiàn)象，損壞避雷器、接地裝置及其他電氣設備。因此，為避免避雷器接地引線與避雷器殘壓作用疊加引發(fā)破壞現(xiàn)象，應盡量縮短避雷器接地引線的長度。通過縮短引線長度，可減少引線上的電壓降、減小電場強度，從而提高接地系統(tǒng)的安全性和可靠性。

3.4 計算機與通信設備的接地措施

計算機與通信設備在配電系統(tǒng)中扮演著重要的角色，因此，為保證它們的正常運轉，需在建筑防雷與接地及設備本身接地方面做好相關工作，采取分級防雷的保護措施。一級防雷接地，即建筑和電源防雷接地是整個防雷接地系統(tǒng)的基礎。通過合理設置接地裝置和接地網(wǎng)，將雷電沖擊引入地下，消散雷電電荷，減少雷電對建筑物和電源的沖擊，保護建筑內(nèi)部設備的安全。二級防雷接地，是在機房和設備端口即計算機與通信設備的關鍵區(qū)域提供更加精細和專業(yè)的保護措施，進一步增強防雷能力，減少雷電對設備的損害。通過將一級和二級防雷接地組合起來，形成完整的防雷接地系統(tǒng)，可從根本上防止雷電電壓的沖擊和侵入，提高設備的可靠性和穩(wěn)定性，減少故障率。

4 結束語

綜上所述，配電系統(tǒng)的防雷與接地是保障電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行的重要環(huán)節(jié)。在了解防雷接地原理的基礎上，選擇合適的接地方式和措施，可有效降低雷電對電力設備的影響，提高系統(tǒng)的可靠性和安全性。在實際應用中，需根據(jù)具體情況進行合理設計，確保防雷與接地措施的有效性，為 的可持續(xù)發(fā)展提供保障。