工业配电系统的防雷接地设计

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摘 要：配电系统的防雷是配电领域用电设备的重要保护措施，若系统发生雷击事故，将造成局部停电，危及社会生产。本文参照国内外相关领域规程规范的做法，从防雷、接地两个方面阐述了工业配电系统的防雷措施，给出了配电系统防雷接地配置的具体方案。

关键词：防雷 接地 配电系统 SPD

中图分类号： TU856 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2016）01（a）-0000-00

0 引言

通过对配电网的变压器和线路的投运情况相关数据进行的统计得出结论：多数事故由感应雷过电压所引起。雷击也经常引发绝缘架空导线断线的；另外雷击及闪电电磁脉冲对电子系统的干扰和破坏日益产生严重的后果。上述现象指出了配电设备的防雷保护措施和配电网线路的防雷设计所面临的问题。本文给出了工业配电设备接地、防雷保护设计的措施。

1 配电变压器的防雷设计

1.1 配电变压器防雷接地

多个用于不同目的的接地系统，分开接地方式不同电位带来了不安全因素；不同目的的接地体之间的耦合现象亦难以避免，容易引发相互干扰。最常见的配电变防雷接线是将配电变压器的工作、防雷和保护接地点接到一处。

1.2接地电阻的数值

三点共地就是将防雷、保护和工作接地一同接至一个接地装置，该接地装置的接地电阻，应小于各要求值中的最低界限。比如，防雷接地的阻值一般规定小于10Ω，同时要具备垂直接地体，以方便分散电流，低压工作接地的阻值则应小于4Ω；所以其接地电阻等同于于高压侧对地击穿瞬间的保护接地电阻。根据以往经验，当保护接地的接地电阻R≤50/I时，低压侧工作接地才可与高压侧防雷及保护接地共用相同的接地装置。也就是说，如果要设计成三点共地系统，必有R≤50/I。 I为高压系统的单相接地故障电流。对于不接地系统，I为系统电容电流（IC）；对于消弧线圈接地系统，I为故障点处残流。

装有消弧线圈的某些低压配电系统，会经常因某些情况而退出运行，通常10kV系统IC多数约为40A，在类似等级的高压系统中R应取值1Ω。在R≤50/I中，50为高压侧对外壳单相接地时，接地电流流经接地体的压降不得超过的安全值。

在具体工程中，10kV配电系统的电容电流各有不同，数值离散，从不足10A，到几百安不等。故配电变三点共地系统确定接地装置的接地电阻要考虑所在10kV系统的具体情况，不能一概而论，认为不是4Ω就是10Ω。某些情况下，100kVA以下的配电变压器的低压侧工作接地电阻，可放宽到10Ω，条件是低压工作接地单独另设。原因在于变压器容量不大，绕组阻抗相对提升，限制入地电流，钳制地电位的提升。

1.3 共同接地

施工中还有其它接地装置的连接方式，亦为共同接地，仅配置次序不同。保护变压器高压线圈与外壳之间的绝缘通常要在高压侧安装避雷器实现，如图2中的接线，高压侧线圈、外壳之间承受的电压是由避雷器残压和接地引下线的电阻压降组成，雷电流到来时，冲击电压是不容忽视的，其保护效果大打折扣。

2 配电线的防雷接地设计

2.1接地的分类

根据接地的不同作用，分类如下：

（1）功能接地：用于保证配电网正常运行要求而设置，如变压器中性点接地，通讯电源接地、电子设备信号地等。（2）保护接地：为了保证配电网故障时人身和设备的安全而设置。如保护接地、阴极保护、杆塔防雷接地等。

2.2 配电线路的防雷保护

目前1OkV配电线路的运行状况相关数据表明：雷害事故主要是由感应雷电过电压引起。故线路的耐雷水平是由配电线路的绝缘水平决定的。架空绝缘导线因绝缘点累积击穿而断线的现象也亟待解决。配电线路的防雷可采用避雷线、避雷器。

2.2.1 10kV裸导线线路

通常设计避雷线对10kV裸导线防雷保护，缺点在于施工不便成本高，渐渐淡出；设计院现今普遍在雷电频繁的区域导线上装设避雷器，在施工中检查杆塔的接地状况，取得了良好的防雷效果。同样的思路可以应用在配电线路中防雷中，避雷器虽可保护架空线路免受雷击。但其易老化的特点降低了其稳定性。解决方法是选用免维护的氧化锌避雷器，安装配电线路中的易击段。

2.2.2 10kV绝缘线线路

近几年城市配网改造，城市线路基本都换成交联聚乙烯架空绝缘线，但其防雷措施与原来的裸导线线路的防雷措施并没有变化，发生了多起雷击绝缘线断线事故。对架空绝缘线可采取以下措施：①装设避雷线，安装难度大，造价成本高，但是效果好。②提升线路耐压水平，将普通绝缘子替换成防雷专用绝缘子。③在雷暴区按低档距装设避雷器。④在导线与绝缘子间隙处增加绝缘厚度，这样放电仅能从加强绝缘区的边沿处穿过，可大幅提高线路的击冲放电电压耐受水平；也可采用长闪烁路径避雷器等。⑤定点区域剥离导线的绝缘层，在局部导体，使电弧在裸导体上滑动，避免了固定在某一点侵蚀绝缘层。

2.2.3 低压配电线路

在变压器进线端装设避雷器即可。

3 配电系统的浪涌保护

3.1 配电系统浪涌的影响

浪涌释放出数百兆焦耳的能量及数百千伏的高压，引起电子设备的误动；或使电子设备老化加速。浪涌来自雷电和电气设备内部断路器启停与故障。雷击包括直接雷击：雷电放电直接命中物体，导入脉冲电流；和间接雷击：雷电放电击中设备附近的大地，在线路中感应出雷电流和入侵电压。

配电系统内部由于电动机的启停、断路器的投切和变频设备的启动，带来内部浪涌。间接雷击、内部浪涌属于多发事件，对这部分浪涌能量的吸收成为提防浪涌的关键。

经验表明，电源进线处即使装设了氧化锌避雷器，仍有一些设备遭受雷击。避雷器导通材料通常采用导通性一般的铜铁合金，反应速度仅为300？S，而闪电过境的脉冲的峰速度为几十？S。也即闪电电磁脉冲的动作时间早于避雷器被击穿，于是避雷器在被击穿后将一次雷的电流导通入地后，无法继续应付二次雷、三次雷，这些电流将直接泄漏至设备。浪涌的产生一般仅25%来自雷击等外部环境，氧化锌避雷器对于大部分浪涌无法应付。因此通常设计方使用浪涌保护器来进行浪涌抑制保护。

3.2浪涌保护器

浪涌保护器（SPD）是通过限制浪涌电压、泄放雷电流来保护用电设备，是内部抑制浪涌的主要措施。

通常将SPD与设备并联，作为旁路泄放浪涌来保护设备。在被保护系统运行时，浪涌未出现之前，表现为高电阻；浪涌到来，SPD迅速转变为低电阻，旁路浪涌；至浪涌过后又迅速恢复为高电阻。

SPD反应速度快，远超氧化锌避雷器，，有效防止二次雷和三次雷。由于是双向作用，可有效防止感应雷。所以IEEE及NEC规定，在安装避雷器的同时应该加装SPD，以形成防雷双保险。

3.3 配电系统浪涌的保护措施

3.3.1 分级保护概念简述

对建筑物和房间根据不同防雷区（LPZ）的电磁环境要求在其外部设置屏蔽；以适合的路径敷设线路及线路屏蔽措施；前文提及的共用及联合接地系统；建筑物及内部等电位联结及接地措施；装设SPD以限制过电压。上述措施宜联合使用。

针对浪涌引起的瞬态过电压保护，通常采用分级装设不同性质的SPD完成。从配电系统进线处通过两到三步吸收浪涌，分阶段抑制瞬态过压。

第一级保护是连接在入口进线各相和大地之间的相对大一些容量的SPD。普通工业厂房要求该级SPD具备50KA/相以上的最大冲击电流，对于系统标称电压为400V的配电系统，限制电压应小于2000V。应选用符合I级分类试验的产品。其保护敏感度存在不足，仅靠该级SPD尚无法完全保护区域中的敏感电子设备。第二级保护是安装在向重要或敏感用电设备回路处的延续浪涌区域的SPD。对通过了用户供电入口SPD的剩余浪涌进行更完善的吸收。选用符合II级分类试验的产品。电源防浪涌保护器要求的最大冲击容量为40～45kA/相，限制电压小于1200V。第三级保护是于用电设备电源接线盒上使用内置SPD，可消除微小扰动的瞬时过压。SPD要求的最大冲击容量为7KA/相，限制电压应小于1000V。

3.3.2 SPD选取原则简述

首先需要划分建筑物内的雷电保护区，此后经雷击风险分级与雷击电流分流校验来进行SPD的选择。SPD分为如下三种。

（1）电压开关型SPD：适用于雷电浪涌保护，可最大限度地消除电网后续电流，疏导10/350？s的雷电冲击电流。（2）限压型SPD：用于操作过电压和雷击过电压的保护。通常将其安装在建筑物内，疏导8/20？s的雷电冲击电流。（3）混合型SPD：其同时兼有电压开关型和限压型两种特性，但没有电压开关型元件和限压型元件的单独特性好，且价格较贵，仅在特殊情况下才考虑用混合型SPD。

4 结论

工业与民用配电系统的防雷与接地要在设计初始阶段就完成对于防雷区域建筑物的了解，能够做到通盘考虑，细节为上。根据工程的实际情况，依据规程规范，严格把关选取设备的型号与质量并制定周到可行的防雷方案。

参考文献

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