配電系統的防雷與接地探析

胡保有 康紅軍

摘 要：文章在對雷擊現象及其主要危害進行論述的基礎上，分析了配電系統接地防雷擊系統的主要形式，并對其具體的應用環境進行了分析。同時，從變電站的進線防護技術、侵入波的防護、建筑物的防雷接地以及外電源線路采用浪涌保護器四個方面探討了配電系統的防雷與接地技術，為配電系統的防雷設計與施工提供參考。

關鍵詞：配電系統；防雷；接地；浪涌保護

中圖分類號：TM861 文獻標識碼：A 文章編號：1006-8937（2014）24-0107-02

隨著電網系統建設的迅速發展，電力系統的可靠性得到持續提高。但與此同時，在施工建設過程中由于設計以及施工方面的原因，導致電網建設之后出現了雷擊事故。究其原因，主要是由配電系統防雷設計過于簡單、施工技術措施不力等原因造成的。因此，在配電系統的防雷接地設計過程中，有必要在對防雷接地技術方式進行充分認識的基礎上，從防雷接地施工、配電設備及相關系統防雷接地、浪涌設備的設置等幾個方面提出對應的防雷接地措施，從而達到有效控制雷擊事故的目的。

1 雷擊現象及其主要危害

雷擊是自然界中一種常見的放電現象。大氣中存在大量的正負電荷雷云，當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，電場將會在凸出物與雷云之間的空間擊穿，從而出現強烈的氣體放電現象，產生閃電、雷鳴等。雷擊通過直擊雷、感應雷或者雷電侵入波等形式給人畜造成傷亡；使得電力線路、發電設備或者電力設備等產生高壓沖擊，直接影響到設備的絕緣層，形成短路、爆炸以及火災等問題，最終造成大面積的停電故障。同時，在雷擊過程中還產生了強大的電排斥力、電磁推力等作用，可能會對建筑物產生結構性的破壞，使建筑物倒塌。

2 配電系統接地防雷擊系統的主要形式

接地防雷系統是配電系統防雷的主要形式，在具體的實施過程中主要包括兩種：

①設備外露中的可導電部分通過各自PE線直接接地。

②設備外露中的可導電部分通過PE線、PEN線進行接地。因此，通常在對配電系統進行接地防雷設計中，采用如下三種接地防雷形式。

2.1 TN-S接地防雷系統

該種防雷系統的N線與PE線是相互分開的，系統的所有外露可導電部分都與公共的PE線直接連接，形成了三相五線制的系統。在當前的配電系統當中，這種防雷接地系統應用最為廣泛，但是由于消耗材料較多，導致投資成本增加，且構成的三相不平衡系統用作單相使用時會在N相線上形成高電位，因此通常設計時會將末級開關與總開關的N線連接斷開，而采用兩級開關，同樣會造成投資增加。所以，TN-S接地防雷系統主要用戶環境較差、對設備可靠性要求高以及電磁環境復雜的配電系統中，其具體的連接方式如圖1所示。

2.2 TN-C接地防雷系統

該種防雷接地系統的N線與PE線整合成為了一根PEN 線，且系統所有的外漏可導電部分都與PEN線直接相連。由于系統的N線不能斷線，因此在接入到建筑物內部之前，必須對N線或者PE線進行重復的接地。TN-C接地防雷系統能夠很好的適應三相負荷基本平衡的使用環境，而且能夠用于有容量相對較小的單相220 V的移動用電設備以及便攜式設備當中，其系統連接如圖2所示。

2.3 TN-C-S接地防雷系統

在TN-C-S接地防雷系統當中，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線。即系統的前半部分與TN-C系統相同，而系統的后半部分則采用了與TN-S系統一致的結構，其具有兩個系統的共同特點。該種防雷接地系統主要用于配電系統的末端設備，這些設備的使用環境條件較差，或者主要是進行數據處理工作。因此，該種系統主要用于工業企業、普通民用建筑等中。當配電系統負荷設置有漏電開關，且干線末端處有接零保護時，該系統還可以用于民用住宅小區中，其系統連接如圖3所示。

3 配電系統防雷接地的技術措施

3.1 變電站的進線防護技策略

為了限制經過避雷器的雷擊電流復制以及雷電波的坡度，必須在防雷接地系統設計過程中對變電站的進線進行對應的保護。一旦線路中出現過電壓現象，將引導電波向變電站運動。因為閃絡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備的耐壓能力。接近變電站，在進線上設置避雷線成為線路防雷的主要措施。

3.2 變電站對侵入波的防護

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

3.3 配電系統建筑物的防雷接地技術措施

配電系統以及整個電氣設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，所有的建筑物內部的配電系統以及設備的首道防線是建筑物自身，因此做好配電系統的接地防雷措施，首先要考慮配電系統所在建筑物本體的防雷性能。針對建筑物以及電氣、電子設備的防雷接地裝置的設置可以基于GB 50054-95中的相關標準進行等電位的連接，而不是采用傳統的獨立行使的接地防雷網絡。通過使用等電位連接方式，將建筑物中設置的人工接地體、室內電氣設備以及自然接地體、電氣設備的外露導體等進行等電位連接。當雷擊現象再次發生時，其產生的高峰值雷擊電流相對地面產生強大的高電壓，該電壓將使得依然處于大地電位的電氣設備、配電系統以及工作人員產生閃絡，從而導致設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。建筑在進行防雷設計的過程中，必須結合建筑物所在的地質、氣象、環境以及被保護系統的特點，綜合采用對應的防雷措施，設計形成科學合理的施工技術方案。

3.4 針對外電源線路采用浪涌保護器進行保護

針對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級別。對于第一級電源防雷施工，按照國家的相關規定，外接金屬線路在接入建筑物之前必須在15 m以內穿入預先設置好的金屬管槽，且必須在建筑物的線纜進入端部的低壓端設置浪涌保護器，將可能從外部引入的雷擊高電壓引入到大地進行釋放，確保設備后續的使用安全。對于該級別的防雷接地，三相進線必須對每條線路安裝15 kA（10/350 μs）以上的通流容量浪涌保護器，從而將數萬伏特甚至十幾萬伏特的過電壓限制在幾千伏特以內。浪涌保護器必須與配電系統的總配電室的進線端并聯，從而達到保護直擊雷或者傳導雷擊的目的。該種浪涌保護器不會限制后續接入設備的功率，因此可以利用線路來傳輸直擊雷以及雷擊造成的高強感應，達到保護配電系統的目的。

對于第二級浪涌保護器，其一般是作為次級防雷設備使用，可以將幾千伏特的過電壓進行持續的限制，通常可以將之限制在2 kA以內。該級別的電源浪涌保護設備要求的同流容量一般在40 kA（8/20μs）的范圍內，通過將第一級浪涌保護器釋放之后產生的雷擊殘壓和感應雷擊電流進行再次釋放。單相線路以及三相線路都可以使用通流容量為40 kA（8/20μs）的電源浪涌保護器進行防雷保護控制，該種類型的浪涌保護器一般并聯設置在線路中，而且對后接入的設備公路亦不予以限制。

對于第三級電源防雷，該級別的防雷措施是在進行配電系統系統性防雷工程施工中比較容易忽略的地方。因為現代電子設備都使用了大量的集成電路以及精密原建設部，而且這些元器件的擊穿電壓一般只有數十伏特，且最大的允許工作電流強度通常處于mA級別。若不進行第三級別的防雷設置，通過第一、二級的防雷處理之后，進入設備的雷擊電壓依然達到上千伏特，這可能對后續電子設備的使用造成極大的沖擊，同時導致現代的配電系統造成破壞。第三級的浪涌保護器所選擇的同流容量一般為20 kA（8/20μs）的串聯式浪涌保護器，而且該浪涌保護器同樣不對后續接入設備的功率進行限制。若配電系統用于供應單相用電設備，則可以選擇同流容量為20 kA的浪涌保護器，并將其直接與設備的前端串聯起來，從而達到對操作電壓以及高壓靜電產生防范的效果。但是，這種連接方式的缺陷就是對接入的設備功率有限制作用，通常要求后接入設備的功率在4 kW以下。

4 結 語

配電系統的防雷接地施工是一項系統性的工程，在接地施工過程中需要結合當地的地質、氣候、供電設備以及系統使用要求等相關要求，從多個方面采取針對性的措施進行防雷設置，只有這樣才能達到保護配電系統以及相關設備的目的。

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