配電系統的防雷與接地技術研究

李曉磊，姚東升，雒新萍，胡 旻

（陜西省突發事件預警信息發布中心，陜西西安 710000）

隨著社會經濟水平的提升，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，電力設備易受到雷擊的影響。因此，防雷與接地是配電系統中必不可少的環節，要合理設計和施工，保障電力系統的安全穩定運行，使社會經濟得以正常運轉和發展。

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象，在云內部，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、火災或者停電等現象，因此，為保護電力系統免受雷擊的影響，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中設置多個接地點，通過增加接地點的數量，可增加接地面積，降低接地電阻，提高整個系統的防雷能力。

（3）接地網格。接地網格是在電力設備周圍布置的金屬網格，通過將多個接地點相互連接，形成接地網格，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

TN-S 接地防雷系統是最常用的一種配電系統的接地和防雷系統，由電源供應系統、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，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。三相五線制系統是一種配電系統，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，系統的中性點通過低阻抗的接地電極與地面形成連接，以實現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，降低了系統的建設和運維成本，因此經常被用在電磁環境差、設備可靠性要求高的復雜配電系統中。

2.2 TN-C接地防雷系統

TN-C 接地防雷系統是將零線（N 線）和保護地線（PE 線）整合成為PEN 線，在這種系統中，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的接地保護，又能有效防止雷電對系統的影響。在TN-C 接地系統中，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的影響，保護設備的安全。這種系統設計的優點既能夠發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量和成本。TN-C 接地防雷系統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

TN-C-S 接地防雷系統是在TN-C 接地系統的基礎上增加了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的保護接地，N 導體是電力系統的中性導體，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，實現對故障電流的有效隔離，提高系統的安全性和可靠性。這一系統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 接地防雷系統整合了TN-S 和TN-C 這兩個系統的特點，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，經常被用在工業和民用建筑配電系統中。

3 配電系統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，因為沿線環境復雜，變化較大，需全線架設，若是山區等環境惡劣地區，還需雙層架設。35 kV 的高壓線路，因為沿線環境穩定，可每隔1～2 km 架設，以節約成本，避免過度浪費。若沿途雷電活動頻繁，則可根據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域，當受雷電襲擊時，可能引發變電站跳閘事故，可采用線路避雷器或者避雷線來實現防雷效果。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與地下埋設的接地網相連接，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，防雷引線是將雷電沖擊引導到接地系統的導體，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、電力質量調節等功能，確保電能以安全、穩定、高效的方式供應給用戶，保障電力系統的正常運行。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，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的連續性和可靠性，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一連接到接地裝置上，可形成一個連續的接地回路，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，可能出現電壓過高的局部區域，從而引發電弧放電和擊穿現象，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破壞現象，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的基礎。通過合理設置接地裝置和接地網，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域提供更加精細和專業的保護措施，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，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定性，減少故障率。

4 結束語

綜上所述，配電系統的防雷與接地是保障電力系統安全穩定運行的重要環節。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，提高系統的可靠性和安全性。在實際應用中，需根據具體情況進行合理設計，確保防雷與接地措施的有效性，為 的可持續發展提供保障。