一起雷击空开跳闸的技术分析

黄柳卿　庄达　黄晓　谢宝永　朱舒曼

摘 要：通过对2016-05-02在中山市小榄镇发生雷击空开跳闸的建筑物进行周围环境调查、现场勘查、剩磁测试分析等和热熔化值的计算分析，找出该建筑此次雷击跳闸事故的原因是配电线路空开、SPD及其前端后备保护器的热熔化值不匹配，配电线路空开的热熔化值小于SPD前端后备保护器的热熔化值，并根据实际情况提出了切实可行的整改意见。

关键词：雷击；空开跳闸；熔断器；热熔化值

中图分类号：TM564 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.18.158

2016-05-02T14：00，中山市小榄镇附近闪电雷鸣，位于小榄镇的某住宅入屋电源线路的总开关跳闸停电，业主认为该次跳闸可能是因雷击造成的，希望调查找出原因，避免以后类似情况出现。有关技术人员赶到事发现场调查，了解雷电灾害损失情况、发生的具体时间地点和发生时的现场情况。

该住宅位于小榄镇，东经113°15'5.58〞北纬22°40'17.56〞，楼高四层，建筑物周围坐落着和该建筑物高度差不多的住宅。该建筑物安装了符合国家规范《建筑物防雷设计规范》GB 50057—2010的防直接雷装置，电源线路由附近变电站架空敷设到建筑物，进入建筑物后，在建筑物总开关（使用脱扣电流为40 kA空开）后安装了一级试验的单相电源SPD，Iimp=15 kA，Up=2.0 kV，在电源SPD前串联了一个脱扣电流为63 kA的空开作为熔断器，电源线路采用10 mm2多股铜线，电源线路如图1所示。

据现场人员反映，2016-05-02T14：00左右，周围出现雷雨天气现象。此时，一阵闪电雷鸣，接着整栋建筑物的用电设备停电，后来检查发现总开关的空开跳闸了。据反映，该住宅近几年内在雷雨天气时已经发生多次空开跳闸的现象。

1 原因分析

1.1 现场勘查

经检测，该建筑物已安装了符合国家规范《建筑物防雷设计规范》的防直接雷装置，接地电阻2.4 Ω，建筑物没有遭受直接雷击的现象。

在建筑物总开关（使用脱扣电流为40 kA的空开）后安装了一级试验的单相电源SPD，Iimp=15 kA，Up=2.0 kV，SPD连接导体采用6 mm2多股铜线，SPD接地电阻2.4 Ω，配电线路上安装的电源SPD符合国家规范要求，电源线架空引入。入户后，用户配电线路采用10 mm2多股铜线，在电源SPD前串联了一个脱扣电流为63 kA空开作为熔断器。经排查，这次雷击过程中，该建筑物内没有电子设备遭受损坏。

1.2 剩磁测试分析

根据在雷击电流通路及其附近的铁钉、铁丝、钢管等铁磁性物体被雷击电流的磁场磁化，并留下一定强度的剩磁现象。对该建筑物上7支接闪短针进行剩磁测试，测试结果为0～0.16 mT。

对与SPD接地连接线相连接的接地端子（40×4×400镀锌扁钢）的尖角以及连接的螺丝钉、螺丝帽进行剩磁测试，测试结果为6～11.68 mT。根据《电气火灾原因技术鉴定方法第2 部分：剩磁法》GB l6840.2规定：“处于雷电通道的杂散铁件、钉类、钢筋、金属管道的剩磁数据在1.5～10 mT 之间”，因此可以判断，该建筑物的防雷接闪装置没有接闪雷电流，但与SPD接地连接线相连接的接地端子有雷电流流过。

根据上述调查结果分析，2016-05-02T13：00—15：00，该住宅附近发生过多次雷电接闪的事件，雷击强度为2～39 kA，但雷电流没有在该住宅的防直击雷装置上接闪，因此排除了雷电流接闪对该建筑物线路的影响，但SPD接地连接线相连接的接地端子（40×4×400镀锌扁钢）的尖角以及连接的螺丝钉、螺丝帽的剩磁测试结果为6～11.68 mT。说明在此过程中，有脉冲雷电流流经入屋电源线路和电源SPD。

1.3 从热熔化值对总开关的跳闸原因分析

由上述分析结果可以确认，雷电流经屋外架空电源线路入侵到建筑物内，但室内电源线路上的空开为什么会跳闸呢？

配电线路的空开与SPD后备保护器（空开）的热熔化值匹配应有相应的匹配。在配电线路中，配电线路空开与SPD后备保护器安装方式通常如图2所示。

如果配电线路熔断器F1（以下简称“F1”）的热熔化值小于SPD前端后备保护器F2（以下简称“F2”）的热熔化值，当雷电脉冲从电源线路入侵时，雷电流流经F1、F2。当雷电流产生的热熔化值大于F1的I2t值而小于F2的I2t值，F1首先熔断跳闸，从而引起了供电中断。

总开关的空开是为了向配电线路提供短路或严重过载保护，因此空开选择时考虑它的额定电流、时间/电流特性和它的热熔化值，其热熔化值（I2t）必须低于导线可能承受的热熔化值。如果故障持续时间不超过5 s，则该建筑物配电线路采用10 mm2多股铜线。10 mm2多股铜线对应采用的空开脱扣电流为40 A，因此脱扣电流为40 A空开的热熔化值（I2t）为：40×40×5=8 000 A2·s。

从上述计算结果可以看出，如果电源线路入侵首次雷击的雷电脉冲电流I在5.59～8.8 kA的范围内，由于该建筑物配电线路上安装电源SPD的Iimp为15 kA，并且电源SPD前端后备保护器（空开）脱扣电流为63 A，因此能将入侵的雷电流排泄到大地上。但由于配电线路上的空开脱扣电流为40 A，其热熔化值为8 000 A2·s。当首次雷击的雷电脉冲电流大于5.59 kA时，配电线路上的空开将会脱扣（跳闸）。为此，配电线路空开和SPD前端后备保护器的热熔化值不匹配是该建筑物附近接闪雷电流时，雷电流通过电源线路入侵该建筑物，造成配电线路的空开跳闸的原因。

2 解决问题的措施

配电线路上空开热熔化值的选择是根据配电线路的I2t耐受值来决定。当用电设备功率较小，而使用配电导线的截面积较小，从而决定着配电线路上空开的热熔化值也较小。这时就会出现配电线路上的空开热熔化值小于电源SPD前端后备保护器的热熔化值的情况，不能保证建筑物供电的连续性。

针对这种配电线路上的空开和SPD前端后备保护器的热熔化值不匹配而产生线路跳闸、不能保证供电的连续性的情况，提出以下整改建议。

为了使雷电脉冲电流能顺利流经电源SPD前端后备保护器，从SPD排泄到大地而不损坏设备，也不至于使配电线路上的空开脱扣跳闸，就必须让雷电脉冲电流在到达配电线路上的空开前排泄到大地上，所以把电源SPD与配电线路的连接点设置在配电线路上的空开之前，同时在电源SPD与配电线路的连接点前安装闸刀开关，熔断丝的热熔化值与电源SPD前端保护器热熔化值相同，如图3所示。

这种安装方式既可以保证配电线路和设备的安全，又可以保证供电的连续性。

3 结论

本文通过现场调查、取证和剩磁测试分析和热熔化值的计算分析，找出该建筑此次雷击跳闸事故的原因是配电线路空开和SPD前端后备保护器的热熔化值不匹配，配电线路空开的热熔化值小于SPD前端后备保护器的热熔化值。通过此次分析，提醒安装符合国家规范的防雷装置是重要的，同时以正确的方式安装防雷装置也是保障安全的措施之一。

参考文献

[1]中国机械工业联合会.GB 50057—2010 建筑物防雷设计规范[S].北京：中国计划出版社，2010.

[2]公安部沈阳消防科学研究所.GB 16840.2 电气火灾原因技术鉴定方法第2部分：剩磁法[S].北京：中国标准出版社，1997.

[3]谢宝永，黄柳卿，罗志勇，等.从热熔化值角度研究低压配电线路熔断器与SPD后备保护器匹配问题[J].建筑工程技术与设计，2015（19）.

[4]中机中电设计研究院.GB 16895.5—2012 低压电气装置[S].北京：中国标准出版社，2012.

〔编辑：刘晓芳〕