配电系统的防雷与接地技术研究

2023-11-25李晓磊姚东升雒新萍

今日自动化 2023年8期

李晓磊，姚东升，雒新萍，胡旻

（陕西省突发事件预警信息发布中心，陕西西安 710000）

随着社会经济水平的提升，人们对生活质量的要求不断增加，电力需求也随之增加，推动了电力工程的建设。但在雷电活动频繁的地区，电力设备易受到雷击的影响。因此，防雷与接地是配电系统中必不可少的环节，要合理设计和施工，保障电力系统的安全稳定运行，使社会经济得以正常运转和发展。

1 防雷与接地工作原理

雷电是由于大气中电荷不平衡引起的自然现象，在云内部，水汽和颗粒物等带电粒子不断碰撞，导致电荷分离，通常情况下，云的上部带正电荷，下部带负电荷。当不同电荷的云相互靠近时，电荷分离也会发生，云底部的负电荷会吸引附近地面的正电荷，导致地面附近形成带正电荷的区域。由于电荷分离，云与地面间形成了巨大的电场，这个电场会导致空气中的分子离子化，形成电离通道，即闪电通道。当电离通道形成后，电荷会沿着通道进行放电，这个过程中，电荷会以极快的速度移动，形成闪电。闪电是由电流流动引起的，通常是从云底或云与地面间放电，也有可能是云与云之间放电。雷击会导致线路和设备受损，甚至击穿绝缘保护层，造成爆炸、火灾或者停电等现象，因此，为保护电力系统免受雷击的影响，须采取防雷与接地技术进行保护。其工作原理为利用雷电的特性，将电力系统中的金属部件与地面形成良好的连接，通过导线将雷击所产生的电流安全地引流到地下，结构如图1所示。

图1 防雷接地

2 配电系统防雷与接地的主要形式

（1）单点接地。单点接地是最常见的接地方式，即将电力设备的中性点与地面相连接。其能够将设备的电荷积累导入地下，减少设备的电压升高，提高设备的安全性。

（2）多点接地。多点接地是在电力系统中设置多个接地点，通过增加接地点的数量，可增加接地面积，降低接地电阻，提高整个系统的防雷能力。

（3）接地网格。接地网格是在电力设备周围布置的金属网格，通过将多个接地点相互连接，形成接地网格，可提高接地效果，增强防雷能力。

（4）防雷设备的安装。除了接地外，还可安装其他防雷设备，如避雷针、避雷带等。这些设备能够吸引雷电并将其引导到地下，保护电力设备免受雷击。

2.1 TN-S接地防雷系统

TN-S 接地防雷系统是最常用的一种配电系统的接地和防雷系统，由电源供应系统、接地电极、设备接地线和避雷器等组成，是一种单一中性点接地的系统，TN 代表电源中性点与设备接地点间的连接方式，S 代表设备的金属外壳通过独立的地线与地面相连。三相五线制系统是一种配电系统，其由三相线（L1、L2、L3）、中性线（N 线）和保护地线（PE 线）共同组成。中性线（N 线）用于平衡三相电压，保护地线（PE线）用于提供设备和人员的安全保护。在TN-S 接地系统中，中性线（N 线）和保护地线（PE 线）是分开布置的。中性线（N 线）用于回流电流，保护地线（PE 线）用于提供设备和人员的安全保护，在供电过程中，电流只会通过中性线而不会通过保护地线，这样可有效降低电流通过人体或设备的风险。在遭遇雷击时，系统的中性点通过低阻抗的接地电极与地面形成连接，以实现电流的安全引流和电压的平衡。通过中性点接地，可将电力系统中的故障电流引流到地下，保护设备和人员免受电击伤害。因为TN-S 接地防雷系统具有安全可靠的特点，且防雷效果好，再加上相对简单，易于施工和维护，降低了系统的建设和运维成本，因此经常被用在电磁环境差、设备可靠性要求高的复杂配电系统中。

2.2 TN-C接地防雷系统

TN-C 接地防雷系统是将零线（N 线）和保护地线（PE 线）整合成为PEN 线，在这种系统中，PEN线既充当中性线（N 线）的功能，也充当保护地线（PE线）的功能，因此既能提供电力系统的接地保护，又能有效防止雷电对系统的影响。在TN-C 接地系统中，PEN 线与地线相连，通常在主配电盘或主接地点处连接，目的是将电力设备的零线和保护地线集中在一条导线上，形成一个共同的接地点，称为TN-C接地点，更好地保护电力系统免受雷击和故障的影响。PEN线的外露可导电部分（如金属管道、金属框架等）可直接与PEN 线连接，以提供良好的接地保护。整个系统由接地装置、避雷器、接地导线、等离子保护器等构件组成，当雷电击中地面附近时，通过PE 导体的接地，将雷电流引入地下，使其分散和消散，这样可有效降低雷电对电力系统的影响，保护设备的安全。这种系统设计的优点既能够发挥保护设备和人员的功能，又通过简化线路结构，从而减少了线缆的数量和成本。TN-C 接地防雷系统通常应用于三相负荷平衡或者单相220 V 的移动便携设备中。

2.3 TN-C-S接地防雷系统

TN-C-S 接地防雷系统是在TN-C 接地系统的基础上增加了S 导体，即采用了PE（Protective Earth）、N（Neutral）和S（Separated）3 个导体进行接地，PE 导体是专门用于系统的保护接地，N 导体是电力系统的中性导体，而S 导体是用于隔离故障电流的导体，以进一步提高系统的防雷性能。PE 和N 导体通常是通过同一根导线连接到地下的共同接地点，而S导体则是通过另一根独立的导线连接到地下的独立接地点，实现对故障电流的有效隔离，提高系统的安全性和可靠性。这一系统的设计主要考虑到不同部分的需求和实际情况，一般来说，TN-S 接地系统适用于对电力质量和设备安全要求较高的部分，如关键设备、敏感仪器等；而TN-C 接地系统适用于对电力质量和设备安全要求相对较低的部分，如一般照明、插座等。TN-C-S 接地防雷系统整合了TN-S 和TN-C 这两个系统的特点，既提供了较高的电力质量和设备安全保护，又简化了线路结构和降低了成本，因此，经常被用在工业和民用建筑配电系统中。

3 配电系统的防雷与接地技术研究

3.1 配电线路的防雷与接地保护

配电线路的防雷与接地保护，主要从高压、中压和低压线路3方面展开。

（1）高压线路的防雷接地。高压线路是指输送高电压电能的线路，一般用于电力系统的输电和配电，由高压输电塔或者电缆进行支撑和传输，将电力从发电厂输送到各个用户或者将电力从变电站分配到不同的区域。针对高压线路，一般选择架设避雷线来起到保护作用，不同等级的高压线路，架设要求不一样。110 kV 的高压线路，因为沿线环境复杂，变化较大，需全线架设，若是山区等环境恶劣地区，还需双层架设。35 kV 的高压线路，因为沿线环境稳定，可每隔1～2 km 架设，以节约成本，避免过度浪费。若沿途雷电活动频繁，则可根据实际情况添加避雷器，提高防雷效果。

（2）中压线路防雷接地。中压线路主要用于将电力从变电站输送到用户终端，或者将电力从配电站分配到不同的区域，当受雷电袭击时，可能引发变电站跳闸事故，可采用线路避雷器或者避雷线来实现防雷效果。对于10 kV配电线路，可在特定位置使用避雷器，并适当增加防雷绝缘子的数量，从而提高防雷效果。

（3）低压线路防雷接地。低压线路通常较短，雷击的威胁较小，防雷措施一般为绝缘子角铁接地，合理控制接地电阻，通过电源中性点接地来实现电流的安全引流。

3.2 变电所建筑的防雷

变电所的建筑在保护设备方面发挥着重要作用，国家对其建设有着严格的要求和标准。一方面，遵循国家强制标准。国家强制标准通常对变电所建筑及设备的防雷接地提出了具体要求，如接地电阻的要求、接地网的布置等，目的是为保证变电所的安全运行，减少雷电对设备造成的损害。另一方面，采用等电位连接防雷接地方式。等电位连接防雷接地是指将变电所建筑及设备的接地系统与地下埋设的接地网相连接，使其处于相同的电位，以确保设备在雷电活动时能够有一个良好的电流分布路径，从而减少雷电对设备的损害。在变电所建筑的高处安装避雷针，用于吸收和分散雷电能量，减少雷电对建筑物的影响。安装方式上，110 kV 以上的变电所，在配电架构上独立安装；35 kV 以下的变电所，独立安装。建筑钢筋框架是建筑物的结构支撑系统，防雷引线是将雷电冲击引导到接地系统的导体，可将二者交叉连接，构建成法拉第笼状避雷器，使得雷电冲击从防雷引线传导到建筑钢筋框架上，再通过建筑钢筋框架的导电性，使其成为一个均匀导体，将雷电冲击分散到接地系统中，从而保护建筑物和设备免受雷击的影响。

3.3 配电变压器的防雷接地

配电系统中的变压器是电力传输和配电的重要组成部分，通过完成电压转换、电能分配、电力质量调节等功能，确保电能以安全、稳定、高效的方式供应给用户，保障电力系统的正常运行。在配电变压器进行防雷接地保护时，一般采用架设避雷器和三位一体的接地方式。架设避雷器是为有效吸收和分散雷电冲击，保护配电变压器免受雷击损害。避雷器通常安装在变压器的高压侧和低压侧，能够迅速将雷电冲击引到接地系统，保护变压器和其他电气设备。三位一体的接地方式是为确保接地系统的连续性和可靠性，通过将变压器金属基座、低压侧中性点与避雷器的接地下引线统一连接到接地装置上，可形成一个连续的接地回路，使得雷电冲击能够有效通过接地装置分散到地下。避雷器在工作时会吸收和分散雷电冲击，但在雷电冲击结束后，避雷器内部可能会残留一定的电压，即避雷器的残压。若避雷器接地引线的长度较长，残压会在引线上产生电压降，进而在引线与地之间形成电场，这样的电场会引起电流的流动，可能导致引线和接地系统的损坏。当避雷器接地引线的长度较长时，残压的电场会与引线自身的电场相叠加，这种叠加效应会导致电场强度增大，电压分布不均匀，可能出现电压过高的局部区域，从而引发电弧放电和击穿现象，损坏避雷器、接地装置及其他电气设备。因此，为避免避雷器接地引线与避雷器残压作用叠加引发破坏现象，应尽量缩短避雷器接地引线的长度。通过缩短引线长度，可减少引线上的电压降、减小电场强度，从而提高接地系统的安全性和可靠性。

3.4 计算机与通信设备的接地措施

计算机与通信设备在配电系统中扮演着重要的角色，因此，为保证它们的正常运转，需在建筑防雷与接地及设备本身接地方面做好相关工作，采取分级防雷的保护措施。一级防雷接地，即建筑和电源防雷接地是整个防雷接地系统的基础。通过合理设置接地装置和接地网，将雷电冲击引入地下，消散雷电电荷，减少雷电对建筑物和电源的冲击，保护建筑内部设备的安全。二级防雷接地，是在机房和设备端口即计算机与通信设备的关键区域提供更加精细和专业的保护措施，进一步增强防雷能力，减少雷电对设备的损害。通过将一级和二级防雷接地组合起来，形成完整的防雷接地系统，可从根本上防止雷电电压的冲击和侵入，提高设备的可靠性和稳定性，减少故障率。