建筑工程供配电室和箱变防雷综述

郝维莉, 韩 涛

(山东盛昊智能工程有限公司,山东 济宁 272000)

0 引 言

随着城市房地产建筑的快速发展,多个大体量的住宅小区演变出现,原有的箱变已不能满足周边新增的住宅用电需求,10 kV箱变逐步建设在新增小区的大门外侧。雷电作为夏季常见的雷害方式,可在极短时间内以脉冲形式形成能级较高的雷电流,在供配电室或者箱变两端形成过电压,对供配电室或者箱变内的设备轻则造成损坏,重则引起住宅区电力系统瘫痪和电力火灾。住宅区作为人员密集场所的一类建筑,一旦发生火灾的危害性极大,逃生困难,因此研究建筑工程变配电室和箱变防雷很有必要。

1 雷击产生的方式

雷电对供配电室或者箱变内的设备雷害形式有直击雷害、感应雷害、电磁脉冲雷害、雷电反击等,因受到雷击的后果较为严重,通过研究供配电室或者箱变防雷措施,可以限制雷害发生时入侵供配电室或者箱变雷电波的幅值以及陡度,控制设备的过电压值不超过冲击耐压值,保护电气设备。

1.1 雷电直击

建筑工程的供配电室通常有接闪装置,箱变的外壳也设有可靠的接地保护措施。当供配电室或者箱变遭受直接雷击时,雷击产生的电流可通过接闪装置或者接地装置泄放入大地,避免供配电室和箱变内的设备遭受过电荷的危害。

1.2 感应雷击

当雷击输电线路或者对地放电时,供配电室和箱变的架空输电线路或者埋地线路会产生瞬时电磁感应,形成过电压和强大的瞬时电流,入侵供配电室和箱变内的设备以及输出端连接的用电终端。供电线路上产生的瞬间高压,对于并联的设备危害性极大,会造成设备的损坏甚至自燃,降低设备的使用寿命,增加维护检修的次数和故障率,给运行成本造成负担的同时,降低经济和社会效益。

1.3 电磁脉冲

雷击的电流因具有较大的峰值和陡度,雷击电流通过接地体对地泄放或者对地闪击时,周围会产生瞬变电磁场,在瞬变电磁场范围内的导体进而感应产生电动势(接地导体感应产生过电压,连通用电终端和箱变的导体产生过电流),形成电火花,会在瞬间对供配电室或者箱变内的设备和用电终端设备造成损害,因此应考虑设置防雷措施或者防电磁的屏蔽措施。

1.4 地电位反应

目前供配电室通常设置在小区内,箱变很多也是靠近小区的围挡外侧或者大门外侧设置,通常距建(构)筑物较近,当距离小于20 m时,容易遭受电位差的损坏。具体的原理就是因小区的建(构)筑物较高,大多数的建(构)筑物高度均设置在99 m,相比输电线路或者供配电室和箱变,更容易遭受直击雷伤害。当建(构)筑物遭受到直击雷时,自身的防雷系统会将电流对地泄放。以泄放点为半径的20 m范围内存在极大的电位梯度,在此电位梯度影响范围内,各接地设备两端容易形成电位差,电位差的大小与建(构)筑物放电接地点间距有关,越靠近建(构)筑物放电接地点电位差越大。如果建设时设置的供配电室或者箱变距离建(构)筑物放电接地点在20 m范围内时,该电位差会通过供配电室或者箱变的接地线和电缆屏蔽层引入,造成电气设备的损坏。

2 案例分析

在供配电室或者箱变已安装有电源避雷器保护的情况下,供配电室和箱变内的设备或者输出线路上的用电终端设备仍然发生遭受雷击损坏的情形。通过对大量的现场勘查,总结得出目前防雷仍然存在的问题。供电系统的结构如图1所示。

图1 供电系统的结构

2.1 设计模式不合理

供配电室和箱变的供电线路与建(构)筑物防雷线路的设计由不同单位承担,使用的防雷设备性能参数不一,防雷器动作匹配性差,无法起到应有的防雷效果。

2.2 不同安装单位衔接不到位

通常供配电室和箱变的安装由供电单位负责施工,但建(构)筑物的防雷系统由建设单位自行委托施工单位负责安装。如果相互之间不能将防雷接地网连接,就会造成供配电室或者箱变的防雷接地网与建(构)筑物的防雷接地无法共用一张接地网,防雷的效果会大打折扣[1]。

2.2.1 地电位反击

当供配电室或者箱变的输入线路遭受雷击或者自身结构遭受直击雷时,会瞬时抬高供配电室或者箱变的防雷接地点电位,在半径20 m范围内形成较大的电位梯度。如果建(构)筑物的接地网或者低压侧的接地点在该电位梯度的影响范围内时,势必遭受地电位的反击[2],损坏用电设备;若建(构)筑物自身的接地网或者低压侧接地点在此20 m范围内,就会形成电位差,该电位差会通过接地线和电缆屏蔽层引入用电终端,造成设备的损坏。相对应的情况,若不能共用接地网,建(构)筑物遭受直击雷时,也会造成供配电室或者箱变内的设备损坏。

2.2.2 铜铁氧化反应

通常低压侧设置的接地线(大多为铜芯线)直接与钢质(含铁)接地体连接,因铜具有强还原性,铁具有强氧化性,两者发生化学反应会形成铁铜化合物,增加接地点的接地电阻,影响防雷效果。

2.3 防雷重视度不足

安装过程中虽然对供配电室或者箱变设置了电源防雷器,但对分线箱或者单元配电器未根据设计要求设置或者设置的电源防雷器不符合国家标准,达不到所需的防雷效果。

因设计时只考虑了供配电室设备或者箱变设备的绝缘耐压能力,未考虑后继用电终端的绝缘耐压水平是否与之匹配,导致变压器二次侧的电源防雷器残压加上后继供电线路上产生的压降,远远超出后继用电设备的绝缘耐压水平,设备可能出现电离和击穿的情况。

变压器二次侧防雷设备动作后,对地泄放绝大部分的雷电流,但残余雷电流与后继供电线路电磁感应产生的雷电流,叠加形成较大的雷电流施加于用电终端设备,会造用电终端设备损坏。

后继用电的设备中有大型负荷的电磁设备,若未采取措施保护其他电子设备,当大型负荷的电磁设备起动或者关停时,在与其他电子设备连接的输电线路上感应形成过电压,加速设备的绝缘老化,甚至直接损毁设备引起电力火灾[3]。

未能严格执行分级泄放的规范标准要求,只是在变压器二次侧安装有防雷设备,对于不同用电设备的重要性和所处位置不能有效分级地设置防雷设备,技术经验和防雷系统认识不足。

为降低成本,在设计或者安装时,对变压器二次侧使用的电源防雷器仅通过Ⅱ级试验,不符合国家规范要求,达不到防雷应有效果。

3 防雷配置

配置方式一如图2所示。该方式在有效地达到防雷效果的同时可控制整体工程造价。

图2 配置方式一

3.1 间隙型电源防雷器

为了提高泄放雷电流的能力,主要是供电线路传导的雷电流,对于供配电室或者箱变的设备二次侧应该配置通过Ⅰ级试验的间隙型电源防雷器。

3.2 限压型电源防雷器

为泄放Class B级残余雷电流和后继设备操作过电压形成的浪涌电流,有效控制供电线路残余电压,应在总配电箱输入端设置通过Ⅱ级试验的限压型电源防雷器(电涌保护器)。电涌保护器可有效避免逆变出口产生的波动电压顺着输电线路进入箱变导致闪变的出现,也可以避免直击雷形成过电压顺着输电线路进入箱变损坏设备。

如果后继用电终端有电子设备,则必须根据保护需求,设置精细的保护措施,防止电子设备因过电压而损坏[4]。

通过采取以上措施,设置的防雷措施符合规范要求,并且防雷措施较为常规,造价低,防护效果好,可以在起到很好的泄放雷电流作用的同时限制过电压,保护电气设备。

但是也需注意,为了达到分级保护的要求,所有的防雷保护对象均须共用接地网,包括供配电室或者箱变的设备接地、铠装电缆自身铠装层的接地以及建(构)筑物自身的防雷接地等均须连通形成一张接地网,接地电阻不得大于1 Ω,若接地电阻大于1 Ω,可在箱变或者供配电室内设置接地排。将箱变或者供配电室内设备的工作和保护接地均连接到接地排,再将接地排与箱变或者供配电室外的接地网连接。整套流程安装过程中难度较大,造价成本高,经济效益不佳。

3.3 组合式电源防雷器

配置方式二如图3所示。规范标准要求间隙型与限压型的防雷器间距不得小于10 m,但箱变与分线箱间距受到现场条件限制有时无法达到10 m间距要求,这个时候就必须根据图3配置方式二进行设置。

图3 配置方式二

图3所示的配置方式是将供配电室或者箱变的变压器二次侧配置组合式(Ⅰ+Ⅱ组合)级间能量控制型电源防雷器(即将图2分线箱外部的Ⅱ级电源防雷器移装至箱体内)。

3.3.1 提高二级防雷器使用寿命

Ⅰ级防雷器的功能是泄放能量较高的雷电流,Ⅱ级防雷器是起到提供Ⅰ级防雷器起动电压以及控制残压的作用。线路一旦出现雷电流,Ⅱ级防雷器的起动电压相对较低并且响应时间短,因此可以优先动作,在Ⅰ级防雷器两端附加残压,起动Ⅰ级防雷器动作,Ⅰ级防雷器一旦泄放雷电流,Ⅱ级防雷器就不再动作,其间只是保证输出的残压是恒定的。总的来说,Ⅰ级防雷器在配置中是泄放能量较高的雷电流,Ⅱ级防雷器主要是控制残压,相互之间密切配合协作,动作协调。可避免Ⅰ级防雷器的长时间动作,延长使用寿命,减少日常维护工作,降低电气系统运行成本[5]。

3.3.2 实行零距离安装

采用本配置后,间隙型与限压型的电源防雷器安装间距不再受到限制,甚至可以零距离安装,解决了Ⅰ级防雷器和Ⅱ级防雷器无法并联安装的难题,同时无须安装退耦电感。降低安装场地占用的同时节省了退耦电感安装所需的复杂接线费以及自身的设备购买和安装费用。

3.3.3 延长后继防雷器使用期

本配置可通过点火电路预先动作,将能量较高的雷电流通过Ⅰ级防雷器泄放入大地,降低了通过后续防雷器的雷电流能量值,使得后继防雷器得到有效保护,延缓了老化速度,增加有效动作次数,可保证长期平稳的工作,延长后继防雷器使用期。

3.3.4 无须共用接地网

若现场箱变或者供配电室与建(构)筑物防雷接地点距离在20 m以上时,箱变或者供配电室接地点可以不与建(构)筑物共用接地网就能满足防雷要求,降低了安装工程的成本造价。

4 结 语

金属箱体以及铠装电缆可解决供配电室或者箱变直击雷害问题。与周围建(构)筑物共用接地网可以解决地电位反击的问题。通过线路传输的雷电流、浪涌电流和过电压危害设备等问题可采取分级泄放以及有效钳压措施得到有效控制。但雷电活动是大自然的复杂气象,目前所有的防雷措施均不能从根本上做到绝对防雷,只能降低雷害发生的概率和造成的危害程度,仍需在实践中不断探索,积累经验,完善防雷措施。