浅谈配电变压器的防雷保护及工作接地装置

1浅谈配电变压器的防雷保护及工作接地装置众所周知，供电部门和工矿企业等用电户给配电变压器的防雷接地方式，通常采取高压侧接避雷器，然后将避雷器的接地引下线与配电变压器外壳及低压中性点相连，共用一个接地装置的做法，配电变压器对其接地电阻值的要求是：当容量≥100kVA时，≤4Ω；当容量＜100kVA时，≤10Ω，并且还要求将人工接地装置做成环形。这都是有关标准上给出的结论，而标准中的每条规定都是有具体的适用范围，但许多具体规定在供电部门的现场规程中没有反映，这样就有必要对这些规定做出一些解释，同时也要做一些更易于执行的具体实施细则。1配电变压器防雷接线目前，常规的配电变压器防雷接线如图1所示。它是将配电变压器的防雷、工作、保护这三种接地共同接在了一起的。图1配电变压器防雷、工作、保护共同接地1.1接地电阻的数值三点共同接地就是将防雷接地（高、低压避雷器）、保护接地（外壳）和工作接地（低压中性点）连接在同一个接地装置，其接地电阻应满足三者之中的最小值，其中防雷接地一般规定小于10Ω，但要有垂直接地极，以利散流。低压工作接地一般应小于4Ω。因而接地电阻主要取决于高压侧对地击穿时的保护接地，一般情况下配电变压器都是向B类建筑物供电的，标准上有规定，只有当保护接地的接地电阻R≤50/I时，高压侧防雷及保护接地才能与低压侧工作接地共用一个接地装置。反过来说，如果采取三点共同接地，则R≤50/I时，其中I为高压系统的单相接地电流。对不接地系统，I为系统的电容电流，对消弧线圈接地系统，I为故障点的残流。有些系统虽装有消弧线圈，但常常运行不正常而退出运行，目前不少10kV系统IC都在40A左右，所以较大的高压系统中R应取1Ω。如果按上述计算结果大于4Ω，则由于低压工作接地要求，不得大于4Ω。公式R≤50/I中，50为低系统的安全电压，即高压侧对外壳单相接地时，接地电流流过接地装置的压降不得超过50V。2而10kV系统中的电容电流差别很大，有的不足10A，有的高达上百安或数百安，所以配电变压器三点共同接地时，要根据所在高压系统的情况来确定接地装置的接地电阻，不能笼统地规定4Ω或10Ω。当低压工作接地单独另设时，100kVA以下的配电变压器的低压侧工作接地电阻，可放宽到10Ω，因为变压器小，绕组的阻抗大，限制了接地电流，也就限制了地电位的升高。1.2共同接地的连接方式除图1的方式外，施工中还有其它接地装置的连接方式，见图2、3所示。图2施工中常用的接地方式图3施工中常用接地方式这三种方式中都是共同接地的，只是它们连接的次序不同，最终还是连在了一起了。采用哪种方式为好，现分析如下。3高压侧避雷器的作用是用来保护变压器高压线圈与外壳之间的绝缘，按图2的接法，高压线圈与外壳之间承受的电压除避雷器残压外，还增加了接地引下线的电阻上的压降，这个压降在雷电流冲击下是不可忽视的，使其保护效果大为降低。而图1的接法也会产生一个问题，就是低压线圈及中性线全部承受接地装置上的压降，特别是当中性点存在重复接地，接地电阻小于配电变压器接地电阻，且离配电变压器较近时，高压侧避雷器的放电冲击电流将较多流向重复接地，有时会将重复接地的引下线烧断（重复接地线一般较细）。所以图3的接法较为合理，对高压线圈的防雷保护合理，对低压中性线的冲击也较小，因为部分雷电流已通过接地装置流入地中。1.3接地装置的设计经验有关标准规定，配电变压器台区的接地装置应敷设为闭合环形，并加垂直接地极，这是因为环形内的接触电压比较低，而沿环形接地体走路的行人，其跨步电压也较小，城区的配电变压器大多安装在路边，因常有人走动，为行人安全着想，必须敷设为环形。环形的大小，一般以5m为直径，这是因为要发挥水平接地极和垂直接地极的散流效果，减少相互屏蔽，降低接地电阻而必需的。但有些安装地点过于狭窄时，则可为椭圆形，短轴距不得低于3m。由图4可见，两个垂直接地极宜打在短轴两端点附近，高压避雷器及外壳接地和中性点的接地分别引至垂直接地极附近，以利于散流。如土壤电阻率较高，做一个环后，测试接地电阻不合要求，则应在环外再做一个大环，两环相距4～5m，埋深比第一环深，至少两处相连接，直至满足要求为止。图4接地装置敷设为椭圆形1.4接地引下线的连接方式按部颁标准，除设备的接线端子可用螺栓连接外，引下线及接地装置都应使用焊接，但为安装方便，通常在电杆下的1.8～2.0m处有一个断接卡，也用螺栓连接。引下线一般用扁钢，但也有采用钢绞线。钢绞线与扁钢的连接应制作接线板，最好采用双螺栓相连，并且采用不锈钢的螺栓，以利于接触良好。目前的实际情况是，高压避雷器接地端分别用钢绞线接线，三根钢绞线再连在一起，且都是绞合连接，配电变压器外壳的接地线也用钢绞线与避雷器接地线绞合，然后再与接地装置的引上线用螺栓连接，有的也未压制接线鼻，这些连接都不符合标准的要求，接头过多，容易造成接触不良。4比较好的做法是将三个高压避雷器的接地端用30×4的扁钢连成一体，从中间引下与外壳的接地扁钢相连，均采用焊接，也不宜在中间设断连卡，而直接入地与接地装置进行焊接，低压中性点直接用扁钢引至接地装置与之焊接，扁钢宜采用30×40mm2。1.5接地装置的施工接地装置的地下水平接地极应采用40×4的扁钢，垂直接地极用L40×4，埋深大于60cm，填土时用干净的原土并夯实。有条件时，应将环形水平接地极的面积适当增大些，或往环外再做一个环，两处相连，以降低接地电阻，尽可能达到1Ω。地下连接处应采用焊接，并符合要求。扁钢的搭接长度应为扁钢宽度的2倍，且应三面或四面焊接，三面焊接时尽量二短边一长边，利于电流通过，圆钢的焊接长度为圆钢直径的6倍，应两面焊接，且不得有虚焊。焊接处应采取防腐措施。1.6低压侧安装避雷器由于采用三点共地后，高压侧避雷器的放电电流（特别当三相同时放电时）很大，在接地电阻上的压降也很高。该压降加在低压线圈上，通过低压线路电容接地，在低压线圈中就有一冲击电流使线圈励磁，通过电磁感应使高压线圈感应出很高的电压。高压侧电压受高压侧避雷器残压所限制，高压线圈中性点电位就很高，容易在中性点附近，导致对地击穿或匝间短路而损坏变压器，因而必须采取措施，限制低压线圈承受的电压，即一般采取低压侧也加一组避雷器。当地电位升高时，通过避雷器放电，使低压线圈只承受低压避雷器的残压（1300V左右），这样高压中性点附近的过电压就被限制在可承受范围之内，这就是防止逆变换损坏变压器，见图5所示。同样当低压线路感应雷传到配电变压器时，低压侧避雷器也会动作，使雷电流入地，低压线圈的电压被限制在低压避雷器残压之内，防止配电变压器高压侧被按变比由低压而感应的电压所损坏。因此，必须在配电变压器的低压侧安装一组低压避雷器。这种情况属于正变换过电压，由于配电变压器的低压侧绝缘裕度高于高压侧，所以配电变压器雷击事故常发生在高压侧，尤其是中性点附近，如图6所示。图5配电变压器逆变换情况5图6配电变压器正变换情况低压侧加装避雷器，因其往往采用高、低压架空线，容易受雷击，35/0.4kV直配变压器因其变比大，更应在低压侧加装一组避雷器。加装低压避雷器后，原来的三点共同接地就成了四点共同接地，见图1。1.7中性线及其连接做法中性线在三相负荷不平衡时流过电流，按有关规定该电流不得大于相线电流的25%。另外，中性线、中性点接地线与配电变压器低压中性线端头的连接应可靠，应制作接线鼻（板），螺栓应压紧，防止接触不良流过电流时发热烧断。中性线断线意味着低压系统失去接地，成为不接地系统。三相负荷不平衡时，导致三相电压相差很大，过高的电压将烧毁用电设备。2配电变压器低压侧的接地型式前述配电变压器低压侧中性点接地，并与高压侧避雷器接地共用一个接地装置，适应于大量采用的低压系统为TN和TT，但是如采用IT制式，则中性点就不能接地。TN系统，又分三种情况：TN-C系统，整个系统中用电气设备外壳保护线与中性线合一；TN-S系统,整个系统中电气设备外壳保护接地线与中性线分开，有专用保护线；TN-C-S系统，系统中有部分线路的中性线和保护线合一。TT系统，系统中有一点直接接地，用电设备外壳采取接地保护。IT系统，配电变压器低压中性点不接地，用电气设备外壳单独接地保护。6（1）TN-C系统（2）TN-CS系统（3）TN-S系统7（4）TT系统（5）IT系统图7系统接地各种型式示意图一般居民用户可用TN-C-S系统，即低压从配电变压器引出的主干线可以采取TN-C系统（四线制），到用户的支线采取TN-S系统；工厂车间可以采用TT系统，电动机用三相电源，照明及其它单相负载用用单相电源，配电变压器中性点接地，到车间后，车间设备的外壳单独接地。需防爆的场所（如井矿盐制盐及盐化工企业的热电站输煤系统）最好采用IT系统，三根相线或四根（三相四线：三根相线加一根中性线）送过去，中性点不接地，外壳单独接地，这样相线碰地或碰外壳，电流很小，不会产生火花，可有效地防止爆炸。8有防腐要求的场所（如制盐企业、化工企业等），其接地装置最好是采用铜质材料来制作。接地引下线、水平接地体可采用相应规格的圆铜条或铜排，垂直接地体可采用相应规格的铜棒。现在还有一种既防腐，又廉价实惠的铜覆钢复合接地棒，它既有很好的导电及防腐性能（铜材），又有较高的机械强度（钢材），是一种很值得推广的新型接地材料，用它来逐步代替钢材来作接地装置材料，是今后的发展方向。3结束语配电变压器的防雷保护接地是一项复杂的电气工程，必须考虑防雷接地、保护接地、工作接地的各种要求，以其中最小值为标准来设计和施工。不要认为“接地”可以敷衍了事，它是关系到人身和设备安全的大事，即防雷保护的有效性，是来不得半点马虎的。接触电压、跨步电压的大小，人体接触外壳时的电压高低都涉及到电击事故发生的机率及危害程度，必须严格按标准的有关规定执行，以高度的责任感认真地进行设计和施工，并做到及时进行试验，务必验收合格，方可投入使用。使用过程中还需要经常检查，测试其参数，使防雷和接地装置长期保持安全、稳定、可靠地运行，以确保人身和设备的安全。