變壓器及柱上開(kāi)關(guān)的防雷接地

摘要：通過(guò)對部頒標準中有關(guān)規定的理解，闡述了配電變壓器接地的具體要求，提出現場(chǎng)規程中對配電變壓器接地規定的不明確性，對現場(chǎng)工作有一定指導意義。

關(guān)鍵詞：配電變壓器臺區；柱上開(kāi)關(guān)；接地裝置；系統接地方式

中圖分類(lèi)號：TM503.+4 文獻標志碼：B 文章編號:1003-0867(2007)02-0018-03

目前供電公司對配電變壓器臺區的防雷接地采取高壓側接避雷器，然后將避雷器的接地引下線(xiàn)與配電變壓器外殼及低壓中性點(diǎn)相連，共用一個(gè)接地裝置的做法，要求100 kVA及以上的配電變壓器接地裝置的接地電阻為4Ω以下，100 kVA及以下的配電變壓器接地電阻為10Ω以下，并要求人工接地裝置做成環(huán)形，這些規定，都是有關(guān)標準上的結論。而標準中的每條規定都是有具體的適用范圍，而許多具體規定在供電公司的現場(chǎng)規程中沒(méi)有反映，因而有必要對這些規定做出一些解釋?zhuān)瑫r(shí)做一些更易于執行的具體規定。

1 配電變壓器防雷接線(xiàn)

配電變壓器防雷接線(xiàn)見(jiàn)圖1。

圖1　配電變壓器防雷、工作、保護共同接地

1.1 關(guān)于接地電阻的規定

三點(diǎn)共同接地就意味著(zhù)防雷接地（高壓避雷器）、保護接地（外殼）和工作接地（低壓中性點(diǎn)）共用一個(gè)接地裝置，其接地電阻應滿(mǎn)足三者之中的最小值，其中防雷接地一般規定小于10Ω，但要有垂直接地極，以利散流。低壓工作接地一般應小于4Ω。因而接地電阻主要取決于高壓側對地擊穿時(shí)的保護接地，一般情況下配電變壓器都是向B類(lèi)建筑物供電的，標準上有規定，只有當保護接地的接地電阻R≤50/I時(shí)，高壓側防雷及保護接地才能與低壓側工作接地共用一個(gè)接地裝置。反過(guò)來(lái)說(shuō)，如果采取三點(diǎn)共同接地，則R≤50/I時(shí)，其中I為高壓系統的單相接地電流。

對不接地系統，I為系統的電容電流，對消弧線(xiàn)圈接地系統，I為故障點(diǎn)的殘流。

有些系統雖裝有消弧線(xiàn)圈，但常常運行不正常而退出運行，目前不少10 kV系統IC都在40 A左右，所以較大的高壓系統中R應取1Ω。

如果按上述計算結果大于4Ω，則由低壓工作接地要求，不得大于4Ω。公式R≤50/I中，50為低系統的安全電壓，即高壓側對外殼單相接地時(shí)，接地電流流過(guò)接地裝置的壓降不得超過(guò)50 V。

而10 kV系統中的電容電流差別很大，有的不足10 A，有的高達上百安或數百安，所以配電變壓器三點(diǎn)共同接地時(shí)，要根據所在高壓系統的情況來(lái)確定接地裝置的接地電阻，不能籠統地規定4Ω或10Ω。由于接地電阻大小與系統單相接地電流有關(guān)，與配變容量并無(wú)關(guān)，所以現場(chǎng)規程的說(shuō)法沒(méi)有道理。有的資料認為，當低壓工作接地單獨另設時(shí)，100 kVA以下的配電變壓器的低壓側工作接地電阻，可放寬到10Ω，原因是變壓器小，內阻抗大，限制了接地電流，也就限制了地電位的升高。

1.2 關(guān)于共同接地的接地方式

除圖1的方式外，施工中還會(huì )出現其它接地方式，見(jiàn)圖2、3。

圖2　施工中常用的接地方式

圖3　施工中常用接地方式

三種方式中都是共同接地的，采用哪種方式為好，現分析如下。

高壓側避雷器的作用是用來(lái)保護變壓器高壓線(xiàn)圈與外殼之間的絕緣，按圖2的接法，高壓線(xiàn)圈與外殼之間承受的電壓除避雷器殘壓外，還增加了接地引下線(xiàn)的電感、電阻上的壓降，這個(gè)壓降在雷電流沖擊下是不可忽視的，使其保護效果大為降低。

而圖1的接法也會(huì )產(chǎn)生一個(gè)問(wèn)題，就是低壓線(xiàn)圈及中性線(xiàn)全部承受接地裝置上的壓降，特別是當中性點(diǎn)存在重復接地，接地電阻小于配電變壓器接地電阻，且離配電變壓器較近時(shí)，高壓側避雷器的放電沖擊電流將較多流向重復接地，有時(shí)會(huì )將重復接地的引下線(xiàn)燒斷（重復接地線(xiàn)一般較細）。

所以圖3的接法較為合理，對高壓線(xiàn)圈的防雷保護合理，對低壓中性線(xiàn)的沖擊也較小，因為部分雷電流已通過(guò)接地裝置流入地中。

1.3關(guān)于接地裝置的設計

按標準規定，配電變壓器臺區的接地裝置應敷設為閉合環(huán)形，并加垂直接地極，這是因為環(huán)形內的接觸電壓比較低，而沿環(huán)形接地體走路的行人，其跨步電壓也較小，城區的配電變壓器大多安裝在路邊，因常有人走動(dòng)，為行人安全著(zhù)想，必須敷設為環(huán)形。

環(huán)形的大小，一般以5m為直徑，這是因為要發(fā)揮水平接地極和垂直接地極的散流效果，減少相互屏蔽，降低接地電阻而必需的。但有些安裝地點(diǎn)過(guò)于狹窄時(shí)，則可為橢圓形，短軸距不得低于3 m，見(jiàn)圖4，兩個(gè)垂直接地極宜打在短軸兩端點(diǎn)附近，高壓避雷器及外殼接地和中性點(diǎn)的接地分別引至垂直接地極附近，以利于散流。如土壤電阻率較高，做一個(gè)環(huán)后，測試接地電阻不合要求，則應在環(huán)外再做一個(gè)大環(huán)，兩環(huán)相距4～5 m，埋深比第一環(huán)深，至少兩處相連接，直至滿(mǎn)足要求為止。

圖4　接地裝置敷設為橢圓形

1.4 關(guān)于接地引下線(xiàn)的連接方式

按部頒標準，除設備的接線(xiàn)端子可用螺栓連接外，引下線(xiàn)及接地裝置都應使用焊接，但為安裝方便，通常在電桿下的1.8～2.0 m處有一個(gè)斷接卡，也用螺栓連接。引下線(xiàn)一般用扁鋼，但也有采用鋼絞線(xiàn)。鋼絞線(xiàn)與扁鋼的連接應制作接線(xiàn)板，最好采用雙螺栓相連，以利于接觸良好。

目前的實(shí)際情況是，高壓避雷器接地端分別用鋼絞線(xiàn)接線(xiàn)，三根鋼絞線(xiàn)再連在一起，且都是絞合連接，配電變壓器外殼的接地線(xiàn)也用鋼絞線(xiàn)與避雷器接地線(xiàn)絞合，然后再與接地裝置的引上線(xiàn)用螺栓連接，有的也未壓制接線(xiàn)鼻，這些連接都不符合標準的要求，接頭過(guò)多，接觸不良。

建議三個(gè)高壓避雷器的接地端用30×4的扁鋼連成一體，從中間引下與外殼的接地扁鋼相連，均采用焊接，也不宜在中間設斷連卡，而直接入地與接地裝置進(jìn)行焊接，低壓中性點(diǎn)直接用扁鋼引至接地裝置與之焊接，扁鋼宜采用30×40 mm2。

1.5 關(guān)于接地裝置的施工

接地裝置的地下水平接地極應采用40×4的扁鋼，垂直接地極用L40×4，埋深大于60cm，填土時(shí)用干凈的原土并夯實(shí)。有條件時(shí)，應將環(huán)形水平接地極的面積適當增大些，或往環(huán)外再做一個(gè)環(huán)，兩處相連，以降低接地電阻，盡可能達到1Ω。地下連接處應采用焊接，并符合要求。扁鋼的搭接長(cháng)度應為扁鋼寬度的2倍，且應三面或四面焊接，三面焊接時(shí)盡量二短邊一長(cháng)邊，利于電流通過(guò)，圓鋼的焊接長(cháng)度為圓鋼直徑的6倍，應兩面焊接，且不得有虛焊。焊接處應采取防腐措施。

1.6 關(guān)于低壓側裝避雷器

由于采用三點(diǎn)共地后，高壓側避雷器的放電電流（特別當三相同時(shí)放電時(shí)）很大，在接地電阻上的壓降也很高。該壓降加在低壓線(xiàn)圈上，通過(guò)低壓線(xiàn)路電容接地，在低壓線(xiàn)圈中就有一沖擊電流使線(xiàn)圈勵磁，通過(guò)電磁感應使高壓線(xiàn)圈感應出很高的電壓。高壓側電壓受高壓側避雷器殘壓所限制，高壓線(xiàn)圈中性點(diǎn)電位就很高，容易在中性點(diǎn)附近，導致對地擊穿或匝間短路而損壞變壓器，因而必須采取措施，限制低壓線(xiàn)圈承受的電壓，即一般采取低壓側也加一組避雷器。當地電位升高時(shí)，通過(guò)避雷器放電，使低壓線(xiàn)圈只承受低壓避雷器的殘壓（1300 V左右），這樣高壓中性點(diǎn)附近的過(guò)電壓就被限制在可承受范圍之內，這就是防止逆變換損壞變壓器，見(jiàn)圖5。同樣當低壓線(xiàn)路感應雷傳到配電變壓器時(shí)，低壓側避雷器也會(huì )動(dòng)作，使雷電流入地，低壓線(xiàn)圈的電壓被限制在低壓避雷器殘壓之內，防止配電變壓器高壓側被按變比感應的電壓所損壞。這屬于正變換過(guò)電壓，由于配電變壓器的低壓側絕緣裕度高于高壓側，所以配電變壓器雷擊事故常發(fā)生在高壓側，尤其是中性點(diǎn)附近，見(jiàn)圖6。

圖5　配電變壓器逆變換情況

圖6　配電變壓器正變換情況

低壓側加裝避雷器，因其往往采用高、低壓架空線(xiàn)，容易受雷擊，35/0.4 kV直配變壓器因其變比大，更應在低壓側加裝一組避雷器，尤其是當35 kV線(xiàn)路開(kāi)路運行，高壓側無(wú)避雷器保護時(shí)。加裝低壓避雷器后，原來(lái)的三點(diǎn)共同接地就成了四點(diǎn)共同接地，見(jiàn)圖1。

1.7 關(guān)于中性線(xiàn)及連接

中性線(xiàn)在三相負荷不平衡時(shí)流過(guò)電流，按有關(guān)規定該電流不得大于相線(xiàn)電流的25%。

另外，中性線(xiàn)、中性點(diǎn)接地線(xiàn)與配電變壓器低壓中性線(xiàn)端頭的連接應可靠，應制作接線(xiàn)鼻（板），螺栓應壓緊，防止接觸不良流過(guò)電流時(shí)發(fā)熱燒斷。中性線(xiàn)斷線(xiàn)意味著(zhù)低壓系統失去接地，成為不接地系統。三相負荷不平衡時(shí)，導致三相電壓相差很大，燒毀用電設備。

2 關(guān)于柱上開(kāi)關(guān)的防雷接地

高壓柱上開(kāi)關(guān)及隔離開(kāi)關(guān)一般作為聯(lián)絡(luò )開(kāi)關(guān)用，標準規定應在一側或兩側裝設避雷器（開(kāi)關(guān)經(jīng)常斷開(kāi)），且避雷器引下接地線(xiàn)應與開(kāi)關(guān)外殼（包括隔離開(kāi)關(guān)底座）連接，這是為了保證開(kāi)關(guān)對地絕緣只承受避雷器殘壓，而得到有效的保護。

但觀(guān)察中發(fā)現，不少柱上開(kāi)關(guān)兩側的高壓避雷器接地線(xiàn)都是直接引入地下，未與開(kāi)關(guān)外殼相連。此時(shí)開(kāi)關(guān)對地絕緣所承受的除避雷器殘壓外，還包括引線(xiàn)和接地裝置電阻上的壓降。如接地引線(xiàn)電感為1.67μH/m，引線(xiàn)長(cháng)10 m，雷電波波頭2.5 μs，幅值5 kA，加上接地電阻上的 壓降，避雷器的殘壓取50 kV，則開(kāi)關(guān)承受的電壓為133.4 kV，已超過(guò)了開(kāi)關(guān)的沖擊絕緣水平75 kV，避雷器就起不到保護作用。

有些開(kāi)關(guān)外殼雖有引下接地線(xiàn)，也是單獨入地，即使共用一個(gè)接地裝置，開(kāi)關(guān)絕緣所承受的電壓也高于殘壓。

單獨柱上開(kāi)關(guān)的接地裝置，其接地電阻不應大于10Ω，這也是標準的規定，柱上開(kāi)關(guān)的外殼，隔離開(kāi)關(guān)閘刀的底座，以及旁邊的絕緣子橫擔（金屬），應連在一起與避雷器的接地引下線(xiàn)相連，這樣就使隔離開(kāi)關(guān)支持絕緣子都能得到保護，防止雷擊閃絡(luò )，充分發(fā)揮避雷器的作用。其連接線(xiàn)可采用Φ8 mm的圓鋼或20 mm×3 mm的扁鋼。

線(xiàn)路中所裝設的高壓無(wú)功補償電容器也應加金屬裝氧化物避雷器，其接地引下線(xiàn)也應與電容器的外殼相連。

3 配電變壓器低壓側的接地型式

前述配電變壓器低壓側中性點(diǎn)接地，并與高壓側避雷器接地共用一個(gè)接地裝置，適應于大量采用的低壓系統為T(mén)N和TT，但是如采用IT 制式，則中性點(diǎn)就不能接地。

TN系統，又分三種情況：

?TN-C系統，整個(gè)系統中用電氣設備外殼保護線(xiàn)與中性線(xiàn)合一；

?TN-S系統,整個(gè)系統中電氣設備外殼保護接地線(xiàn)與中性線(xiàn)分開(kāi)，有專(zhuān)用保護線(xiàn)；

?TN-C-S系統，系統中有部分線(xiàn)路的中性線(xiàn)和保護線(xiàn)合一。

TT系統，系統中有一點(diǎn)直接接地，用電設備外殼采取接地保護。

IT系統，配電變壓器低壓中性點(diǎn)不接地，用電氣設備外殼單獨接地保護。

（1）TN-C系統

（2）TN-CS系統

（3）TN-S系統

（4）TT系統

（5）IT系統

圖7　系統接地各種型式示意圖

一般居民用戶(hù)可用TN-C-S系統，即低壓從配電變壓器引出的主干線(xiàn)可以采取TN-C系統（四線(xiàn)制），到用戶(hù)的支線(xiàn)采取TN-S系統；工廠(chǎng)車(chē)間可以采用TT系統，電動(dòng)機用三相電源，照明用單相電源，配電變壓器中性點(diǎn)接地，到車(chē)間后，車(chē)間設備的外殼單獨接地。

需防爆的場(chǎng)所最好采用IT系統，三根相線(xiàn)或四根（加中性線(xiàn)）送過(guò)去，中性點(diǎn)不接地，外殼單獨接地，這樣相線(xiàn)碰地或碰外殼，電流很小，不會(huì )產(chǎn)生火花，防止爆炸。

如接地點(diǎn)和中性點(diǎn)接地電阻都是4Ω，TN、TT系統相線(xiàn)接地時(shí)，中性點(diǎn)上會(huì )產(chǎn)生危險的電壓，該電壓U0=110 V。

4 接地電阻的測量

測量配電變壓器接地電阻應停用配電變壓器（TN或TT制式），拆開(kāi)中性點(diǎn)接線(xiàn)及與外殼的連線(xiàn)。

主要目的是防止重復接地影響測量結果。

測量可用接地電阻測試儀，布線(xiàn)方向應與架空線(xiàn)垂直方向（電纜線(xiàn)路不限）。

電壓電流極應打在比較潮濕的地方，減少其接地電阻，減少測量誤差。

測量點(diǎn)的選取，測量接地裝置電阻應包括引線(xiàn)和接頭的電阻。

判斷標準：如為共用接地裝置，接地電阻據所在系統的電容電流按R≤50IC計算出要求值，如計算值超過(guò)4Ω，則按4Ω選取。

配電變壓器防雷接地工程是一項復雜的工程，要考慮防雷接地、保護接地、工作接地的各種要求，以其中最小值為標準來(lái)設計和施工。不要認為“接地”可以馬虎從事，它關(guān)系到人身和設備安全的大事，即防雷保護的有效性。接觸電壓、跨步電壓的大小，人體接觸外殼時(shí)的電壓高低都涉及到電擊事故發(fā)生的機率，及危害程度，所以必須認真施工，按標準的有關(guān)規定執行，以確保防雷和接地的安全運行。