一起雷擊空開跳閘的技術分析

黃柳卿　莊達　黃曉　謝寶永　朱舒曼

摘 要：通過對2016-05-02在中山市小欖鎮發生雷擊空開跳閘的建筑物進行周圍環境調查、現場勘查、剩磁測試分析等和熱熔化值的計算分析，找出該建筑此次雷擊跳閘事故的原因是配電線路空開、SPD及其前端后備保護器的熱熔化值不匹配，配電線路空開的熱熔化值小于SPD前端后備保護器的熱熔化值，并根據實際情況提出了切實可行的整改意見。

關鍵詞：雷擊；空開跳閘；熔斷器；熱熔化值

中圖分類號：TM564 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.18.158

2016-05-02T14：00，中山市小欖鎮附近閃電雷鳴，位于小欖鎮的某住宅入屋電源線路的總開關跳閘停電，業主認為該次跳閘可能是因雷擊造成的，希望調查找出原因，避免以后類似情況出現。有關技術人員趕到事發現場調查，了解雷電災害損失情況、發生的具體時間地點和發生時的現場情況。

該住宅位于小欖鎮，東經113°15'5.58〞北緯22°40'17.56〞，樓高四層，建筑物周圍坐落著和該建筑物高度差不多的住宅。該建筑物安裝了符合國家規范《建筑物防雷設計規范》GB 50057—2010的防直接雷裝置，電源線路由附近變電站架空敷設到建筑物，進入建筑物后，在建筑物總開關（使用脫扣電流為40 kA空開）后安裝了一級試驗的單相電源SPD，Iimp=15 kA，Up=2.0 kV，在電源SPD前串聯了一個脫扣電流為63 kA的空開作為熔斷器，電源線路采用10 mm2多股銅線，電源線路如圖1所示。

據現場人員反映，2016-05-02T14：00左右，周圍出現雷雨天氣現象。此時，一陣閃電雷鳴，接著整棟建筑物的用電設備停電，后來檢查發現總開關的空開跳閘了。據反映，該住宅近幾年內在雷雨天氣時已經發生多次空開跳閘的現象。

1 原因分析

1.1 現場勘查

經檢測，該建筑物已安裝了符合國家規范《建筑物防雷設計規范》的防直接雷裝置，接地電阻2.4 Ω，建筑物沒有遭受直接雷擊的現象。

在建筑物總開關（使用脫扣電流為40 kA的空開）后安裝了一級試驗的單相電源SPD，Iimp=15 kA，Up=2.0 kV，SPD連接導體采用6 mm2多股銅線，SPD接地電阻2.4 Ω，配電線路上安裝的電源SPD符合國家規范要求，電源線架空引入。入戶后，用戶配電線路采用10 mm2多股銅線，在電源SPD前串聯了一個脫扣電流為63 kA空開作為熔斷器。經排查，這次雷擊過程中，該建筑物內沒有電子設備遭受損壞。

1.2 剩磁測試分析

根據在雷擊電流通路及其附近的鐵釘、鐵絲、鋼管等鐵磁性物體被雷擊電流的磁場磁化，并留下一定強度的剩磁現象。對該建筑物上7支接閃短針進行剩磁測試，測試結果為0～0.16 mT。

對與SPD接地連接線相連接的接地端子（40×4×400鍍鋅扁鋼）的尖角以及連接的螺絲釘、螺絲帽進行剩磁測試，測試結果為6～11.68 mT。根據《電氣火災原因技術鑒定方法第2 部分：剩磁法》GB l6840.2規定：“處于雷電通道的雜散鐵件、釘類、鋼筋、金屬管道的剩磁數據在1.5～10 mT 之間”，因此可以判斷，該建筑物的防雷接閃裝置沒有接閃雷電流，但與SPD接地連接線相連接的接地端子有雷電流流過。

根據上述調查結果分析，2016-05-02T13：00—15：00，該住宅附近發生過多次雷電接閃的事件，雷擊強度為2～39 kA，但雷電流沒有在該住宅的防直擊雷裝置上接閃，因此排除了雷電流接閃對該建筑物線路的影響，但SPD接地連接線相連接的接地端子（40×4×400鍍鋅扁鋼）的尖角以及連接的螺絲釘、螺絲帽的剩磁測試結果為6～11.68 mT。說明在此過程中，有脈沖雷電流流經入屋電源線路和電源SPD。

1.3 從熱熔化值對總開關的跳閘原因分析

由上述分析結果可以確認，雷電流經屋外架空電源線路入侵到建筑物內，但室內電源線路上的空開為什么會跳閘呢？

配電線路的空開與SPD后備保護器（空開）的熱熔化值匹配應有相應的匹配。在配電線路中，配電線路空開與SPD后備保護器安裝方式通常如圖2所示。

如果配電線路熔斷器F1（以下簡稱“F1”）的熱熔化值小于SPD前端后備保護器F2（以下簡稱“F2”）的熱熔化值，當雷電脈沖從電源線路入侵時，雷電流流經F1、F2。當雷電流產生的熱熔化值大于F1的I2t值而小于F2的I2t值，F1首先熔斷跳閘，從而引起了供電中斷。

總開關的空開是為了向配電線路提供短路或嚴重過載保護，因此空開選擇時考慮它的額定電流、時間/電流特性和它的熱熔化值，其熱熔化值（I2t）必須低于導線可能承受的熱熔化值。如果故障持續時間不超過5 s，則該建筑物配電線路采用10 mm2多股銅線。10 mm2多股銅線對應采用的空開脫扣電流為40 A，因此脫扣電流為40 A空開的熱熔化值（I2t）為：40×40×5=8 000 A2·s。

從上述計算結果可以看出，如果電源線路入侵首次雷擊的雷電脈沖電流I在5.59～8.8 kA的范圍內，由于該建筑物配電線路上安裝電源SPD的Iimp為15 kA，并且電源SPD前端后備保護器（空開）脫扣電流為63 A，因此能將入侵的雷電流排泄到大地上。但由于配電線路上的空開脫扣電流為40 A，其熱熔化值為8 000 A2·s。當首次雷擊的雷電脈沖電流大于5.59 kA時，配電線路上的空開將會脫扣（跳閘）。為此，配電線路空開和SPD前端后備保護器的熱熔化值不匹配是該建筑物附近接閃雷電流時，雷電流通過電源線路入侵該建筑物，造成配電線路的空開跳閘的原因。

2 解決問題的措施

配電線路上空開熱熔化值的選擇是根據配電線路的I2t耐受值來決定。當用電設備功率較小，而使用配電導線的截面積較小，從而決定著配電線路上空開的熱熔化值也較小。這時就會出現配電線路上的空開熱熔化值小于電源SPD前端后備保護器的熱熔化值的情況，不能保證建筑物供電的連續性。

針對這種配電線路上的空開和SPD前端后備保護器的熱熔化值不匹配而產生線路跳閘、不能保證供電的連續性的情況，提出以下整改建議。

為了使雷電脈沖電流能順利流經電源SPD前端后備保護器，從SPD排泄到大地而不損壞設備，也不至于使配電線路上的空開脫扣跳閘，就必須讓雷電脈沖電流在到達配電線路上的空開前排泄到大地上，所以把電源SPD與配電線路的連接點設置在配電線路上的空開之前，同時在電源SPD與配電線路的連接點前安裝閘刀開關，熔斷絲的熱熔化值與電源SPD前端保護器熱熔化值相同，如圖3所示。

這種安裝方式既可以保證配電線路和設備的安全，又可以保證供電的連續性。

3 結論

本文通過現場調查、取證和剩磁測試分析和熱熔化值的計算分析，找出該建筑此次雷擊跳閘事故的原因是配電線路空開和SPD前端后備保護器的熱熔化值不匹配，配電線路空開的熱熔化值小于SPD前端后備保護器的熱熔化值。通過此次分析，提醒安裝符合國家規范的防雷裝置是重要的，同時以正確的方式安裝防雷裝置也是保障安全的措施之一。

參考文獻

[1]中國機械工業聯合會.GB 50057—2010 建筑物防雷設計規范[S].北京：中國計劃出版社，2010.

[2]公安部沈陽消防科學研究所.GB 16840.2 電氣火災原因技術鑒定方法第2部分：剩磁法[S].北京：中國標準出版社，1997.

[3]謝寶永，黃柳卿，羅志勇，等.從熱熔化值角度研究低壓配電線路熔斷器與SPD后備保護器匹配問題[J].建筑工程技術與設計，2015（19）.

[4]中機中電設計研究院.GB 16895.5—2012 低壓電氣裝置[S].北京：中國標準出版社，2012.

〔編輯：劉曉芳〕