泵站低壓系統(tǒng)的過電壓防護

栗禎澤

（陜西省水利電力勘測設(shè)計研究院，陜西 西安 710001）

1 概述

低壓電氣設(shè)備的過電壓來源主要有種：一種為建筑物周邊雷電產(chǎn)生的高頻電磁場通過電氣線路或空間電磁場的耦合感應(yīng)造成的過電壓；第二種為電力系統(tǒng)發(fā)生短路故障或大型電力設(shè)備的投切導(dǎo)致在低壓系統(tǒng)引起過電壓。其中電力系統(tǒng)發(fā)生短路故障或大型電力設(shè)備的投切對泵站高壓系統(tǒng)影響較大，由于站用變的存在對低壓系統(tǒng)造成的過電壓影響較小，低壓系統(tǒng)過電壓大多數(shù)由雷電流產(chǎn)生的電磁場造成，原因如下所示：

（1）泵站多分布于空曠的戶外郊區(qū)，孤立建筑物和電氣設(shè)備易受雷擊，需設(shè)置避雷針和避雷帶進行防直擊雷保護，避雷設(shè)施起到了引雷的作用，將雷電流導(dǎo)入大地，保護了建筑物和戶外電氣設(shè)備免受直接雷的危害，但在引流的同時，雷電流產(chǎn)生的電磁場使得建筑物內(nèi)電氣設(shè)備的電源線或信號線感應(yīng)出瞬態(tài)過電壓，造成電氣設(shè)備或線纜絕緣的破壞。

（2）泵站遠方發(fā)生雷擊時，雷電產(chǎn)生的瞬變電磁場在電源線或線號線路上感應(yīng)出瞬態(tài)涌壓，它沿著架空線路傳到泵站內(nèi)電氣設(shè)備上，擊穿設(shè)備絕緣。

因此，在設(shè)計過程中需采用一定措施來抑制和消除雷電波過電壓的影響，而由電力系統(tǒng)故障原因造成的過電壓為系統(tǒng)內(nèi)部故障，無法通過措施來抑制，只能通過避雷器或浪涌保護器設(shè)備來消除。

2 過電壓的抑制措施

在設(shè)計過程中可以通過分流、屏蔽措施、線路屏蔽和合理布線、設(shè)置接地和等電位聯(lián)結(jié)等措施來抑制過電壓的產(chǎn)生。

2.1 分流措施

泵站建筑物設(shè)置有避雷帶，當雷擊避雷帶時，雷電流沿著防雷引下線泄至大地后，通過接地裝置進行散流，在此過程中引下線會產(chǎn)生強大電磁場，該電磁場使得建筑物內(nèi)電氣設(shè)備和線路感應(yīng)出過電壓，可通過增加防雷引下線的根數(shù)、縮短引下線之間的間距來對雷電流進行分流，而相鄰防雷引下線產(chǎn)生的電磁場在一定程度上會相互抵消，減小了感應(yīng)電磁場的強度，從而降低了感應(yīng)過電壓的幅度。當感應(yīng)過電壓從架空線路上過來時，應(yīng)在架空線路末端安裝避雷器，使雷電流在進入建筑物前進行強制分流來減小過電壓幅度。

2.2 屏蔽措施

首先充分利用整座主副廠房和各電氣設(shè)備功能房間內(nèi)的鋼筋、金屬構(gòu)件、金屬支撐件等金屬形成的籠式格柵屏蔽體，使建筑物內(nèi)部鋼筋相互等電位聯(lián)結(jié)；其次泵站的二次監(jiān)控室應(yīng)盡量靠近副廠房中心位置，避免布置在建筑頂層或靠近防雷引下線處，若無法避開防雷引下線，則需保證設(shè)備的電源和線號線與防雷引下線保持2 m以上的距離，在一定程度上減小過電壓；第三電纜在敷設(shè)時，泵站電纜溝采用鋼筋混凝土電纜溝，電氣設(shè)備的電源線路、信號線路在電纜溝內(nèi)敷設(shè)，在無法設(shè)置鋼筋混電纜溝的位置設(shè)置金屬槽盒或穿管敷設(shè)，使雷電壓無從感應(yīng)產(chǎn)生。

2.3 合理的布線措施

為滿足自動化和信息化的要求，泵站內(nèi)設(shè)置大量保護自動化設(shè)備和信息技術(shù)設(shè)備，該設(shè)備需要供電電源，同時有信號上傳是監(jiān)控系統(tǒng)，因此有信號電纜和電源電纜，當信號線和電源線布線不合理時，在外部發(fā)生雷擊時，也可能造成電氣設(shè)備的燒壞。具體原因見圖1，泵站內(nèi)的自動化設(shè)備和信息技術(shù)設(shè)備電源電纜和信號電纜會形成一個感應(yīng)環(huán)路，當廠房受雷擊或泵站周圍發(fā)生雷擊時，周圍空間會發(fā)生瞬變電磁場，感應(yīng)環(huán)路會受瞬變磁場影響，產(chǎn)生涌壓，且感應(yīng)環(huán)路包圍的面積與感應(yīng)電壓成正比關(guān)系，面積越大，感應(yīng)的涌壓越大。當設(shè)備的電源電纜與信號電纜未布置在同一個通道，兩根電纜會形成一個較大面積的包繞環(huán)，見圖1-a，該包繞環(huán)會根據(jù)其包繞的面積產(chǎn)生相應(yīng)的過電壓，從而造成設(shè)備的過電壓事故。因此，在線路布線時，建議將電源電纜和信號電纜布置在同一電纜溝或槽盒中進行敷設(shè)，如圖1-b所示，以減小包繞面積，降低感應(yīng)過電壓。但同時還應(yīng)考慮電力電纜中的大電流會對信號線纜造成干擾，兩者之間應(yīng)保持不小于50 mm的間距，同時信號線纜需采用屏蔽型線纜，并正確接地。

圖1 泵站內(nèi)線纜的布置圖

2.4 接地措施

泵站內(nèi)設(shè)置合理的接地網(wǎng)格，不僅可以起到良好的散流，同時也是防雷擊電磁脈沖的基本措施之一，具體措施如下所示：

（1）泵站防雷接地、電氣設(shè)備工作接地、安全保護接地等采用共用接地裝置。

（2）建筑物接地網(wǎng)設(shè)置外部沿建筑一周敷設(shè)，形成環(huán)形接地網(wǎng)，并與建筑物內(nèi)的接地網(wǎng)格每隔5 m進行一次可靠焊接。

（3）泵站內(nèi)各建筑物之間的接地裝置通過接地扁鋼、PE導(dǎo)體、穿墻鋼管、電纜溝內(nèi)的鋼筋及其他金屬管道相連，形成統(tǒng)一接地網(wǎng)。

（4）泵站內(nèi)各等電位聯(lián)結(jié)接入共用接地網(wǎng)。

（5）低壓配電系統(tǒng)必須采用TN-S接線。

2.5 等電位聯(lián)結(jié)措施

泵站各功能房間內(nèi)通過設(shè)置等電位聯(lián)結(jié)，可以有效減小防雷空間內(nèi)各系統(tǒng)或金屬構(gòu)件物之間的電位差，削弱磁場強度，從而減小感應(yīng)過電壓。具體可按照以下措施進行實施：

（1）在泵房各防雷區(qū)界面處設(shè)置等電位聯(lián)結(jié)，例如LPZ0與LPZ1區(qū)界面處，所有進入泵房的管道、電力系統(tǒng)電纜、弱點系統(tǒng)電纜線路均應(yīng)設(shè)置等電位聯(lián)結(jié)，并與附近接地體聯(lián)結(jié)，保證在電氣上的貫通。LPZ1 與LPZ2區(qū)界面及后續(xù)界面的等電位聯(lián)結(jié)按LPZ0 與LPZ1 區(qū)界面處的等電位聯(lián)結(jié)的原則進行實施[1]。

（2）廠房內(nèi)各防雷區(qū)設(shè)置內(nèi)部導(dǎo)電物的等電位聯(lián)結(jié)，泵房內(nèi)水泵、電機、管道、電動葫蘆、金屬門框架、電纜托盤、梯架應(yīng)以最短的路徑連接到最近的等電位聯(lián)結(jié)帶上，或聯(lián)結(jié)到已設(shè)置等電位連接的金屬物體上，且各導(dǎo)電物之間盡可能的多次相互連接。

3 過電壓的消除措施

3.1 過電壓消除原理

泵站在設(shè)計過程中，采用上述措施僅在一定程度上抑制減小雷擊電磁場引起的過電壓危害，但無法徹底消除過電壓，因此需要借助浪涌保護器SPD來消除它的危害，以保證電氣設(shè)備的安全和正常運行。但實際上避雷器和浪涌保護器也并非是消除過電壓，它是利用設(shè)備特性，將雷電流泄放至大地，并將過電壓幅值降低設(shè)備能夠承受的范圍，最終利用電氣設(shè)備自身的絕緣水平來抵抗殘留過電壓。

3.2 浪涌保護器的選擇

浪涌保護器（SPD）的選擇與安裝位置、泵站配電系統(tǒng)、接地方式都有關(guān)聯(lián)。不同的情況，在低壓系統(tǒng)引起過電壓的情況亦各不相同，因此針對不同類型的泵站需采用不同的過電壓防護措施。如果浪涌保護裝置選用不當，不僅起不到防護作用，反而會造成其他的電氣事故。泵站浪涌保護的選擇主要考慮SPD的最大持續(xù)工作電壓UC、沖擊放電電流Iimp或標稱放電電流In、電壓保護水平Up。

（1）SPD的接線方式確定

在選擇SPD時，首先應(yīng)確定泵站的配電方式，確定SPD的接線方式。當供電對象為農(nóng)灌或其他類小型泵站時，由于其裝機功率較小，泵站變壓器往往安裝于終端桿或直接采用低壓進行供電，低壓配電接線方式通常為TN-C-S系統(tǒng)，PEN線在電源進線處分為PE線和N線；當泵站為中大型時，往往采用10 kV或35 kV高壓系統(tǒng)進行供電，高壓經(jīng)站用變壓器降壓后其低壓配電接線方式通常為TN-S系統(tǒng)，PEN線在低壓進線柜處被分為PE線和N線[2]。上述兩種類型額泵站接線方式均在配電柜內(nèi)將PE線和N線接地，只需相線和PE線之間安裝第一級SPD，見圖2。

圖2 泵站TN系統(tǒng)SPD接線方式

（2）SPD的最大持續(xù)工作電壓UC

浪涌保護器的UC取決于泵站系統(tǒng)最大持續(xù)工作電壓的最小值，同時考慮低壓系統(tǒng)的電壓偏差（按10%進行考慮）和SPD的老化問題（按5%進行考慮），因此需按照1.15 倍的低壓系統(tǒng)電壓進行設(shè)計，目前，絕大部分低壓系統(tǒng)采用0.38 kV進行供電，其SPD的最大持續(xù)工作電壓UC不應(yīng)小于437V，少數(shù)泵站采用0.69 kV進行供電，其SPD的最大持續(xù)工作電壓UC不應(yīng)小于794 V。

（3）SPD的沖擊放電電流Iimp或標稱放電電流In

對于SPD的Iimp或In的選擇，需考慮其安裝位置、暴露程度進行選擇。若泵站內(nèi)易受雷擊，設(shè)有避雷針或避雷帶等避雷措施，則需在電源進線處設(shè)置的SPD沖擊電流按不應(yīng)小于12.5 kA進行設(shè)計，應(yīng)選擇I級試驗的開關(guān)型SPD，該類型浪涌保護器能夠通過1.2/50 μs沖擊電壓、10/350 μs的沖擊電流。若泵站內(nèi)僅考慮線路上的傳導(dǎo)性雷電波過電壓，則在電源進線處設(shè)置的SPD的沖擊電流按不應(yīng)小于5 kA進行設(shè)計，應(yīng)選擇II級試驗的限壓型SPD，該類型浪涌保護器能夠通過1.2/50 μs沖擊電壓、8/20 μs的沖擊電流。

（4）SPD的電壓保護水平Up

為有效且合理的對泵站內(nèi)各電氣設(shè)備進行保護，按電氣設(shè)備的耐沖擊電壓水平進行分級保護，保證SPD的電壓保護水平Up小于電氣設(shè)備的耐沖擊電壓水平。泵站內(nèi)低壓供電設(shè)備主要包括通信設(shè)備、保護設(shè)備、直流配電設(shè)備、DC/AC逆變器、DC/DC變換器、一般電器（如燈具）等，因此泵站內(nèi)SPD的電壓保護水平按表1 進行配置。

表1 泵站內(nèi)SPD的電壓保護水平

4 結(jié)論

通過上述抑制和消除措施，可將泵站的雷電過電壓對設(shè)備的危害限制在電氣設(shè)備可控范圍內(nèi)，使泵站內(nèi)建筑物受雷擊或周圍發(fā)生雷擊時能夠安全可靠的運行。