建筑工程供配電室和箱變防雷綜述

郝維莉, 韓 濤

(山東盛昊智能工程有限公司,山東 濟寧 272000)

0 引 言

隨著城市房地產建筑的快速發展,多個大體量的住宅小區演變出現,原有的箱變已不能滿足周邊新增的住宅用電需求,10 kV箱變逐步建設在新增小區的大門外側。雷電作為夏季常見的雷害方式,可在極短時間內以脈沖形式形成能級較高的雷電流,在供配電室或者箱變兩端形成過電壓,對供配電室或者箱變內的設備輕則造成損壞,重則引起住宅區電力系統癱瘓和電力火災。住宅區作為人員密集場所的一類建筑,一旦發生火災的危害性極大,逃生困難,因此研究建筑工程變配電室和箱變防雷很有必要。

1 雷擊產生的方式

雷電對供配電室或者箱變內的設備雷害形式有直擊雷害、感應雷害、電磁脈沖雷害、雷電反擊等,因受到雷擊的后果較為嚴重,通過研究供配電室或者箱變防雷措施,可以限制雷害發生時入侵供配電室或者箱變雷電波的幅值以及陡度,控制設備的過電壓值不超過沖擊耐壓值,保護電氣設備。

1.1 雷電直擊

建筑工程的供配電室通常有接閃裝置,箱變的外殼也設有可靠的接地保護措施。當供配電室或者箱變遭受直接雷擊時,雷擊產生的電流可通過接閃裝置或者接地裝置泄放入大地,避免供配電室和箱變內的設備遭受過電荷的危害。

1.2 感應雷擊

當雷擊輸電線路或者對地放電時,供配電室和箱變的架空輸電線路或者埋地線路會產生瞬時電磁感應,形成過電壓和強大的瞬時電流,入侵供配電室和箱變內的設備以及輸出端連接的用電終端。供電線路上產生的瞬間高壓,對于并聯的設備危害性極大,會造成設備的損壞甚至自燃,降低設備的使用壽命,增加維護檢修的次數和故障率,給運行成本造成負擔的同時,降低經濟和社會效益。

1.3 電磁脈沖

雷擊的電流因具有較大的峰值和陡度,雷擊電流通過接地體對地泄放或者對地閃擊時,周圍會產生瞬變電磁場,在瞬變電磁場范圍內的導體進而感應產生電動勢(接地導體感應產生過電壓,連通用電終端和箱變的導體產生過電流),形成電火花,會在瞬間對供配電室或者箱變內的設備和用電終端設備造成損害,因此應考慮設置防雷措施或者防電磁的屏蔽措施。

1.4 地電位反應

目前供配電室通常設置在小區內,箱變很多也是靠近小區的圍擋外側或者大門外側設置,通常距建(構)筑物較近,當距離小于20 m時,容易遭受電位差的損壞。具體的原理就是因小區的建(構)筑物較高,大多數的建(構)筑物高度均設置在99 m,相比輸電線路或者供配電室和箱變,更容易遭受直擊雷傷害。當建(構)筑物遭受到直擊雷時,自身的防雷系統會將電流對地泄放。以泄放點為半徑的20 m范圍內存在極大的電位梯度,在此電位梯度影響范圍內,各接地設備兩端容易形成電位差,電位差的大小與建(構)筑物放電接地點間距有關,越靠近建(構)筑物放電接地點電位差越大。如果建設時設置的供配電室或者箱變距離建(構)筑物放電接地點在20 m范圍內時,該電位差會通過供配電室或者箱變的接地線和電纜屏蔽層引入,造成電氣設備的損壞。

2 案例分析

在供配電室或者箱變已安裝有電源避雷器保護的情況下,供配電室和箱變內的設備或者輸出線路上的用電終端設備仍然發生遭受雷擊損壞的情形。通過對大量的現場勘查,總結得出目前防雷仍然存在的問題。供電系統的結構如圖1所示。

圖1 供電系統的結構

2.1 設計模式不合理

供配電室和箱變的供電線路與建(構)筑物防雷線路的設計由不同單位承擔,使用的防雷設備性能參數不一,防雷器動作匹配性差,無法起到應有的防雷效果。

2.2 不同安裝單位銜接不到位

通常供配電室和箱變的安裝由供電單位負責施工,但建(構)筑物的防雷系統由建設單位自行委托施工單位負責安裝。如果相互之間不能將防雷接地網連接,就會造成供配電室或者箱變的防雷接地網與建(構)筑物的防雷接地無法共用一張接地網,防雷的效果會大打折扣[1]。

2.2.1 地電位反擊

當供配電室或者箱變的輸入線路遭受雷擊或者自身結構遭受直擊雷時,會瞬時抬高供配電室或者箱變的防雷接地點電位,在半徑20 m范圍內形成較大的電位梯度。如果建(構)筑物的接地網或者低壓側的接地點在該電位梯度的影響范圍內時,勢必遭受地電位的反擊[2],損壞用電設備;若建(構)筑物自身的接地網或者低壓側接地點在此20 m范圍內,就會形成電位差,該電位差會通過接地線和電纜屏蔽層引入用電終端,造成設備的損壞。相對應的情況,若不能共用接地網,建(構)筑物遭受直擊雷時,也會造成供配電室或者箱變內的設備損壞。

2.2.2 銅鐵氧化反應

通常低壓側設置的接地線(大多為銅芯線)直接與鋼質(含鐵)接地體連接,因銅具有強還原性,鐵具有強氧化性,兩者發生化學反應會形成鐵銅化合物,增加接地點的接地電阻,影響防雷效果。

2.3 防雷重視度不足

安裝過程中雖然對供配電室或者箱變設置了電源防雷器,但對分線箱或者單元配電器未根據設計要求設置或者設置的電源防雷器不符合國家標準,達不到所需的防雷效果。

因設計時只考慮了供配電室設備或者箱變設備的絕緣耐壓能力,未考慮后繼用電終端的絕緣耐壓水平是否與之匹配,導致變壓器二次側的電源防雷器殘壓加上后繼供電線路上產生的壓降,遠遠超出后繼用電設備的絕緣耐壓水平,設備可能出現電離和擊穿的情況。

變壓器二次側防雷設備動作后,對地泄放絕大部分的雷電流,但殘余雷電流與后繼供電線路電磁感應產生的雷電流,疊加形成較大的雷電流施加于用電終端設備,會造用電終端設備損壞。

后繼用電的設備中有大型負荷的電磁設備,若未采取措施保護其他電子設備,當大型負荷的電磁設備起動或者關停時,在與其他電子設備連接的輸電線路上感應形成過電壓,加速設備的絕緣老化,甚至直接損毀設備引起電力火災[3]。

未能嚴格執行分級泄放的規范標準要求,只是在變壓器二次側安裝有防雷設備,對于不同用電設備的重要性和所處位置不能有效分級地設置防雷設備,技術經驗和防雷系統認識不足。

為降低成本,在設計或者安裝時,對變壓器二次側使用的電源防雷器僅通過Ⅱ級試驗,不符合國家規范要求,達不到防雷應有效果。

3 防雷配置

配置方式一如圖2所示。該方式在有效地達到防雷效果的同時可控制整體工程造價。

圖2 配置方式一

3.1 間隙型電源防雷器

為了提高泄放雷電流的能力,主要是供電線路傳導的雷電流,對于供配電室或者箱變的設備二次側應該配置通過Ⅰ級試驗的間隙型電源防雷器。

3.2 限壓型電源防雷器

為泄放Class B級殘余雷電流和后繼設備操作過電壓形成的浪涌電流,有效控制供電線路殘余電壓,應在總配電箱輸入端設置通過Ⅱ級試驗的限壓型電源防雷器(電涌保護器)。電涌保護器可有效避免逆變出口產生的波動電壓順著輸電線路進入箱變導致閃變的出現,也可以避免直擊雷形成過電壓順著輸電線路進入箱變損壞設備。

如果后繼用電終端有電子設備,則必須根據保護需求,設置精細的保護措施,防止電子設備因過電壓而損壞[4]。

通過采取以上措施,設置的防雷措施符合規范要求,并且防雷措施較為常規,造價低,防護效果好,可以在起到很好的泄放雷電流作用的同時限制過電壓,保護電氣設備。

但是也需注意,為了達到分級保護的要求,所有的防雷保護對象均須共用接地網,包括供配電室或者箱變的設備接地、鎧裝電纜自身鎧裝層的接地以及建(構)筑物自身的防雷接地等均須連通形成一張接地網,接地電阻不得大于1 Ω,若接地電阻大于1 Ω,可在箱變或者供配電室內設置接地排。將箱變或者供配電室內設備的工作和保護接地均連接到接地排,再將接地排與箱變或者供配電室外的接地網連接。整套流程安裝過程中難度較大,造價成本高,經濟效益不佳。

3.3 組合式電源防雷器

配置方式二如圖3所示。規范標準要求間隙型與限壓型的防雷器間距不得小于10 m,但箱變與分線箱間距受到現場條件限制有時無法達到10 m間距要求,這個時候就必須根據圖3配置方式二進行設置。

圖3 配置方式二

圖3所示的配置方式是將供配電室或者箱變的變壓器二次側配置組合式(Ⅰ+Ⅱ組合)級間能量控制型電源防雷器(即將圖2分線箱外部的Ⅱ級電源防雷器移裝至箱體內)。

3.3.1 提高二級防雷器使用壽命

Ⅰ級防雷器的功能是泄放能量較高的雷電流,Ⅱ級防雷器是起到提供Ⅰ級防雷器起動電壓以及控制殘壓的作用。線路一旦出現雷電流,Ⅱ級防雷器的起動電壓相對較低并且響應時間短,因此可以優先動作,在Ⅰ級防雷器兩端附加殘壓,起動Ⅰ級防雷器動作,Ⅰ級防雷器一旦泄放雷電流,Ⅱ級防雷器就不再動作,其間只是保證輸出的殘壓是恒定的。總的來說,Ⅰ級防雷器在配置中是泄放能量較高的雷電流,Ⅱ級防雷器主要是控制殘壓,相互之間密切配合協作,動作協調。可避免Ⅰ級防雷器的長時間動作,延長使用壽命,減少日常維護工作,降低電氣系統運行成本[5]。

3.3.2 實行零距離安裝

采用本配置后,間隙型與限壓型的電源防雷器安裝間距不再受到限制,甚至可以零距離安裝,解決了Ⅰ級防雷器和Ⅱ級防雷器無法并聯安裝的難題,同時無須安裝退耦電感。降低安裝場地占用的同時節省了退耦電感安裝所需的復雜接線費以及自身的設備購買和安裝費用。

3.3.3 延長后繼防雷器使用期

本配置可通過點火電路預先動作,將能量較高的雷電流通過Ⅰ級防雷器泄放入大地,降低了通過后續防雷器的雷電流能量值,使得后繼防雷器得到有效保護,延緩了老化速度,增加有效動作次數,可保證長期平穩的工作,延長后繼防雷器使用期。

3.3.4 無須共用接地網

若現場箱變或者供配電室與建(構)筑物防雷接地點距離在20 m以上時,箱變或者供配電室接地點可以不與建(構)筑物共用接地網就能滿足防雷要求,降低了安裝工程的成本造價。

4 結 語

金屬箱體以及鎧裝電纜可解決供配電室或者箱變直擊雷害問題。與周圍建(構)筑物共用接地網可以解決地電位反擊的問題。通過線路傳輸的雷電流、浪涌電流和過電壓危害設備等問題可采取分級泄放以及有效鉗壓措施得到有效控制。但雷電活動是大自然的復雜氣象,目前所有的防雷措施均不能從根本上做到絕對防雷,只能降低雷害發生的概率和造成的危害程度,仍需在實踐中不斷探索,積累經驗,完善防雷措施。