防雷技术

变压器及柱上开关的防雷接地

摘要：通过对部颁标准中有关规定的理解，阐述了配电变压器接地的具体要求，提出现场规程中对配电变压器接地规定的不明确性，对现场工作有一定指导意义。

关键词：配电变压器台区；柱上开关；接地装置；系统接地方式

中图分类号：TM503.+4 文献标志码：B 文章编号:1003-0867(2007)02-0018-03

目前供电公司对配电变压器台区的防雷接地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，要求100 kVA及以上的配电变压器接地装置的接地电阻为4Ω以下，100 kVA及以下的配电变压器接地电阻为10Ω以下，并要求人工接地装置做成环形，这些规定，都是有关标准上的结论。而标准中的每条规定都是有具体的适用范围，而许多具体规定在供电公司的现场规程中没有反映，因而有必要对这些规定做出一些解释，同时做一些更易于执行的具体规定。

1 配电变压器防雷接线

配电变压器防雷接线见图1。

图1　配电变压器防雷、工作、保护共同接地

1.1 关于接地电阻的规定

三点共同接地就意味着防雷接地（高压避雷器）、保护接地（外壳）和工作接地（低压中性点）共用一个接地装置，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10 kV系统IC都在40 A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50 V。

而10 kV系统中的电容电流差别很大，有的不足10 A，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。由于接地电阻大小与系统单相接地电流有关，与配变容量并无关，所以现场规程的说法没有道理。有的资料认为，当低压工作接地单独另设时，100 kVA以下的配电变压器的低压侧工作接地电阻，可放宽到10Ω，原因是变压器小，内阻抗大，限制了接地电流，也就限制了地电位的升高。

1.2 关于共同接地的接地方式

除图1的方式外，施工中还会出现其它接地方式，见图2、3。

图2　施工中常用的接地方式

图3　施工中常用接地方式

三种方式中都是共同接地的，采用哪种方式为好，现分析如下。

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感、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关于接地装置的设计

按标准规定，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3 m，见图4，两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4～5 m，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 关于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1.8～2.0 m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，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，接触不良。

建议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30×40 mm2。

1.5 关于接地装置的施工

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 关于低压侧装避雷器

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（1300 V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。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感应的电压所损坏。这属于正变换过电压，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，见图6。

图5　配电变压器逆变换情况

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，35/0.4 kV直配变压器因其变比大，更应在低压侧加装一组避雷器，尤其是当35 kV线路开路运行，高压侧无避雷器保护时。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 关于中性线及连接

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，烧毁用电设备。

2 关于柱上开关的防雷接地

高压柱上开关及隔离开关一般作为联络开关用，标准规定应在一侧或两侧装设避雷器（开关经常断开），且避雷器引下接地线应与开关外壳（包括隔离开关底座）连接，这是为了保证开关对地绝缘只承受避雷器残压，而得到有效的保护。

但观察中发现，不少柱上开关两侧的高压避雷器接地线都是直接引入地下，未与开关外壳相连。此时开关对地绝缘所承受的除避雷器残压外，还包括引线和接地装置电阻上的压降。如接地引线电感为1.67μH/m，引线长10 m，雷电波波头2.5 μs，幅值5 kA，加上接地电阻上的 压降，避雷器的残压取50 kV，则开关承受的电压为133.4 kV，已超过了开关的冲击绝缘水平75 kV，避雷器就起不到保护作用。

有些开关外壳虽有引下接地线，也是单独入地，即使共用一个接地装置，开关绝缘所承受的电压也高于残压。

单独柱上开关的接地装置，其接地电阻不应大于10Ω，这也是标准的规定，柱上开关的外壳，隔离开关闸刀的底座，以及旁边的绝缘子横担（金属），应连在一起与避雷器的接地引下线相连，这样就使隔离开关支持绝缘子都能得到保护，防止雷击闪络，充分发挥避雷器的作用。其连接线可采用Φ8 mm的圆钢或20 mm×3 mm的扁钢。

线路中所装设的高压无功补偿电容器也应加金属装氧化物避雷器，其接地引下线也应与电容器的外壳相连。

3 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。

（1）TN-C系统

（2）TN-CS系统

（3）TN-S系统

（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。

需防爆的场所最好采用IT系统，三根相线或四根（加中性线）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，防止爆炸。

如接地点和中性点接地电阻都是4Ω，TN、TT系统相线接地时，中性点上会产生危险的电压，该电压U0=110 V。

4 接地电阻的测量

测量配电变压器接地电阻应停用配电变压器（TN或TT制式），拆开中性点接线及与外壳的连线。

主要目的是防止重复接地影响测量结果。

测量可用接地电阻测试仪，布线方向应与架空线垂直方向（电缆线路不限）。

电压电流极应打在比较潮湿的地方，减少其接地电阻，减少测量误差。

测量点的选取，测量接地装置电阻应包括引线和接头的电阻。

判断标准：如为共用接地装置，接地电阻据所在系统的电容电流按R≤50IC计算出要求值，如计算值超过4Ω，则按4Ω选取。

配电变压器防雷接地工程是一项复杂的工程，要考虑防雷接地、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”可以马虎从事，它关系到人身和设备安全的大事，即防雷保护的有效性。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，所以必须认真施工，按标准的有关规定执行，以确保防雷和接地的安全运行。