變壓器及柱上開關的防雷接地

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

關鍵詞：配電變壓器臺區；柱上開關；接地裝置；系統接地方式

中圖分類號：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與配電變壓器外殼及低壓中性點相連，共用一個接地裝置的做法，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形，這些規定，都是有關標準上的結論。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規程中沒有反映，因而有必要對這些規定做出一些解釋，同時做一些更易于執行的具體規定。

1 配電變壓器防雷接線

配電變壓器防雷接線見圖1。

圖1　配電變壓器防雷、工作、保護共同接地

1.1 關于接地電阻的規定

三點共同接地就意味著防雷接地（高壓避雷器）、保護接地（外殼）和工作接地（低壓中性點）共用一個接地裝置，其接地電阻應滿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的保護接地，一般情況下配電變壓器都是向B類建筑物供電的，標準上有規定，只有當保護接地的接地電阻R≤50/I時，高壓側防雷及保護接地才能與低壓側工作接地共用一個接地裝置。反過來說，如果采取三點共同接地，則R≤50/I時，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，對消弧線圈接地系統，I為故障點的殘流。

有些系統雖裝有消弧線圈，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，接地電流流過接地裝置的壓降不得超過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共同接地時，要根據所在高壓系統的情況來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，與配變容量并無關，所以現場規程的說法沒有道理。有的資料認為，當低壓工作接地單獨另設時，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 關于共同接地的接地方式

除圖1的方式外，施工中還會出現其它接地方式，見圖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保護變壓器高壓線圈與外殼之間的絕緣，按圖2的接法，高壓線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的電感、電阻上的壓降，這個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的接法也會產生一個問題，就是低壓線圈及中性線全部承受接地裝置上的壓降，特別是當中性點存在重復接地，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，高壓側避雷器的放電沖擊電流將較多流向重復接地，有時會將重復接地的引下線燒斷（重復接地線一般較細）。

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

1.3關于接地裝置的設計

按標準規定，配電變壓器臺區的接地裝置應敷設為閉合環形，并加垂直接地極，這是因為環形內的接觸電壓比較低，而沿環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，為行人安全著想，必須敷設為環形。

環形的大小，一般以5m為直徑，這是因為要發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。但有些安裝地點過于狹窄時，則可為橢圓形，短軸距不得低于3 m，見圖4，兩個垂直接地極宜打在短軸兩端點附近，高壓避雷器及外殼接地和中性點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，做一個環后，測試接地電阻不合要求，則應在環外再做一個大環，兩環相距4～5 m，埋深比第一環深，至少兩處相連接，直至滿足要求為止。

圖4　接地裝置敷設為橢圓形

1.4 關于接地引下線的連接方式

按部頒標準，除設備的接線端子可用螺栓連接外，引下線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處有一個斷接卡，也用螺栓連接。引下線一般用扁鋼，但也有采用鋼絞線。鋼絞線與扁鋼的連接應制作接線板，最好采用雙螺栓相連，以利于接觸良好。

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

建議三個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行焊接，低壓中性點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，填土時用干凈的原土并夯實。有條件時，應將環形水平接地極的面積適當增大些，或往環外再做一個環，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。扁鋼的搭接長度應為扁鋼寬度的2倍，且應三面或四面焊接，三面焊接時盡量二短邊一長邊，利于電流通過，圓鋼的焊接長度為圓鋼直徑的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 關于低壓側裝避雷器

由于采用三點共地后，高壓側避雷器的放電電流（特別當三相同時放電時）很大，在接地電阻上的壓降也很高。該壓降加在低壓線圈上，通過低壓線路電容接地，在低壓線圈中就有一沖擊電流使線圈勵磁，通過電磁感應使高壓線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，高壓線圈中性點電位就很高，容易在中性點附近，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，通過避雷器放電，使低壓線圈只承受低壓避雷器的殘壓（1300 V左右），這樣高壓中性點附近的過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，見圖5。同樣當低壓線路感應雷傳到配電變壓器時，低壓側避雷器也會動作，使雷電流入地，低壓線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生在高壓側，尤其是中性點附近，見圖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，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線路開路運行，高壓側無避雷器保護時。加裝低壓避雷器后，原來的三點共同接地就成了四點共同接地，見圖1。

1.7 關于中性線及連接

中性線在三相負荷不平衡時流過電流，按有關規定該電流不得大于相線電流的25%。

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

2 關于柱上開關的防雷接地

高壓柱上開關及隔離開關一般作為聯絡開關用，標準規定應在一側或兩側裝設避雷器（開關經常斷開），且避雷器引下接地線應與開關外殼（包括隔離開關底座）連接，這是為了保證開關對地絕緣只承受避雷器殘壓，而得到有效的保護。

但觀察中發現，不少柱上開關兩側的高壓避雷器接地線都是直接引入地下，未與開關外殼相連。此時開關對地絕緣所承受的除避雷器殘壓外，還包括引線和接地裝置電阻上的壓降。如接地引線電感為1.67μH/m，引線長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，則開關承受的電壓為133.4 kV，已超過了開關的沖擊絕緣水平75 kV，避雷器就起不到保護作用。

有些開關外殼雖有引下接地線，也是單獨入地，即使共用一個接地裝置，開關絕緣所承受的電壓也高于殘壓。

單獨柱上開關的接地裝置，其接地電阻不應大于10Ω，這也是標準的規定，柱上開關的外殼，隔離開關閘刀的底座，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相連，這樣就使隔離開關支持絕緣子都能得到保護，防止雷擊閃絡，充分發揮避雷器的作用。其連接線可采用Φ8 mm的圓鋼或20 mm×3 mm的扁鋼。

線路中所裝設的高壓無功補償電容器也應加金屬裝氧化物避雷器，其接地引下線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接地，并與高壓側避雷器接地共用一個接地裝置，適應于大量采用的低壓系統為TN和TT，但是如采用IT 制式，則中性點就不能接地。

TN系統，又分三種情況：

?TN-C系統，整個系統中用電氣設備外殼保護線與中性線合一；

?TN-S系統,整個系統中電氣設備外殼保護接地線與中性線分開，有專用保護線；

?TN-C-S系統，系統中有部分線路的中性線和保護線合一。

TT系統，系統中有一點直接接地，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

一般居民用戶可用TN-C-S系統，即低壓從配電變壓器引出的主干線可以采取TN-C系統（四線制），到用戶的支線采取TN-S系統；工廠車間可以采用TT系統，電動機用三相電源，照明用單相電源，配電變壓器中性點接地，到車間后，車間設備的外殼單獨接地。

需防爆的場所最好采用IT系統，三根相線或四根（加中性線）送過去，中性點不接地，外殼單獨接地，這樣相線碰地或碰外殼，電流很小，不會產生火花，防止爆炸。

如接地點和中性點接地電阻都是4Ω，TN、TT系統相線接地時，中性點上會產生危險的電壓，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），拆開中性點接線及與外殼的連線。

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，布線方向應與架空線垂直方向（電纜線路不限）。

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。

測量點的選取，測量接地裝置電阻應包括引線和接頭的電阻。

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設計和施工。不要認為“接地”可以馬虎從事，它關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，人體接觸外殼時的電壓高低都涉及到電擊事故發生的機率，及危害程度，所以必須認真施工，按標準的有關規定執行，以確保防雷和接地的安全運行。