摘要：學(xué)習(xí)供配電系統(tǒng)基礎(chǔ)知識(shí)是學(xué)習(xí)防雷的基本功, 本文簡(jiǎn)要闡述了低壓供配電系統(tǒng)的基礎(chǔ)知識(shí), 論述了住宅小區(qū)的用電負(fù)荷分級(jí)和常用的供配電方式, 并在此基礎(chǔ)上探討了供配電系統(tǒng)的防雷安全技術(shù), 期望起到拋磚引玉的作用, 旨在讓更多的防雷工作者進(jìn)一步參與對(duì)低壓供配電系統(tǒng)的學(xué)習(xí)研究, 讓電氣系統(tǒng)理論知識(shí)更好地為防雷工作服務(wù)。
關(guān)鍵詞： 低壓 供配電 防雷基礎(chǔ)
1 電氣負(fù)荷分級(jí)及供電電壓選擇
1.1 電氣負(fù)荷分級(jí)
根據(jù)對(duì)供電可靠性的要求及中斷供電后對(duì)政治、經(jīng)濟(jì)所造成損失或影響的程度, 我國(guó)將電力負(fù)荷分為三個(gè)等級(jí)。一級(jí)負(fù)荷是指中斷供電會(huì)對(duì)人身安全或政治、經(jīng)濟(jì)造成重大影響的供電系統(tǒng), 該供電電源要求應(yīng)由兩個(gè)獨(dú)立電源供電, 保證有一個(gè)電源持續(xù)供電。而對(duì)一級(jí)負(fù)荷中特別重要的負(fù)荷 (如金融機(jī)構(gòu)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、防盜報(bào)警系統(tǒng)等) , 除由兩個(gè)電源供電外, 尚應(yīng)增設(shè)第三路應(yīng)急獨(dú)立電源 (自備應(yīng)急發(fā)電機(jī)組) 。二級(jí)負(fù)荷是指中斷供電會(huì)對(duì)政治、經(jīng)濟(jì)造成較大影響的供電系統(tǒng), 該系統(tǒng)應(yīng)在變壓器或線路常見(jiàn)故障時(shí)不中斷供電或中斷供電后能迅速恢復(fù)供電, 宜由兩個(gè)電源供電, 或用兩回路送到適宜的配電點(diǎn)。其余情況為三級(jí)負(fù)荷, 三級(jí)負(fù)荷對(duì)供電無(wú)特殊要求, 僅保證其正常情況下的用電。
1.2 供電電壓的選擇
民用建筑的供電電壓主要取決于用電負(fù)荷的大小、供電距離的遠(yuǎn)近、供電線路的回路數(shù)等因素考慮決定。用電設(shè)備容量在250kW或需用變壓器容量在160kVA以上者應(yīng)以高壓方式供電, 一般采用10kV;用電設(shè)備容量在250kW或需用變壓器容量在160kVA及以下者, 應(yīng)以低壓供電, 一般采用220V/380V。當(dāng)線路電流不超過(guò)30A的照明負(fù)荷時(shí), 可用220V單項(xiàng)供電, 否則應(yīng)采用380V/220V三相四線 (五線) 制供電。
2 各種電氣接地系統(tǒng)型式和特點(diǎn)
我國(guó)現(xiàn)行低壓供配電系統(tǒng)接地型式大致有TN系統(tǒng)、TT系統(tǒng)、IT系統(tǒng)等幾種型式, 以下分別對(duì)各個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行分析, 由于各系統(tǒng)圖可在許多標(biāo)準(zhǔn)中見(jiàn)到圖示, 本文不一一繪出。
2.1 TN-S系統(tǒng)
TN-S系統(tǒng)中PE線與N線是分開(kāi)的, PE線不通過(guò)正常電流, 因此不會(huì)對(duì)接在PE線上的其它設(shè)備產(chǎn)生電磁干擾, 由于N線與PE線分開(kāi), N線斷線也不會(huì)影響PE線的保護(hù)作用, 所以該系統(tǒng)安全可靠性較高, 是目前推廣應(yīng)用的供電系統(tǒng), 常用于工業(yè)企業(yè)、大型民用建筑、住宅小區(qū)以及計(jì)算機(jī)房等。但該系統(tǒng)耗用導(dǎo)電材料較多, 投資大。通常低壓系統(tǒng)取用三相四線與三相五線混合系統(tǒng), 電源線路中用PEN線, 進(jìn)入建筑物后分為PE線和N線, 并在入樓處做總等電位聯(lián)結(jié), 此結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單, 經(jīng)濟(jì)安全, 最適用于分散的民用建筑 (小區(qū)建筑) 。
2.2 TN-C系統(tǒng)
TN-C系統(tǒng)內(nèi)的PEN線兼作PE線和N線的作用, 可節(jié)省一根導(dǎo)線, 比較經(jīng)濟(jì)。我國(guó)過(guò)去廣泛采用這一系統(tǒng)。但從電氣安全著眼, 這一系統(tǒng)存在較多問(wèn)題。
(1) 當(dāng)系統(tǒng)為單相回路, 在PEN線中斷時(shí), 設(shè)備金屬外殼對(duì)地將帶220V的故障電壓, 當(dāng)人身碰觸時(shí), 電擊傷亡的危險(xiǎn)很大。
(2) 安裝剩余電流保護(hù)裝置時(shí), 其PEN線穿過(guò)剩余電流保護(hù)裝置, 因接地故障電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)在剩余電流保護(hù)裝置內(nèi)相抵消而使剩余電流保護(hù)裝置拒動(dòng), 所以在TN-C系統(tǒng)內(nèi)不能裝用剩余電流保護(hù)裝置來(lái)防人身電擊。
(3) PEN線因與中性線合一, 產(chǎn)生電壓降, 從而使所接設(shè)備的金屬外殼對(duì)地帶電位。此電位可能對(duì)電子設(shè)備產(chǎn)生干擾, 也可能在爆炸危險(xiǎn)場(chǎng)所內(nèi)打火引爆。按標(biāo)準(zhǔn), 易爆場(chǎng)所內(nèi)是不允許采用TN-C系統(tǒng)和出現(xiàn)PEN線的。
由于上述一些不安全因素, 現(xiàn)在已很少采用TN-C系統(tǒng), 特別是新設(shè)計(jì)的低壓接地系統(tǒng), 一般均采用TN-C-S系統(tǒng)或TN-S。
2.3 TN-C-S系統(tǒng)
TN-C-S系統(tǒng), 自電源到用戶電氣裝置之間, 節(jié)省了一根專用的PE線。這一段PEN線上的電壓降使整個(gè)電氣裝置對(duì)地升高△UPEN的電壓。但由于電氣裝置內(nèi)設(shè)有總等電位聯(lián)結(jié), 且在電源進(jìn)線點(diǎn)后PE線即和N線分開(kāi), 而PE線并不產(chǎn)生電壓降, 整個(gè)電氣裝置對(duì)地電位都是△UPEN, 而在裝置內(nèi)并沒(méi)有出現(xiàn)電位差, 因此不會(huì)發(fā)生TN-C系統(tǒng)的種種不安全因素。在建筑物電氣裝置內(nèi), 它的安全水平和TN-S系統(tǒng)是相仿的, 它也不會(huì)對(duì)電子設(shè)備引起干擾。
2.4 TT系統(tǒng)
TT系統(tǒng)的電氣裝置各有其自己的接地極, 正常時(shí)裝置內(nèi)的外露可接近導(dǎo)電部分為地電位, 電源側(cè)和各裝置出現(xiàn)的故障電壓不互竄。但發(fā)生接地故障時(shí), 因故障回路內(nèi)包含兩個(gè)接地電阻, 故障回路阻抗較大, 故障電流較小, 一般不能用過(guò)電流保護(hù)兼作接地故障防護(hù), 為此必須裝用剩余電流保護(hù)裝置來(lái)切斷電源。
2.5 IT系統(tǒng)
IT系統(tǒng)不引出中性線, 在發(fā)生接地故障時(shí)由于不具備故障電流返回電源的通路, 其故障電流僅為非故障相的對(duì)地電容電流, 其值甚小, 因此對(duì)地故障電壓很低, 不致引發(fā)事故。所以發(fā)生一個(gè)接地故障時(shí), 不需切斷電源而使供電中斷。但它一般不引出中性線, 不能提供照明、控制等需用的220V電源, 且其故障防護(hù)和維護(hù)管理較復(fù)雜, 使其應(yīng)用受到限制。
3 住宅小區(qū)常用供配電方式
住宅小區(qū)變壓器為10kV配電系統(tǒng), 采用成組的環(huán)網(wǎng)柜為核心的環(huán)形10kV配電, 開(kāi)環(huán)運(yùn)行方式。低壓配電系統(tǒng)采用TN-C-S系統(tǒng), 在入戶總配電箱做重復(fù)接地后轉(zhuǎn)為T(mén)N-S系統(tǒng)。由于各棟住宅的總用電負(fù)荷不同, 小區(qū)內(nèi)變配電所至單棟住宅采用不同的供電方式。對(duì)于單棟用電負(fù)荷較大的建筑, 均采用變電所低壓放射式供電圖 (如圖1) , 該供電方式配電線路較長(zhǎng), 故障范圍小, 供電可靠。對(duì)于單棟用電負(fù)荷較小的建筑, 均采用多棟樓樹(shù)干式供電 (如圖2) , 該供電方式較為經(jīng)濟(jì), 干線上用電負(fù)荷裕量大, 缺點(diǎn)為事故范圍大, 導(dǎo)線截面大。
按照大多數(shù)住宅小區(qū)的設(shè)計(jì)要求, 多數(shù)住宅分戶電度表全部集中于一層電表箱內(nèi), 配電支線以放射式配電至各戶, 用戶終端配電箱設(shè)于戶內(nèi)。對(duì)于每戶住宅, 用電負(fù)荷按4~6kW考慮, 電流計(jì)算值在負(fù)荷為6kW時(shí)已超過(guò)30A, 但在實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程中考慮到安裝施工的方便性、造價(jià)成本、用戶接線的安全性以及我國(guó)家用電器均為單相負(fù)荷, 戶均日常實(shí)際使用負(fù)荷大部分時(shí)間不高等因素, 在不大于8kW戶均用電負(fù)荷范圍內(nèi), 一般的用戶住宅使用單相配電方式即可。
4 低壓供配電系統(tǒng)防漏電和防雷安全技術(shù)
低壓供配電系統(tǒng)涉及千家萬(wàn)戶, 為了保障用戶用電安全, 我們有必要了解供配電系統(tǒng)相關(guān)的防漏電和防雷安全保護(hù)技術(shù)。
4.1 防漏電保護(hù)
裝設(shè)漏電保護(hù)器不僅能防止人身觸電事故的發(fā)生, 而且可預(yù)防大的故障電流對(duì)用電設(shè)備的損傷, 因而漏電保護(hù)器在低壓供電系統(tǒng)中已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用。在380/220V (TN-C) 供電系統(tǒng)中要求PEN線進(jìn)行多次重復(fù)接地, 所以不能直接裝設(shè)漏電保護(hù)器, 必須在負(fù)荷端將PEN線的兩大功能由兩條 (N線和PE線) 分別承擔(dān), 也就是應(yīng)在負(fù)荷端將TN-C系統(tǒng)轉(zhuǎn)換成TN-C-S系統(tǒng), 這樣便可以在TN-S部分設(shè)置漏電保護(hù), 對(duì)人身和用電設(shè)備進(jìn)行保護(hù)。
4.2 防雷電浪涌保護(hù)
供電系統(tǒng)的浪涌保護(hù)對(duì)于低壓供電系統(tǒng), 浪涌引起的瞬態(tài)過(guò)電壓 (TVS) 保護(hù), 最好采用分級(jí)保護(hù)的方式來(lái)完成。從供電系統(tǒng)的入口開(kāi)始逐步進(jìn)行浪涌能量的吸收, 對(duì)瞬態(tài)過(guò)電壓進(jìn)行分階段抑制。
第一級(jí)設(shè)置于總電房或建筑物總電源配電柜處, 為泄流型SPD, 承受大部分雷電能量沖擊, 應(yīng)選用開(kāi)關(guān)型SPD (Ⅰ級(jí)分類試驗(yàn)SPD) 或限壓型大通流容量SPD (Ⅱ級(jí)分類試驗(yàn)SPD) , 電壓保護(hù)水平≤4kV。開(kāi)關(guān)型SPD通流容量選擇依規(guī)范要求應(yīng)在15~25kA (10/350μs) 之間, 限壓型大通流容量SPD通流容量應(yīng)選擇60~100kA (8/20μs) 。
第二級(jí)設(shè)置于樓層分電源配電箱處, 應(yīng)采用限壓型SPD, 電源保護(hù)水平<2.5kV, 通流容量40kA (8/20μs) , 與第一級(jí)SPD配合, 將高壓雷電脈限制在一個(gè)較低的電壓水平, 即達(dá)到一般用電設(shè)備的保護(hù)水平。
第三級(jí)設(shè)置于信息機(jī)房配電箱處, 為限壓型或復(fù)合型SPD, 通流容量10~20kA (8/20μs) , 進(jìn)一步將雷電流限制在較低的水平, 其電壓保水平依不同類型的SPD有不同的數(shù)值:一般在1~1.8kV之間。
第四級(jí)串聯(lián)安裝于UPS電源前端及需特殊保護(hù)的設(shè)備前端, 為精細(xì)級(jí)保護(hù)SPD, 通流容量10~20kA (8/20μs) , 其輸出殘壓超低, 一般在1kV以下, 可滿足設(shè)備精細(xì)保護(hù)要求。
4.3 均衡電位保護(hù)
為使建筑物內(nèi)各點(diǎn)的電位均衡, 避免由于電位差危害設(shè)備必須實(shí)行等電位聯(lián)結(jié)保護(hù)。等電位聯(lián)結(jié)是故障接地保護(hù)的一項(xiàng)基本措施, 它有效地保證人身安全, 減少電氣火災(zāi), 減少設(shè)備電氣事故。總等電位聯(lián)結(jié)是將進(jìn)線配電箱的保護(hù)母線或端子、接地干線、建筑物的公用設(shè)施管道 (如煤氣管道, 金屬給排水干管, 以及暖氣, 空調(diào)等金屬管道等) 、建筑物的金屬結(jié)構(gòu) (包括防雷接地裝置) 等匯接到進(jìn)線配電箱近旁的總接地母排 (總接地端子) 并相互連接。當(dāng)電氣裝置或電氣裝置某一部分的故障接地保護(hù)的條件不能滿足時(shí), 可在局部范圍內(nèi)設(shè)置等電位聯(lián)結(jié)。
4.4 防電磁感應(yīng)保護(hù)
為減少雷電電磁干擾, 進(jìn)行屏蔽措施, 將建筑物鋼筋、金屬構(gòu)架、金屬門(mén)窗、地板等均相互焊接或可靠連接在一起, 形成一個(gè)“法拉第籠”, 并與地網(wǎng)形成良好的電氣連接。屏蔽中要注意對(duì)各種“洞”的密封, 除門(mén)窗外, 重點(diǎn)對(duì)入戶的金屬管道、通信線路, 電力線纜入口作好屏蔽, 各種線纜均要采取屏蔽措施。
架空電力線由站內(nèi)終端桿引下后應(yīng)更換為屏蔽電纜, 室外通信電纜應(yīng)采用屏蔽電纜, 屏蔽層兩端要接地, 經(jīng)測(cè)量, 電纜屏蔽層一端接地時(shí)可將高頻干擾電壓降低一個(gè)數(shù)量級(jí), 兩端接地時(shí)可以降低兩個(gè)數(shù)量級(jí)。對(duì)于既有鎧帶又有屏蔽層的電纜應(yīng)將鎧帶及屏蔽層同時(shí)接地, 而在另一端只將屏蔽層接地。電纜進(jìn)入室內(nèi)前水平埋地10m以上, 埋地深度應(yīng)大于0.6m;非屏蔽電纜應(yīng)穿鍍鋅鋼管并水平埋地10m以上, 鋼管兩端應(yīng)良好接地, 若在室外入口端將電力線與鋼管間加接壓敏電阻, 防雷效果會(huì)更好。
5 結(jié)束語(yǔ)
上述筆者從供電系統(tǒng)的用電電荷分級(jí)、常用住宅供配電方式以及低壓系統(tǒng)的防雷安全基礎(chǔ)知識(shí)進(jìn)行了分析探討, 由于篇幅所限, 未能對(duì)各要點(diǎn)展開(kāi)詳細(xì)論述。為保障我們的防雷工作順利開(kāi)展, 我們需要不斷地總結(jié)積累供配電系統(tǒng)的知識(shí), 讓電氣系統(tǒng)知識(shí)更好地為防雷工作服務(wù)。
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