摘要：学习供配电系统基础知识是学习防雷的基本功, 本文简要阐述了低压供配电系统的基础知识, 论述了住宅小区的用电负荷分级和常用的供配电方式, 并在此基础上探讨了供配电系统的防雷安全技术, 期望起到抛砖引玉的作用, 旨在让更多的防雷工作者进一步参与对低压供配电系统的学习研究, 让电气系统理论知识更好地为防雷工作服务。
关键词： 低压 供配电 防雷基础
1 电气负荷分级及供电电压选择
1.1 电气负荷分级
根据对供电可靠性的要求及中断供电后对政治、经济所造成损失或影响的程度, 我国将电力负荷分为三个等级。一级负荷是指中断供电会对人身安全或政治、经济造成重大影响的供电系统, 该供电电源要求应由两个独立电源供电, 保证有一个电源持续供电。而对一级负荷中特别重要的负荷 (如金融机构的计算机系统、防盗报警系统等) , 除由两个电源供电外, 尚应增设第三路应急独立电源 (自备应急发电机组) 。二级负荷是指中断供电会对政治、经济造成较大影响的供电系统, 该系统应在变压器或线路常见故障时不中断供电或中断供电后能迅速恢复供电, 宜由两个电源供电, 或用两回路送到适宜的配电点。其余情况为三级负荷, 三级负荷对供电无特殊要求, 仅保证其正常情况下的用电。
1.2 供电电压的选择
民用建筑的供电电压主要取决于用电负荷的大小、供电距离的远近、供电线路的回路数等因素考虑决定。用电设备容量在250kW或需用变压器容量在160kVA以上者应以高压方式供电, 一般采用10kV;用电设备容量在250kW或需用变压器容量在160kVA及以下者, 应以低压供电, 一般采用220V/380V。当线路电流不超过30A的照明负荷时, 可用220V单项供电, 否则应采用380V/220V三相四线 (五线) 制供电。
2 各种电气接地系统型式和特点
我国现行低压供配电系统接地型式大致有TN系统、TT系统、IT系统等几种型式, 以下分别对各个系统进行分析, 由于各系统图可在许多标准中见到图示, 本文不一一绘出。
2.1 TN-S系统
TN-S系统中PE线与N线是分开的, PE线不通过正常电流, 因此不会对接在PE线上的其它设备产生电磁干扰, 由于N线与PE线分开, N线断线也不会影响PE线的保护作用, 所以该系统安全可靠性较高, 是目前推广应用的供电系统, 常用于工业企业、大型民用建筑、住宅小区以及计算机房等。但该系统耗用导电材料较多, 投资大。通常低压系统取用三相四线与三相五线混合系统, 电源线路中用PEN线, 进入建筑物后分为PE线和N线, 并在入楼处做总等电位联结, 此结构简单, 经济安全, 最适用于分散的民用建筑 (小区建筑) 。
2.2 TN-C系统
TN-C系统内的PEN线兼作PE线和N线的作用, 可节省一根导线, 比较经济。我国过去广泛采用这一系统。但从电气安全着眼, 这一系统存在较多问题。
(1) 当系统为单相回路, 在PEN线中断时, 设备金属外壳对地将带220V的故障电压, 当人身碰触时, 电击伤亡的危险很大。
(2) 安装剩余电流保护装置时, 其PEN线穿过剩余电流保护装置, 因接地故障电流产生的磁场在剩余电流保护装置内相抵消而使剩余电流保护装置拒动, 所以在TN-C系统内不能装用剩余电流保护装置来防人身电击。
(3) PEN线因与中性线合一, 产生电压降, 从而使所接设备的金属外壳对地带电位。此电位可能对电子设备产生干扰, 也可能在爆炸危险场所内打火引爆。按标准, 易爆场所内是不允许采用TN-C系统和出现PEN线的。
由于上述一些不安全因素, 现在已很少采用TN-C系统, 特别是新设计的低压接地系统, 一般均采用TN-C-S系统或TN-S。
2.3 TN-C-S系统
TN-C-S系统, 自电源到用户电气装置之间, 节省了一根专用的PE线。这一段PEN线上的电压降使整个电气装置对地升高△UPEN的电压。但由于电气装置内设有总等电位联结, 且在电源进线点后PE线即和N线分开, 而PE线并不产生电压降, 整个电气装置对地电位都是△UPEN, 而在装置内并没有出现电位差, 因此不会发生TN-C系统的种种不安全因素。在建筑物电气装置内, 它的安全水平和TN-S系统是相仿的, 它也不会对电子设备引起干扰。
2.4 TT系统
TT系统的电气装置各有其自己的接地极, 正常时装置内的外露可接近导电部分为地电位, 电源侧和各装置出现的故障电压不互窜。但发生接地故障时, 因故障回路内包含两个接地电阻, 故障回路阻抗较大, 故障电流较小, 一般不能用过电流保护兼作接地故障防护, 为此必须装用剩余电流保护装置来切断电源。
2.5 IT系统
IT系统不引出中性线, 在发生接地故障时由于不具备故障电流返回电源的通路, 其故障电流仅为非故障相的对地电容电流, 其值甚小, 因此对地故障电压很低, 不致引发事故。所以发生一个接地故障时, 不需切断电源而使供电中断。但它一般不引出中性线, 不能提供照明、控制等需用的220V电源, 且其故障防护和维护管理较复杂, 使其应用受到限制。
3 住宅小区常用供配电方式
住宅小区变压器为10kV配电系统, 采用成组的环网柜为核心的环形10kV配电, 开环运行方式。低压配电系统采用TN-C-S系统, 在入户总配电箱做重复接地后转为TN-S系统。由于各栋住宅的总用电负荷不同, 小区内变配电所至单栋住宅采用不同的供电方式。对于单栋用电负荷较大的建筑, 均采用变电所低压放射式供电图 (如图1) , 该供电方式配电线路较长, 故障范围小, 供电可靠。对于单栋用电负荷较小的建筑, 均采用多栋楼树干式供电 (如图2) , 该供电方式较为经济, 干线上用电负荷裕量大, 缺点为事故范围大, 导线截面大。
按照大多数住宅小区的设计要求, 多数住宅分户电度表全部集中于一层电表箱内, 配电支线以放射式配电至各户, 用户终端配电箱设于户内。对于每户住宅, 用电负荷按4~6kW考虑, 电流计算值在负荷为6kW时已超过30A, 但在实际设计过程中考虑到安装施工的方便性、造价成本、用户接线的安全性以及我国家用电器均为单相负荷, 户均日常实际使用负荷大部分时间不高等因素, 在不大于8kW户均用电负荷范围内, 一般的用户住宅使用单相配电方式即可。
4 低压供配电系统防漏电和防雷安全技术
低压供配电系统涉及千家万户, 为了保障用户用电安全, 我们有必要了解供配电系统相关的防漏电和防雷安全保护技术。
4.1 防漏电保护
装设漏电保护器不仅能防止人身触电事故的发生, 而且可预防大的故障电流对用电设备的损伤, 因而漏电保护器在低压供电系统中已经得到广泛的应用。在380/220V (TN-C) 供电系统中要求PEN线进行多次重复接地, 所以不能直接装设漏电保护器, 必须在负荷端将PEN线的两大功能由两条 (N线和PE线) 分别承担, 也就是应在负荷端将TN-C系统转换成TN-C-S系统, 这样便可以在TN-S部分设置漏电保护, 对人身和用电设备进行保护。
4.2 防雷电浪涌保护
供电系统的浪涌保护对于低压供电系统, 浪涌引起的瞬态过电压 (TVS) 保护, 最好采用分级保护的方式来完成。从供电系统的入口开始逐步进行浪涌能量的吸收, 对瞬态过电压进行分阶段抑制。
第一级设置于总电房或建筑物总电源配电柜处, 为泄流型SPD, 承受大部分雷电能量冲击, 应选用开关型SPD (Ⅰ级分类试验SPD) 或限压型大通流容量SPD (Ⅱ级分类试验SPD) , 电压保护水平≤4kV。开关型SPD通流容量选择依规范要求应在15~25kA (10/350μs) 之间, 限压型大通流容量SPD通流容量应选择60~100kA (8/20μs) 。
第二级设置于楼层分电源配电箱处, 应采用限压型SPD, 电源保护水平<2.5kV, 通流容量40kA (8/20μs) , 与第一级SPD配合, 将高压雷电脉限制在一个较低的电压水平, 即达到一般用电设备的保护水平。
第三级设置于信息机房配电箱处, 为限压型或复合型SPD, 通流容量10~20kA (8/20μs) , 进一步将雷电流限制在较低的水平, 其电压保水平依不同类型的SPD有不同的数值:一般在1~1.8kV之间。
第四级串联安装于UPS电源前端及需特殊保护的设备前端, 为精细级保护SPD, 通流容量10~20kA (8/20μs) , 其输出残压超低, 一般在1kV以下, 可满足设备精细保护要求。
4.3 均衡电位保护
为使建筑物内各点的电位均衡, 避免由于电位差危害设备必须实行等电位联结保护。等电位联结是故障接地保护的一项基本措施, 它有效地保证人身安全, 减少电气火灾, 减少设备电气事故。总等电位联结是将进线配电箱的保护母线或端子、接地干线、建筑物的公用设施管道 (如煤气管道, 金属给排水干管, 以及暖气, 空调等金属管道等) 、建筑物的金属结构 (包括防雷接地装置) 等汇接到进线配电箱近旁的总接地母排 (总接地端子) 并相互连接。当电气装置或电气装置某一部分的故障接地保护的条件不能满足时, 可在局部范围内设置等电位联结。
4.4 防电磁感应保护
为减少雷电电磁干扰, 进行屏蔽措施, 将建筑物钢筋、金属构架、金属门窗、地板等均相互焊接或可靠连接在一起, 形成一个“法拉第笼”, 并与地网形成良好的电气连接。屏蔽中要注意对各种“洞”的密封, 除门窗外, 重点对入户的金属管道、通信线路, 电力线缆入口作好屏蔽, 各种线缆均要采取屏蔽措施。
架空电力线由站内终端杆引下后应更换为屏蔽电缆, 室外通信电缆应采用屏蔽电缆, 屏蔽层两端要接地, 经测量, 电缆屏蔽层一端接地时可将高频干扰电压降低一个数量级, 两端接地时可以降低两个数量级。对于既有铠带又有屏蔽层的电缆应将铠带及屏蔽层同时接地, 而在另一端只将屏蔽层接地。电缆进入室内前水平埋地10m以上, 埋地深度应大于0.6m;非屏蔽电缆应穿镀锌钢管并水平埋地10m以上, 钢管两端应良好接地, 若在室外入口端将电力线与钢管间加接压敏电阻, 防雷效果会更好。
5 结束语
上述笔者从供电系统的用电电荷分级、常用住宅供配电方式以及低压系统的防雷安全基础知识进行了分析探讨, 由于篇幅所限, 未能对各要点展开详细论述。为保障我们的防雷工作顺利开展, 我们需要不断地总结积累供配电系统的知识, 让电气系统知识更好地为防雷工作服务。
