泵站低压系统的过电压防护

栗祯泽

（陕西省水利电力勘测设计研究院，陕西 西安 710001）

1 概述

低压电气设备的过电压来源主要有种：一种为建筑物周边雷电产生的高频电磁场通过电气线路或空间电磁场的耦合感应造成的过电压；第二种为电力系统发生短路故障或大型电力设备的投切导致在低压系统引起过电压。其中电力系统发生短路故障或大型电力设备的投切对泵站高压系统影响较大，由于站用变的存在对低压系统造成的过电压影响较小，低压系统过电压大多数由雷电流产生的电磁场造成，原因如下所示：

（1）泵站多分布于空旷的户外郊区，孤立建筑物和电气设备易受雷击，需设置避雷针和避雷带进行防直击雷保护，避雷设施起到了引雷的作用，将雷电流导入大地，保护了建筑物和户外电气设备免受直接雷的危害，但在引流的同时，雷电流产生的电磁场使得建筑物内电气设备的电源线或信号线感应出瞬态过电压，造成电气设备或线缆绝缘的破坏。

（2）泵站远方发生雷击时，雷电产生的瞬变电磁场在电源线或线号线路上感应出瞬态涌压，它沿着架空线路传到泵站内电气设备上，击穿设备绝缘。

因此，在设计过程中需采用一定措施来抑制和消除雷电波过电压的影响，而由电力系统故障原因造成的过电压为系统内部故障，无法通过措施来抑制，只能通过避雷器或浪涌保护器设备来消除。

2 过电压的抑制措施

在设计过程中可以通过分流、屏蔽措施、线路屏蔽和合理布线、设置接地和等电位联结等措施来抑制过电压的产生。

2.1 分流措施

泵站建筑物设置有避雷带，当雷击避雷带时，雷电流沿着防雷引下线泄至大地后，通过接地装置进行散流，在此过程中引下线会产生强大电磁场，该电磁场使得建筑物内电气设备和线路感应出过电压，可通过增加防雷引下线的根数、缩短引下线之间的间距来对雷电流进行分流，而相邻防雷引下线产生的电磁场在一定程度上会相互抵消，减小了感应电磁场的强度，从而降低了感应过电压的幅度。当感应过电压从架空线路上过来时，应在架空线路末端安装避雷器，使雷电流在进入建筑物前进行强制分流来减小过电压幅度。

2.2 屏蔽措施

首先充分利用整座主副厂房和各电气设备功能房间内的钢筋、金属构件、金属支撑件等金属形成的笼式格栅屏蔽体，使建筑物内部钢筋相互等电位联结；其次泵站的二次监控室应尽量靠近副厂房中心位置，避免布置在建筑顶层或靠近防雷引下线处，若无法避开防雷引下线，则需保证设备的电源和线号线与防雷引下线保持2 m以上的距离，在一定程度上减小过电压；第三电缆在敷设时，泵站电缆沟采用钢筋混凝土电缆沟，电气设备的电源线路、信号线路在电缆沟内敷设，在无法设置钢筋混电缆沟的位置设置金属槽盒或穿管敷设，使雷电压无从感应产生。

2.3 合理的布线措施

为满足自动化和信息化的要求，泵站内设置大量保护自动化设备和信息技术设备，该设备需要供电电源，同时有信号上传是监控系统，因此有信号电缆和电源电缆，当信号线和电源线布线不合理时，在外部发生雷击时，也可能造成电气设备的烧坏。具体原因见图1，泵站内的自动化设备和信息技术设备电源电缆和信号电缆会形成一个感应环路，当厂房受雷击或泵站周围发生雷击时，周围空间会发生瞬变电磁场，感应环路会受瞬变磁场影响，产生涌压，且感应环路包围的面积与感应电压成正比关系，面积越大，感应的涌压越大。当设备的电源电缆与信号电缆未布置在同一个通道，两根电缆会形成一个较大面积的包绕环，见图1-a，该包绕环会根据其包绕的面积产生相应的过电压，从而造成设备的过电压事故。因此，在线路布线时，建议将电源电缆和信号电缆布置在同一电缆沟或槽盒中进行敷设，如图1-b所示，以减小包绕面积，降低感应过电压。但同时还应考虑电力电缆中的大电流会对信号线缆造成干扰，两者之间应保持不小于50 mm的间距，同时信号线缆需采用屏蔽型线缆，并正确接地。

图1 泵站内线缆的布置图

2.4 接地措施

泵站内设置合理的接地网格，不仅可以起到良好的散流，同时也是防雷击电磁脉冲的基本措施之一，具体措施如下所示：

（1）泵站防雷接地、电气设备工作接地、安全保护接地等采用共用接地装置。

（2）建筑物接地网设置外部沿建筑一周敷设，形成环形接地网，并与建筑物内的接地网格每隔5 m进行一次可靠焊接。

（3）泵站内各建筑物之间的接地装置通过接地扁钢、PE导体、穿墙钢管、电缆沟内的钢筋及其他金属管道相连，形成统一接地网。

（4）泵站内各等电位联结接入共用接地网。

（5）低压配电系统必须采用TN-S接线。

2.5 等电位联结措施

泵站各功能房间内通过设置等电位联结，可以有效减小防雷空间内各系统或金属构件物之间的电位差，削弱磁场强度，从而减小感应过电压。具体可按照以下措施进行实施：

（1）在泵房各防雷区界面处设置等电位联结，例如LPZ0与LPZ1区界面处，所有进入泵房的管道、电力系统电缆、弱点系统电缆线路均应设置等电位联结，并与附近接地体联结，保证在电气上的贯通。LPZ1 与LPZ2区界面及后续界面的等电位联结按LPZ0 与LPZ1 区界面处的等电位联结的原则进行实施[1]。

（2）厂房内各防雷区设置内部导电物的等电位联结，泵房内水泵、电机、管道、电动葫芦、金属门框架、电缆托盘、梯架应以最短的路径连接到最近的等电位联结带上，或联结到已设置等电位连接的金属物体上，且各导电物之间尽可能的多次相互连接。

3 过电压的消除措施

3.1 过电压消除原理

泵站在设计过程中，采用上述措施仅在一定程度上抑制减小雷击电磁场引起的过电压危害，但无法彻底消除过电压，因此需要借助浪涌保护器SPD来消除它的危害，以保证电气设备的安全和正常运行。但实际上避雷器和浪涌保护器也并非是消除过电压，它是利用设备特性，将雷电流泄放至大地，并将过电压幅值降低设备能够承受的范围，最终利用电气设备自身的绝缘水平来抵抗残留过电压。

3.2 浪涌保护器的选择

浪涌保护器（SPD）的选择与安装位置、泵站配电系统、接地方式都有关联。不同的情况，在低压系统引起过电压的情况亦各不相同，因此针对不同类型的泵站需采用不同的过电压防护措施。如果浪涌保护装置选用不当，不仅起不到防护作用，反而会造成其他的电气事故。泵站浪涌保护的选择主要考虑SPD的最大持续工作电压UC、冲击放电电流Iimp或标称放电电流In、电压保护水平Up。

（1）SPD的接线方式确定

在选择SPD时，首先应确定泵站的配电方式，确定SPD的接线方式。当供电对象为农灌或其他类小型泵站时，由于其装机功率较小，泵站变压器往往安装于终端杆或直接采用低压进行供电，低压配电接线方式通常为TN-C-S系统，PEN线在电源进线处分为PE线和N线；当泵站为中大型时，往往采用10 kV或35 kV高压系统进行供电，高压经站用变压器降压后其低压配电接线方式通常为TN-S系统，PEN线在低压进线柜处被分为PE线和N线[2]。上述两种类型额泵站接线方式均在配电柜内将PE线和N线接地，只需相线和PE线之间安装第一级SPD，见图2。

图2 泵站TN系统SPD接线方式

（2）SPD的最大持续工作电压UC

浪涌保护器的UC取决于泵站系统最大持续工作电压的最小值，同时考虑低压系统的电压偏差（按10%进行考虑）和SPD的老化问题（按5%进行考虑），因此需按照1.15 倍的低压系统电压进行设计，目前，绝大部分低压系统采用0.38 kV进行供电，其SPD的最大持续工作电压UC不应小于437V，少数泵站采用0.69 kV进行供电，其SPD的最大持续工作电压UC不应小于794 V。

（3）SPD的冲击放电电流Iimp或标称放电电流In

对于SPD的Iimp或In的选择，需考虑其安装位置、暴露程度进行选择。若泵站内易受雷击，设有避雷针或避雷带等避雷措施，则需在电源进线处设置的SPD冲击电流按不应小于12.5 kA进行设计，应选择I级试验的开关型SPD，该类型浪涌保护器能够通过1.2/50 μs冲击电压、10/350 μs的冲击电流。若泵站内仅考虑线路上的传导性雷电波过电压，则在电源进线处设置的SPD的冲击电流按不应小于5 kA进行设计，应选择II级试验的限压型SPD，该类型浪涌保护器能够通过1.2/50 μs冲击电压、8/20 μs的冲击电流。

（4）SPD的电压保护水平Up

为有效且合理的对泵站内各电气设备进行保护，按电气设备的耐冲击电压水平进行分级保护，保证SPD的电压保护水平Up小于电气设备的耐冲击电压水平。泵站内低压供电设备主要包括通信设备、保护设备、直流配电设备、DC/AC逆变器、DC/DC变换器、一般电器（如灯具）等，因此泵站内SPD的电压保护水平按表1 进行配置。

表1 泵站内SPD的电压保护水平

4 结论

通过上述抑制和消除措施，可将泵站的雷电过电压对设备的危害限制在电气设备可控范围内，使泵站内建筑物受雷击或周围发生雷击时能够安全可靠的运行。