供电系统体制及雷电防护措施

核心提示：文章根据IEC供电系统接地的文字代号规定，对我国供电系统体制规定和适用场合作了说明。针对IT系统、TT系统、TN系统不同体制的适用场合不同的特点，根据防雷规范：GB50343-2012《建筑物电子信息系统防雷技术规范》、GB/T21714-2008《雷电防护》的规定采取不同的雷电防护措施，进行雷电防护，减少雷电灾害。 1 前言

我国市电供电系统体制分为IT系统、TT系统、TN系统。每种系统体制不同，其供电特性也各不相同。在雷电防护工程设计、施工中，有时经常是不注意不同体制特点，设计、安装电源SPD时，不分供电系统的地是什么地；零-地合一接线，又作零用，又作地用；零-地电压超出规范规定也全然不顾。其结果导致多级电源SPD的工作状态被破坏及能量配合破坏，多级电源SPD中如果有一级不能正常启动，雷电流不能正常泄放入地而侵入设备，结果是安装了多级电源SPD，不能起到雷电防护作用。
上述问题应引起防雷工程设计者、施工者足够重视。

2 市电供电系统体制及适用场合

2.1 市电供电系统体制
（1）IEC对供电系统接地的文字代号规定
供电系统符号，第一个字母表示电力系统对地的关系：
T—一点直接接地；
I—所有带电部分与地绝缘或一点经阻抗接地；
第二个字母表示用电装置外露导电部分对地的关系：
T—外露导电部分对地直接电气连接，与低压系统中任何接地点无关；
N—外露导电部分与低压系统的接地点直接电气连接（在低压系统中，接地点通常就是中性点）。
第三个字母表示工作零线与保护线的组合关系：
C—表示中性线与保护线是合一的（PEN）线；
S—表示中性线与保护线是严格分开的。
（2）低压电力网的接地
低压配电系统按保护接地的形式不同分为IT系统、TT系统、TN系统（见图1）。

2.2 适用场合
TN-S系统用于5线制场合。
TN—C系统是零-地合一体制，适用于允许零地合一场合。
对雷电防护，应将零-地合一体制改造成TN-C-S 5线制。

3 电源系统的雷电防护措施

3.1 电源系统TN-S体制的雷电防护
电源系统TN-S体制的雷电防护根据参考文献[1]和参考文献[2]规定,分别有屏蔽措施和无屏蔽措施两种防护措施。

3.1.1 无屏蔽措施的电源系统的雷电防护
（1）参考文献[1]中，当没有屏蔽措施的电源系统的雷电防护措施（如图1所示）。
（2）参考文献[2]无屏蔽LPMS
在无屏蔽的情况，仅采用“协调配合的SPD防护”的LPMS中，当传导的浪涌U2＜＜U0和辐射磁场（H2＜＜H0）设备得到良好的保护时，电源SPD可在LPZ1边界主配电盘（MB）和LPZ2边界次配电盘（SB）或在靠近设备处电源插孔（SA）上安装电源SPD（见图2）。
图2中的LPS(无屏蔽)仅采用“协调配合”的SPD防护的LPMS与《建筑物电子信息系统防雷技术规范》GB50-343-2012基本相同。

3.1.2 有屏蔽场合的雷电防护措施
（1）有屏蔽的LPMS
采用空间屏蔽和“协调配合的SPD防护”的LPMS在传导浪涌（U2＜＜U0）和（I2＜＜I0)和辐射磁场（H2＜＜H0）设备得到良好的防护（见图3）。
图3有LPS+LPZ1屏蔽和LPZ2屏蔽时，可只在电源主配电盘和次配电盘安装电源SPD，在机箱设备处，可不安装电源SPD.值得注意的是，前提条件是传导浪涌（U2＜＜U0）和（I2＜＜I0）和辐射磁场（H2＜＜H0）时才能按上述规定进行雷电防护设计。
（2）只有主配电盘，且有屏蔽LPMS
只有主配电盘，在LPS+LPZ1屏蔽的LPMS，当传导浪涌（U2＜＜U0）和（I2＜＜I0）和辐射磁场（H2＜＜H0）时，采用LPZ1空间屏蔽和LPZ1入口SPD防护的LPMS能使设备得到防护（见图4）。
图4为规定在满足才上述条件下，只在LPZ1入口安装电源SPD的LPMS就能使设备得到保护。同样在传导浪涌满足上述条件下，如果没有LPS无屏蔽但采用内部线路屏蔽，也可以在LPZ1入口处安装电源SPD和LPMS使设备得到保护。值得注意的是，所安装的电源SPD必须满足保护水平要求，值得注意的是必须满足有效保护水平的要求。其有效保护水平是指雷闪瞬间，由于雷电流在电源SPD在接地导线的暂态阻抗上产生瞬间电压，使保护水平增大，称之有效保护水平。
（3）防雷闪时电磁场侵入电子机房的措施
满足规范要求的良好屏蔽，包括格栅屏蔽，线缆屏蔽及合理布线是防止雷闪时电磁场侵入和电磁感应有效措施，现实防雷工程设计、施工磁场侵入应予以重视。电子设备机房内，参考文献[3]根据GB/T2887和GB/T21431-2008规定电子计算机机房内磁场干扰环境场强度应为：H2<800A/m.否则，建筑物内电气和电子设备不但受到近旁雷电磁场在传输线上感应引起的浪涌电流的破坏；同时，还要受到侵入的残余磁场影响的危害。如果磁场强度H大于800A/m，仪器、设备将失去正常工作状态。

4 TN-C供电系统的雷电防护

（1）供电系统是零和地合一体制对电源SPD的影响
TN-C供电系统是零和地合一的4线供电体制。在防雷设计、施工中，零和地合一的传输线端子，在安装电源SPD时，只能接电源SPD的零线，不能接电源SPD的地。因为参考文献[1]中规定，电源SPD的接地线长度小于0.5m.TN-C供电系统是零和地合一的线是从变压器附近地网引至机房，少则几米，多则几十米，甚至上百米。
其后果影响电源SPD不能正常启动，导致被保护对象损坏。
（2）电源SPD接地线大于0.5m造成影响的分析
供电系统多级防护能量配合有了正确设计，并不能保证在雷击瞬间多级SPD正常运作，还和施工规范安装有直接关系[4]。以开关型SPD和限压型SPD之间能量配合为例（见图5）：
如果防雷施工不规范，安装电源SPD2接地导线过长，在雷击瞬间产生冲击暂态阻抗Z.由于阻抗Z的存在，雷击瞬间使电源SPD2设计的能量配合遭到破坏，可使电源SPD2的启动电压增加了Zi3（kV）而不能正常启动，导致被保护物损坏。
（3）举例计算接地线3m长产生影响的后果
在防雷施工中，将电源SPD2接地导线安装成16mm2 BVR导线长度L=3m，土壤电阻率р=100Ω•m, 响应时间t=8μs，BVR导线电阻率ρ1=1.58×10-8Ω/m，其电阻为r=ρ1 L/S=4.74×10-8/160×10-8=0.03Ω，雷击电流按40kA计算，分流系数取5，则冲击暂态阻抗Z计算步骤为以下几个。[4]
冲击暂态分布电感量:
LH=[2ρLOg(2L/d)]×10-7
=[2×100×Log(2×3/4.5×10-3)]×10-7
=0.62×10-6(H)
冲击暂态冲击电阻量:
R=（ρ/2πL）×log(2L/d)
=（100/2×3.14×3）×log(2×3/4.5×10-3)
=16.5(Ω)
冲击暂态阻抗Z:
Z=(LHR/4t+Rr)1/2
=[(0.62×10-6×16.5/4×8×10-6)+16.5×0.03]1/2
=4.1(Ω)
则在16mm2 BVR长度L=3m的导线上产生的瞬间脉冲幅度为：
u=Z×（i/5）=4.1×(40/5)=32.8(kV)
可见，雷击瞬间由于接地导线3m产生瞬间脉冲幅度有32.8kV，其结果使电源SPD2对地的电压升高32.8kV，就是有了退耦元件，电源SPD2对地的电压升高32.8kV，也根本无法启动。前一级SPD的限制限制电压进入下一级SPD或直接进入被保护设备，导致下一级SPD或被保护设备损坏。这就是由于施工不规范导致某级SPD不启动或某级SPD被击毁的原因之一。
（3）解决办法
对于TN-C供电系统零和地合一体制，在防雷设计、施工中应增做满足设计方案接地电阻要求的接地装置。将TN-C供电体制改造成TN-C-S供电体制。用接地母线引至安装的电源SPD处，使电源SPD得接地导线长度小于0.5m.

5 零地电压对电源SPD的影响

（1）零-地电压的产生
TN—S供电系统是5线制。零线和地线是分别进入配电柜。当供电系统3路火线负载不等时，就产生零-地电压。施工中，检测到零-地电压几十伏特，在小水电站供电时，零-地电压甚至高达几百伏特。
（2）零-地电压对电源SPD的影响
零线和地线之间出现零-地电压，使电源SPD中的零线上的泄放雷电流元件接地端增加了电压，雷击瞬间零线上的泄放雷电流元件本应导通，由于零线和地线之间出现零-地电压，使其不能导通。此刻，本应通过零-地泄放的雷电流，势必强加在其它泄放元件上，由于超过承受能力而损坏，导致被保护物损坏。
（3）解决办法
解决供电系统零-地电压满足指标小于3V要求，不是防雷工程能解决的问题。应该由供电施工单位调整三相供电负载平衡，才能使零-地电压满足指标要求。

6 IT供电系统的雷电防护

IT供电体制是特殊场合的专用供电系统。例如，矿井下挖掘机电源只有三根火线供电，没有零线、地线进入矿井下。挖掘机接通电源不停的转动。如果有一根火线出现故障，有两相接通挖掘机照样工作。
IT供电体制的雷电防护只对地面设备进行综合雷电防护。

7 结束语

（1）TN-C供电系统的雷电防护接地应改造成，TN-C-S供电系统，能实现电源SPD接地线小于0.5m，除保证末极电源SPD正常启动外，同时保证有效保护水平小于被保护设备的耐冲击电压额定值。
（2）零-地电压对电源SPD的影响和解决办法和IT供电系统的雷电防护，工程设计、施工人员应予以重视。
（3）电子信息系统机房不仅有防雷闪时的电磁场在传输线上感应引起的浪涌电流损坏设备，还要防护残余磁场侵入的危害。