变电站装配式钢结构建筑的防雷接地系统探讨

变电站装配式钢结构建筑的防雷接地系统探讨

李　凡，谢　彬

（）湖南省电力设计院有限公司，湖南长沙４１０００７

摘　要：将变电站装配式钢结构建筑防雷接地系统分为建筑物直击雷接地、室内电气设备接地、室内二次等电位接

装配式钢结构建筑物）防雷接地系统进行了建模和仿真计算，分析了防雷接地地。利用ＣＤＥＧＳ软件对变电站主控室（系统内不同接地相互关系，并提出了避免不同接地互连的措施。

关键词：变电站；装配式钢结构；防雷接地；ＣＤＥＧＳ中图分类号：ＴＭ８６５

ＤｉｓｃｕｓｓｉｏｎｏｎＬｉｈｔｎｉｎＰｒｏｔｅｃｔｉｏｎａｎｄＧｒｏｕｎｄｉｎＳｓｔｅｍｏｆＡｓｓｅｍｂｌＳｔｅｅｌ　　　　　　ｇｇｇｙｙ　　　

ＳｔｒｕｃｔｕｒｅＢｕｉｌｄｉｎｉｎＳｕｂｓｔａｔｉｏｎ　　ｇ　

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DOI:10.19768/j.cnki.dgjs.2019.09.023

０引言

雷电击中建筑物或建筑物附近，对人、建筑物本身及其内部物体、设备都是危险的。为避免雷电对变电站内建筑、建筑物内电气设备和建筑物内外可接触的人员造成侵害，需考虑采取雷电防护措施。目前，变电站正在大力推广装配式钢结构建筑，但是其防雷接地的设计仍沿用原针对钢筋混凝土建筑的防雷接地设计思路。变电站钢筋混凝土建筑的防雷接地均采用专用装置，即安装避雷带，设置专用引下线；装配式钢结构建筑则依据规范可利用建筑本体钢结构作为防雷装置，屋顶为接闪器，工字钢立柱为引下线。装配式钢结构建筑防雷接地装置的特殊性，造成了防雷接地系统在设计时常出现接地划分不清晰、防雷接地装置功能不明确、防雷接地系统连接不正确的问题，因此有必要对变电站装配式钢结构建筑的防雷接地系统进行探讨。

筑物不同的接地目的，防雷接地系统可分为建筑物直击雷接地、室内电气设备接地、室内二次等电位接地。建筑物直击雷接地是为了将直击雷电流引导至主接地网，实现向大地的快速散流；室内电气设备接地主要是为了将电气设备短路电流引导至主接地网，进而向大地散流；室内二次等电位接地是为了将二次设备的金属物体通过导体连接到主接地网，以减少雷电流或短路电流引发的电位差。

１．１建筑物直击雷接地

建筑物直击雷接地包含接闪器、引下线和接地装置。

１．１．１接闪器

除第一类防雷建筑物外，金属屋面的建筑物宜利用其屋面作为接闪器。变电站装配式钢结构建筑物的围护系统为非燃体，且薄的油漆保护层不算是绝缘被覆层，一般利用不锈钢、热镀锌钢板做接闪器，其厚度不小于０．５ｍｍ。《根据Ｇ建筑物防雷设计规范》的要求，金属Ｂ５００５７—２０１０　屋面可作为接闪器。

１防雷接地系统

根据Ｇ建筑物防雷设计规范》规定，Ｂ５００５７—２０１０《　２２０ｋＶ变电站属于对国民经济有重要意义的建筑物，应划为第二类防雷建筑物。按照变电站内装配式钢结构建

收稿日期：２０１８２３－１－０

１．１．２引下线

装配式钢结构建筑物的主钢架、次构件、围护系统在施工中作可靠连接，采用铜锌合金焊、熔焊、卷边压接、缝接、螺钉或螺栓连接，形成了持久的电气通路。可选取工字钢立柱作为接地引下线的主回路，在工字钢立柱地上

７０　　

５００ｍｍ处设置接地端子或预留接地孔，通过接地扁钢或其它接地导体，与主地网相连接。

１．１．３接地装置

在变电站中，为保证接地的可靠性，一般不采用装配式钢结构建筑的基础钢筋作为自然接地体，而是接地引下线入地后与垂直接地极连接，再连接至建筑物周围的环房接地网，进而与主接地网连接。这样从接闪器到引下线，再到接地装置，雷电流具备了完整的泄放通道。

１．２室内电气设备接地

室内电气设备环形接地干线采用与防雷引下线相同型号的镀锌扁钢，沿墙敷设一圈环形接地网，离地高３００ｍｍ，过门处均采用暗敷。室内电气设备可采用焊接与基础槽钢固定，每段槽钢都需用镀锌扁钢与环形接地网可靠焊接，保证电气设备的接地。根据建筑大小，环形接地网至少有４点与主接地网不同干线可靠连接。

１．３室内二次等电位接地

屏柜下部应设有截面不小于１００ｍｍ的接地铜排。屏

柜上装置的接地端子应用截面面积不小于４ｍｍ

２的多股铜绞线与接地铜排相连。屏柜内的接地铜排应用截面面积不

小于５０ｍｍ

２

的铜缆与室内等电位接地网相连。等电位接地网沿着电缆沟敷设，二次等电位接地网在出建筑物的一处通过４点与主地网连接，以提高可靠性。

２利用ＣＤＥＧＳ软件对防雷接地系统建模

为探究防雷接地系统中各接地的作用和雷击下雷电流、接地导体电压的规律，仿真计算采用ＣＤＥＧＳ软件包，该软件是加拿大ＳＥＳ公司研制开发的一套功能强大的专业软件工具，可用来精确分析接地、电磁场、电磁干扰等问题。

本文利用ＣＤＥＧＳ软件对变电站的主控室（装配式钢结构建筑）

防雷接地系统进行全局建模。模型中各部分结构及细节均按照实际变电站主控室防雷接地系统进行建模，模型主要包含建筑物、接闪器、引下线、集中接地极、主接地网、电气设备接地、二次等电位接地、土壤等。为使雷电流选择具有普适性，依据ＧＢ　５００５７—２０１０《建筑物防雷设计规范》

进行雷电流选择。变电站属于二类防雷建筑物，由于负闪雷击占９０％以上，因此本文雷击参量选择二类建筑首次负极性雷电流参数，即幅值为７５ｋＡ，波头为１μｓ，半波时间为２００μ

ｓ。雷击点选取主控室屋角。ＣＤＥＧＳ软件中变电站装配式钢结构主控室防雷接地模型如图１所示。

３仿真计算

３．１各接地相互独立的仿真分析

由于防雷接地系统中各接地作用不相同，因此建筑物

电气设计　电工技术

直击雷接地、室内电气设备接地和室内二次等电位接地在分别接至主接地网前相互独立，无任何电气连通。仿真计算结果见表１。

表１雷击点为主控室屋角的计算结果１

Ｔａｂ．１Ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ　ｒｅｓｕｌｔｓ　１ｏｆ　ｔｈｅ　ｌｉｇｈｔｎｉｎｇ　

ｓｔｒｉｋｅ　ｐｏｉｎｔ　ａｔ　ｔｈｅｃｏｒｎｅｒ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｍａｉｎ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｒｏｏｍ　

ｒｏｏｆ防雷接地系统

结构最大导体最大导体金属电流／ｋＡ电压／ｋＶ屋顶

３２．７６　１７５３．７２建筑物直击雷接地

工字钢立柱１６．０３　１４４８．０２变电站主接地网

２７．９４　１３５９．６７室内电气设备接地

室内环房接地干线

２．１１　１３６４．３８屏柜基础０．５６　１１０３．８０室内二次等电位接地二次等电位铜排

４．６３　１０９１．７１位置描述可接触电压通过人体跨步电压通过人体最大值／ｋＶ能量／Ｊ最大值／ｋＶ能量／Ｊ主控楼

２４２．９９　

１１．６１　

１１７．２１　

０．２０

　　由表１可见，雷击建筑物后，雷电流会沿着屋顶、工

字钢立柱、主接地网的路径散流至大地。室内电气设备接地在出建筑物后会与主地网相连，因此室内环房接地干线和屏柜基础的电压会随之增大，而室内环房接地干线和屏柜基础接触物体的电阻率不相同，导体的电流也会不一样。同理，二次等电位接地在出建筑后也会与主接地网一处相连，其铜排电压会同样增大，由于常规设计中铜排直接固定在电缆沟内电缆支架上，而电缆支架是接地的，因此二次等电位铜排的电流会较大。若二次接地铜排与电缆支架绝缘固定，则电流应很小。

为了给出适用于雷击电流下的危险人身安全标准，本文采用ＩＥＣ　ＴＳ　６０４７９－２（２００７）中的颤动激励或能量法。一个人接触受瞬态波形（雷电波）影响的物体，其不安全电压为：

∞

Ｅ∫Ｖ２ｐ

ｂ＝ｄ０

Ｒｔｂ＜Ｅ式中，Ｒｂ为人体电阻，包括脚对地的接地电阻。ＩＥＣ　ＴＳ０４７９－２标准推荐，人体电阻在高频条件下通常典型值取００Ω（低频典型值取１０００Ω）。由此推导出的安全极限值见表２。

　７１　

６５电工技术　电气设计

表２人身承受瞬态电流波（雷电波）的能量安全值Ｔａｂ．２Ｅｎｅｒｓａｆｅｔｏｆｅｎｄｕｒａｎｃｅｏｆｔｒａｎｓｉｅｎｔｅｒｓｏｎａｌ　　　　ｇｙｙｐ　　

）ｗａｖｅｓ（ｌｉｈｔｎｉｎｗａｖｅｃｕｒｒｅｎｔ　ｇｇ　

引起身体心脏颤动受伤害的最低能量

人体电阻／Ω

随指数衰减的振荡放电／Ｊ　

５００　２７　

１０００５４

，大于人身承受的能量安全值（），因此在本文３０．０６Ｊ２７Ｊ模型中建筑物直击雷接地和室内电气设备接地在分别接至主接地网前相互连接，无法保证人身安全。同样，将建筑物直击雷接地与二次等电位接地在分别接入主接地网前相连，将造成二次等电位铜排电压和电流异常增大，对于设备将是严重的威胁。

　　由表２可见，在主控室内承受可接触电压时通过人体

，承受跨步电压时通过人体的能量为的能量为１１．６１Ｊ，小于人身承受瞬态电流波（雷电波）的能量安全值０．２Ｊ

（），因此建筑物直击雷接地、室内电气设备接地和室２７Ｊ内二次等电位接地在分别接至主接地网前相互独立，能保证人身安全。

４措施

在以往工程中，装配式钢结构建筑物作为引下线的工字钢立柱大多裸露在空气中，与室内环形接地干线存在交叉接触，导致了直击雷接地系统与电气设备接地系统在接入地网前相互连接。二次等电位铜排沿着电缆沟敷设，以往工程的二次等电位铜排直接固定在电缆支架上，电缆支架则是直接接地，无法保证二次等电位铜排只在建筑物出口处实现一处多点接地。

针对以上实际工程中最易出现防雷接地系统互连的情况，本文建议在工字钢立柱与室内环房接地干线的交叉处，通过绝缘垫片或支柱绝缘子相互固定，避免造成互连情况出现。同时，为避免二次等电位铜排电流过大，二次接地铜排与电缆支架应采用绝缘垫片或支柱绝缘子固定。如此处理，则可避免直击雷接地、电气设备接地和等电位接地易出现电气连接的可能。

３．２各接地互连的仿真分析

将工字钢立柱直接与室内环房接地干线相连，建筑物直击雷接地与电气设备接地在分别接入主接地网前相连，仿真计算结果见表３。

表３雷击点为主控室屋角的计算结果２

Ｔａｂ．３Ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔｓ２ｏｆｔｈｅｌｉｈｔｎｉｎｓｔｒｉｋｅａｔｔｈｅｏｉｎｔ　　　　　　　ｇｇｐ　

ｏｆｔｈｅｍａｉｎｃｏｎｔｒｏｌｒｏｏｍｒｏｏｆｃｏｒｎｅｒ　　　　　　

防雷接地系统

结构屋顶

建筑物直击雷接地

工字钢立柱变电站主接地网

室内电气设备接地室内二次等电位接地位置描述主控楼

可接触电压最大值／ｋＶ６０１．４６　

室内环房接地干线

屏柜基础二次等电位铜排

通过人体能量／Ｊ３０．０６　

最大导体电流／ｋＡ３２．７５　１７．０３　３５．０８　１６．７４　０．９５　５．１６　跨步电压最大值／ｋＶ２９２．８３　

最大导体金属电压／ｋＶ２０９８．５５１８０３．０４１４４６．２８１７７６．５５１５４５．１４１２１１．９７通过人体能量／Ｊ０．４８

５结语

对于变电站装配式钢结构建筑防雷接地系统，建筑物直击雷接地、室内电气设备接地、室内二次等电位接地在单独接入主地网前应相互独立，避免将雷电流直接引流至室内电气设备和室内二次等电位铜排，进而损坏室内设备和威胁人身安全。

　　由表３可见，雷电流会沿着屋顶、工字钢立柱、室内环形接地干线、屏柜基础、主接地网的路径流入大地。最大导体金属电压整体约增大２５％，室内环形接地干线、屏柜基础的电压会明显升高，且室内环房接地干线的接地电流成倍增加。二次等电位铜排的电压和电流也均有增大。由此可见，将雷电流直接引入至主控室，由于室内电阻率较高，引至主接地网接地线数量较少，因此不能较快散流。在主控室内承受可接触电压时通过人体的能量为（上接第６９页）

是在变电站电气设备运行情况下实施鸟巢清除，减少了电气设备非计划停运造成的负荷损失，也避免了登高作业导致的安全隐患，降低了作业人员的劳动强度。现场应用证明该装置运行可靠，实现了带电清除鸟巢的功能，进一步保障了电网的安全稳定运行。

参考文献

［］李节宝，章跃进．永磁无刷电机转矩脉动分析及削弱方法１

［］（）：电机与控制应用，Ｊ．２０１１，３８４６１１．－［］］李智．伺服电机在自动控制领域中的应用［电力系统装２Ｊ．

（）：４１４１１４２．－参考文献

［］］胡武鹏．钢结构建筑雷击分析与防护［河南科技，１Ｊ．２０１７［］张纬钹，何金良，高玉明．过电压防护及绝缘配合［北京：２Ｍ］．

清华大学出版社，２００２．

［］林福昌．高电压技术［北京：科学出版社，３Ｍ］．２００４．［］／］４ＧＢＴ５００７５—２０１０建筑物防雷设计规范［Ｓ．　

（）：备，２０１８６４１４２．－［］常怡萍，刘琴，杨蕾．基于Ｆ３ＰＧＡ的直流电机伺服控制系统设

］，（）：郑州大学学报（工学版）计与实现［Ｊ．２０１７，３８６５４５８．－［］袁超，仇海波．基于伺服驱动器的位置控制在焊管内清扫设４

］（）：电工技术，备上的应用［Ｊ．２０１７５８０８４．－［］邢义，刘晋，钟杨．基于Ｄ５ＳＰ的变电站巡检机器人控制系统］（）：电工技术，研制与应用［Ｊ．２０１８２４３４５．－［］李本红．基于Ｄ６ＳＰ的全数字直流伺服电机位置随动系统的

］（）：电工技术，设置［Ｊ．２００５５２３２５．－［］韩丰田．北京：清７ＴＭＳ３２０Ｆ２８１ｘＤＳＰ原理及应用技术［Ｍ］．

华大学出版社，２００９．

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