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建筑物电源SPD在线监测系统的接地状态研究

范文

罗志勇于明洋许晖

摘要：本文针对加油（气）站等易燃易爆危化品场所安装的电源SPD在线监测系统的接地状态进行研究，首先阐述了建筑物电源SPD接地状态监测的意义，然后针对建筑物电源SPD的几种接地方式进行具体的分析说明。再对建筑物电源SPD的接地引线断开或接地引线过长造成的影响进行分析，最后对建筑物电源SPD的接地状态的监测方法进行说明，以综合系统的分析来确保电源SPD接地状态的监测质量，保障电源SPD在线监测系统的安全运行，确保易燃易爆场所的设备安全。

Abstract： This paper studies the grounding state of the power supply SPD online monitoring system installed in the inflammable and explosive hazardous chemicals places such as refueling （gas） stations. Firstly， the significance of the grounding state monitoring of the building power supply SPD is expounded， and then the specific analysis and explanation of several grounding methods of the building power supply SPD are given. The the influence of disconnected or too long grounding lead of the building power SPD is analyzed. Finally， the monitoring method of the grounding state of the building power SPD is explained. The comprehensive system analysis is used to ensure the monitoring quality of the power supply SPD grounding state， ensure the safe operation of the power SPD online monitoring system， and ensure the safety of the equipment in the inflammable and explosive places.

关键词：电源SPD;在线监测;接地方式;接地引线;监测方法

Key words： power supply SPD;online monitoring;grounding method;grounding lead;monitoring method

中图分类号：TM862? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文献标识码：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章编号：1006-4311（2019）18-0113-03

0? 引言

雷电灾害是“联合国国际减灾十年”公布的最严重的十种自然灾害之一，雷电以惊人的破坏力给人民社会带来巨大的灾害。由于雷电冲击导致网络系统失效或损坏，平均每年约占全部故障的70%。人们在受益于微电子的极大方便的同时，也受到其一旦雷击损坏就损失巨大的困扰。易燃易爆危险化学品生产、经营、储存企业（场所）是雷电防护的重点场所的，是防雷安全生产工作的重中之中。易燃易爆和危化品单位（场所）一旦因雷击造成火灾爆炸不仅对自身内部造成巨大损失，而且也会对社会公共安全造成严重威胁。为保护电气设备安全，易燃易爆危险品经单位和场所按照国家法律法规及技术标准安装了接地系统、电源电涌保护器（又称避雷器（Surge Protection Device），简称SPD）。中山市从2012年开始安装电源SPD，对电气设备进行防浪涌保护，由于SPD具有安装数量大、安装位置复杂、隐蔽性大的特点，造成电源SPD运行状态的监测难度较大、人工检修设备工作量大的现状。针对这一现状，中山市对全市130多个加油（气）站的电源SPD安装在线监测系统，为确保SPD能够正常工作，需要对SPD的接地状态及接地电阻进行实时监测，以确保此类易燃易爆场所电气系统的稳定运行。本文针对建筑物电源SPD的接地状态的意义、接地方式、接地影响、监测方法进行综合系统的分析，确保电源SPD接地状态的监测质量，保障电源SPD在线监测系统的安全运行，确保易燃易爆场所的设备安全。

1? 建筑物电源SPD接地状态监测的意义

接地电阻是反映整套防雷系统接地状况的重要指标，由于土壤或者混凝土对接地装置的腐蚀作用，接地装置会随着时间的推移，慢慢腐蚀，接地电阻就会慢慢变大，在接地阻值不合格时，受到雷击或浪涌的袭击，这些强电流会造成较高的残压，附近的设备会遭受到反击而损坏[13]。同时防雷系统的接地电阻是否合格直接影响到重点场所防雷设备维护人员的人身安全，也影响重点场所设备的安全运行，因此，必须大力加深对重点场所接地电阻的监测。

建筑物电源SPD接地状态的监测主要是指从SPD直接引出的接地端到接地装置的连接状态，总的连接状态包括SPD接地端与接地引线的连接，接地引线自身的阻抗，接地引线与接地装置的连接状态，接地装置的状态。电源SPD对设备的保护原理主要是当有高浪涌到来时，SPD迅速动作，把浪涌快速排泄到地。SPD的接地通道断开或者存在问题，高浪涌将无法泄放到地，那么后端的线路设备将受到高浪涌的冲击而损坏，所以SPD接地状态的监测是SPD监测里非常重要的一個项目，SPD接地断开将会使SPD整套保护系统失效。

2? 建筑物电源SPD接地的几种方式

目前配电系统主要采用的配电方式为TN系统，如图1所示，针对此TN-C-S系统，建筑物电源SPD的接地主要有三种方式，电源SPD的接地并不代表电气设备的接地，若电气设备直接接地，则电源系统变为TT系统，此类型本文不做介绍。方式一是从电源SPD的接地端引出接地线直接连接到预留的接地装置或者总等电位接地端子板上，方式二是从电源SPD的接地端引出接地线连接到楼层等电位接地端子板或机房局部等电位接地端子板再连接到接地装置或者总等电位接地端子板上，方式三是从电源SPD的接地端引出接地线连接到PE线上。

2.1 电源SPD的接地端直接接地

电源SPD的接地端引出连接线直接接地是比较常用的接地方式，决定电源SPD接地状态的主要为电源SPD接地端与接地连接引线的连接状态，接地连接引线自身的阻抗，接地引线与接地装置或总等电位接地端子板的连接状态，接地装置的状态，一旦接地线断开或者某个连接点接触不良会立刻体现出来。

2.2 电源SPD的接地端经局部等电位连接板再接地

电源SPD的接地端连接线经楼层等电位接地端子板或机房局部等电位接地端子板再接地，主要应用在楼层配电箱或者机房配电箱安装的电源SPD上，决定电源SPD接地状态的主要为电源SPD接地端与接地连接引线的连接，接地连接引线自身的阻抗，接地引线与楼层等电位接地端子板或机房局部等电位接地端子板的连接状态，由于楼层等电位接地端子板或机房局部等电位接地端子板可能会与PE线或者其他局部等电位接地端子板连接，所以接地装置的状态在这里就不能够反应出来，当监测到接地状态异常时，应分析各连接点和连接线路，才能具体判断出异常点。

2.3 电源SPD的接地端接PE线接地

电源SPD的接地端引出接地线连接到PE线上，主要应用在满足截面积大于50mm2多股铜芯导线或铜带做为PE线的垂直接地干线上，决定电源SPD接地状态的主要为电源SPD接地端与接地连接引线的连接，接地连接引線自身的阻抗，接地引线与PE线的连接状态。

3? 建筑物电源SPD接地断开或接地引线过长的影响

3.1 接地断开的影响

电源SPD的工作原理是在系统没有高浪涌过来的时候电源SPD呈现高阻状态，在高浪涌过来的时候瞬间导通，把大电流泄流入地，保护后端的设备安全。电源SPD接地线断开将导致电源SPD在高浪涌过来的时候，没有泄流通道，电源SPD将起不到任何作用，高浪涌将使被保护的设备遭到破坏，最终使整个系统失效。

3.2 接地引线过长的影响

电源SPD在线监测系统接地状态监测对于电源SPD的前端引线是不做监测的，那么主要影响在后端的接地引线上，对开关型电涌保护器有效电压保护水平Up/f=Up，接地引线长度的影响不大;对限压型电涌保护器，Up/f=Up+ΔU，Up为电涌保护器的电压保护水平，ΔU为电涌保护器两端引线的感应电压降，即 L×（di/dt），ΔU户外线路进入建筑物处可按1kV/m计算，在其后的可按ΔU=0.2Up计算，为取得较小的电涌保护器有效电压保护水平，应缩短连接电涌保护器的导体长度。对于在线监测的SPD，主要保护对象为家用电器级别，即Up/f应小于2.5kV，对于图1方式三的接线方式，SPD的Up/f值可能高达十几千伏，SPD完全失去了作用。

4? 建筑物电源SPD接地状态的监测方法

4.1 环路法确定接地状态

接地地网的参数特性基本与土壤的含水量或紧密程度关系密切，所以接地装置的参数评估和数值测量应尽量在土壤干燥或土壤没有冻结的情况下监测，应避免在雨、雪天气中或雨、雪天气后马上测试。而通过回路电阻的测量，可以减少土壤或者混凝土环境对电阻的影响。通过对电源SPD与接地系统之间构建监测环路，来监测电源SPD的接地状态，一旦环路断开则会显示接地状态异常，在线监测系统后台平台将会亮灯告警。环路法的优点在于可以灵活构建环路，搭配不同的环路电阻值，来确保监测仪器的自身安全。接地电阻的测试主要采用的是接地电阻测试仪或者回路电阻测试仪进行测试[15]，接地电阻测试仪主要采用的是三极法来进行测试，需测量的接地装置为G，辅助的地极为电流极C和电压极P。在综合地网中，例如加油亭接地、油罐接地、营业厅接地等，它们在地下连成一个综合的大型地网，同时有多根预留接地引线引出地面，在地面上也通过设备防雷装置等连接在一起。对于这样的综合接地系统，其地网最大对角线长度一般几十米到几千米，测量这样的大型地网的接地电阻就要用到大地网测试仪，辅助线的长度可能要放出几千米远，用三极法来监测电阻是不可能的[14]，所以对于综合地网，可以在SPD的接地引线或者其他接地引线上安装接地电阻监测仪，利用上述回路电阻监测的方法，来判断整个接地网的综合接地状况。缺点在于对监测的仪器要求较高，回路的选择比较困难，当大电流泄放入地时，对监测仪器自身的防雷安全性要求较高。

4.2 电流通路法确定接地状态

SPD动作时通过接地线将雷电流泄放到大地。如果SPD接地断开，则SPD的雷电流泄放通道不在存在，SPD相当于并联到电路中的一个电阻，将失去对线路的雷电防护作用。电流通路法通过在电路中构建与SPD接地端的回路，对回路施加电流，通过回路的通断来判断接地的状态，其电路示意图如图2。

①Power：为检测单元提供测试电源。

②PE：待检测的PE接地线，与SPD接地点同一个点或通过汇流排连接的等电位点。

③检测单元：构建一个测试电流回路，用来检测接地状态的有效性。

④光电隔离：防止地线上的高电压损坏低压采集电路，采用光电隔离进行保护，同时过滤到地线的杂散电流。

⑤MCU：信息处理，检测单元把信号通过光电隔离送给MCU，根据信号变化和算法分析出接地状况，同时输出信号指示灯。

⑥指示灯：绿色表示接地正常，红色表示接到故障。

电流通路法可以通过回路施加电流检测回路的闭环状态，具有方便快速判断回路通断性的特点，缺点在于当连接回路连接到SPD的接地端时，若存在局部等电位接地端子板，由图一方式二所示，则可能造成无法判断SPD接地端与局部等电位接地端子板之间的接地线路通断性。

5? 小结

电源SPD作为接入易燃易爆场所电网的外加设备，正确合理的安装使用能有效的保护易燃易爆场所电气设备的安全，但是电源SPD维护不当和产品失效造成的后果是相当危险的，严重的可能会造成火灾、爆炸等电气事故。电源SPD的非线性特性，决定电源SPD对于高电涌泄放通道的重要性，所以电源SPD接地状态的监测是非常必要的，本文从TN系统电源SPD的三种接地方式开始研究分析，指出了接地引线断开或接地引线过长造成的影响，结合配电线路中电源SPD的接地状态的特性，给出了电源SPD的接地状态的监测方法，并阐述了监测方法的优缺点，安防人员在对电源SPD接地状态进行在线监测时，应充分考虑监测场所的环境特点，电源SPD的种类参数，严格按照制定接地状态的监测方法，确保电气设备运行安全，保障群众的设备财产安全。

参考文献：

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