雷電過電壓對于電氣設備的危害及其防護策略研究

海洋石油工程股份有限公司電氣設計研究部 徐 洋

雷電過電壓現(xiàn)象主要指的是因大氣中的雷云和雷云之間以及雷云同地面物體之間所產(chǎn)生的放電現(xiàn)象，雷云可以直接對地面的電氣設備及其建筑物進行放電，或產(chǎn)生雷電感應，因而導致過電壓的形成，此即所謂的雷電過電壓現(xiàn)象。由于雷電過電壓對于電氣設備的危害極大，因此必須采取有效的防護策略，以避免雷電過電壓的形成，通常而言，雷電過電壓防護時多從如下兩個方面進行：一方面應盡可能地減少雷電過電壓的產(chǎn)生；另一方面是一旦有雷電過電壓產(chǎn)生，應當立即采取有效措施將其危害程度降至最低。目前，現(xiàn)行的防護措施主要是使用避雷針及并聯(lián)電容器等來對直擊雷以及感應雷所帶來的過電壓幅值及陡度進行限制。

一、雷電過電壓的形成

對于雷電而言，其對大地的放電過程會由先導放電快速發(fā)展為主放電階段，同時會伴隨著雷鳴及閃電。而主放電階段的電流可高達數(shù)百千安培，雖然持續(xù)時間相當短，但是危害仍相當大，其所具有的沖擊特性會在微秒之內(nèi)迅速上升至最大幅值，其幅值同雷云中所具有的電荷量密切相關，此外，還與雷電頻繁程度相關。雷電過電壓主要包括如下兩種類型：

1.直擊雷過電壓，此種類型將會直擊導線，雷電將在導線上產(chǎn)生巨大的電流及過電壓，但是，此電壓并非完全施加在電氣設備絕緣上，因此，在對雷電過電壓危險程度以及防雷設備的防雷保護作用進行估計時，主要以雷電流的幅值及其坡頭的陡度為依據(jù)進行確定。

2.感應過電壓，對于輸電線路而言，除直擊雷過電壓類型以外，還會存在感應過電壓類型，一旦出現(xiàn)雷電天氣，即時雷電未直接擊中輸電線路，但是，輸電導線仍會感應出大量的束縛電荷，一旦雷云放電結束，此束縛電荷將會以光速飛速朝著導線的兩側進行傳播，進而產(chǎn)生極高的感應過電壓。因此，此種類型的過電壓對于低于35kV的輸電線路而言危害性極大。因此，為了避免此種類型的過電壓現(xiàn)象，應在建筑物周圍進行環(huán)形接地網(wǎng)的設置，并且，還應在室內(nèi)靠近地面的墻面進行公共接地母線的設置。

二、雷電過電壓對電氣設備的危害

由于雷電也是一種電流，因此，其具有電流有關的一切效應，其特點在于其可在短時間之內(nèi)以脈沖形式通過極大的電流，特別是直擊雷，其峰值可達幾十千安，甚至幾百千安。因而雷電流具有極其特殊和強大的破壞作用。具體而言，主要體現(xiàn)在如下方面：

1.雷電流所具有的熱效應可使被擊物體瞬間產(chǎn)生大量的熱量，雷電流通過時被擊物體的溫度可超過10000℃，因此十分容易導致火災的形成；

2.雷電所形成的激波可在空氣中傳播，并對建筑物及電氣設備帶來極大的破壞；

3.由于雷電流的點動力效應因而使得金屬導線發(fā)生折斷，對電力輸電線路造成極大的危害；

4.雷電電磁及靜電感應又被稱為二次雷，對于電氣設備的危害雖沒有直擊雷如此猛烈，但是發(fā)生幾率很大，可使大范圍內(nèi)的小局部同時產(chǎn)生雷電感應，并通過輸電線路傳輸至較遠的地方，因此會擴大雷災的范圍。對于電磁感應而言，其會導致導體產(chǎn)生極大的感應電動勢，若此導體存在接觸不良的情況，將會直接導致此處過熱而著火。而對于靜電感應而言，其將會在局部地區(qū)形成感應過電壓，此種感應過電壓將會導致高、低壓線路以及建筑物電氣設備均產(chǎn)生極高的危險電壓，因此危害很大。

三、電氣設備中雷電過電壓的防護對策研究

（一）采用有效的防雷保護裝置

1.避雷針

作為最為熟悉的避雷裝置之一，避雷針主要是由金屬制成的，其對電氣設備及建筑物的防雷效果較高，且接地裝置良好。其主要是通過將雷吸引到自身裝置中，然后再將其安全有效的導入地下實現(xiàn)防雷避雷的效果的，因此，可確保其周圍比他更矮的電氣設備及建筑物免受雷電的攻擊。避雷針主要包括了接閃器、引下線以及接地體三個組成部分，其具有引雷作用，因而能夠對周圍物體產(chǎn)生保護作用。對于避雷針而言，其下一定高度內(nèi)為一個有效的安全區(qū)域，此區(qū)域中的任何物體基本都不會受到雷電的危害，因而此區(qū)域又被稱為避雷針保護范圍。根據(jù)支數(shù)的差異，避雷針可分為單支、雙支以及多支避雷針。

2.避雷線

避雷線即所謂的架空地線，其是有高空中懸掛的水平接地導線、接地體以及接地引下線等構成。避雷線主要負責對線路進行保護，因此，其保護長度同線路的長度相同。為了提高避雷線的保護作用，必須將避雷線懸掛高一些。作為送電線路中最為基礎的一種防雷保護措施，避雷線不僅可以有效避免雷電對導線的直擊，還可以借助于避雷線以及接地引下線將雷電安全送至大地中，因此有效避免了雷電所造成的危害。因此，避雷線通常用來對較大規(guī)模的發(fā)電廠室外配電裝置、電氣設備以及建筑物等進行避雷保護。

3.閥式避雷器

閥式避雷器是電氣設備的其中一種主要的避雷保護裝置，其主要是由密封瓷套中所包含的火花間隙同非線性電阻共同構成的。由于閥型避雷器中的火花間隙是多個平板電極之間的單間隙串聯(lián)。因此，若電氣設備中無過電壓存在時，火花間隙的對地絕緣強度足夠大，當然也不會受到正常電壓的影響而被擊穿。然而，一旦系統(tǒng)中有過電壓情況出現(xiàn)，此時，火花間隙將迅速被擊穿，導致電流迅速通過閥片并流入大地中。對于國內(nèi)的普通閥式避雷器而言，其主要包括FS及FZ兩種系列。其中，F(xiàn)Z主要負責進行大容量及中等容量變電所電氣設備的防雷保護，而FS主要負責對小容量配電裝置中的電氣設備進行保護。閥式避雷器的避雷保護原則即對雷電過電壓進行限制，并相應地減少閥片的數(shù)量和串聯(lián)單間隙的數(shù)量，以實現(xiàn)放電電壓的大幅降低。此外，還應從確保系統(tǒng)順利運行的原則入手，增加閥片以及串聯(lián)單間隙的數(shù)目，以便切實提高避雷器的滅弧電壓與放電電壓。

4.金屬氧化物避雷器

金屬氧化物避雷器的特點是流通的容量大、反應動作快、體積小巧、結構簡單，而且保護作用特別好，是良好的避雷器。通常金屬氧化物避雷器是由氧化鋅和壓敏電阻構成的。

5.保護間隙

在眾多的避雷防護措施中，保護間隙結構最為簡單的避雷裝置，而且成本較低、維修和養(yǎng)護簡單，但是保護設備的性能不高。角型保護間隙是在10kv以下電網(wǎng)中常用的避雷裝置，當電氣設備出現(xiàn)過電壓時，保護間隙會自動放電來保護電氣設備。但過電壓有可能擊穿保護間隙造成工頻短路，造成相間短路電弧不能熄滅，必須重合閘裝置才可以保護電路和電氣設備的安全。

（二）對輸電線路的雷電過電壓防護策略

輸電線路在電力的傳輸中起著承上啟下的作用，如果輸電線路遭到了雷電過電壓的破壞，過電壓會通過輸電線路傳入到變電設備，甚至傳入發(fā)電設備，對所有絕緣產(chǎn)生威脅。地下輸電線路遭受到雷電過電壓的危害較小，而地上輸電線路一旦遭到雷電過電壓的打擊，會發(fā)生高溫閃絡現(xiàn)象。閃絡會在電路中形成低阻抗，使電路通道中產(chǎn)生工頻電弧，造成斷電或者短路。對輸電線路的雷電過電壓的具體保護措施大致分為以下幾類：

1.安裝避雷線。避雷線可以避免桿塔、導線等遭到雷電直擊，將雷電電流分流并降低塔頂電位對導線的反擊概率。此外，避雷線還有耦合作用，使導線耦合，從而減小桿塔與導線的電位差，降低絕緣子過電壓。

2.為了防止反擊導線的發(fā)生，可以通過降低桿塔的接地電阻來降低塔頂在雷擊時的點位。

3.增加輸電線路的絕緣部分，提升抗雷擊能力。

4.使用采用經(jīng)消弧線圈接地或中性點不接地方式運行，提高線路的耐雷能力。

5.安裝管式避雷器。避免線路中絕緣子上的閃絡，使絕緣子的沖擊放電電壓高于管式避雷器的沖擊放電電壓，從而限制過電壓。管式避雷器還有滅弧的作用，降低跳閘率。

6.安裝自動重合閘。

（三）對變配電站的雷電過電壓防護策略

在變配電站中，通常安裝有大量的變電和配電設備，如果雷電侵入到變配電站，雷電過電壓會破壞變、配電設備。雷電過電壓在輸電線路中會發(fā)生特性改變，通常會使輸電線路的波阻抗不同于電氣設備的波阻抗，改變波的行為。因此，變配電站的雷電過電壓防護工作特別復雜。為了保證電氣設備的安全可以安裝閥式避雷器等避雷裝置，避雷裝置所承受的電壓與電氣設備電壓一致，時刻保護著電氣設備的安全，但在實際的變配電站中，不可能做到一個電氣設備一個避雷裝置，通常是多個設備共用一個避雷裝置。

在變配電站，金屬氧化物避雷器和閥式避雷器是最常用避雷裝置，將避雷設備裝到線路中靠近變壓器的母線上，對變配電站的電氣設備進行過電壓保護。在架空輸電線路上安裝避雷設施可以完成進線段保護措施，降低雷電的電波陡度和電流幅值。由于閥式避雷器通流容量的限制，必須降低雷電電流幅值，從而使電氣設備超過避雷裝置的電壓與雷電波陡度成正比關系。

（四）對建筑物雷電過電壓的防護策略

在雷電過程中，雷電電波會通過金屬等介質進入建筑物，造成感應過電壓。對建筑物內(nèi)的電氣設備造成影響，甚至損害這些電氣設備。而且如果這些電氣設備正在被使用，雷電過電壓還會危害使用者的人身安全，甚至引起火災的發(fā)生。因此，對建筑物的雷電過電壓保護應當盡量把建筑物內(nèi)的金屬等導電裝置和介質接地，并限制接地的電阻。

1.保護建筑物內(nèi)電氣設備的安全。第一，在建筑物電力線路的進出口處設置避雷裝置，降低建筑物內(nèi)電氣設備所承受的雷電過電壓。第二，在雷電發(fā)生時，避免雷電電流在進入建筑物后產(chǎn)生過電壓并對其他物體造成反擊放電，所以，在安裝電位連接保持各個相鄰部位的電位一致。

2.對建筑物內(nèi)人的保護措施。當雷電通過介質侵入到建筑物時，過電壓可能會對人危害，因此，在建筑物安裝電位連接等可以較好的避免人受到電擊危險。

3.為了避免建筑物內(nèi)各種電氣設備的安全，可以采取接地法保護電氣設備的安全。在建筑物內(nèi)安裝不同用途的接地設施，要注意保持接地設施的距離，防止反擊現(xiàn)象的出現(xiàn)。通常情況下，建筑物使用基礎鋼筋作為接地裝置，為了保證接地裝置之間的距離安全，還要使用共同接地方法。此外，如果采用公共接地的方式，要嚴格的控制接地電阻的大小，并采取同一套的接地設備。等電位連接的方式主要有局部等電位連接和總等電位連接。局部等電位連接中，應保持某一區(qū)域或范圍內(nèi)電位基本一致；總等電位連接中，連接外接導線和建筑物內(nèi)的電氣設備導電部位。

四、結語

在大自然中，雷電的發(fā)生通常會形成超高的電壓和極大的電流，過電壓會對電氣設備造成非常大的威脅，破壞電氣設備，甚至形成災害。因此，當雷電過電壓產(chǎn)生時，要對電氣設備進行防護，安裝防雷設施，保證電氣設備的正常運行，將雷電過電壓對電氣設備的危害降到最低。

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