變電站防雷設(shè)計(jì)研究

陳旭俊　賈紅芳　劉文燕

摘要：防雷措施是變電站電氣設(shè)計(jì)的重點(diǎn)內(nèi)容，能有效保證變電站免受雷電過(guò)電壓危害，提高變電站的防雷能力。現(xiàn)以110 kV變電站為例，分析了產(chǎn)生雷電過(guò)電壓的原因和危害，結(jié)合實(shí)際變電站雷擊事故案例，介紹了一些常見(jiàn)的防雷措施。

關(guān)鍵詞：變電站;防雷設(shè)計(jì);保護(hù)措施

0 引言

變電站作為電力系統(tǒng)中變電、輸電的重要環(huán)節(jié)，一旦因雷擊造成變電站線路、電氣設(shè)備損壞，可能會(huì)發(fā)生變電站停運(yùn)、起火和爆炸等事故，甚至導(dǎo)致電網(wǎng)癱瘓。因此，變電站防雷設(shè)計(jì)顯得尤為重要。

1 雷電的危害

以110 kV變電站為例，110 kV線路的50%沖擊閃絡(luò)電壓U50%為700 kV，變壓器全波絕緣電壓為450 kV，避雷器的最大沖擊電流為5 kA。一旦雷電波或雷電感應(yīng)產(chǎn)生的電壓和電流超過(guò)以上數(shù)值，都會(huì)損壞電氣設(shè)備。特別是變電站內(nèi)的弱電裝置，更容易遭受損壞。

2 直擊雷的保護(hù)措施

2.1? ? 避雷針保護(hù)裝置

通過(guò)多支避雷針的聯(lián)合保護(hù)，可以大幅度降低雷電直接擊中變電站的概率。單避雷針的保護(hù)范圍是有限的，避雷保護(hù)若沒(méi)有對(duì)站內(nèi)建筑和設(shè)備實(shí)現(xiàn)全覆蓋，會(huì)造成巨大的安全隱患。對(duì)避雷針的裝設(shè)位置是有要求的，若前期設(shè)計(jì)不規(guī)范，后期需要花費(fèi)更多的資源和財(cái)力。當(dāng)避雷針布置符合規(guī)范要求，雷電一般不會(huì)擊中站內(nèi)設(shè)備。

2.2? ? 雷擊避雷針時(shí)的擊穿距離

雷擊時(shí)會(huì)產(chǎn)生很大的電位差，能夠擊穿附近的絕緣介質(zhì)。以雷擊獨(dú)立避雷針為例，如圖1所示。

擊穿絕緣介質(zhì)的距離計(jì)算公式如式（1）、式（2）所示[1]。

式中，Sk為獨(dú)立避雷針與變電站設(shè)備、架構(gòu)的空中距離（m）;Sd為獨(dú)立避雷針與變電站設(shè)備、架構(gòu)接地點(diǎn)的地中距離（m）;Ri為沖擊接地電阻值（Ω）;h為避雷針校驗(yàn)點(diǎn)高度（m）。

考慮一定裕度，取Ri=Ri.max=10 Ω，h=30 m可算出Sk=5 m，Sd=3 m。因此，Sk與Sd不能少于上述值。除此之外，絕緣較弱的配電裝置，如分級(jí)絕緣的中性點(diǎn)、35 kV及以下配電裝置設(shè)備應(yīng)遠(yuǎn)離避雷針及其接地點(diǎn)。

2.3? ? 案例分析

直接雷的保護(hù)范圍中容易被忽略的誤區(qū)[2-3]：一是終端桿塔到進(jìn)線的防雷保護(hù)易被忽略，如圖2（a）所示進(jìn)線段保護(hù)，沒(méi)有敷設(shè)避雷線處到母線的距離。若此處不受避雷針保護(hù)，應(yīng)加裝避雷線;二是在避雷針保護(hù)范圍內(nèi)，處于原本單針保護(hù)范圍外側(cè)是比較薄弱的部分，站內(nèi)的重要設(shè)備應(yīng)盡量避免安裝于此。

3 雷電波侵入保護(hù)

在防雷電波侵入的措施中，避雷器應(yīng)與設(shè)備形成良好的電氣絕緣配合，且與被保護(hù)設(shè)備的電氣距離應(yīng)符合要求。

3.1? ? 避雷器與被保護(hù)電氣設(shè)備的最大距離

以變壓器為例，考慮最嚴(yán)重的情況，即雷電繞擊避雷器的導(dǎo)線處，此時(shí)雷電波沿著線路侵入變電站，進(jìn)入電力系統(tǒng)，如圖2（b）所示。

此時(shí)變壓器的對(duì)地電位為避雷器殘壓值與線路壓降之和。雷電流的波前時(shí)間為T(mén)=2.6 μs，波速v=300 m/μs，若l≤2.6×300=780 m，此時(shí)變壓器電位與距離l的關(guān)系如式（3）[4]所示。

式中，ln為進(jìn)線數(shù)為n時(shí)避雷器到變壓器的最大允許距離（m）;Kn為進(jìn)線數(shù)為n時(shí)的進(jìn)線修正系數(shù)。計(jì)算結(jié)果顯示，不同進(jìn)線段長(zhǎng)度的修正系數(shù)差別不是很大。

3.3? ? 案例分析

事實(shí)證明，選擇氧化鋅避雷器更為可靠，特別是在多雷區(qū)等雷電頻繁的場(chǎng)合。變電站進(jìn)線處應(yīng)裝避雷器，否則當(dāng)雷電擊中導(dǎo)線時(shí)，斷路器會(huì)跳閘，電流互感器會(huì)失去避雷器的保護(hù)[5-6]。此外，在進(jìn)出線、變壓器、電壓互感器、中性點(diǎn)、母線處都應(yīng)安裝避雷器。

4 感應(yīng)過(guò)電壓保護(hù)

4.1? ? 線路感應(yīng)過(guò)電壓

當(dāng)雷電擊中桿塔，此時(shí)周?chē)€路的感應(yīng)電壓如式（6）[4]所示。

式中，Ui為線路雷電感應(yīng)過(guò)電壓幅值（kV）;k0為避雷線與線路的幾何耦合系數(shù);hg為避雷線平均高度（m）;α為感應(yīng)過(guò)電壓系數(shù)（kV/m），數(shù)值上等于雷電流的時(shí)間陡度平均值，即α=I/2.6。

設(shè)35 kV導(dǎo)線hc取值為8～10 m，若沒(méi)裝避雷線，k0=0，會(huì)產(chǎn)生308～385 kV的過(guò)電壓。此時(shí)35 kV導(dǎo)線有被擊穿風(fēng)險(xiǎn)，需要裝設(shè)避雷線，通過(guò)減少k0降低過(guò)電壓幅值。

4.2? ? 設(shè)備感應(yīng)過(guò)電壓

對(duì)于站內(nèi)設(shè)備的絕緣，特別是35 kV及以下的配電裝置、低壓設(shè)備和弱電裝置，除了增大與接閃器及其引下線的空氣和地中距離，還應(yīng)做好接地網(wǎng)設(shè)計(jì)，建立等電位點(diǎn)，形成屏蔽網(wǎng)，避免出現(xiàn)感應(yīng)過(guò)電壓[7]。

4.3? ? 案例分析

在某35 kV變電站中，因?yàn)闆](méi)做好等電位聯(lián)結(jié)和聯(lián)合接地，避雷針旁的探照燈發(fā)生電磁感應(yīng)，沿著電纜進(jìn)入電源板，造成重大損失。因此，電纜的金屬外皮或穿入的金屬管應(yīng)接地，接地長(zhǎng)度應(yīng)大于10 m，以提高屏蔽作用[8]。

5 結(jié)語(yǔ)

雷電保護(hù)措施作為專家學(xué)者研究的重點(diǎn)，需要積累大量實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。本文以110 kV變電站為例，研究了常見(jiàn)的防雷措施，結(jié)合實(shí)際雷擊事故和理論分析，提出了在防雷設(shè)計(jì)中容易忽略的關(guān)鍵點(diǎn)，為變電站的防雷設(shè)計(jì)提供了參考。

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作者簡(jiǎn)介：陳旭?。?997—），男，廣東汕頭人，從事變電站防雷設(shè)計(jì)研究工作。

通信作者：賈紅芳（1978—），女，山西人，講師，從事電力系統(tǒng)運(yùn)行及微電網(wǎng)方面的研究工作。