防雷接地技術(shù)在變電站中的應(yīng)用

高 昂，江 鈞

國網(wǎng)鎮(zhèn)江供電公司，江蘇 鎮(zhèn)江 212000

0 引言

變電站是常見的電力輸送載體，當(dāng)前，我國電力系統(tǒng)中常見的變電站類型十分容易遭受雷電襲擊[1]。雷電災(zāi)害出現(xiàn)后釋放的巨大能量不僅會(huì)對(duì)變電站帶來嚴(yán)重的損害，誘發(fā)供電障礙，嚴(yán)重的情況下還會(huì)誘發(fā)火災(zāi)，嚴(yán)重威脅人們的生命財(cái)產(chǎn)安全。為此，文章在闡述防雷接地技術(shù)應(yīng)用原理的基礎(chǔ)上結(jié)合變電站的運(yùn)行情況，就防雷接地技術(shù)在變電站中的應(yīng)用進(jìn)行深入的探討。

1 雷電入侵變電站的途徑

雷電是影響電力系統(tǒng)安全、穩(wěn)定運(yùn)行的重要因素。變電站是重要的電力系統(tǒng)運(yùn)行樞紐，一旦遭受雷擊，將出現(xiàn)大面積的停電，最終對(duì)社會(huì)生產(chǎn)和居民生活帶來嚴(yán)重影響[2]。經(jīng)過統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)，在我國高壓輸電線路總跳閘事故中，有40%～70%是由雷擊引起的，特別在雷電多發(fā)、土壤電阻率高、地形復(fù)雜的地區(qū)，跳閘事故的嚴(yán)重程度和發(fā)生頻率更高。從實(shí)際情況來看，雷電入侵變電站的途徑主要包含以下三種。

1.1 雷電電磁感應(yīng)

從變電站的實(shí)際情況來看，電站內(nèi)部使用的鋼筋、布線層內(nèi)進(jìn)出高壓場地的各個(gè)線路都容易產(chǎn)生雷電。在直擊雷電電流通過引下線時(shí)，會(huì)在變電站室內(nèi)出現(xiàn)電磁感應(yīng)[3]。在變電站周圍出現(xiàn)雷擊時(shí)，變電站內(nèi)部配電線路也會(huì)在遭受雷擊后出現(xiàn)電磁感應(yīng)。電磁感應(yīng)產(chǎn)生的過電壓會(huì)直接影響各個(gè)設(shè)備的運(yùn)行，最終加速設(shè)備的老化，嚴(yán)重的情況下還會(huì)損壞設(shè)備。

1.2 地反擊

在變電站線路遭受雷擊時(shí)，雷電會(huì)經(jīng)過防雷接地裝置進(jìn)入接地網(wǎng)[4]。在強(qiáng)大雷電流的沖擊下，如果出現(xiàn)接地電阻偏大或者接網(wǎng)不均勻問題，會(huì)提升接地網(wǎng)的電壓。如果電位差超過設(shè)備最高耐壓數(shù)值，地電位對(duì)設(shè)備反擊后就會(huì)出現(xiàn)損壞。

1.3 侵入波

在變電站架空線路遭受雷擊后，雷電流會(huì)經(jīng)過線路入侵變電站[5]。

1.3.1 由電源線入侵

在感應(yīng)雷過電壓積累到一定程度后，雷電波會(huì)沿著電源線傳遞到變電站。電壓如果超過變電站內(nèi)部二次設(shè)備電子元器件的最大耐壓值，就會(huì)擊穿設(shè)備，最終影響變電站的穩(wěn)定運(yùn)行。

1.3.2 經(jīng)信號(hào)線入侵

在雷電波經(jīng)過天線或者衛(wèi)星信號(hào)線時(shí)，雖然被轉(zhuǎn)化后的電流、電壓信號(hào)會(huì)被削弱，但是仍然會(huì)高于變電站內(nèi)部二次設(shè)備的整定數(shù)值，最終導(dǎo)致二次設(shè)備損壞。信號(hào)線中的電流、電壓耦合后會(huì)出現(xiàn)較高的過電壓，過電壓會(huì)對(duì)電源線和線路通信帶來不利影響。

1.3.3 經(jīng)接地線入侵

在雷電流經(jīng)過防雷引下線被導(dǎo)入大地時(shí)，如果進(jìn)入地下的電荷無法和大地電荷融合在一起，就會(huì)經(jīng)過接地線入侵變電站。這些電荷如果施加在變電站內(nèi)部的二次設(shè)備上，就會(huì)對(duì)變電站的二次設(shè)備帶來嚴(yán)重的損害。

2 防雷接地技術(shù)的應(yīng)用原理

防雷接地技術(shù)的主要應(yīng)用原理是將建筑設(shè)備中感應(yīng)到的雷電或者接收到的雷電借助接地系統(tǒng)傳輸至其他安全區(qū)域，從而保護(hù)建筑免遭雷電的侵害[6]。

電氣設(shè)備接地是防雷接地工作的重要內(nèi)容，按照接地作用大體上分為三種類型：

（1）電壓保護(hù)接地（防雷接地），即通過電壓保護(hù)設(shè)備或者接地裝置中的金屬結(jié)構(gòu)進(jìn)行有效接地；

（2）工作接地，在工作接地操作時(shí)選擇大地作為基本導(dǎo)線，通過工作接地來確保建筑電氣設(shè)備和通信設(shè)備正常運(yùn)行；

（3）保護(hù)接地，應(yīng)用不帶電的金屬設(shè)備外殼完成接地[7]。

3 防雷接地技術(shù)在變電站中的作用

在變電站運(yùn)行過程中，接地系統(tǒng)是否科學(xué)、合理直接關(guān)系到變電站設(shè)備及使用人員的安全[8]。在電力系統(tǒng)規(guī)模不斷擴(kuò)大的今天，變電站接地系統(tǒng)也隨之發(fā)生了深刻的變化。變電站的防雷接地既復(fù)雜又不可或缺，其好壞直接影響電氣系統(tǒng)設(shè)備和人身安全[9]。在電力系統(tǒng)日益發(fā)展、電網(wǎng)規(guī)模逐漸擴(kuò)大、接地短路電流增大、各式各樣的微機(jī)監(jiān)控設(shè)備不斷普及和應(yīng)用的背景下，人們對(duì)變電站運(yùn)行過程中的防雷接地工作開始提出更高的要求[10]。從變電站工作的實(shí)際情況來看，防雷接地技術(shù)在變電站中的應(yīng)用意義具體表現(xiàn)在以下方面。

3.1 接閃

接閃是讓一定范圍內(nèi)出現(xiàn)的閃電按照人們事先設(shè)計(jì)的防雷系統(tǒng)的規(guī)定通道，通過良好的接地有效地泄放雷電能量，降低引下線上的電壓，將雷電能量泄放到大地，減少對(duì)被保護(hù)物體產(chǎn)生的破壞作用。接閃裝置包括避雷針、避雷帶、避雷線和避雷網(wǎng)。

3.2 均壓

接閃裝置在接閃雷電時(shí)，引下線立即產(chǎn)生高電位，會(huì)對(duì)防雷系統(tǒng)周圍的導(dǎo)體產(chǎn)生旁側(cè)閃絡(luò)，并使其電位升高，進(jìn)而對(duì)人員和設(shè)備構(gòu)成危害。為了減少這種閃絡(luò)危險(xiǎn)，最簡單的辦法是采用均壓環(huán)，將處于地電位的導(dǎo)體等連接起來，一直連到室內(nèi)的金屬設(shè)施、電氣裝置和電子設(shè)備。如果防雷系統(tǒng)的導(dǎo)體特別是接閃裝置的距離達(dá)不到安全要求時(shí)，應(yīng)該用較粗的導(dǎo)線將其與防雷系統(tǒng)進(jìn)行等電位連接，這樣在閃電電流通過時(shí)，室內(nèi)的所有設(shè)施立即形成等電位，保證導(dǎo)電部件之間不產(chǎn)生有害的電位差。

3.3 屏蔽

電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行有兩方面的要求，一是要保證設(shè)備及人身的安全，二是要保證電力系統(tǒng)的正常運(yùn)行，這些都與接地裝置的設(shè)計(jì)分不開。變電站防雷接地工作的順利開展能夠?yàn)殡娏ο到y(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行提供充分支持。其中，在變電站設(shè)置避雷裝置能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)變電站的防雷保護(hù)，達(dá)到屏蔽雷電的目的。屏蔽是利用金屬網(wǎng)、箔、殼或管子等導(dǎo)體把需要保護(hù)的對(duì)象包圍起來，使雷電電磁脈沖波入侵的通道全部截?cái)唷Ｋ械钠帘翁?、殼等均需要接地。屏蔽是防止雷電電磁脈沖輻射影響電子設(shè)備的最有效方法。

4 防雷接地技術(shù)在變電站中的應(yīng)用方法

4.1 科學(xué)安裝防雷接地裝置

在變電站中，常規(guī)意義上的接地體、接地線等分為自然和人工兩個(gè)類型。在接地方式中，人工接地方式是最常見的防雷接地方式，操作人員應(yīng)緊密結(jié)合人工接地的技術(shù)應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)，排除各類外界因素干擾，使接地電阻達(dá)到規(guī)定數(shù)值。與此同時(shí)，人工接地方式還可以分為水平接地和垂直接地兩個(gè)類型，至于具體選擇何種接地方式，需要考慮土壤的性質(zhì)和接地裝置的接觸狀態(tài)。其中，如果采用垂直接地，接地裝置之間需要設(shè)置至少5 m的間隔距離，頂部埋藏深度需要控制在0.5～0.8 m。接地體在同向道路及出入口位置上要做好必要的銜接處理。接地體和同一個(gè)方向上的道路出入口需要保持3 m左右的距離，如果間隔距離低于3 m，接地體的頂部高度需要在1 m以上，寬度需要在2 m以下。如果接地裝置設(shè)置在土壤內(nèi)部，對(duì)待接地裝置的連接部位需要實(shí)施必要的焊接處理，目的是強(qiáng)化各個(gè)電氣接地裝置的關(guān)聯(lián)。

4.1.1 接地線

在具體應(yīng)用中，一般接地會(huì)選擇使用接地線。接地線主要是指接地體的外引線，在實(shí)施連接操作時(shí)，可以設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)的主接地線、等電位連接板和分接地線。防雷裝置的接地線主要是指防雷接閃裝置的引下線，材質(zhì)可以是圓鋼或者扁鋼，在確定接地線的材質(zhì)之后需要對(duì)其實(shí)施必要的焊接以及防靜電、防雷保護(hù)處理。

4.1.2 接地網(wǎng)

接地網(wǎng)是變電站防雷工作的關(guān)鍵，在具體操作時(shí)可以通過一定裝置的配合將雷電擊打產(chǎn)生的危害程度降到最低。為了使變電站達(dá)到理想的防雷效果，相關(guān)人員需要嚴(yán)格按照規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置接地網(wǎng)。從實(shí)際應(yīng)用角度來看，接地網(wǎng)是連接接閃器、地面電氣的重要裝置。變電站接地網(wǎng)的作用體現(xiàn)在將電荷導(dǎo)入大地，并和異種電荷產(chǎn)生中和反應(yīng)，如果接地系統(tǒng)的網(wǎng)格設(shè)計(jì)得不夠合理，就會(huì)出現(xiàn)電纜絕緣和電氣設(shè)備損壞問題，嚴(yán)重的情況下還會(huì)威脅變電站工作人員的生命財(cái)產(chǎn)安全，最終對(duì)變電站的運(yùn)行發(fā)展帶來不利影響。為了讓變電站不遭受雷電破壞，在設(shè)計(jì)接地網(wǎng)時(shí)，接地網(wǎng)要盡可能地使用房屋地基的金屬物；接地網(wǎng)必須呈現(xiàn)閉合、環(huán)形的狀態(tài)；在具體設(shè)計(jì)時(shí)，接地網(wǎng)一般使用接一點(diǎn)的方式。

4.2 積極使用預(yù)防電棒和負(fù)角保護(hù)針

為了提升變電站防雷接地成效，需要在防雷接地操作中積極使用預(yù)防電棒和負(fù)角保護(hù)針。在防雷接地管理中，設(shè)計(jì)人員應(yīng)在達(dá)到防雷接地標(biāo)準(zhǔn)后，采用合理管控措施縮短導(dǎo)線和接地線之間的間隔距離，縮短二者之間的間距，適當(dāng)縮減塔桿的分流間距，在確保系統(tǒng)平穩(wěn)運(yùn)行的基礎(chǔ)上合理安設(shè)預(yù)防電棒和負(fù)角保護(hù)針，降低防雷接地臨界電流發(fā)生的頻率。

4.3 科學(xué)設(shè)置接閃裝置

接閃裝置的應(yīng)用范圍較廣。一般情況下，操作人員會(huì)將避雷針應(yīng)用到建筑物的頂部，將避雷網(wǎng)設(shè)置在女兒墻上。

4.3.1 避雷網(wǎng)

在避雷網(wǎng)施工時(shí)，施工人員要嚴(yán)格遵循相關(guān)規(guī)定，將避雷網(wǎng)鋪設(shè)到屋脊或者屋角上容易遭受雷擊的位置。在敷設(shè)避雷網(wǎng)時(shí)，要嚴(yán)格控制避雷網(wǎng)的面積，避雷網(wǎng)的敷設(shè)形狀一般設(shè)定為正方形。

4.3.2 避雷針

在使用避雷針時(shí)，需要設(shè)置配套的接地裝置，在接地裝置的作用下實(shí)現(xiàn)建筑內(nèi)外部的順利連接，最終形成等電位。為了規(guī)避雷電反擊，接地點(diǎn)需要和避雷針的引線入地點(diǎn)保持一定的距離，對(duì)于有金屬結(jié)構(gòu)的部分，要采取措施強(qiáng)化金屬結(jié)構(gòu)和地面的結(jié)合。如果建筑屋頂是混凝土結(jié)構(gòu)，需要進(jìn)行混凝土的焊接操作，通過混凝土焊接形成網(wǎng)接地，在保證建筑屋頂結(jié)構(gòu)不導(dǎo)電的情況下，確保防雷措施積極有效。

4.4 合理設(shè)置引下線

在設(shè)置接閃裝置的基礎(chǔ)上，為了提升裝置的安全系數(shù)和可靠系數(shù)，需要結(jié)合實(shí)際情況設(shè)置引下線的數(shù)量，并以強(qiáng)度作為重要參考依據(jù)，通過適當(dāng)增加引下線來降低沖擊接地電阻。引下線在建筑電氣工程中用來連接接閃帶和接地裝置，合理設(shè)置引下線能夠提高防雷反擊的效率。

為了保證引下線可承受過大電流輸入，施工人員需要提前分析地下線的強(qiáng)度和抗腐蝕強(qiáng)度，同時(shí)，在施工設(shè)計(jì)圖紙中需要標(biāo)明防雷引下點(diǎn)的位置，并在后續(xù)的施工中嚴(yán)格按照標(biāo)點(diǎn)開展施工，對(duì)地下結(jié)構(gòu)的鋼筋進(jìn)行科學(xué)綁扎。在連接用戶和接地級(jí)時(shí)，需要做好各個(gè)弱電箱的跨接工作，避免設(shè)備暴露在外。

4.5 采用等電位連接方式

在變電站的防雷接地施工中，施工人員可以通過等電位的連接來達(dá)到保護(hù)接地的目的。在整個(gè)變電站出現(xiàn)運(yùn)行事故時(shí)，可以通過等電位連接措施避免接電部位和電壓的接觸，使得電氣設(shè)備形成一種保護(hù)機(jī)制，在最大程度上避免電氣設(shè)備出現(xiàn)故障。另外，針對(duì)電位差的問題，變電站工作人員可以通過建筑等電位連接消除電位差，確保電器設(shè)備安全。

5 結(jié)束語

綜上所述，科學(xué)合理的防雷接地設(shè)計(jì)是確保變電站穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵因素。相關(guān)人員需要結(jié)合變電站的實(shí)際情況和防雷接地要求，采取積極的措施改進(jìn)防雷接地設(shè)計(jì)方案，并在防雷接地工作開展的過程中采取正確的方法施工，從而更好地發(fā)揮變電站防雷接地技術(shù)的重要作用。同時(shí)，將防雷接地技術(shù)應(yīng)用在變電站中時(shí)，需要考慮變電站的地理位置、周圍環(huán)境、土質(zhì)條件、設(shè)備使用性能等對(duì)變電站防雷接地設(shè)計(jì)的影響，并采取對(duì)應(yīng)的措施，由此保證電網(wǎng)的安全可靠，確保電力資源對(duì)各個(gè)領(lǐng)域的持續(xù)性供應(yīng)，全面保障我國變電站的運(yùn)行安全。