變電站的防雷接地技術(shù)研究

重慶恩力吉投資有限責(zé)任公司 嚴(yán)佳玕

1 提出問(wèn)題

西南地區(qū)每年的暴風(fēng)雨增幅很大，因此變電站設(shè)計(jì)過(guò)程中，要保護(hù)變電站設(shè)備的安全，提高供電可靠性，優(yōu)化防雷設(shè)計(jì)，加強(qiáng)變電站的防雷措施，盡量減少雷電事故的發(fā)生率。

2 雷電對(duì)變電站的危害

2.1 雷的直擊和繞擊危害

天空中的風(fēng)暴云攜帶與地球表面相反的電荷。當(dāng)風(fēng)暴云穿過(guò)變電站的避雷針或其他突出的物體時(shí)，物體上方的電場(chǎng)變形。在閃電期間，風(fēng)暴云底部的電荷在地表上逐漸發(fā)展。如果地面高度小于100m，當(dāng)變形的局部電荷開(kāi)始向上移動(dòng)時(shí)，電場(chǎng)將從突出物體的頂部產(chǎn)生。當(dāng)兩個(gè)電荷合并時(shí)，這表明閃電開(kāi)始進(jìn)入放電的主要階段，如果安裝了單獨(dú)的避雷針，可能會(huì)有大量雷擊分散在旁邊，同時(shí)能夠直接擊中避雷針或繞過(guò)避雷針保護(hù)區(qū)內(nèi)的物體。雷電的主放電釋放大量能量，雷電電流通常在數(shù)萬(wàn)到數(shù)十萬(wàn)安培之間。這種能量沖擊可能導(dǎo)致建筑物倒塌，電氣設(shè)備損壞，甚至可能導(dǎo)致重大爆炸，造成人員傷亡。

2.2 雷電侵入波危害

雷電通常以線性或感應(yīng)雷的形式沿線路或管道進(jìn)入變電站，對(duì)變電站的電氣設(shè)備造成損壞，由于線路或管道的電容和電感的存在，以及在雷電沖擊電壓的作用下出現(xiàn)的電暈對(duì)波的傳輸呈波幅降低陡度減小的作用，當(dāng)線路或管道長(zhǎng)度較長(zhǎng)時(shí)，雷電的傳輸速度會(huì)降低，當(dāng)雷波通過(guò)材料的不同參數(shù)時(shí)，會(huì)發(fā)生折射，將反射閃電波并引起電涌。電阻突然變化，導(dǎo)致電壓波動(dòng)，增加變電站設(shè)備的風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)。

3 接地裝置

3.1 接地體

接地物體可分為自然物體和人工物體，在設(shè)計(jì)中，常采用人工接地來(lái)達(dá)到要求的接地電阻，防止其他外部因素的影響，人工接地可分為水平和垂直接地，接地電阻包括接合區(qū)，取決于接縫的狀態(tài)和土壤與土壤之間土壤性質(zhì)。垂直之間的距離約為5cm，上部深度為0.5～0.8m，主場(chǎng)地與道路或運(yùn)河的距離≥3m。當(dāng)土壤尺寸＜3m 時(shí)，覆蓋1m 以上或2m 以上的瀝青礫石應(yīng)埋在地頂。接地裝置的連接部分為電氣連接，應(yīng)按照說(shuō)明書(shū)中規(guī)定的板長(zhǎng)度進(jìn)行焊接，焊接區(qū)域必須進(jìn)行防腐處理。

在某些情況下，接地裝置本身的電阻相對(duì)較小，接地電阻主要指擴(kuò)散電阻，當(dāng)通過(guò)接地體的脈沖電流到達(dá)地面時(shí)，此時(shí)接地電阻稱為脈沖接地電阻。接地電阻通常小于電源頻率的接地電阻，電流密度較高，局部火花放電發(fā)生在地球上的太空中，這相當(dāng)于增加接地物體的大小并降低地球的電阻。

3.2 接地線

接地是連接受保護(hù)或受保護(hù)物體的外部接地線?？梢园惭b主接地線、等距接線板和分接地線。防雷裝置接地線是防雷裝置的導(dǎo)線，可以是圓鋼或扁鋼，兩端可根據(jù)規(guī)定的層長(zhǎng)度焊接，以實(shí)現(xiàn)電氣連接。用于抗靜電和抗干擾保護(hù)的主接地線通常使用多層銅纜，分接地線采用多股銅芯軟線。接地以防止機(jī)械損壞和化學(xué)腐蝕，如防腐漆或鍍鋅。接地部分應(yīng)進(jìn)行熱穩(wěn)定性檢查。

變電站電氣設(shè)備接地導(dǎo)體的鋪設(shè)應(yīng)滿足幾點(diǎn)要求。一是接地線應(yīng)焊接。在裝配焊接中，鋼板的長(zhǎng)度應(yīng)為板寬的兩倍或圓鋼直徑的六倍。二是使用鋼管接地時(shí)，以確保鋼管電氣連接的可靠性。使用螺紋鋼管接地時(shí)，導(dǎo)電單元的鋼管與電氣單元之間需要可靠的電氣連接。三是延長(zhǎng)接地線（如管道和接地電極）之間的連接應(yīng)焊接。當(dāng)管道因維修而斷裂時(shí)，連接點(diǎn)必須靠近，接地裝置的接地電阻也必須符合規(guī)定要求，接地導(dǎo)體與接地極之間的連接必須采用焊接。地線與電氣設(shè)備的連接可采用螺釘或焊接。連接螺栓時(shí)必須提供螺母或安全墊。每個(gè)接地的電氣設(shè)備應(yīng)通過(guò)單獨(dú)的接地導(dǎo)體連接到接地排。不能將多個(gè)連續(xù)接地元件連接到單個(gè)接地線。

4 防雷保護(hù)措施

防雷措施可避免雷電波，使用保護(hù)裝置將雷波引入接地網(wǎng)絡(luò)。排雷行動(dòng)保護(hù)措施應(yīng)包括根據(jù)受保護(hù)物體的一般形狀、頻率、雷電強(qiáng)度、重要性和特點(diǎn)建立適當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)裝置。

4.1 避雷針或避雷線

閃電只能通過(guò)阻擋和引導(dǎo)來(lái)改變接地路徑。避雷針有避雷針和避雷線，大多數(shù)小型變電站使用單個(gè)避雷針，但大多數(shù)大型變電站在變電站結(jié)構(gòu)上使用避雷針或避雷線或兩者的組合，同時(shí)也對(duì)電纜和接地設(shè)備有嚴(yán)格要求。

4.2 避雷器

避雷器可將進(jìn)入變電站的避雷針減少至電氣設(shè)備絕緣強(qiáng)度的允許值。我國(guó)主要使用金屬氧化物避雷器。此外，故障后所有電氣設(shè)備的備用保護(hù)會(huì)造成漏洞。

4.3 浪涌抑制器

浪涌保護(hù)端子用于提高對(duì)電氣設(shè)備的保護(hù)，防止電氣設(shè)備和電子部件損壞。重要設(shè)備的電源輸入和輸出必須配備防雷裝置。所選電源防雷裝置連接到遠(yuǎn)程通信并連接到管理器背景，如果由于電源防雷模塊故障引起雷擊，可以在監(jiān)控器上顯示其狀態(tài)，在控制、通訊接口處加裝浪涌抑制器。

4.4 接地裝置

獨(dú)立避雷器必須單獨(dú)接地；建筑物防雷網(wǎng)的水下線路應(yīng)焊接到建筑物全長(zhǎng)的主桿和建筑物的環(huán)形主桿上，并連接到外部人造土形成接地和工作土，形成這種潛在效果，確保防雷系統(tǒng)的安全可靠，跳閘線應(yīng)至少有兩條。多條下降線可用于降低接地沖擊強(qiáng)度，海底線路應(yīng)機(jī)械牢固，電接觸良好，變電站防雷接地強(qiáng)度不超過(guò)1Ω。

4.5 積極使用預(yù)防電棒和負(fù)角保護(hù)針

為了提高變電站的接地能力，應(yīng)積極使用避雷針和負(fù)角保護(hù)桿進(jìn)行接地工作。在檢查防雷接地時(shí)，在達(dá)到防雷接地標(biāo)準(zhǔn)后，設(shè)計(jì)師應(yīng)采取合理的控制措施，縮短電線接地距離，縮短電線接地距離以減少電線桿之間的距離，在保證系統(tǒng)正常運(yùn)行的基礎(chǔ)上，合理調(diào)整保護(hù)桿和負(fù)角保護(hù)銷，將接地電流的臨界頻率降低到雷電頻率。

4.6 合理設(shè)置引下線

在安裝避雷針的基礎(chǔ)上，為了提高安裝的安全性和可靠性，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況確定跳閘線的數(shù)量，以此為重要參考基礎(chǔ)，適當(dāng)增加引下線，以降低接地沖擊強(qiáng)度。下水道用于將避雷針連接到地面。配置用于提高排雷行動(dòng)的有效性。為了使下水道能夠承受過(guò)多的電流輸入，建筑商將提前分析地下導(dǎo)體的強(qiáng)度和耐腐蝕性，防雷線路的位置應(yīng)在設(shè)計(jì)和施工圖紙上注明。在隨后的施工中，為了嚴(yán)格遵循施工的基本點(diǎn)，地下建筑的鋼筋必須科學(xué)地固定，在用戶連接到接地極后，需要做好各個(gè)弱電箱的跨接工作，避免設(shè)備暴露在外。

4.7 采用等電位連接方式

變電站施工接地時(shí)，制造商可以通過(guò)等電位接頭實(shí)現(xiàn)接地保護(hù)的目標(biāo)，在整個(gè)變電站緊急運(yùn)行的情況下，采取電位連接措施，防止接電部分接觸電壓，從而形成用于保護(hù)電氣設(shè)備并盡可能避免電氣設(shè)備故障的機(jī)構(gòu)。對(duì)于電位差問(wèn)題，變電站人員可以消除潛在連接的潛在差異，從而確保電氣設(shè)備的安全。

5 防雷電感應(yīng)

現(xiàn)代變電站具有相對(duì)完整的直接沖擊保護(hù)系統(tǒng)，直接沖擊損壞外部設(shè)備的可能性很小，然而，雷電放電和防雷系統(tǒng)的電磁脈沖，以及金屬管道和電纜的雷電過(guò)載，會(huì)對(duì)控制室中的各種小功率設(shè)備造成嚴(yán)重的電磁干擾，影響整個(gè)系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

雷電電流主要通過(guò)集中接地通過(guò)反向接地網(wǎng)絡(luò)返回地面；連接網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生一定的沖擊潛力，在嚴(yán)重情況下，現(xiàn)場(chǎng)某些部分會(huì)發(fā)生反擊甚至局部放電，危及電氣設(shè)備的絕緣；當(dāng)雷電流通過(guò)地線流向避雷器時(shí)，在周圍產(chǎn)生強(qiáng)烈的瞬態(tài)電磁場(chǎng)，引出通信、測(cè)量、保護(hù)、控制電纜、電線甚至設(shè)備脆弱導(dǎo)致內(nèi)部部件過(guò)壓，影響設(shè)備的正確功能。

5.1 雷擊時(shí)暫態(tài)感應(yīng)電壓分析

雷擊場(chǎng)站有兩種情況，一是雷擊站框架或單獨(dú)的防雷裝置，二是站內(nèi)建筑物的防雷系統(tǒng)，雷電放電會(huì)對(duì)環(huán)境（包括控制室）造成導(dǎo)電或輻射電磁干擾。對(duì)于相同頻率范圍內(nèi)的腦電圖，這些干擾大多是電感耦合的。大多數(shù)電纜和電線從外部設(shè)備進(jìn)入控制室，由雷電放電電磁場(chǎng)形成的宇宙線對(duì)線纜幾乎沒(méi)有影響，主要原因是導(dǎo)線垂直于避雷針走線，因此很容易在導(dǎo)線穿透建筑物的地方形成感應(yīng)電路，其中一端連接到輸入高電阻電子設(shè)備，這相當(dāng)于電磁電路和脈沖穿透建筑物的鋼筋混凝土墻；該電路產(chǎn)生高振幅過(guò)電壓。

當(dāng)閃電擊中控制室附近變電站的避雷針時(shí)，情況相當(dāng)復(fù)雜。因?yàn)楸仨毧紤]整個(gè)建筑的所有導(dǎo)電元件的影響。這些包括用于水泥墻和地板的防雷系統(tǒng)、鋼筋和金屬梁。除避雷針外，建筑物的防雷系統(tǒng)還包括接地觸發(fā)器，包括由水平連接總線和觸發(fā)器下方的接地裝置組成的電流釋放系統(tǒng)。在雷電期間，雷電電流通過(guò)非常靠近內(nèi)部電路的接地線傳輸?shù)降鼐W(wǎng)，在每個(gè)電路周圍的空間中產(chǎn)生強(qiáng)烈的轉(zhuǎn)換電磁場(chǎng)。由于接地線靠近墻壁，墻壁上的鋼筋，甚至墻壁上專門布置的屏蔽網(wǎng)幾乎沒(méi)有保護(hù)作用。預(yù)期的保護(hù)效果只能在非磁性飽和材料中獲得，因?yàn)閺?qiáng)輻射源非常靠近屏蔽層，如果屏蔽層不是由高飽和磁性材料制成，保護(hù)將非常差。磁通量可以通過(guò)附近的大開(kāi)口直接連接到電路。

5.2 防護(hù)措施

確?，F(xiàn)有節(jié)能設(shè)備功能的措施：通過(guò)使用多條接地?cái)嚅_(kāi)線，可以顯著降低通過(guò)接地的雷電電流，改善保護(hù)放電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，如使用特殊的保護(hù)材料，甚至具有適當(dāng)磁性的雙屏蔽，以減少弱器件上的導(dǎo)線感應(yīng)，并使現(xiàn)有的保護(hù)網(wǎng)絡(luò)更好地工作。除了設(shè)置在電源輸入端的電抗器等過(guò)電壓限制裝置之外，信號(hào)線饋電點(diǎn)應(yīng)使用配置合理的光耦或限壓裝置。所有通向控制室的電纜均有屏蔽電纜共用接地網(wǎng)，在控制室和通信室等電位聯(lián)結(jié)，所有電氣設(shè)備的外殼均與等電位匯流排連接。

6 微機(jī)保護(hù)防干擾屏蔽措施

變電站小型機(jī)器保護(hù)器可防止電磁干擾，測(cè)量信號(hào)由于電磁感應(yīng)而受到串聯(lián)模式的干擾，靜電感應(yīng)和地電位差的作用會(huì)導(dǎo)致信號(hào)線與地輸入之間產(chǎn)生超模干擾，抗干擾措施通常包括屏蔽和接地。所有屏蔽電纜均單獨(dú)保護(hù)，接地導(dǎo)體通過(guò)多芯銅連接段導(dǎo)體和接地總線連接，母線通過(guò)屏蔽絕緣接地，通過(guò)單芯屏蔽電纜連接到外部接地。

7 變電站對(duì)雷擊次生災(zāi)害的預(yù)防技術(shù)

一方面，變電站和主要設(shè)備為了避免雷電引起的二次損壞，有必要設(shè)置過(guò)電壓限制器。在變電站系統(tǒng)中，在開(kāi)關(guān)運(yùn)行期間，由于雷電放電后產(chǎn)生靜電和瞬態(tài)波。這種過(guò)電壓可能會(huì)對(duì)變電站設(shè)備造成一些損壞，有必要定義過(guò)電壓保護(hù)。為此，必須迅速將過(guò)電壓電流引入地面，提高電氣設(shè)備的保護(hù)能力，防止電氣和電子設(shè)備被雷電損壞。

另一方面，變電站和主要設(shè)備的安全避雷針或避雷針可由攔截和移交措施取代。避雷器主要由避雷器和獨(dú)立避雷器組成。避雷器主要用于小型變電站。大多數(shù)大型變電站在設(shè)計(jì)中使用避雷器，一些變電站將避雷設(shè)施結(jié)合起來(lái)。對(duì)接地設(shè)備和受保護(hù)線路的避雷針和避雷針有相對(duì)嚴(yán)格的要求。安全避雷針應(yīng)減少進(jìn)入變電站的雷波，使電氣設(shè)備的絕緣電阻達(dá)到允許值。

除了在西方國(guó)家使用MOA 之外，所有電氣設(shè)備也有間隙。MOA 可在發(fā)生故障時(shí)用作備用保護(hù)。最后將變電站接地，切斷設(shè)備，保護(hù)設(shè)備。接地為等電接線板，可采用接地分離和主接地裝置；避雷器裝置接地也是避雷器的釋放；可采用扁鋼或圓鋼，兩端可根據(jù)規(guī)定的層長(zhǎng)焊接，實(shí)現(xiàn)電氣連接；一般多芯銅纜為主要接地，用于干擾和靜電保護(hù)；多芯柔性銅導(dǎo)體是二次接地，變電站避雷器的最大接地電阻不應(yīng)超過(guò)1Ω，變電站接地技術(shù)是變電站防雷系統(tǒng)的組成部分，其合理性與變電站的安全運(yùn)行密切相關(guān)，變電站接地技術(shù)已成為多學(xué)科和綜合技術(shù)，必須在實(shí)踐中不斷學(xué)習(xí)和改進(jìn)。

8 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)防雷設(shè)計(jì)的完整性、結(jié)構(gòu)、層次和目標(biāo)，以及變電站的環(huán)境、地理位置、地形、設(shè)備運(yùn)行和一般用途，采取保護(hù)措施以確保適當(dāng)?shù)睦纂姺雷o(hù)措施，以確保不同等級(jí)設(shè)備系統(tǒng)在變電站、電磁波塔等設(shè)計(jì)過(guò)程中具有統(tǒng)一的防雷效果。防雷建筑盡量遠(yuǎn)離控制室和通信室，如果周圍沒(méi)有更好的保護(hù)，這一點(diǎn)更為重要。建筑物防雷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)；特別是，泄流系統(tǒng)的設(shè)計(jì)對(duì)感應(yīng)電壓的水平有顯著影響，并采取額外的措施來(lái)保護(hù)敏感設(shè)備免受能量脆弱性的影響，有必要采用滿足實(shí)際條件的最佳方案。