变电站防雷保护技术探讨

杨晓艳 

摘  要：大气过电压和雷电过电压是由电力系统内的电气设备直接遭受雷击或雷电感应而引起的，也称外部过电压。由雷电造成的外部过电压将会严重危害变电站内电气设备，建筑物也将受到严重损坏，所以，为保护国家和人民的经济利益，对变电站采取有效的防雷措施是非常必要的。
关键词：电气设备 雷电来源 装设原则  防雷措施
为保护变电站电气设备的安全，采取有效的防雷措施是非常必要的，同时，对防雷设备的不断改善也是防雷害的重要手段。不完善的防雷措施，将会在雷电环境下导致雷击事故，致使变电站发生事故，造成大面积停电，给人民生产生活带来诸多不便，所以，对变电站防雷保护措施的安全可靠性提出了更高的要求。
一、变电站遭受雷击来源
带电荷的雷云接触摩擦往往产生雷电现象。雷云底部通常带有负电荷，顶部带有正电荷，因不同雷云通常带有大量不同电荷，所以，雷云之间、雷云与大地之间就形成了强大的电磁场。若电场强度超过空气击穿强度时候，空气开始形成游离状态并放电，产生闪电和雷鸣。雷电放电现象多发生在雷云之间，雷云电位估计量在100MV以上，放电电流往往可达几十千安甚至上百千安，高温可达两万摄氏度以上。雷击变电站主要通过以下两种方式：一是变电站电气设备直接遭受雷击；二是雷电感应过电压和直击雷过电压形成的雷电波通过架空线路侵入变电站，对变电站电气设备构成危害。
二、雷电过电压造成危害
雷电过电压的危害通常可分为直击雷过电压和感应雷过电压两种。其中，直击雷过电压，即为雷电直接对电气设备放电导致的过电压。直击雷过电压通常可达上千千伏，因此，过电压直击于输电线路或变电设备上都会产生闪络，严重时还会导致火灾甚至爆炸。但在高压配电线路中，因厂房和高建筑物对雷电有屏蔽作用，所以雷电直击的几率比较小。感应过电压的幅值常在500kV以下，所以静电感应在35kV或运行电压更高的输电线路中不易产生闪络。但此感应电压在线路中流动时会产生强大电流，发出大量的热量并熔化导体，同时，也会产生较大机械效应，使线路倒杆或杆塔受到损坏。若此感应电压冲击波通过输电线路侵入变电站内的变压器绕组，将会产生严重的绝缘破坏。
三、防雷击措施
变电站站内雷击对象主要分为三大类：(1)变电站内电工装置，其中主要包括配电装置、组合导线及母线桥等装置；(2)变电站内需专门防护的高大建筑物及构筑物；(3)不需专门防护的建筑物及构筑物。
防止雷击的主要保护设备有避雷线、避雷针及避雷器。对于直击雷的危害，变电站通常采取装设避雷针方式，在变电站一定距离内，有时采用架设避雷线的方式解决。雷电感应产生过电压和直击雷产生过电压形成的雷电波通过传输线路进入变电站内电气设备，致使变电站重要设备遭受雷害，为避免雷害造成电气设备的绝缘损坏引发严重事故，及时采取有效防护措施是非常必要的。为限制入侵雷电波的幅值，在变电站内装设避雷器是十分有效的防护措施。同时为限制流经避雷器的电流过大常常在变电站进线路段安装避雷线作为保护。
避雷技术、短路保护也是变电站最重要的保护手段，接地装置能有效地将直击雷、感应雷、及高低压短路形成的电位差导入大地，有效防止各种事故的发生。
避雷针的装设原则
为防止设备遭受雷击，所有需被保护的设备一定要处于避雷针能保护范围之内。在雷击避雷针瞬间，避雷针与地面间电位差极高，如若被保护设备与避雷针间绝缘距离不够，将会导致避雷针与被保护装置之间发生放电，雷电波的高电位加至被保护设备上，造成严重事故。这种放电现象称为反击。能避免反击发生的最小距离即为避雷针安全距离，避雷针在装设过程中定要大于安全距离。对于35 kV以下的变电站，绝缘水平往往较低，所以需要安装独立的避雷针，同时避雷针的装设也定要满足不发生反击的安装原则。对电压等级较高的变电站，因其绝缘水平较高，可将避雷针直接装在配电装置构架上。在避雷针配电装置构架上，还应安装辅助接地装置，使其与变电站接地网中的连接点至主变压器的接地装置与变电站接地网连接点的电器距离大于15米。使其能够在雷击避雷针时，产生的高电位在向地传输过程中逐渐衰减，迫使雷电波侵入到接地点时不会造成反击事故。因变压器是变电站中重要的电气设备，且其绝缘性能较弱，因此不应该在变压器门型构架上装设避雷针。
通常情况下，变电站出线的第一杆塔至变电站配电装置的距离较远，该情况下，若将变电站杆塔上避雷线引至变电站构架上，不仅能够有效保护该段线路，同时比避雷针的保护更加经济适用。相比避雷针的保护能力来说，避雷线两端具有分流作用，在遭受雷击时候，避雷线会比避雷针引起的电位升高小一些。所以，对于高电压配电装置，可将线路引至变电站出线门型构架上，从土壤电阻率方面考虑，对电阻率大于1000欧姆*米的地区，应集中装设接地装置。对35至60kV配电装置且土壤电阻率小于500欧姆*米的地区，可在集中装设接地装置的同时，将避雷线引至出线门型构架上。对于电阻率大于500欧姆*米的地区，避雷线终点将定于线路终端杆塔上面，同时采用避雷针对进变电站的线路进行保护。
（二）变电站内接地网铺设原则
为起到雷电流泄流、故障电流泄流及工作接地的作用，通常采用接地网的方式达到以上工作要求。
1.雷电流泄流。
雷电流能量频谱明显比工频电流高出许多，在雷电流泄流瞬间，电位差高低取决于电流变化率产生感抗的大小。雷电流的时间尺度为微秒，相对来说电阻电压降是非常小的。因雷电流放电频率是工频电流的上千倍，所以感抗在此显得尤为重要。
2.故障电流的泄流。
故障电流以低频段的工频电流为主，时间尺度数量级为秒极，因其电感阻抗极小，则电阻阻抗成为考虑的主要因素。在电气装置的过电压保护和绝缘配合的规范要求中，有明确的技术规定。
3.工作接地。
地面作为设备工作的零电位参考点，能够使电气装置或设备的非截流金属部分保持零电位。为保持设备零电位不发生变化，常采用共用接地概念，即把所有的接地系统连接起来。
结合以上论述，接地网设计过程中，首先应确认设计的主要目的，同时要满足设计的基本要求。实际设计过程当中，对同时存在多个目的的接地网设计，要分析具体的情况再确定设计要点和基本原则。
4.接地和接地电阻。
1）接地意义。接地即把导体通过连接导线连接到大地，并与大地中的地网和接地极相连接。接地能够使电气设备的零电位固定在大地，安全的泄放故障电流和雷电流，能有效地防止地电位大幅度升高，保证人员和设备的安全，同时，对设备和系统稳定性保护也具有十分重要的意义。
2）接地电阻。接地电阻是接地系统中最重要的组成部分。由三部分构成：连接器与连接导体电阻；连接土壤与接地导体间电阻；接地导体周围散流电阻。其中，对接地影响最重要的则为土壤散流电阻，其影响因素最为复杂。影响因素主要包括土壤土质含水量、接地体尺寸、形状，接地系统的设计情况能够决定是否可以以最低造价取得最小的接地电阻值，因此接地系统的设计是地网设计的关键。
在进行防雷接地的设计过程中，一定要按照相关标准严格执行，对变电站接地电阻也要定期测量。对于达不到规定要求的接地电阻，务必要及时改进，避免在工作过程中造成危害。在变电站中长期使用的金属接地导体，有寿命短、易腐蚀、高阻抗等缺陷，在新时期已受到很大挑战，为避免传统金属接地导体的缺陷，现推荐一种采用金属极芯和稳定性良好的非金属导体材料制成的“高效长寿接地极”，有效克服了传统金属接地导体的诸多弊端。
作为电力系统的中心环节，变电站一旦遭受雷击事故，会导致大规模、大面积停电现象，对社会生产和人民日常生活带来诸多不便，严重影响社会秩序。所以，变电站的防雷保护措施是十分重要的，也是不可忽视的，设计单位和建设部门在变电站建设与维护工作中都必须严格对待，加以重视。
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