变电站直击雷保护分析

2012-08-21孙舶竣

黑龙江电力 2012年6期

孙明，孙舶竣

(1.鸡西电业局，黑龙江鸡西158100;2.鸡西市郊农电局，黑龙江鸡西158100)

0 引言

变电站安装许多重要电气设备(如变压器、断路器、隔离开关、互感器等)，一旦遭受雷击，将产生雷击过电压(大气过电压)，危害电力设备、造成电力系统大面积停电，甚至危机到人的生命安全。因此，为了防止大气过电压对变电站的电气设备和人们生命安全造成威胁，本文对变电站直击雷保护进行了分析，并根据模拟试验结果和运行经验修正，得到了避雷针(线)的保护范围、与配电装置应保持的空间距离，使周围被保护建构筑物、设备避免遭受雷击灾害和带电设备绝缘被击穿而损坏设备。

1 直击雷保护措施和保护作用原理

露天的变电站和电气设备通常采用避雷针来防止直击雷，避雷针是一种简单的防直击雷装置，其最大优点是结构简单、安装方便、成本低廉、便于维护。避雷针实际上是一组引雷导体，由接闪器、接地引下线和接地体组成。当雷云放电接近地面时，在雷电先导阶段，避雷针顶部聚集电荷，在发展先导和避雷针顶端之间的通道建立了很大的电场强度，避雷针迎面先导的产生和发展大大加强了该通道中的电场，避雷针(线)使地面电场发生畸变，歪变了雷云与大地间的电场，将雷电引到避雷针(线)上，雷电击中避雷针并泄流入大地，把雷电的能量消耗到地下［1］。靠近避雷针的被保护物高度比避雷针低，由于避雷针的迎面先导作用，因此被保护物遭受雷击的概率很低，从而使周围被保护建构筑物和设备避免遭受雷击的灾害。

要发挥避雷针(线)的保护作用，避雷针(线)的高度一定要高于周围的被保护物体。显然，避雷针(线)的高度越高，对电场的歪变能力就越强，其引雷空间就越大，使周围免遭雷击的范围就越大。但避雷针(线)的高度越高，其本身遭到雷击的几率会增加。

2 避雷针(线)的主要技术要求

1)独立式避雷针宜装设独立的接地装置。在非高土壤电阻率地区，要求其工频接地电阻不大于10 Ω。当有困难时，可将该接地装置与主接地网连接，但避雷针与主接地网的地下连接点沿接地线的长度要大于 15 m［2］。

2)独立式避雷针(线)及引下线与配电装置在空气中的间距d1≥0.2Ri+0.1h，而且d1≥5m;独立式避雷针(线)的接地装置与变配电所主接地网在地中距离d2≥0.3Ri，而且d2≥3m，Ri为冲击接地电阻。

3)在多避雷针联合保护时，两针之间的距离与避雷针高度之比不宜大于5。

3 避雷针(线)的保护范围

由于雷电先导在高空时随机地向任意方向发展，当先导到达距地面某一高度时，受避雷针(线)对电场的畸变的影响，使先导的头部与避雷针(线)间的电场强度最大，放电将沿此最大场强方向发展，而击于避雷针(线)上，根据模拟试验结果并经过运行经验修正，得到避雷针(线)保护范围如下。

3.1 单一独立避雷针

单一独立避雷针的保护范围如图1所示，在被保护物高度hx水平面上，其保护半径rx为

式中:h为避雷针的高度;p为高度修正系数，当h≤30 m时，p=1;当h＞30 m

图1 独立避雷针的保护范围

3.2 两支等高避雷针

两支等高避雷针联合保护范围要比两针各自的保护范围之和大，因为击于两针之间单针保护范围边缘外侧的雷，可能被相邻的针吸引而击于相邻针上，两针的联合作用使两针间的保护范围加大。两针联合的保护范围在地面上一侧的保护最小宽度位于两针之间的中点，用bx表示，如图2所示，而两针外侧的保护范围与单针时相同。为了确定两针之间的保护范围，需先求出在两针连线中间1点的假想针高度h0，此假想针在O―O'截面上的保护宽度为bx。D为两针之间的距离，ha为避雷针到被保护设备顶面间的高度。

被保护宽度bx=0，

图2 两支等高避雷针保护范围

式中:h为避雷针的高度;D为两避雷针之间的距离;bx为两避雷针之间保护范围的最小宽度;h0为两避雷针之间保护范围上部边缘最低点的假想高度;hx为被保护设备高度;ha为避雷针到被保护设备顶面间的高度;p为高度修正系数。R0为两避雷针和两避雷针之间保护范围上部边缘最低点，以这3点做出圆弧的半径;当h≤30 m时，p=1，当h

3.3 两支不等高避雷针

两支不等高避雷针保护范围，可以按下面的方法确定，如图3所示。首先按两单针分别作出保护范围，然由用低针“2”的顶点作水平线，与高针“1”的保护范围交于“3”点，视点“3”为假想等高针顶点，再作“2”和“3”点的保护范围，图3中f=D'/7p。

图3 两支避雷针不等高的保护范围

3.4 单根避雷线

避雷线比同高度避雷针引雷空间要小，因为避雷线受风吹而摆动，使引雷空间减小，因此，其保护宽度就要取的较小，但其保护的长度与避雷线等长，两端还有其保护的半个圆锥体空间。单根避雷线的保护范围如图4所示，其一侧保护宽度rx的计算式为

式中:hx为被保护物高度;rx为保护宽度;hx为水平面上的保护半径;h为避雷线高度;p为高度修正系数;当 h≤ 30 m时，p=1，当 h＞30 m时，

3.5 两条避雷线

两条避雷线的联合保护范围如图5所示，两线外侧的保护范围按单线时确定，两线内侧的保护范围的横截面，由通过两线及保护范围上部边缘最低点O的圆弧确定，O点高度为

图4 单根避雷线的保护范围

式中:h为避雷线的高度;D为两避雷线之间的距离;h0为两避雷线之间保护范围上部边缘最低点的假想高度;p为高度修正系数。R0为两避雷线和两避雷线之间保护范围上部边缘最低点，以这3点做出圆弧的半径;当h≤30 m时，p=1，当h＞30 m

图5 双避雷线保护范围

4 防止对设备发生“反击”

避雷针(线)受雷击后，雷电流通过接闪器、引下线、接地装置［3］流入大地。此时，在避雷针及引下线上产生高电位，对地电位的高低主要与接地装置的接地电阻有关。若接地装置的接地电阻过大，则雷电流通过时避雷针(线)电位将升得很高，使避雷针(线)临近配电装置、构架及建筑的绝缘受到被击穿的威胁;若变电站配电装置、构架及建筑距离避雷针(线)过近，则避雷针(线)的接地导体由于电位升高反过来向临近设备放电，发生“反击”。

为了防止接地装置电位升高造成雷电流通过避雷针产生过电压，对临近的物体“反击”，首先要求接地装置必须接地良好，接地装置的接地电阻必须合格。变电站独立避雷针的接地电阻不得大于10 Ω，而220 kV变电站主接地网的接地电阻不能大于0.5 Ω，110 kV及66 kV变电站主接地网的接地电阻要求不能大于4 Ω。另外，要保证避雷针(线)与临近的电气设备要有足够的安全距离，要求独立避雷针与配电装置的间距不得小于5 m;避雷针接地装置与主接地网的地中距离不得小于3 m。另外，避雷针引下线下部的弯曲半径不宜过小，人工接地网的外缘应闭合，外缘各角应做成圆弧形［4］，是因为雷击避雷针时，避雷针及引下线上电位升高，一般引下线的弯曲半径不要小于20 cm。

避雷针(线)接地电阻合格、避雷针与配电装置应保持一定的空间距离，可有效防止“反击”造成的带电设备绝缘击穿从而损坏设备。