浅析电气工程的防雷保护

朱 双

天津华厦建筑设计有限公司

浅析电气工程的防雷保护

朱 双

天津华厦建筑设计有限公司

本文以广东省境内的一座T型刚构旧桥为背景，通过建立有限元模型进行理论计算，以此为基础制订静载试验方案并进行现场加载，测试桥梁关键截面的挠度和应变数据，最后与理论数据进行对比，对桥梁的受力状态和承载能力进行综合评定，并得到相应的结论，可对同类型的桥梁提供参考。

T型刚构桥；有限元模型；静载试验；性能评定

电气工程设计中，防雷保护是一个重要内容。本文电气工程不单考虑了一般的工业、民用项目，这些项目通常只有中压的送变电设备，而且以置于户内的居多。但随着我国大型企业建设的发展，户外的送、配、变电工程不能不作考虑。本文涉及电力工程的中、高压输电线路（主要是架空输电线路），也涉及户外的变配电系统、户内的变配电系统的防雷保护问题。主要介绍防雷保护的措施及其基本原理，防雷保护的内容主要涉及直击雷、侵入雷电波以及电磁感应浪涌等。

1 直击雷

直击雷是当大气中的带电云层（雷云）中积存电荷，大地中积存极性相反的电荷，当积聚到一定程度时，就产生直接放雷中和，其过程产生雷电流，雷电流的雷电通道直接通过地上物体时，地上物体就受到直击雷侵害。应对这种直击雷，不同的设备有不同的防护措施：

1.1 高压线路

1）直击雷形成

高压线路受到直击雷打击时，直击雷最大可能是击中线路杆塔，因为它的高度最高，也有可能击中线路，不管击中何处，它形成的电流Iz都会流入大地与大地中的电荷中和。这个电流数量很大，达几百千安以上，与接地电阻相乘，这样就会在雷击的地方产生对地很大的电压Uf，称反击电压，如图1：

图1

这个Uf由绝缘子串相隔的导线形成电位差，如果超过绝缘子的绝缘能力就会产生放电，称闪络，线路就形成接地，事故就产生了。因此绝缘子的作用是在一定条件下防止反击电压的破坏，不同的电压等级线路有不同的绝缘子串的要求，也有一定的耐直击雷电流的要求。如10千伏线路绝缘子一般一个，35千伏线路三个，110千伏线路八个……

对耐雷电流的等级也有不同的要求，如表1：

表1

2）保护措施

要达到上述标准，线路不是自然形成保护的，一般要加防直击雷措施，其措施有：

A、避雷针：在线路中只有极其重要的地方才使用，其原理如图2:

图2

图3

B、避雷线

高压线路很长，达几百公里，不可能由避雷针全线保护，直击雷保护不但要保护杆（塔）顶，还要保护线路，因此产生了避雷线。

避雷线保护就是在高压线路上，在电力线路中加装一根避雷线，避雷线是沿线接地的。其原理与避雷针相同。其保护范围如图4（线路断面图）:

图4

110千伏以上的送电线路全线都加装避雷线，35千伏线路至少在变电所出进线处加装避雷线，避雷线不仅防直击雷，对侵入波（下述）也有消耗作用，侵入波沿有避雷线的送电线前进时会与避雷线产生电晕放电，这样就不断的削弱侵入波的陡度，有利安全。

C、加强线路绝缘

在污秽地区、海岸边及其他雷暴较强的地方，线路绝缘子数增加，也是防止直击雷及电击电压破坏的方法之一。绝缘子数增加，增加了爬电的距离，增加了线路的绝缘。

1.2 户外高压配电装置

1）35KV、110KV的户外配电装置的进线保护

110KV进线架杆（钢、钢筋混凝土）可直接安装避雷针保护进线，或将避雷线直接接到架杆上；35KV的进线架可直接安装独立避雷针，或在进线架杆上安装避雷针，其接地电阻为1Ω。

2）配电装置

35KV、110KV户外配电装置（开关、PT、CT、避雷器、隔离开关、进线架、主变压器、导线及母线桥……）均应在避雷针直接保护下，其接地电阻≤10Ω。耐雷水平200KA。

1.3 建筑物

根据建筑物防雷设计规范GB 50057-2010下列建筑物均应在避雷针（避雷线）的直接保护之下：

一类建筑物：防雷水平200KA，地理接地电阻≤10Ω。

二类建筑物：防雷水平150KA，地理接地电阻≤10Ω，又与其他保护、工作接地网相连。

三类建筑物：防雷水平100KA，地理接地电阻≤30Ω，又与其他保护、工作接地网相连。

其中一类建筑物避雷针是独立的，考虑到可能的反击电压，接地引下线和接地网与其他导电体的距离都有具体的规定。

其他二、三类建筑物的引下线虽与其他接地网线连，但考虑到反击电压的危害，也有一些相应的规定。

2 雷电波

2.1 高压线路

雷电波是直击雷产生的后果，但不是直接的，产生在户外输电线路。其产生原因简述如下：

当大气中云层带电荷必然感应大地产生相反的束缚电荷，随着云层电荷的逐渐增大，大地束缚电荷也逐渐增加，而且会在靠近云层的导线上聚结为图5。

图5

当聚结到一定程度，电荷放电中和产生雷电流。有些束缚电荷被中和了，但很多束缚电荷未被放电，而因云层电荷消失而解除束缚形成电荷积聚而瞬间释放向多处泄流形成涌浪（冲击波）。波头多数是余弦波头。这些电荷沿着线路向各方向泄流可能对线路产生过电压的损害，破坏线路绝缘，产生对地短路。这在高电压线路上经常存在，也是危害之一。

防止雷电波损坏的方法：

1）加避雷线（其作用上述）

2）加强线路绝缘（其作用上述）

3）加避雷器

在线路中加装特殊避雷器（管型、间隙……），使雷电波通过避雷器入地、工频电流阻断。

4）设消弧线圈

对那些中心点不接地系统来说，雷电波闪络（反击电压击穿损坏绝缘放电现象）使其一相电线接地，产生瞬间单相接地故障，系统的电容电流产生电弧，会引起系统故障，为此中性点处加消弧线圈（有芯电感），消除部分或者大部分电容电流，使电弧熄灭，系统虽经受冲击，但仍能工作。

5）重合闸

上述结果是短暂发生的，单相接地可能使电路跳闸（特别是大接地电流系统或者小电流接地系统有接地跳闸保护的），大部分接地故障是雷电波瞬时发生的，当线路跳闸后再重新投入（重合闸）可以成功投入，有的线路是多次重合闸，以期获得成功。

3 高压配电装置

对配电装置的防护标准是以侵入雷电波的陡度表示的，见表2。

表2 侵入变压器雷电波计算用陡度

对配电装置而言冲击性雷电波危害性极大，高压开关、高压断路器、高压电压互感器（PT）、高压电流互感器（CT）、变压器……。其套管的绝缘水平都是经过经济技术比较而确定的。因此对于沿着线路入侵的雷电波都有着被破坏的危险，对于雷电波的防患是高压配电装置首先要考虑的。

我们先简单论述雷电波的一些特征：a）是进行波，波速很高，接近光速每秒十万公里以上，其速度由导线的波阻抗决定；b）波头多数是余弦形；c）有分流。当波进行到分叉路时能分流运行见图6。当波Σ入侵时，遇到分支会形成波1+波2+波3分流，幅度减小，波Σ=波1+波2+波3。

图6

d）有反射：当进行波遇到高阻抗时会反射。

就像水波遇到石头会反射一样。变压器是感性高阻抗的元件，入射波能分解为多次谐波。变压器对之来说是高阻抗，所以形成反射（变压器副边因与铁心电感阻断，不存在雷电波）。因此当入射和反射产生时，变压器（或高阻抗的电器为电感，PT等）套管实际承受入射+反射=2x入射波的压力，这就是有名的波得逊定理。

对于其他高压电器如断路器、开关、CT等不存在反射，因此实际上最要保护的是变压器，下列是变压器的保护分析：

变压器的侵入波保护主要是避雷器（阀形的、氧化锌的……）。避雷器主要作用是当电压一定时，放电泄流，电压消失后恢复，是放电间隙形，主要是这个作用。之所以能保护变压器是因为它的放电电压是和变压器进线套管绝缘相配合的，一定电压的变压器配一定电压相应的避雷器，他们之间有伏特特性配合。其作用如图7。

图7

当入射波例为：U=at入侵时，经过避雷器到变压器。

由于变压器是大阻抗终端，变压器形成反射，在反射期间，变压器是承受两种电压（入、反射）的，这时避雷器只承受入射电压。但反射波是开始向避雷器反射的（这时变压器仍承受两种电压）当反射波反射到避雷器时，避雷器也承受两种电压。但是制造时已配合好，避雷器的伏秒特性决定这时应放电（这时变压器仍受两种电压），放电后，两者都安全了。问题是避雷器不能离变压器太远，若太远，反射波反射到避雷器处时间太长，变压器受不了而击穿。这关键就是避雷器和变压器的伏秒特性要配合好。避雷器与变压器的距离在一定条件下有限定，不能超过，才能在保护范围。因此考虑了进、出线避雷线的影响，考虑了进行波的分流，考虑了伏秒特性，有些资料有如下的研究结果，见表3。

表3 避雷器到电气设备的距离

4 低压配电装置

由于中压（高压）变压器的阻挡，低压部分基本上没有高压侧雷电波的冲击，除非低压出线是架空线，雷电流由低压架空线引入，则需考虑低压SPD（浪涌保护器）解决。

5 电磁感应脉冲（浪涌）

这是和直击雷有关的雷电反映，主要对象是对筑物内的设备的保护。当直击雷直击建筑物的接闪器，或是附近的直击雷发生后，产生直击的雷电流，其标准为：一类建筑200KA，二类建筑150KA，三类建筑100KA。巨大的电流，根据安培环路定律产生磁场，即磁场强度H。

1）防雷区域的划分:（LPZ）,0区,1区,2区,……。

基本原则是根据受雷电流感应的程度划分。

2）脉冲波形:余弦波头,有10/350μs, 8/20μs,等的波形,分子10,8为到达最大波幅的时间,分母是半波幅时间，从这个数字可以看出波的强弱大小。

3）SPD最重要的指标，保护水平UP（KV）即放电电压；标准放电电流Ln（KA）即正常放电电流。

4）接法：根据接地形式TN-S、TN-C、TT、IT等有不同的接法。

其中最经常的接法是TN-S形式。在PE与N共同接地处的SPD，N线可以不接，当PE线与N线分开后，线路一要距离（有至少10m）后N线仍需接SPD。原因是：脉冲的传输速度很快，10m～100m的传输时间是μS级，而有些电子设备在μS时间内就可能损坏，因此N线不能靠远处的（相对的）的接地来保护，需要接ns级SPD来保护。

5）SPD原理与上述介绍的避雷器基本一致，只是脉冲波产生的原因和使用的场合、方法、分类有不同而已。

[1]范立础.桥梁工程[M].北京:人民交通出版社,2001.

[2]张俊平,周建宾.桥梁检测与加固维修[M].北京:人民交通出版社，2006.

[3]中华人民共和国交通部标准.公路旧桥承载能力鉴定方法（试行1988）.

[4]中华人民共和国交通部标准.公路桥涵设计通用规范（JTJ021-85）.

[5]中华人民共和国交通部标准.公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范(TJ023-85).

[6]交通部.大跨径混凝土桥梁的试验方法.北京:人民交通出版社,1982

10.3969/j.issn.1001-8972.2012.21.021