变电站接地系统改进方案的探讨

广电总局723台 陈素申

1.前言

随着西新工程建设，我台2003年新建了35千伏变电站，投入运行以来的前几年，每到雷雨天气，35KV母线一次进线侧的避雷器及互感器多次损坏，根据我台所处的地理环境、地形地势、地质特点及当地的雷电规律，对防雷接地系统分析论证，对防雷接地部分重新设计施工，有效地降低了接地电阻。

2.雷电对电力设施的危害

雷电是一种幅度大、时间短、频谱宽的最具破坏性的自然电磁干扰源，它是雷云间或雷云与地面物体间的放电过程，强大的雷电流产生的交变磁场，其感应电压可高达上亿伏。雷电对电力设施的危害来自于雷电过电压，它有两种形式：

2.1 直击雷过电压

直击雷过电压是指雷云直接对电气设备或建筑物放电而引起的过电压。雷电击中避雷针接闪器时，在引下线和接地体上产生的高电位，在防雷装置附近的金属体会感应很强的过电压，它引起对地电位升高，如果与被保护设备之间的有效绝缘距离不够，极容易造成高电位反击和感应过电压事故。在一般情况下，接地电阻不宜大于4欧姆。

雷电对35KV电力供电系统上产生较大的过电压现象十分普遍。这种破坏，依据其严重程度，大体分为以下四种情况：一是使设备、装置短时间工作错乱；二是造成潜故障，即使得电路或器件的性能下降，寿命缩短，提前失效；三是造成电路或器件的永久性损坏；四是导致起火、触电等安全事故。

2.2 感应雷过电压

所谓感应雷过电压是指当架空线附近出现对地雷击时，在输电线路上感应的雷电过电压。当雷云对地放电后，线路上的束缚电荷被释放而形成自由电荷，向线路两端冲击流动。这就是感应雷过电压冲击波。这种过电压主要对线路器件、控制线路、集成电路危害较大。

2.2.1 雷电对油开关、线路刀闸、绝缘子产生损害，这些设备在较高的雷电过电压作用下也会击穿或闪络。雷击作用于那些开关断开而线路刀闸在合闸状态的热备用线路，雷电波沿线路向变电所传播到开关断开处，会发生反射，形成2倍的过电压，造成开关、绝缘子损坏事故。

2.2.2 雷电对高压柜内避雷器的损害。避雷器的损坏往往伴随着接地问题。据调查6KV-10KV电网中，避雷器的接地存在较多问题，主要表现在两个方面：(1)接地电阻问题。这些配电型避雷器接地由于受其场所的限制，有相当一部分接地电阻超标，据电力部门统计，大约有30%左右的配电避雷器接地电阻超标，有的高达上百欧姆。(2)接地引下线问题。接地引下线存在问题较多，如一些接地引下线内部如果折断不容易发现，且两边的连接头容易锈蚀。我们在维护中往往只注意按期对避雷器进行试验校核，而对避雷器的接地重视不够。避雷器只有通过良好的接地才能发挥作用。如果接地不良，避雷器等防雷设备则形同虚设。

2.2.3 输电线路传导来的雷电波会对进线柜内的PT(电压互感器)、避雷器造成损害。雷电波可能直接冲击进线柜内的电压互感器，如线路侧无避雷器，或避雷器接地效果差，再加上电压互感器本身耐压质量问题就非常容易造成电压互感器炸裂损坏。另外，防雷保护靠母线避雷器，当线路遭雷击跳闸，在重合前线路再次遭雷击，则容易导致线路侧电容式电压互感器因雷电波冲击损坏。

3.历年雷雨天气曾出现的故障

2004年7月29日岗会线PT烧毁。

6月14日岗七线PT烧毁。

7月20日岗七PT计量柜故障，换计量柜PT。

2005年7月19日岗七三相电压不平衡，换PT及避雷器高压侧A相保险。

8月12日计量柜后柜一避雷器引线烧断。

2006年6月11日岗会线计量柜(B相欠压)，更换电压互感器。

2007年7月5日岗七线C相接地，更换避雷器及处理64号杆、34号杆B相接地及C相断线。

从历年的故障可以看出6-8月是我台雷雨多发季节，变电站也是雷击多发地带，从PT及避雷器动作次数也充分证实了这一点。（每年避雷器动作次数在5到6次，2008年曾高达12次）。

4.防雷措施

针对雷电的危害，防雷措施概括为六个方面：

(1)控制雷击点（可采用大范围的避雷针）；

(2)安全引导雷电流进入接地网；

(3)完善的低阻接地网；

(4)消除地面形成的回路；

(5)电源的浪涌冲击保护；

(6)信号及数据线的瞬变保护。

在科学技术日益发达的今天，虽然人类不可能完全控制雷电，但是经过长期的摸索和实践，已经积累了很多有关防雷的知识和经验，形成一系列对防雷行之有效的方法和技术，其中良好的接地是防雷技术最重要的环节。

5.防雷接地原理及其重要性

接地就是让已经纳入防雷系统的闪电能量泄放入大地，良好的接地才能有效地降低引下线上的电压，避免发生反击。因此接地电阻越小，散流就越快，被雷击物体高电位保持时间就越短，危险性就越小。

接地的作用主要是防止人身遭受电击、设备和线路遭受损坏、预防火灾、防止雷击、防止静电损害和保障电力系统正常运行。近年来，国内许多地区连续发生多起因接地网不满足要求而引起的设备损坏事故，同时雷击是导致电网事故的主要自然灾害之一，雷击引发的电网事故占总事故的50%以上，因此良好的接地装置应是防雷的重要措施。

6.接地装置在防雷中的作用

雷电的破坏作用主要是雷电流引起的，为了防止雷击事故的发生，必须了解接地装置上可能出现的最大电位。一般来说，雷电流通过单根引下线的全部电压降是：

UFJ=i×Rch+L0×L×di/dt

式中i——雷电流，kA

Rch——接地装置的冲击电阻，Ω

L0——单位长度的电感，μL/m

L——接地引下线的长度，m

UFJ——电压降，kV

di/dt——雷电流的陡度，kV/μs

从上述公式中，我们可以看出，在防雷接地装置中，接地电阻阻值越小，则瞬间冲击接地电压降就越小，遭受雷击的危险性就越小，因此足够小的接地电阻值和安全可靠的防雷接地装置是防雷的重要保证。

7.接地装置的布置方式及组成

接地装置是指埋设在地下的接地电极与该接地电极到设备之间的连接导线的总称。装置的选择接地极按其布置方式可分为外引式接地极和环路式接地极。若按其形状，则有管形、带形和环形几种基本形式。若按其结构，则有自然接地极和人工接地极之分。用来作为自然接地极的有上下水的金属管道、与大地有可靠连接的建筑物和构筑物的金属结构、敷设在地下而其数量不少于两根的电缆金属包皮及敷设于地下的各种金属管道(但可燃液体以及可燃或爆炸的气体管道除外)。用来作为人工接地极的有钢管、角钢、扁钢和圆钢等钢材。

接地装置的组成——包括引下线、接地母线、汇流排、垂直接地体和水平接地体等。其中，垂直接地体和水平接地体通常称地网，地网的接地电阻值达到设计要求是十分重要的。

8.我台变电站初期的防雷接地

我台机房和变电站为二类防雷建筑。防雷接地、保护接地、工作接地共用一个接地装置，利用建筑物基础作为接地极，接地电阻应不大于4欧姆。

防直击雷措施：本工程在屋顶设避雷带，屋面上设避雷网作防雷接闪器，其屋面上所有金属管道和金属构件与避雷装置相焊接。利用结构柱内的主筋作防雷引下线。

防止雷电反击和高电位引入：防止雷电反击措施是将建筑物内部的配电金属套管、水管、空调通风管道等一切金属管道和金属构件及支架均与防雷接地装置作等电位连接。变配电室设等电位连接箱，要求进入建筑物的金属管道，在入户处等电位连接箱可靠焊接。全部采用电缆进线。为防直击雷、雷电感应、电力线路投切及其它大功率设备的起停所产生的瞬态过电压对电子信息设备的干扰和危害，本工程在低压配电盘进线处装设过电压保护装置。同时在发射机配电盘进线处装设过电压保护装置。

9.改进方案分析及示意图

(1)地理地质情况

我台地貌属太行山东麓低山丘陵区，场地地形基本平坦，场地地质层自上至下依次为：1层是杂填土2层是强风化片麻岩3层同为强风化片麻岩。本工程场地属坚硬土或岩石，场地类别为Ⅰ类。本工程基础采用柱下独立基础，基础持力层选在2层强风化片麻岩。

(2)地形地势情况

2003年新建台区35KV变电站。外电两路35KV高压进线，由原外线T接电缆引入。两路电源一用一备，高压采用单母线分段运行方式。变压器均为室外安装。

变电站上方是天线交换闸，东方和北方是发射机馈线出口，35KV高压电缆通过地埋穿过PVC管进入变电站的高压开关柜，西边是避雷针和变压器进出线。

(3)雷电规律情况

我台所在地区平山年平均雷暴日数为30.8天，90年代以前雷暴日数较多，1965年、1967年、1974年、1977年、1986年和1990年雷暴日数均超过40天，其中1990年最多，达到50天，90年代以后雷暴日数有下降的趋势。雷暴一般出现在4～10月，其中的6～8月为雷暴多发期。

(4)接地装置及改进方案图

经过几年的观察分析判断：变电站的接地装置在建成初期是合格的，根据我台每年5月份电站测试的接地电阻来看，经过一定的运行周期后，接地电阻逐渐变大。

原来的接地装置设计在变压器中心区域地带，4根2.5米的垂直接地体间距5米，水平接地体为40×4的镀锌扁钢埋深冻土层一下，水平接地体通过40×4的镀锌扁钢连接到基础接地。

从图1可见35KV高压柜的接地汇流排距离接地装置很远，一旦遇到从高压电缆进入的雷电波入侵，在避雷器或互感器上形成很高的感应电压，雷电流若不能及时泄放，容易造成避雷器和互感器损坏。

针对如何降低变电站的接地电阻，缩短接地体和接地汇流排的距离，减小雷电流的泄放时间，设计了以下改进方案。

方案：在变电站后方离建筑物1.5米的地方，平行于建筑物的地方挖一个长30米，宽0.5米，深0.8米深坑，一层木灰一层细土分层夯实。采用6根热镀锌角钢(L50×50×5×2500)作为垂直接地体，深埋0.8米，垂直接地体之间距离5米。水平接地体采用热镀锌扁钢（40×4）与垂直接地体焊接好，接地母线也采用热镀锌扁钢（40×4）通过PVC100管进入室内与汇流排焊接，如图1所示。

通过对接地系统的改进，使被保护设备的接地母线由原来的40米缩短为3米，变电站初期的接地装置和新加的接地装置在电站周围形成L型接地系统，增加了接地点，降低了接地电阻，缩短了雷电流泄放时间，为变电站设备提供了良好的防雷保护。

10.结束语

变电站是整个电台配电系统的枢纽，它的稳定运行也是实现安全传输发射的重要保证。另外微电子技术的推广，使变电站的自动化控制得以实现，现代设备不仅对防雷措施提出了更高的要求，还对系统抗干扰性有严格的标准，这就要求接地系统要有更低的接地电阻，以保障设备的安全可靠运行。本文的防雷接地改进方案经过三年多的运行，性能稳定可靠，故障率大大降低，减轻了值班人员的负担，有效地保证了变电站的安全运行，确保了发射机的安全播出。

[1]何金良,高延庆.电力系统接地技术研究[J].电力建设,2004.

[2]苏邦礼.雷电与避雷工程[M].广州:中山大学出版社,1996.