雷电侵入波对变电站安全运行的影响及防护技术研究

2014-04-16陈星宇黄利天

机电信息 2014年18期

陈星宇黄利天

（国网义乌市供电公司，浙江金华322000）

0 引言

近年来，因雷电波侵入造成的变电站电力设施、电气设备损坏的事件时有发生，严重威胁了变电站的安全运行。变电站作为供电系统的一个重要枢纽，一旦发生雷害事故，就会给社会生产和人们生活造成很大的不便，因此必须将其作为防雷保护重点。随着社会的不断进步，变电站中应用了大量的电子设备，这在一定程度上增加了变电站遭受雷害事故的几率，因此必须足够重视变电站防雷技术。

1 雷电侵入波的概念

雷电以直击、静电感应和电磁感应等方式通过高压输电线路、配电线路、电缆线、通信线路、金属设备等途径侵入到变电站中，对变电站的安全运行造成威胁。由于管线一般都比较长，且上面分布的电感和电容削减了雷电的传播速度，因此以波传输的理论来对这种现象进行定义，称作雷电波。

2 雷电侵入波对变电站安全运行的影响分析

雷电波一旦侵入，若侵入点较远，侵入电压不高，可能会造成电子设备损坏，引起大面积停电事故；若侵入点较近，雷电波沿着输电线路传递到变电站，而在站内设备上产生雷击过电压，就会引起绝缘损坏，造成短路，极容易导致设备损坏和起火，使整个变电站发生漏电甚至火灾，严重性可想而知。另外，雷电侵入波在传输过程中会通过很多不同参数的线路端点，这些点的波阻抗都不同，雷电波会发生反射和折射，使电压有所升高，加大对设备的危害。要研究雷电侵入波的防护技术，必须掌握雷电波的侵入途径和影响因素。

雷电对变电站的危害可通过雷电直击、雷电绕击、雷电反击和感应过电压来实现。虽然雷电直接击中关键设备对变电站造成的危害最为直接和严重，但变电站关键设备一般都设置有避雷针，直接造成伤害的可能性较小，且不是本文探讨的内容，不再赘述。值得注意的是，雷电通过直击或绕击击中的是金属导线，这时，金属导线可获得达200～300kA的超大电流，这种电流通过极高的速度以雷电波的形式向着线路延伸方向移动时，会对变电站设备产生严重危害，这就是雷电波产生和侵入的方式之一。例如下雨前的干燥土壤，电阻率相对较高，而地下所埋电缆的电阻率是非常低的，这块土壤就非常容易受到雷电直击或绕击，产生的雷电波再沿导线入侵变电站，就会造成事故。

另外就是雷电反击产生的雷电波，这种雷电波不是直接产生，而是当雷电击中了地表的一些突出物时，这个区域地网电位急剧上升，而假设附近有电缆线，因其延伸较远所以电位较低，因此这个区域与电缆线就会产生非常大的电位差。当这个电位差足够大时，就能击穿土壤和电缆绝缘层，引起的雷电波超过容许值时，就很容易导致与输电线路相连的电气设备受损。

还有就是感应雷。感应雷的破坏原理是电能通过电磁感应或静电感应方式辐射，使电子设备产生了感应过电压放电，造成电子设备大面积受损。静电感应如雷云与导体之间普遍存在着异号电位，导体存在与雷云相反的等量电荷，这部分电荷是相当大的。而当雷击发生后（假设雷击点为地表），这个雷击点相对其他的位置为空穴电位，周围的电荷则集体向该点涌过来，就会造成设备起火，绝缘层烧损，且极易导致电子设备失效。

3 雷电侵入波的防护技术

3．1 户外防雷措施要到位且具有针对性

避雷针或避雷线是很好的防直击雷的避雷设备，但避雷针不能盲目架设，假设避雷针距离变电站过近，就很容易造成雷电反击，也会引发事故。同时，不同的变电站应有针对性地设置不同特性的避雷线，一则减少投资，二则达到更好的防雷效果。如35kV变电站只需在进出线段架设1～2km的避雷线，而750kV超高压线路绝缘水平较高，避雷线发生反击的可能性较低，但因线路杆塔较高，易发生绕击，还是会形成侵入波，必须另增加防雷设备，确保雷电侵入时过电压不超过绝缘水平，高压输电变电站需采用架构避雷针，并装设集中接地装置。除此之外，当地的气候条件也应纳入考虑范围。对于受雷击较少的地域或雷云形成机会不大的地域，应结合地域特性设置不同的避雷方法。假定一个地区本身受雷击概率很小，但因增加避雷针后，受雷击概率大大增加了，这样不但增加了投资成本，且对预防雷击反倒产生了副作用，这就需要结合具体情况另作考虑，或酌情采用其他方式避雷，或设置多条引下线分流来缓解雷击带来的损害。

避雷器是防止感应雷和输电线路雷电侵入波的有效设备。现代的避雷器已经取得了长足的发展，如金属氧化物避雷器便是性能较好的品种。变电站周围的各种输电线路中，以35kV以下的输电线路最容易发生雷电侵入，因此对变电站外围输电线路增加保护设施变得非常重要，避雷器就能够起到这种作用，其可结合架空避雷线使用，避雷线两端配管型避雷器。而对于低压如10kV输电线路，则应于每条进线采用一组阀型或氧化锌型避雷器来防护。

3．2 变电站内要有防雷措施

高压室、主控室、通讯室等是组成一个变电站的主要职能室，当然这些建筑是处于户外防护措施保护范围内的，设计施工时就应考虑它的女儿墙、防雷网、钢筋布置等特殊性，形成如法拉第笼等类型的屏蔽系统。另外，这些建筑物内的照明、设备用电、通讯用电电缆一般是通过地下电缆沟或竖井引入的，而整个建筑包括门窗、幕墙、灯线、管道等都应是接地良好的，接入的电缆两端一般也要进行屏蔽接地处理，将地网与站内的主接地网相连，以避免各地网在内外过电压时产生的电位差造成对耐受水平低的电子设备的反击。

3．3 加强进出所有管线的管理

以导体为材质的水管、气管、油管、电源线、通讯线等管线是引发雷电波入侵的主要途径，因此所有管类应直埋进站，增加与地网的连接点。通讯线路应穿管直埋入站，同时经避雷器后才能引入机房。直接与配电屏相连的控制电缆必须采用屏蔽电缆，且其金属保护层和备用芯都要接地。配电屏、端子箱、汇控柜等都不应安装在避雷器或避雷针的主要散流接地区域附近。

3．4 特殊设备特殊处理

对于微电子设备，它的工作电压低、击穿功率小，因此需要进行特殊处理。首先在采购该套设备之前，应和供应商仔细商榷设备使用地点和要求等。其次，通过增加屏蔽层数，利用建筑物的钢筋屏蔽笼和配电屏金属外壳及设备自带金属外壳多重屏蔽增加效果。另外，采取三级过压保护，这三级指的是供配电系统内低压出口一级保护、配电柜分路出口二级保护、设备UPS电源出口三级保护。