基于变电站自身特点的防雷接地设计思路

2014-09-03李云波

中国新技术新产品 2014年14期

李云波

（国网四川省电力公司南充供电公司，四川南充 637000）

对于变电站来说，而且基于其自身特点的考虑，接地设计过程中主要包括工作、保护以及雷电保护等几种接地类型。其中，工作接地就是电力系统中的相关电气设备运行过程中，所需要的接地防护设计；对于保护接地设计而言，其主要是电气设备金属外壳、线路杆塔以及配电装置构架等，因绝缘损坏一般会带电，所以为有效防范危及人身财产安全而进行接地设计；对于雷电保护接地设计过程中，其主要是为雷电保护设备向大地有效泄放过电流、电压而设计的接地。实践中可以看到，变电站接地网安全与否，除对接地阻抗提出了较高的要求外，同时还对地网自身的结构、应用寿命以及接触电位差和跨步电位差等提出了新的要求。变电站防雷接地设计，关系着整个电网系统的正常运行，同时也关系着人们的生产生活，因此加强对该问题的研究，具有非常重大的现实意义。

1 变电站雷击事件

近年来，随着变电站及电网系统建设规模的不断扩大，国内变电站数量不断增多，实践中会看到一些变电站遭雷击事件。比如，2011年8月18日5时30分，110kV四川某变电站35kV线路因受雷击线路造成保护装置动作跳闸，同时跳闸的还有502、530开关，#547间隔内出现烧损现象。检查#547开关柜后发现，断路器烧毁严重，三相断路器支柱绝缘子、绝缘拉杆均被烧黑，灭弧室上端接线处已被弧光烧融。一次雷电袭击事故中，35kV的变电站避雷针遭直击，该变电站中的全部变配电站综合自动化，保护微机保护设备装置电源板等，全部被雷电击坏；此时，整个变电站系统处于无保护状态。

事后调查发现，该变电站内的探照灯除少量安了附近的建筑结构上，其余多数均安在了设有避雷针的铁塔结构之上。避雷针铁塔上安装的户外照明探照灯电源，很容易导致户内交流电源屏。当避雷针遭雷电直击时，强大的雷电流会通过探照灯电源以及电缆，进而形成较强的电磁感应过电压；这些电磁感应产生的电压经过探照灯电源电缆等，直接进入到户内的交流电源屏，同时变电站综合自动化装置电源随之引入到交流电源屏，进而导致变电站综合自动化装置电源置电源板完全受损。该起事故，造成了巨大的经济损失，同时也影响用户的生产生活。诸如此类的雷电事屡见不鲜，同时也为我们敲响了警钟，要求在变电站防雷接地设计上多下功夫。

2 变电站雷击原因分析

基于以上分析，笔者认为各类型的防雷装置均需可靠的接地措施才能充分发挥自身的作用和价值，因此接地设备自身的不可靠性，可能成为雷击事故产生的最主要原因之一。同时，影响变电站接地网、装置的因素也表现出多样化的特点，具体可从以下几个方面认知。

首先，变电站防雷接地设计方面，严重忽视了变电站地网电位的均衡性考虑。在变电站接地系统设计过程中，重点需要考虑的是如何才能有效的将接地电阻降下来，最大限度的减轻或避免接地电压、以及跨步电压等对人身造成的伤害。从实践来看，由于变电站地网电流密度存在着分布不均、变电站所在地点电阻率不等以及设备地线过长等问题，因此在地网中还存在着一些局部电位差问题。通过均衡实验发现，变电站接地故障位置的电位通常比地网边缘电位要高一些。近年来，随着电网系统的容量不断增大，变电站故障电流也随之增大，这将导致故障位置、主地网电位差增高，严重时可能会达到数千伏。该种现象的存在，可能会对直流系统、二次回路等产生非常严重的危害。

其次，变电站接地装置施工建设过程中，可能会出现机械性的损伤问题，或者因电气设备出现断开现象而导致设备难以正常运行，加之防腐措施不到位，或者因没有采取及时有效的防腐措施而导致主网受到严重的腐蚀，最终导致其分割和断裂。同时，变电站施工过程中，可能存在着施工质量不合格问题，比如接地装置敷设过程中的回填、埋设作业不到位，垂直接地体间距太小以及搭接面积明显不足等问题，都可能导致变电站遭遇雷击事故。

最后，变电站防雷接地体连接存在着问题，实行串接、或者经设备进行过渡连接，或者存在着的故障电流难以正常通过等问题。对于独立的避雷针而言，由于设计集中接地设备、主网以及独立避雷针网之间的安全距离明显不足，而可能会导致雷击事故。此外，中性点位置的引下线出现了不可靠接地问题，比如很多的110kV变电站中性点位置接地引下线均接在了一个点上，或者彼此距离太近。此时，如果连接线位置发生了雷击故障问题，则变电站设备将会出现失地运行现象。

3 变电站防雷接地设计原则和接地方法

基于以上对当前变电站防雷接地设计中存在着的主要问题及其成因分析，笔者认为实践中若想有效避免或减少雷击事件对变电站及电网系统产生的影响，应当坚持合理的接地设计原则和正确的接地方式和方法。

3.1 变电站风雷接地设计原则

变电站风雷接地设计过程中，应当尽可能的考虑到防止转移电位引发的危害问题，应当及时采取有效的隔离防范措施；同时，还要充分考虑短路现象发生时的非周期性影响等问题。接地网电位出现明显升高时，要确保避雷器不能产生动作，而是应当采取有效的均压措施和方法，对接触电位差、以及跨步电位差要求进行计算，待施工完成后应当对其进行准确的测量、并在此基础上绘制出准确的电位分布曲线图。变电站防雷接地网设计过程中，应当尽可能的采用建筑地基钢筋、金属接地物进行统一连接地操作，并将其作为接地网。同时，应当尽可能的以自然接地物作为基础，并且辅以人工接地体对其进行补充，以弥补其不足之处，而且要确保外形的闭合、或者呈环形状。在此过程中，还要采用有效的统一接地网模式，采用一点接地模式进行接地设计。

3.2 变电站防雷接地方法

对于变电站而言，除设计独立的避雷针以外，整个变电站及电网系统的接地，比如工作、保护以及避雷器等接地，实际上共用主接地网。实践中，如果变电站极限入地电流非常大，则接地电阻很难满足计算值，此时接地设备在跨步电势、以及接触电势等不超过允许范围要求时，变电站的实际接地电阻应当严格按照设计要求布设。接地网接地电阻满足要求以后，在变电站道路、地面位置进行高阻处理，敷设适当的沥青底、或者碎石垫层，对混凝土地面进行硬化操作，可有效满足接触电势、以及跨步电压防雷之要求。

据调查显示，当前国内变电站接地网采用的多是常规性的水平、垂直接地有机结合的复合型地网，而且接地网设在变电站之中。当变电站所在区域的土壤电阻率偏高时，采用常规性的水平与垂直接地有机结合的方式，接地电阻有可能会难以满足实际要求，此时应充分考虑如果采用电解接地极以及填埋降阻剂等方式来实现降阻之目的。比如，采用降阻剂降租过程中，于水平接地网上有效的填埋适量的降阻剂，并在站内加打适量的10～30m左右的深井接地极，在其内部填上适量的降阻剂；在此过程中，深井的数量应当视实际情况具体确定，其主要优点在于接地网施工完成后，应用性能会非常的安全可靠。实践中，变电站所处位置的土壤电阻率非常高时，如果利用钢材布设复合地网的实际接地电阻仍不达标，则建议采用铜导体进行接地施工，虽然造价会高一些，但是在防雷害方面比较安全可靠。实践中可以看到，为有效防范变电站遭受雷电的袭击，目前常用的两种方法是等电位连接和联合接地。对于等电位联结而言，其主要是指将变电站中的全部非带电金属导电物体连接在一起，将其有效的引向接地体；对于联合接地而言，即变配电站统一采用了接地体，接地电阻值根据不同接地系统最小要求设计，以此来有效减少雷电的袭击和伤害。当变电站采用统一接地体以后，防雷接地不再单独的对接地体进行设计，表面来看好像非常的不安全，实际上是有科学根据的。比如，某次雷电发生时所产生的电流幅值是50kA，此时采用的是联合接地，则阻值为4Ω，而且对地电压应当在200kV作用。等电位联结后，变电站中的非带电金属导电物体对地电位同时升高200kV，各电源中性点会同时接在一个接地体之上，此时对地电位统一升高200kV。由此可见，彼此之间仍或保持原电位差不变，因没有新电位差产生，所以也不会有静电感应过电压、电磁感应过电压产生。