110kV以上电压等级变电站防雷基础参数分析

李迪 李舟鑫

摘 要：社会经济的不断发展，要求电力系统提供安全可靠的供电质量，所以高电压，强电流的输变电工程就是这一保障的唯一方式。本次研究的目的是对变电站的防雷系统的基础参数进行分析，对变电站存在的雷电有害因素进行识别并提出补充和完善的防范对策、措施，以满足变电站安全生产的要求。同时也为变电站的防雷装置检测提供科学依据，避免盲目性。

关键词：变电站；分析；防范措施；科学依据

1 变电站的基本概况

变电站有500kV（220110kV）、220kV、110kV、35kV、10kV等多个电气间隔，最终出线回路数量由容量决定，站区主要设备有主变压器、六氟化硫（SF6）断路器、隔离开关、电压互感器、电流互感器、110kV、35kV、10kV避雷器、10kV电容器等。所有电气设备均装设接地装置，并将电气设备外壳接地。平面布置图如图1所示：

站区多为矩形，全站总平面布置以主干道为主轴线 ，主变场区，出线方向都在同一方位，同时也布置母线构架，全站建筑物有配电装置楼，控制楼。配电装置楼底层布置10kV配电装置和站用变压室，二楼布置35kV配电装置室；配电装置樓呈“L”型布置。按变电站建（构）筑物使用功能和位置分布情况，可将变电站划分为以下防雷区域：配电装置楼区域、控制楼区域、主变场区域，在实施防雷技术服务时可搂区域进行针对性检测。

2 接地电阻的定量分析

110kV以上电压等级变电站主接地网的接地电阻值并不象通常情况下所规定的小于多少欧姆，而是按变电站设计时计算的入地最大短路电流值来确定，其计算公式为：R≤2000I，式中I就是设计时计算的入地最大短路电流，当变电站设计计算的最大短路电流为3000A时，主接地网的接地电阻值就是小于或等于0.67欧姆。

对于变电站主接地网的接地电阻可以进行估算，估算算法主要有两种，算法如下：

算法一：等效为半球形接地极法

从计算公式可知，接地电阻值主要决定因素是变电站所处位置土壤的电阻率，如果仅利用建（构）筑物基础作自然接地体时，接地电阻值达不到规范及设计要求，需采用降阻剂、离子接极、换土等措施。

3 发生雷击变电站磁场强度分析

雷击情况下，入射磁场可近似看作一个平面波。入射磁场强度H0可按下列公式估算：

H0=i0/2·π·SaA/m

i0——雷电流强度（A）

Sa——雷击点至所考虑的被屏蔽空间的水平距离（m）

雷击所致的磁场强度最大值由首次雷击产生，因此雷电流选择i0=250kA。下图中分别列出了雷击点与场区建（构）筑物距离为30m，50m，100 m，200m，300m，500m，1000m，2000m时，建筑物处无衰减的磁场强度H0。

从图2可知，在距变电站49.74m内范围产生雷击时，建筑物内无衰减磁场强度H0大于800（A/m），对于一般电子设备，磁场强度H0经过钢筋混凝土屏蔽衰减后，建筑物内部磁场强度的影响可以忽略。对于存放灵敏设备的，应在设备工作和存放空间采取屏蔽措施，经计算雷击建筑物时根据不同雷电流强度和设备摆放位置不同计算出的屏蔽网格宽度最小达到0.07m，而网格宽度越小，成本越高，综合考虑，提出采用0.1m网格宽度（见下表）。

通过计算可以看出，采用0.1m宽屏蔽网格时，设备摆放间距不应小于0.5m。通常情况下，为保证安全距离，变电站各设备间距通常都大于计算允许值。

4 雷击过电流分析

变电站雷击过电流主要来至避雷针直接拦截闪电和避雷线拦截传输两种方式，对变电站危害最大的就是避雷针直接拦截闪电，当此种情况发生时，由于接地网的面积不是无限大，因此地网泄流的响应时间就不可能为无限小，大约总雷电流i0的50%流入主接地网的接地装置中，而其余的50%的雷电流（即is）进入各种设施并在设备间分配。而雷电流is在电力线上的分配额度将由浪涌保护器SPD来承担。

则SPD的通流量I1为：

I1=i0×50%×12×14；

即为SPD的Iimp10/350μs；

当使用8/20μs波形时，可通过单位能量推算知：

I120=I1350×T2350T220；

雷电流经过SPD后，会有50%～30%的残余施加于后续设备上，这里考虑较坏的情况，假定有50%的残余雷电流施加于后续设备上，则SPD2的标称通流量为：I2=I1×50%。

同样，雷电流经过SPD2后，会有50%～30%的残余施加于SPD3上，这里考虑较坏的情况，假定有50%的残余雷电流施加于SPD3上，则SPD3的标称通流量为：I3=I2×50%。

雷电流经过SPD3后，会有50%～30%的残余施加于SPD4上，这里考虑较坏的情况，假定有50%的残余雷电流施加于SPD4上，则SPD4的标称通流量为：I4=I3×50%。

IEC6102412（1998.5）认为，用于电气设施的SPD标称放电电流值In≥10kA（8/20μs）是适宜的。从安全可靠的角度考虑，同时考虑到由感应环路产生的感应电流，可将上述各级SPD的通流量加上约10%的安全裕量。

对于110kV以上电压等级的变电站，雷电波还会沿输电线路侵入变电站，入射波的幅值常常高达数万安，且会发生波反射和叠加现象，使侵入的雷电波到达变电站时其幅值升得更高，从而导致主变压器和其它电器设备发生绝缘损坏事故。理论上，由于导线本身的阻抗使电压超过导线的临界电晕电压而产生电晕现象，电晕消耗部分能量使入侵的雷电波得到衰减或变形，降低了雷电波的幅值和陡度，减少了流经SPD电流，但由于线路阻抗有限其限制量不超过10kA，主要入侵雷电波的钳制还是由SPD承担。等效电路如图3所示：

5 小结

对于110kV以上电压等级变电站，在距变电站约50m范围内发生雷电闪击时，变电站内无衰减磁场强度将超过GB/T28872011规定的800A/m允许值，微机综合自动化系统、MS终端系统、站端电能量计量系统、综合数据网通信系统、图像监视及安全警卫系统等电子信息系统将受LEMP的危害。

贵州多为喀斯特地貌，变电站站区内的平均土壤电阻率属高土壤电阻率，变电站采用共用接地系统，接地电阻如只利用基础接地极将不能达到DL/T621规范中关于接地电阻值的要求，应采取换土、使用降阻材料等措施降低接地电阻。

浪涌保护器（SPD）是变电站防雷保护的基本重要措施，用于限制作用于设备上的雷击过电压或操作过电压，当过电压超过SPD的启动电压时，产生雪崩击穿，将过电压钳制在后续设备可承受的电压水平，使被保护设备不受过电压的危害，SPD的保护能力，通常所说的通流量和响应时间将对被保护设备的绝缘水平的确定产生直接影响，因此对变电站SPD的选择及能量配合尤为重要。

参考文献：

[1]35110kV变电所设计规范（GB500592011）.

[2]建筑物防雷设计规范（GB500572010）.

[3]交流电气装置接地（DL/T621）.

基金项目：2016年贵州省气象局开放基金项目——110kV以上电压等级变电站防雷系统研究