变电站的防雷保护技术研究

2018-01-24李友根

通信电源技术 2018年12期

李友根

（中国能源建设集团湖南火电建设有限公司，湖南长沙 410015）

0 引言

雷电是自然中令人恐怖的气体放电现象。18世纪，富兰克林首次阐述了避雷针的原理，提出了雷电是大气中火花放电的物理本质。雷电放电对现代航空、电力等领域有很大影响，使得人们开始加强对雷电防护技术的研究。变电站发生雷击事故会对电网产生较大危害，造成大量经济损失。电力变电站实现综合自动化提高了变电站的防雷能力，为供电部门提供经济安全的电能创造了条件。在变电站设计中保护变电站设备安全，能最大程度减少雷击事故发生。

1 相关研究

雷电灾害是严重的自然灾害，全球每年因雷击都会造成大量的人员伤亡和财产损失。美国雷电安全研究所的相关调查显示，美国每年因雷击造成的损失约50亿美元。我国是雷电活动频繁的国家，每年因雷击造成人员伤亡的人员达4 000人。随着社会经济的发展和科技现代化发展，雷电灾害造成的经济损失和社会影响不断扩大。

19世纪70年代是电力网发展的初期阶段，80年代末电力网采用导雷器电话保护装置，20世纪30年代发展成去游离避雷器。电力系统的迅速发展，使避雷设施技术不断提高。1907年美国出现了铝电解避雷器，1929年美国制造出齐德特阀型避雷器，大大降低了系统雷击损坏率。近年来，电子设备的广泛应用，促使人们重视防雷技术的研究，防雷技术手段不断提升。

2 变电站高压电力装置防雷技术

建筑物的防雷设计要因地制宜采取防雷措施，做到安全可靠、技术先进，以减少雷击建筑物而发生的人身伤亡和财产损失。要认真调查被保护区周围地理、土壤、气象等条件，研究防雷装置的形式和布置。

雷电具有强大的破坏能力。雷电流幅值指被击中物体雷电流的最大值，是产生雷电过电压的根源，表示雷电强度的指标。雷电流对电气设备绝缘的危险系数与雷电流波头陡度有关。雷暴日表征不同地区的雷电活动频繁程度。少雷区为年平均雷暴日在20天以下的地区。高雷区为40天地区，强雷区为超60天以上的地区。

雷电直击在物体上产生电磁效应，对物体造成危害的现象为直击雷。直击雷可产生达数十万伏的过电压幅值，是普通电压等级电力设备绝缘不可耐受的。防护直击雷常用的措施为装设避雷针。避雷针是接地导电物，作用是将吸引的雷电导入地中。一般设置在高于被保护物体处，在雷云电场作用下，尖端电场强度大于空气电力场强，与雷云雷电先驱相遇形成雷击。

在一定高度的避雷针下，有一处安全区为避雷安全区，不能保证被保护物绝对不受直接雷击。工程中多采用两根以上避雷针扩大保护范围，两针联合屏蔽作用使中间部门保护范围较单针大。两针间距与针高比应小于5。

避雷线即挂在高空的接地导线，引雷作用与保护宽度较避雷针小，适合保护架空线路，可编成防雷保护网保护重要的建筑物。避雷线保护范围与数量、高度、架设位置等有关。

避雷针装设分为独立避雷针和构架避雷针。首要考虑配电装置电压等级等情况进行选型安装。不同的电压等级配电装置绝缘水平不同，35 kV以下的变电站不允许将避雷针装设在配电架构上，接地电阻一般不超过10 Ω，土壤电阻率高地区应装设独立避雷针。

装设避雷针构架应就近装设辅助接地装置，发生雷击时，避雷针接地装置产生高电位向变压器接地点传播逐渐衰弱[1]。通过在建筑物上装设避雷网及其混合组成的接闪器，亦可有效防止建筑物直击雷危害。避雷网应沿屋顶四周等易受雷击部位设置，网格要求小于100 m2。避雷针要用避雷带相互连接，可沿建筑物四周均匀布置避雷带引下线。若利用建筑物四周柱子钢筋为引下线，平均间距应按跨度设置。

避雷针可防止雷击，但被保护电气设备仍可能存在雷击过电压造成的损坏。雷击线路附近大地将输电线路产生过电压，以波形形式沿线路传入变电站，需按照避雷器保护装置限制危害电气设备绝缘过电压。

避雷器是一种并联在被保护设备附近的放电器，击穿电压比被保护设备低。线路传过电压避雷器放电压时，限制设备过电压，入侵波消失后避雷器自行恢复绝缘能力。目前，使用的避雷器主要有保护间隙、氧化锌避雷器等几种类型。正确的选择使用避雷器，能使避雷器达到预期效果。

3 变电站二次设备电涌保护

电力系统的二次设备是监控保护一次设备运行设备。变电站二次设备遭受雷电影响有多方面的原因，只有综合运用各种措施形成相互配合的整体，才能有效防止雷击危害。变电站内建筑物有三层，有一次系统和二次系统。变电站带有强电特性，易遭受雷击，雷击在线路上引起的过电压是损坏建筑物内设备的主要原因。

变电站架空线路遭受直击雷后，雷电流直接传到弱电设备，架空线路较长，发生几率较大，危害性也较大。直击雷电流通过引下线引起电磁感应，配电线路产生电磁感应，感应雷可能直接对设备造成损坏。变电站遭受雷击后，雷电流流入接地网。接地网接地电阻偏大时，会使接地网具备电位抬高，导致低电位对设备反击损坏设备。

雷电防护分区法即将防雷空间分为雷击电流与电磁场逐渐减小的区域，建立雷电防护系统。电涌指因雷电在线路与电气设备上产生的过电压现象。电涌保护通过保护电子设备避免此类瞬态电冲击。电涌保护器是用于限制瞬态过电压与泄放浪涌电流的装置。电涌保护器使用时并联在被保护设备的两端，限制电涌电压保护电子设备。被保护设备工作正常，该元件电阻极高，不会对被保护设备产生影响。出现瞬态电涌时，需降低被保护两端的电压。电涌结束时，自动恢复为高电阻。电涌保护保护电子设备不受雷击电涌危害，因此雷害元件损坏造成经济损失的设备需配备电涌保护器。综合自动化设备包括电源和信息侧两部分，电源侧雷害占全设备雷害的一半，信息侧内部电路更脆弱，故而必须进行电涌保护。

雷电电涌防护设计依据雷电防护分级，要对工程所处地区雷电环境进行风险评估，以提高防雷技术的经济性。电涌风险评估根据建筑物周围雷电环境形式、建筑物与进线引雷面积等实际情况确定。

4 接地屏蔽技术

接地是为电路系统提供参考的等电位点，接地是防雷技术的重要环节。所有形式的雷击最终都是将雷电流导入大地。接地具有维持正常运行、保护防雷等作用。电力系统分为保护接地、防雷接地和工作接地[2]。保护接地指电气装置金属外壳构架等。工作接地指为保障电力系统电气装置正常运行所设计的接地。雷电保护接地为保护装置向大地泄放雷电流设计。

防雷基地利用各类接地极将雷电流泄放到大地，以达到保护电气设备安全的目的。与电网连接的所有仪器设备都应可靠接地，需保护的二次设备必须采取等电位连接保护措施，而各防雷保护装置必须配备合适的接地装置。防雷工程接地以下线路的布线工程非常重要，决定了整个工程的防雷效果。

雷电流通过接地极进入大地，接地附近土壤中电流密度大时会被击穿。此时，接地极附近土壤导电性增大，土壤成为良好的导体。雷电流等值频率较高，导致接地电感影响增大，使接地体得不到充分利用。因此，在同一接地装置冲击下具有不同的电阻值。

接地线与接地极总和为接地装置。变电站可利用自然接地体，如与大地可靠连接的建筑物及其金属结构，或埋设在地下的金属管道等。防雷接地装置多用于垂直接地体，对泄放电流的进出线构架的接地均应设置人工集中接地。独立避雷针应设立独立的集中接地装置，接地电阻小于10 Ω。要防止避雷针对被保护设备反击。

屏蔽是防止本身电磁场辐射对外界干扰的措施，利用铜铝等低电阻材料将需要隔离的部分包裹，从而防止某制定空间内外部静电感应影响。建筑物屏蔽利用建筑物及其金属结构相互连接形成初级屏蔽网。设备屏蔽要求屏蔽材料的导磁率较高，能增强阻挡外界电磁干扰的能力。线缆屏蔽采用屏蔽电缆，建筑物间的互联电缆应敷设在与其等电位有电气连接的金属管道内。