变电站防雷方法研究

王玉彬，姜 涛，王 磊，郭丽娟

（1.国家电网有限公司技术学院分公司，山东 济南 250002；2.国网山东省电力公司济南供电公司，山东 济南 250002）

0 引言

受到雷电冲击的变电站通常会出现情况不一的停电， 给人民生活和工业生产带来很多不确定的不安全因素和不可挽回的后果。 因此变电站防雷是非常严峻且不可缺少的任务。 正是因为变电站在电力系统中占有极为关键的作用， 所以防雷方法选取对于变电站有着非常深远的影响。本文以110 kV 变电站为研究对象，探索有效的防雷方法。

1 雷电对变电站的危害

1.1 雷的直击和绕击危害

天空的雷云携带与地表相反的电荷。 雷云经过变电站的避雷针或者其他地面突出物体上方的时候，突出物体的顶端电场会发生畸变。在闪电形成的过程中，从雷云底部电荷开始逐渐向地面发展。当距地面的高度不足 100 m 时， 突出物体顶部发生畸变电场的地方电荷开始往上移动。当两者电荷汇合，则标志着闪电开始进入了主放电的阶段。 在安装独立避雷针后，避雷针附近将会有大量的散击出现。同时也可能会出现直击避雷针或对处于避雷针保护范围内的物体进行绕击。 雷击的主放电会释放出巨大能量，雷电流通常为几万到十几万安培［1］。 在这种巨大能量冲击下，会造成建筑物倒塌、电气设备的损坏甚至引起大爆炸，造成人员伤亡。

1.2 雷电侵入波危害

雷电通常是以直击雷或者感应雷的方式沿线路或管道等传播途径侵入变电站， 造成变电站电气设备的破坏。因为管道存在分布电容和电感，当管线的长度很长时，就会造成雷电的传输速度降低［2］。 雷电波在经过不同参数的材料时， 会发生雷电波的折射和反射，波阻抗发生突变，造成电压的突变，增加了变电站设备的危险系数。

2 防雷装置

避雷针可帮助被保护的物体躲避雷电袭击所带来的各种破坏，通俗而言是将雷电引导到自身，而避免雷电袭击被保护物。

2.1 单支避雷针的保护范围

单支避雷针的保护范围如图1 所示， 设避雷针的高度为h，被保护物体的高度是 hx，则避雷针的有效高度为ha=h-hx，在hx高度上避雷针保护范围的半径为rx。

该半径rx可按下式计算：

图1 单支避雷针的保护范围

在通常情况下，避雷针的长度越短，被保护物体的半径也就越小。 相反，如避雷针的长度越长，被保护物体的半径也就越大。 但是避雷针的长度到达一定值时， 被保护物的半径不会再随避雷针的长度变化而变化。为了避免在设计时出现这种情况，本文引入了修正系数的感念，就是上式中出现的 p。 p 有两个值， 当避雷针高度不足30 m 的时候，p 的值为1；而当避雷针的高度大于30 m 的时候

2.2 两支参数相同避雷针共同防护的保护范围

图2 为两支避雷针共同防护时的保护范围，可按单支避雷针的计算方法来确定：

式中：h0为两支避雷针保护范围上部边缘最低点的高度；D 为两支避雷针的距离；bx为在高度hx的水平面上，保护范围的最小宽度。

图2 两支避雷针共同防护时的保护范围

两支避雷针间高度为hx的水平面上的保护范围截面见图2（a），o-o′的截面图2（b）中，两针中间地面上的保护高度为 1.5h0［3］。

因此， 在使用两支参数相同的避雷针共同防护和一支避雷针单独防护相比， 被保护物体的保护范围要更大一些。所以在设计防雷保护的时候，应该选择两支参数相同的避雷针进行防护以加大保护范围。 在利用两支参数相同的避雷针进行防护时计算被保护物体的范围， 需要预先测量两支参数相同的避雷针之间的距离 D， 接着根据两支相同参数避雷针的间距不大于避雷针到被保护设备顶端高度的7 倍的要求，来设计出避雷针的高度 h。 然后通过计算，对避雷针的保护范围进行校验。

3 防雷接地装置的要求及原则

3.1 接地电阻的要求

如果变电站里的中性点直接接地或者经过小电阻接地，则接地电阻需要满足：

式中：Rd是接地的电阻最大值；I 是通过接地装置流入大地的短路电流。

通过接地装置流入大地的短路电流的计算如下：

式中：Imax是接地短路电流的最大值；IN是变电站中性点接地短路的最大电流；kf1为变电站内短路时避雷线的工频系数。 一旦变电站以外的区域有接地故障出现，此时可以计算出通过接地装置入地的短路电流值为：

式中：kf2为变电站外短路时避雷线的工频系数。

如果变电站里中性点不接地或者经过消弧线圈接地，则接地电阻视情况不同满足相应要求。

一是变电站中使用接地装置既有高电压设备又有低电压电气设备的时候，Rd≤120／I 且应使 Rd≤5 Ω。二是使用接地装置只有变电站的高电压设备的时候，Rd≤250 ／I 同时 Rd≤15 Ω。 I 是经接地装置入地的短路电流，可以用以下公式计算：

式中：U 为接地装置的工频放电电压；Lx为接地体长度；Lb为接地体宽度。

在对变电站的电气装置及设备进行设计时，对普通土壤电阻率区域，独立避雷针冲击电阻应满足：Rch≤15 Ω 。 但在土壤电阻率较高的区域，独立避雷针冲击电阻要满足上述条件相对困难。 但在满足以下条件时可以使用高电阻值：

式中：Rch是防护过电压的冲击接地电阻值；Sd为防护电反击的地中距离。

3.2 主接地网均压要求

在对变电站接地装置型式及布置进行设计的时候，必须以人员和电气设备的安全为基础。不论采取什么接地装置对变电站进行防护， 其目的是为了让接触电压与跨步电压下降。

3.3 接地的基本原则

1）在对接地网进行设计的时候不要将其独立于其他防护装置，应该把各种防护装置配合起来。可以把变电站里面的钢筋和接地体进行有效结合， 从而使接地网达到最大的作用。

2）在设计的过程中要把自然存在的接地物体利用起来， 使得加装的接地装置和自然存在的接地物组成一个闭合的回路。

3）在设计的过程中，需要避免在连接大地时出现多点接地，而是选用尽量少，甚至最好就是只有一个点连接大地。

4）在设计完之后，需要避免独立安装，安装必须要统一进行。

因此， 在确定110 kV 变电站的防雷保护方式时，应综合考虑该变电站的运行方式、该地区雷电活动的强弱、地形地貌的特点、土壤电阻率的高低等条件，根据技术经济比较的结果，因地制宜采取合理的防护措施。

4 可调间隙防雷装置的绝缘配合

对于110 kV 变电站，考虑到绝缘子串在雷电冲击电压下放电电压的概率分布和间隙在操作过电压下放电的概率分布［4］，对间隙和绝缘子串在操作过电压下进行绝缘配合。考虑线路可能出现的最大操作过电压的幅值和频率的概率分布，确定线路操作过电压可能出现的最大值以及波形。 根据设计原则［5］，间隙应该能够耐受这种操作过电压，由此可对间隙的最小放电电压和线路最大操作过电压进行绝缘配合，获得保护间隙引弧端间的最小距离，以保证间隙在此操作过电压下不放电，线路的绝缘水平没有降低。

根据试验结果和运行经验［6］，闪络使绝缘子损坏的主要原因是电弧根部温度很高，而电弧的弧柱部分则由于弧道变粗，温度减低，破坏性要小得多，虽然沿面闪络无法避免，但只要电弧两端的弧根不在绝缘子上，安装间隙的目的就达到了。另外，间隙按耐受系统操作过电压设计， 否则降低了整个线路的绝缘水平。间隙型式不仅应该能够在雷击闪络时引导电弧不沿绝缘子表面燃烧，防止绝缘子被电弧烧毁，保护绝缘子串，还应该能够改善绝缘子串的电压分布，减少电场强度的局部集中，防止绝缘子串发生电晕放电。

基于以上分析， 本文设计的可调间隙防雷装置总体结构如图3 所示。

图3 绝缘子（串）加装可调间隙防雷保护装置图

图中的间隙可调装置可以根据当地常年气象情况以及绝缘子投入使用之后的实际情况， 调整球形电极之间的距离D， 使其在变化的环境下灵活调整间隙距离从而实现对线路、绝缘子的有效保护。

可调间隙防雷装置与绝缘子的绝缘配合， 需要考虑两者在雷电冲击电压和线路操作过电压下的闪络和耐受水平，合理配合设计出安全的间隙距离，从而保证在雷击时前者先于后者闪络， 同时前者在线路可能出现的最大操作过电压时闪络的概率足够小，以不过分降低线路的绝缘水平。并联可调间隙防雷装置和站内采用避雷器保护相结合的防雷措施，可以保证雷电流能及时入地， 而且能够先于绝缘子放电，可靠保护绝缘子，使“疏导型”防雷成为“阻塞型”防雷的有力补充，为线路的防雷工作提供了一个新的思路和实践经验。

5 结束语

雷电的防护是变电站的重要问题之一， 它对变电站的安全可靠运行有着不可或缺的作用。 变电站如出现雷电过电压，将会对变电站造成巨大损失。本文分析了雷电过电压的危害，以110 kV 变电站为研究对象， 提出了该电压等级变电站防雷接地装置的要求和接地的基本原则， 设计了可调间隙防雷装置总体结构，给出了该电压等级变电站的防雷方法。