农村变电站雷电防护技术

赵仲茂 梁静宇

摘 要：变电站是电力系统中对电压和电流进行变换、接受电能和分配电能的场所，对农村供电具有重要作用。雷电是影响变电站平稳可靠运行的重要因素之一。本文以农村变电站为例，介绍雷电防护技术的应用，分析现有防雷措施的不足，并提出相应解决措施，以降低雷电致损的概率，保证农村生产生活正常开展。

关键词：农村变电站;雷击风险;防护技术

中图分类号：TM862;TM63 文献标识码：A 文章编号：1003-5168（2021）18-0147-03

Abstract： Substation is the place where the voltage and current in the power system are transformed， accepted and distributed. It plays an important role in rural power supply. Lightning is one of the important factors affecting the stable and reliable operation of substations. Taking rural substations as an example， this paper introduced the application of lightning protection technology， analyzed the shortage of existing lightning protection measures and put forward corresponding solutions to reduce the probability of lightning damage and ensure the normal development of rural production and life.

Keywords： rural substation;lightning risk;protection technology

目前，我国农村电网覆盖率不断提高，变电站数量不断增多，随之而来的是，雷击的概率也不断提高。输电线长期暴露于室外，一旦遭受雷击，就会导致跳闸，从而使变电站相应设备出现运行故障[1]。根据雷电的不同形状，可将其大致分为片状、线状和球状三种形式。雷电流放电电流大，幅值高达数十至数百千安;放电时间极短，只有50～100 μs;波头陡度高，可达50 kA/s，属于高频冲击波。线状雷电是变电站发生雷击事故的主要形式[2]。目前，广东省徐闻县的农村变电站经过改造，逐渐规范化、标准化，但变电站自动化设备多为微电子元器件，极易受到雷击等外界环境的影响，因此要加强变电站雷电防护管理，强化防雷技术设计。

1 变电站主要雷击来源

变电站遭受的雷击主要来源有两个：一是雷电直接击中变电站内的设备，站内设备多为金属外壳，导电性强;二是室外架空输电线路的雷电感应过电压和直击雷过电压形成的雷电波沿线路侵入变电站（见图1），其是导致变电站雷害的主要原因[3]。雷击会对配电变压器造成伤害。因此，针对直击雷和雷电波入侵，需要采取必要的防雷措施。

2 配电变压器的防雷技术

2.1 确定避雷器防护距离

变压器是变电站的重要设备，其可承受的过电压能力较其他电力设备低，因此常将变压器作为变电站电气设备的雷电防护的核心。变电站母线避雷器安装位置要与主变压器距离最近，以应对在长期运行过程中因设备老化而导致其过电压承受能力及耐雷水平不断下降的现象。也就是说，当雷电产生的雷电波沿着变电站进线入侵内部后，避雷器连接点距离变压器连接点的最大允许电气距离要最小，尽可能安装在与主变压器侧开关同一间隔内。以35 kV电压等级为例，变电站1 km进线段安装有避雷线，取侵入波空间陡度[a0]为1.0 kV/m，当避雷器与变压器之间的距离控制在5 m及以下时，变压器受到的冲击电压会减少10 kV，有利于对变压器的绝缘保护。

2.2 三点共同接地

三点共同接地意味着防雷接地（高压避雷器）、保护接地（外壳）和工作接地（低压中性点）共用一个接地装置，其接地电阻应满足三者之中的最小值，其中防雷接地电阻一般规定小于10 Ω，但要有垂直接地极，以利散流;低压工作接地电阻一般应小于4 Ω。因而接地电阻主要取决于高压侧对地击穿时的保护接地，一般情况下配电变压器都是向B类建筑物供电的，相关标准规定，只有当保护接地的接地电阻[R≤50/I]時，高压侧防雷及保护接地才能与低压侧工作接地共用同一个接地装置;如果采取三点共同接地，则[R≤50/I]时，[I]为高压系统的单相接地电流。分段对于不接地系统，[I]代表系统电容电流;对于消弧线圈接地系统，[I]是故障点残流。公式中的50是低系统的安全电压，即高压侧对外壳单相接地时，接地电流流过接地装置的压降不得超过50 V。变电站系统中的电容电流差别较大，在数十至数百安之间不等，所以配电变压器三点共同接地时，要根据所在高压系统的情况来确定接地装置的接地电阻，不能笼统地规定4 Ω或10 Ω。分段采用三点共地后，高压侧避雷器放电电流较大，接地电阻压降也很高。该压降加在低压线圈上，通过低压线路电容接地，在低压线圈中就中击电流使线圈励磁，通过电磁感应使高压线圈感应出很高的电压。高压侧电压受高压侧避雷器残压限制，其线圈中性点电位较高，容易在中性点附近，导致对地击穿或匝间短路而损坏变压器，因此，需要在低压侧加设避雷器，限制低压线圈承受的电压。当地电位升高时，通过避雷器放电，使低压线圈则只承受低压避雷器的残压，这样高压中性点附近的过电压便被限制在可接受的范围内，从而防止逆变换损坏变压器[4]。同理，当低压线路感应雷传导配电变压器时，低压侧避雷器也会动作，使雷电流泄放入地，低压线圈电压也被限制在低压避雷器残压之内，防止配电变压器高压侧被按变比感应的电压所损坏。

2.3 引下线连接方式

配电变压器区域的接地装置应设置为闭合环形，加设垂直地极。这是因为环形内的接触电压较低，而沿环形接地体走路的行人，其跨步电压也较小，城区的配电变压器大多安装在路边，因常有人走动，为行人安全着想，必须敷设为环形。闭合环的直径一般为5 cm，这是因为要发挥水平接地极和垂直接地极的散流效果，减少相互屏蔽，降低接地电阻。当变电站内安装地点较为狭窄时，可变换为椭圆形，短轴距不应小于3 cm，两垂直接地极应打在短轴两端点附近，高压避雷器、外壳接地、中性点的接地应分别置于垂直接地极附近，以利于散流。当土壤电阻率高时，做一个环后要立即测试电阻值是否符合标准，若不符合标准，需要在环外再做一个大环，两环相距4～5 cm，埋地深度需比第一环深，两环有相接处。

下线及接地装置都应使用焊接，但为安装方便，通常在电杆下的1.8～2.0 m处有一个断接卡，也以螺栓相接。引下线材质一般为扁钢或钢绞线，此两种材质制作接线板宜用双螺栓相连。但在实际操作中，高压避雷器接地端分别用钢绞线接线，三根线绞合连接，大多数情况是钢绞线材质，配电变压器外壳的接地线也用钢绞线与避雷器接地线绞合，再与接地装置的引上线用螺栓连接，未压制接线鼻，这些连接都不符合标准的做法。正确做法是将三个高压避雷器的接地端以30 mm×4 mm的扁钢连为一体，从中间引下和外壳的接地扁钢相连，均采用焊接。中间不设置断连卡，直接入地和接地装置焊接。

2.4 地下水平接地极设置

接地装置地下水平接地极采用40 mm×4 mm的扁钢，垂直接地极用40 mm×4 mm的角钢，埋地深度在60 cm以上，填埋时务必用干净的原土并夯实。条件允许的情况下，扩大环形水平接地极面积，或在环外再做一环，两处相连，以降低电阻。地下相连处用焊接，扁钢搭接长度和自身宽之比为2∶1，且三面或四面均应焊接，三面焊接时尽量二短边一长边，利于电流通过。圆钢焊接长度和直径之比应为6∶1，两面焊接且为实焊。焊接处要采取防腐措施。

2.5 柱上开关防雷接地

高压柱上开关及隔离开关一般作为联络开关用，标准规定要在一侧或双侧加装避雷器，且避雷器引下接地线应与开关外壳连接，以确保开关对地绝缘只承受残压，使其得到有力保护。但实际上，不少柱上开关的高压侧避雷器接地线是直接入地的，没有按规定连接外壳。此时开关对地绝缘所承受的除避雷器残压外，还包括引线和接地装置电阻上的压降[5]。如接地线电感为2.67 μH/m，引线长为11 m，雷电波波头为3.5 μs，幅值为5 kA，加上接地电阻压降值，避雷器残压假设为50 kV，则开关承受的电压超过开关的冲击绝缘水平，避雷器就无法发挥效用。一些开关外壳虽具有引下接地线，但是单独入地，即使共用一个接地装置，开关绝缘承受的电压也高于残压。通常情况下，单独柱上开关的接地装置，其接地电阻应在10 Ω以下，柱上开关的外壳、隔离开关闸刀坐台、附近的绝缘子横担，应连在一起与避雷器接地引下线相接，这样就使隔离开关支持绝缘子都能得到保护，防止雷击闪络，充分发挥避雷器的作用。线路中加设的高压无功补偿电容器应加装金属装氧化物避雷器，接地引下线应与电容器外壳相连。

2.6 增强线路绝缘性

配电网线缆的绝缘水平越高，防雷效果越好。当感应雷击中配电网线路时，导致固体绝缘子周围的气体或液体电介质被雷电流击穿，沿固体绝缘子表面产生放电现象，从而降低整个线路的防雷程度。为了减少线缆通道数，实践中采取同杆多回线技术，虽然可降低安装成本，减少线路回廊数目，但遭受雷击后，由于线缆之间的距离不足，会引发接地事故，严重情况下多回线同时跳闸会导致更多损失。因此，必须增强配电网络的绝缘程度，可增加绝缘控件的个数，将裸导线更換为绝缘导线，选择合适绝缘子型号，在绝缘子和线缆之间增加绝缘皮等。

3 结语

开展防雷保护是做好事前预防的重要措施。为保证农村变电站的平稳运行，有必要进行全面的防雷保护。本文分析了易遭受雷击的原因，并提出了相关解决措施，以减轻雷电对农村变电站配电设备的影响。

参考文献：

[1]童庆山，马飞.高压输电线路和变电站雷电防护的现状与发展[J].商品与质量，2018（13）：268.

[2]陈文.浅谈雷电灾害与配电网的防雷措施[J].农村电气化，2008（增刊1）：244-247.

[3]姚书航，唐慎佳，刘松杰，等.浅议高压输电线路与变电站雷电防护的现状及发展[J].中国高新区，2017（19）：104.

[4]刘青松.农村小型变电所弱电设备雷电防护措施[J].现代农业科技，2017（15）：199，202.

[5]郝星亮.浅谈变电站防雷设计[J].科技情报开发与经济，2009（21）：230-232.