110 kV 变电站的电气设计与防雷保护分析

贾德刚

（中油（新疆）石油工程有限公司，新疆 克拉玛依 834000）

1 引言

变电站因在电力系统中的核心地位和重要作用，在各区域电网架构升级和发展的同时，也相应进行了调整，现阶段工业生产力度和居民用电需求的增加，对供电系统负荷的安全性以及电力输出运行的稳定性的要求也随之提高，原本建设的变电站已经无法满足当下的发展需求，需要从电气主接线方式、接地网设计等方面进行技术升级和优化，通过合理设计提高供电质量和效率。

2 110 kV 变电站电气设计与防雷保护的研究目的及相关内容

2.1 研究目的

目前，电力电子设备的普及和广泛应用，在很大程度上对电力能源有很大的依赖性，一旦出现供电中断，会造成工厂生产停止，居民日常饮食以及出行受阻。因此，要极力确保电力供应正常，从而促使整个社会正常运转。围绕社会需求，需要加快完善110 kV 变电站建设，一方面，认识和明确变电站在电网系统中的重要性，以提升变电站工作的稳定性和安全性为前提，合理设计，细化变电站设计内容。另一方面，借助高科技手段，优化电气设计和防雷保护设施装置设计，按照长足发展的原则，根据实际需求更新变电站电气设备，提高变电站抗风险能力。

2.2 设计的基本内容

首先，需要进行短路电流的计算。目的在于了解各个断路点的短路电流，经过比较得出短路电流的最大值，以此作为短路电流的最大允许值。通常短路点不止一个，一般会选择2～3个点进行计算，并将计算结果放在一起进行比较。再者，需要做好直击雷保护装置设计，其中，需要着重围绕避雷针安装、避雷针高度、防雷保护范围、防雷保护措施、接地网设计等进行合理安排和细化。

3 110 kV 变电站电气设计要点分析

3.1 电气主接线设计

变电站接线设计过程中，接线方式相对烦琐，其中，关键设备是变压器，通常情况下，变压器负责线路升压和减压，电气主接线设计时，应以良好的接线设计方式使变压器各项指标在合理使用范围内。选择变压器时，应根据电量及负荷等的具体需求以及使用情况综合考量，发电量较少时，需要配置一台主变压器以及两台配套的发电机，如果情况相反，还要结合实际情况增加变压器和发电机的数量[1]。所以，在设计变电站的全过程中，要重点设计主接线，一方面需要设计好电器位置的主接线，按照平面图进行整体布局。另一方面，要不断调整和优化模块的主要接线位置，降低后期维修和保养变电设备的压力，减少维修设备过程中的消耗，并且要对扩建、重新改造部分加强维护与管理。

3.2 信号整理

进行110 kV 线路的光纤通道设计时，需要保障通信通道在信号整理过程中保持双向延时，并且将电子互感器与合并单元模式统筹运用，提高保护的叠加效果。此外，为加强信号整理效率和质量，要利用双A/D 系统接入合并单元的方法，全面收集和整理各个电子式互感器搜集的信号，并进行信号的检测，针对异常信号诊断根源，以此更科学、更有针对性地进行电气设计，实现设计与实际需求的平衡。

3.3 智能运行管理

现阶段，智能变电站设计和定义并不明确。一些欧美发达国家已经开始着手对智能电气设备进行研究，但是各国国情和电力发展现状都不尽相同，因此，很多生产厂商对智能变电站的设计与发展的理念也存在差异。比如，在西门子公司看来，智能变电站设计的重点应集中在高度自动化方面，以自动化技术作为变电站自愈功能的支撑点。但是ABB 公司有不同的看法，认为西门子公司提出的智能化设计观念只是智能化建设中比较基础的内容，真正的设计重心应放在对电力设备的数据采集以及运行状态的监测上。由于设计理念和实际电力情况以及需求的差异化，需要根据电网设计统一管理标准，以智能化、自动化技术进行电网系统的运行管理，建设智能电网也是当下电力工业面临的重要挑战以及未来共同发展的趋势。以物理电网为基础，采用先进的通信技术、高级传感器、电力电子装置、自动化设备等，对电力设备运行状态进行自动化分析和监控，排除隐患，控制运行风险。

4 防雷保护设计及相关措施

4.1 避雷针和避雷线

安装避雷装置是进行防雷保护设计最为实用和便捷的方法。但同时为合理利用防雷装置，控制避雷装置相关配套设施的使用成本，应将避雷针设置在变电站的铁塔塔杆、照明塔以及各处建筑物的高部位。避雷针和避雷线的作用是从被保护物体上方引导雷电通过，并安全泄入大地，防止雷电直击，减小在其保护范围内的电器设备和建筑物遭受雷击的概率。其作用原理是将避雷线与避雷针相连，避雷针会有所感应聚集大量电荷，雷电从天空中顺着避雷针进入避雷线直至埋地的避雷网，形成回路，以此消除雷击。随着时代发展，可以利用摄像机立杆避雷针防雷设计，将避雷针架设在摄像机的支撑杆上，引下线可直接利用金属杆本身或选用φ8 mm 的镀锌圆钢。为防止电磁感应，沿电线杆引上的摄像机电源线和信号线应穿在金属管内以达到屏蔽作用，屏蔽金属管的两端均应接地。为此，结合避雷针原理和图1 所示系统进行防雷保护设计。

图1 避雷针与系统设计原理图

安装避雷装置需要以安装接地线设备为前提，并且接地电阻值要控制在10 Ω 以内，确保变电站和接地连接的终端线路能够在可承载范围内，而线路应采用连接避雷针的避雷线，加强对线路的保护作用。比较小型的变电站会采用独立的避雷针，大型变电站会将避雷针和避雷线结合使用，这样可以在很大程度上提高变电站的抗雷击能力，避免因为雷击造成电力系统运行中断而停电。所以，这就对接地设施、避雷针以及避雷线提出了更严格的要求。同时，还要根据当地天气变化、土壤情况等做好及时的维护工作，提高电力系统的抗雷击能力，并且要定期做好检查，提前做好预防，保障避雷针和地下的接地网在接地电阻允许范围内，还要加固塔杆的连接位置[2]。

4.2 直击雷的保护设计

不同的变电站以及不同的地域有不同的防雷设计要求，差异性要求的接地装置设计也不同。例如，对于小型变电站会设置独立避雷针，适合设计独立的接地装置。而且在非高土壤电阻率地区，其工频接地电阻要控制在100 Ω 以内。当出现阻碍时，接地装置和主接地网连接，使其接地电阻全面降低。所以，要选择适合的避雷器，结合不同变电器安装区域的电网额定电压的差异特点，选择适合的避雷装置。比如，氧化锌避雷器适用于110 kV 的电网，其他适合的安装地点以及相应的参考数值见表1。

表1 氧化锌避雷器安装地点及参考数值

与此同时，独立避雷针的位置不应靠近人行通道，避雷针以及接地装置与人行道、出入口等地方的距离应超过3 m，如果没有按照这个距离进行安装设计，需要采取均压措施，或铺设砾石或沥青地面。电压在110 kV 及以上的配电装置，需要将避雷针安装在配电装置的架构或者屋顶上。对于土壤电阻率大于1 000 Ω·m 的地区，除了需要设计独立避雷针，还可以进行相应计算，通过降低接地电阻、提高绝缘属性等方式，防止雷击事故发生[3]。

4.3 照明设计

要确保110 kV 变电站安全运行，除了需要在适合的位置上安装避雷针和接地装置以外，还需要做好科学的照明设计，在安全通道以及关键位置安装照明设计，并且电气设备中需要设计照明系统，采用现代化技术，结合电气设备的功能需求，完善照明系统的设计，当出现危险或者遇到紧急情况时，可以减少维修人员的时间成本，有便利的照明系统为维修工作提供照明条件，让维修人员快速找到发生危机的位置，并进行相应的检查和维修。

5 结语

综合上述分析，现代化发展推进了供电系统的变革，结合人们生活用电和工业生产用电的双重需求，对变电站的合理设计需要以实际需求为依据，加强电气设计，完善相关工作，提高110 kV 变电站安全和保护功能，运用智能化、自动化技术，立足于国情，积极研究智能变电站，并进一步提高安全性能，加强防雷保护装置设计，安装避雷针和接地装置，维护国内变电站电力系统稳定运行。