變電站直擊雷保護(hù)分析

孫 明，孫舶竣

(1.雞西電業(yè)局，黑龍江 雞西158100;2.雞西市郊農(nóng)電局，黑龍江 雞西158100)

0 引言

變電站安裝許多重要電氣設(shè)備(如變壓器、斷路器、隔離開(kāi)關(guān)、互感器等)，一旦遭受雷擊，將產(chǎn)生雷擊過(guò)電壓(大氣過(guò)電壓)，危害電力設(shè)備、造成電力系統(tǒng)大面積停電，甚至危機(jī)到人的生命安全。因此，為了防止大氣過(guò)電壓對(duì)變電站的電氣設(shè)備和人們生命安全造成威脅，本文對(duì)變電站直擊雷保護(hù)進(jìn)行了分析，并根據(jù)模擬試驗(yàn)結(jié)果和運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)修正，得到了避雷針(線(xiàn))的保護(hù)范圍、與配電裝置應(yīng)保持的空間距離，使周?chē)槐Ｗo(hù)建構(gòu)筑物、設(shè)備避免遭受雷擊災(zāi)害和帶電設(shè)備絕緣被擊穿而損壞設(shè)備。

1 直擊雷保護(hù)措施和保護(hù)作用原理

露天的變電站和電氣設(shè)備通常采用避雷針來(lái)防止直擊雷，避雷針是一種簡(jiǎn)單的防直擊雷裝置，其最大優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安裝方便、成本低廉、便于維護(hù)。避雷針實(shí)際上是一組引雷導(dǎo)體，由接閃器、接地引下線(xiàn)和接地體組成。當(dāng)雷云放電接近地面時(shí)，在雷電先導(dǎo)階段，避雷針頂部聚集電荷，在發(fā)展先導(dǎo)和避雷針頂端之間的通道建立了很大的電場(chǎng)強(qiáng)度，避雷針迎面先導(dǎo)的產(chǎn)生和發(fā)展大大加強(qiáng)了該通道中的電場(chǎng)，避雷針(線(xiàn))使地面電場(chǎng)發(fā)生畸變，歪變了雷云與大地間的電場(chǎng)，將雷電引到避雷針(線(xiàn))上，雷電擊中避雷針并泄流入大地，把雷電的能量消耗到地下［1］?？拷芾揍樀谋槐Ｗo(hù)物高度比避雷針低，由于避雷針的迎面先導(dǎo)作用，因此被保護(hù)物遭受雷擊的概率很低，從而使周?chē)槐Ｗo(hù)建構(gòu)筑物和設(shè)備避免遭受雷擊的災(zāi)害。

要發(fā)揮避雷針(線(xiàn))的保護(hù)作用，避雷針(線(xiàn))的高度一定要高于周?chē)谋槐Ｗo(hù)物體。顯然，避雷針(線(xiàn))的高度越高，對(duì)電場(chǎng)的歪變能力就越強(qiáng)，其引雷空間就越大，使周?chē)庠饫讚舻姆秶驮酱?。但避雷?線(xiàn))的高度越高，其本身遭到雷擊的幾率會(huì)增加。

2 避雷針(線(xiàn))的主要技術(shù)要求

1)獨(dú)立式避雷針宜裝設(shè)獨(dú)立的接地裝置。在非高土壤電阻率地區(qū)，要求其工頻接地電阻不大于10 Ω。當(dāng)有困難時(shí)，可將該接地裝置與主接地網(wǎng)連接，但避雷針與主接地網(wǎng)的地下連接點(diǎn)沿接地線(xiàn)的長(zhǎng)度要大于 15 m［2］。

2)獨(dú)立式避雷針(線(xiàn))及引下線(xiàn)與配電裝置在空氣中的間距d1≥0.2Ri+0.1h，而且d1≥5m;獨(dú)立式避雷針(線(xiàn))的接地裝置與變配電所主接地網(wǎng)在地中距離d2≥0.3Ri，而且d2≥3m，Ri為沖擊接地電阻。

3)在多避雷針聯(lián)合保護(hù)時(shí)，兩針之間的距離與避雷針高度之比不宜大于5。

3 避雷針(線(xiàn))的保護(hù)范圍

由于雷電先導(dǎo)在高空時(shí)隨機(jī)地向任意方向發(fā)展，當(dāng)先導(dǎo)到達(dá)距地面某一高度時(shí)，受避雷針(線(xiàn))對(duì)電場(chǎng)的畸變的影響，使先導(dǎo)的頭部與避雷針(線(xiàn))間的電場(chǎng)強(qiáng)度最大，放電將沿此最大場(chǎng)強(qiáng)方向發(fā)展，而擊于避雷針(線(xiàn))上，根據(jù)模擬試驗(yàn)結(jié)果并經(jīng)過(guò)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)修正，得到避雷針(線(xiàn))保護(hù)范圍如下。

3.1 單一獨(dú)立避雷針

單一獨(dú)立避雷針的保護(hù)范圍如圖1所示，在被保護(hù)物高度hx水平面上，其保護(hù)半徑rx為

式中:h為避雷針的高度;p為高度修正系數(shù)，當(dāng)h≤30 m時(shí)，p=1;當(dāng)h＞30 m

圖1 獨(dú)立避雷針的保護(hù)范圍

3.2 兩支等高避雷針

兩支等高避雷針聯(lián)合保護(hù)范圍要比兩針各自的保護(hù)范圍之和大，因?yàn)閾粲趦舍樦g單針保護(hù)范圍邊緣外側(cè)的雷，可能被相鄰的針吸引而擊于相鄰針上，兩針的聯(lián)合作用使兩針間的保護(hù)范圍加大。兩針聯(lián)合的保護(hù)范圍在地面上一側(cè)的保護(hù)最小寬度位于兩針之間的中點(diǎn)，用bx表示，如圖2所示，而兩針外側(cè)的保護(hù)范圍與單針時(shí)相同。為了確定兩針之間的保護(hù)范圍，需先求出在兩針連線(xiàn)中間1點(diǎn)的假想針高度h0，此假想針在O―O'截面上的保護(hù)寬度為bx。D為兩針之間的距離，ha為避雷針到被保護(hù)設(shè)備頂面間的高度。

被保護(hù)寬度bx=0，

圖2 兩支等高避雷針保護(hù)范圍

式中:h為避雷針的高度;D為兩避雷針之間的距離;bx為兩避雷針之間保護(hù)范圍的最小寬度;h0為兩避雷針之間保護(hù)范圍上部邊緣最低點(diǎn)的假想高度;hx為被保護(hù)設(shè)備高度;ha為避雷針到被保護(hù)設(shè)備頂面間的高度;p為高度修正系數(shù)。R0為兩避雷針和兩避雷針之間保護(hù)范圍上部邊緣最低點(diǎn)，以這3點(diǎn)做出圓弧的半徑;當(dāng)h≤30 m時(shí)，p=1，當(dāng)h

3.3 兩支不等高避雷針

兩支不等高避雷針保護(hù)范圍，可以按下面的方法確定，如圖3所示。首先按兩單針?lè)謩e作出保護(hù)范圍，然由用低針“2”的頂點(diǎn)作水平線(xiàn)，與高針“1”的保護(hù)范圍交于“3”點(diǎn)，視點(diǎn)“3”為假想等高針頂點(diǎn)，再作“2”和“3”點(diǎn)的保護(hù)范圍，圖3中f=D'/7p。

圖3 兩支避雷針不等高的保護(hù)范圍

3.4 單根避雷線(xiàn)

避雷線(xiàn)比同高度避雷針引雷空間要小，因?yàn)楸芾拙€(xiàn)受風(fēng)吹而擺動(dòng)，使引雷空間減小，因此，其保護(hù)寬度就要取的較小，但其保護(hù)的長(zhǎng)度與避雷線(xiàn)等長(zhǎng)，兩端還有其保護(hù)的半個(gè)圓錐體空間。單根避雷線(xiàn)的保護(hù)范圍如圖4所示，其一側(cè)保護(hù)寬度rx的計(jì)算式為

式中:hx為被保護(hù)物高度;rx為保護(hù)寬度;hx為水平面上的保護(hù)半徑;h為避雷線(xiàn)高度;p為高度修正系數(shù);當(dāng) h≤ 30 m時(shí)，p=1，當(dāng) h＞30 m時(shí)，

3.5 兩條避雷線(xiàn)

兩條避雷線(xiàn)的聯(lián)合保護(hù)范圍如圖5所示，兩線(xiàn)外側(cè)的保護(hù)范圍按單線(xiàn)時(shí)確定，兩線(xiàn)內(nèi)側(cè)的保護(hù)范圍的橫截面，由通過(guò)兩線(xiàn)及保護(hù)范圍上部邊緣最低點(diǎn)O的圓弧確定，O點(diǎn)高度為

圖4 單根避雷線(xiàn)的保護(hù)范圍

式中:h為避雷線(xiàn)的高度;D為兩避雷線(xiàn)之間的距離;h0為兩避雷線(xiàn)之間保護(hù)范圍上部邊緣最低點(diǎn)的假想高度;p為高度修正系數(shù)。R0為兩避雷線(xiàn)和兩避雷線(xiàn)之間保護(hù)范圍上部邊緣最低點(diǎn)，以這3點(diǎn)做出圓弧的半徑;當(dāng)h≤30 m時(shí)，p=1，當(dāng)h＞30 m

圖5 雙避雷線(xiàn)保護(hù)范圍

4 防止對(duì)設(shè)備發(fā)生“反擊”

避雷針(線(xiàn))受雷擊后，雷電流通過(guò)接閃器、引下線(xiàn)、接地裝置［3］流入大地。此時(shí)，在避雷針及引下線(xiàn)上產(chǎn)生高電位，對(duì)地電位的高低主要與接地裝置的接地電阻有關(guān)。若接地裝置的接地電阻過(guò)大，則雷電流通過(guò)時(shí)避雷針(線(xiàn))電位將升得很高，使避雷針(線(xiàn))臨近配電裝置、構(gòu)架及建筑的絕緣受到被擊穿的威脅;若變電站配電裝置、構(gòu)架及建筑距離避雷針(線(xiàn))過(guò)近，則避雷針(線(xiàn))的接地導(dǎo)體由于電位升高反過(guò)來(lái)向臨近設(shè)備放電，發(fā)生“反擊”。

為了防止接地裝置電位升高造成雷電流通過(guò)避雷針產(chǎn)生過(guò)電壓，對(duì)臨近的物體“反擊”，首先要求接地裝置必須接地良好，接地裝置的接地電阻必須合格。變電站獨(dú)立避雷針的接地電阻不得大于10 Ω，而220 kV變電站主接地網(wǎng)的接地電阻不能大于0.5 Ω，110 kV及66 kV變電站主接地網(wǎng)的接地電阻要求不能大于4 Ω。另外，要保證避雷針(線(xiàn))與臨近的電氣設(shè)備要有足夠的安全距離，要求獨(dú)立避雷針與配電裝置的間距不得小于5 m;避雷針接地裝置與主接地網(wǎng)的地中距離不得小于3 m。另外，避雷針引下線(xiàn)下部的彎曲半徑不宜過(guò)小，人工接地網(wǎng)的外緣應(yīng)閉合，外緣各角應(yīng)做成圓弧形［4］，是因?yàn)槔讚舯芾揍槙r(shí)，避雷針及引下線(xiàn)上電位升高，一般引下線(xiàn)的彎曲半徑不要小于20 cm。

避雷針(線(xiàn))接地電阻合格、避雷針與配電裝置應(yīng)保持一定的空間距離，可有效防止“反擊”造成的帶電設(shè)備絕緣擊穿從而損壞設(shè)備。

5 結(jié)論

1)變電所內(nèi)的所有設(shè)備及建筑物必須在避雷針(線(xiàn))的保護(hù)范圍之內(nèi)。

2)多避雷針時(shí)，兩針之間的距離與避雷針高度之比不宜大于5。

3)避雷針的高度不宜過(guò)高，也不宜過(guò)低。避雷針(線(xiàn))過(guò)高會(huì)增加遭受的雷擊頻率，使其周?chē)呐潆娧b置受到“反擊”的幾率增加;過(guò)低的避雷針(線(xiàn))的保護(hù)范圍會(huì)減小，使其周?chē)脑O(shè)備受到直擊雷的威脅。

4)為防止“反擊”事故發(fā)生，一方面必須將接地裝置的接地電阻降低到規(guī)程允許值，接地引下線(xiàn)接地網(wǎng)外緣轉(zhuǎn)彎和轉(zhuǎn)角處的轉(zhuǎn)彎半徑盡量增大，不要有直角彎，另一方面要保證避雷針(線(xiàn))與臨近的配電裝置及建筑物的安全距離。

［1］孫麗君.建筑物防雷與電氣安全［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2006.

［2］杜澍春，陳維江.DL/T620－1997，交流電氣裝置的過(guò)電壓保護(hù)和絕緣配合［S］.北京:中國(guó)電力出版社，1997:9－13.

［3］中華人民共和國(guó)機(jī)械工業(yè)部.GB50057－94(2000年版)建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.北京:中國(guó)計(jì)劃出版社，2000:22.

［4］杜澍春.DL/T621－1997交流電氣裝置的接地［S］.北京:中國(guó)電力出版社，1998:15.