淺談電力系統(tǒng)防雷

陳文學

摘要：電力生產(chǎn)發(fā)，送，變，用的同時性，決定了它每一個過程重要性。電力系統(tǒng)要通過設計、組織，以使電力能夠可靠、經(jīng)濟地送到用戶。對供電系統(tǒng)最大的威脅就是雷擊引起的短路故障、接地故障，它會給系統(tǒng)帶來巨大的破壞作用，因此我們必須采取措施來防范它。

對于一個大電網(wǎng)，雷擊引起故障發(fā)生的幾率和雷電帶來的擾動是相當大的，如果沒有防雷的保護裝置，電網(wǎng)是不允許運行的。這就是防雷技術在實際應用中的重要程度。正確安裝避雷保護裝置的必要性是顯而易見的。但在系統(tǒng)復雜的內部連接和易發(fā)雷電區(qū)域關系致使很難檢查正確與否。因此有必要采取校驗手段。防雷的保護裝置是分區(qū)域布置的，這樣整個電力系統(tǒng)都得到了保護，而不存在保護死區(qū)。本論文較好的介紹了對雷電的產(chǎn)生基本理論知識，針對雷電的基本特征，分析原始資料，充分保證電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行，實現(xiàn)了對防雷技術改革的目的、要求及措施，提出有益的建議，使每個電力職工增強電力設施的安全保護意識。

關鍵詞：雷電；防雷技術；接地保護；浪涌電壓

1.緒論

2.雷電產(chǎn)生的原因

近年來，隨著電子技術的飛速發(fā)展，自動控制系統(tǒng)在電力生產(chǎn)各個方面的使用越來越廣，電力職工在受益于微電子技術的極大方便的同時，也受到其一旦損壞就損失巨大的困擾。實際上，在電力系統(tǒng)增加自動控制系統(tǒng)的時候，對自動控制系統(tǒng)的安全防雷意識相對淡薄，一旦有雷電波侵入，設備損壞一般是巨大的，有的甚至使整個系統(tǒng)癱瘓，造成無可挽回的損失。雷擊是一種自然現(xiàn)象，它能釋放出巨大的能量、具有極強大的破壞能力。一直以來，致力于電力生產(chǎn)和電力設備研究的人員通過對雷擊破壞性的研究、探索，對雷電的危害采取了一定的預防措施，有效地降低了雷害。

雷電產(chǎn)生的原因是大氣中的放電現(xiàn)象。在大氣層中，云層間或云和地之間的電位差增大達到一定程度時，即發(fā)生猛烈放電現(xiàn)象（閃電）?？梢?，雷電的產(chǎn)生首先與大氣層中的云有關，如層積云、雨層云、積云、積雨云等，最重要的則是積雨云，氣象專業(yè)書中講的積雨云就是指雷雨云。在積雨云的生成與發(fā)展的同時，云體會帶有大量電荷，一般云體上部帶正電荷，中部和下部帶負電荷，底部又有一部分帶正電荷。當濃積云發(fā)展到積雨云階段，其中有的區(qū)域電位梯度大到每厘米幾千伏特，甚至上萬伏特時，才會有閃電發(fā)生。每次放電時的電流強度平均有2萬安培左右，放電時間很短，總的持續(xù)時間一般為0.2秒；個別的可達1.5秒。閃電有枝狀、球狀、片狀、條狀等多種形狀，但經(jīng)常見到的是枝狀閃電，其平均長度是2-3公里，也有可達20-30公里的。在閃電的同時，放電的路徑上空氣的溫度瞬息間可以增高幾萬度，空氣因急劇增熱而膨脹就會引起空氣的劇烈振動、沖擊、爆炸，產(chǎn)生強烈的雷鳴（打雷），亦稱雷暴。由于光速比聲速快，故先見閃電，后聞雷聲。雷暴在氣象學里，分鋒面雷暴、氣團雷暴、對流性雷暴、平流性雷暴。

當雷電放電路徑不經(jīng)過防雷保護裝置時，放電過程中產(chǎn)生強大的瞬變電磁場在附近的導體中感應到強大的電磁脈沖，稱感應雷。感應雷可通過兩種不同的感應方式侵入導體。一種是在雷云中電荷積聚時，附近導體會感應相反的電荷，當雷擊放電時，雷云中電荷迅速釋放，而導體中的靜電荷在失去雷云電場束縛后也會沿導體流動尋找釋放通道，就會在電路中形成靜電感應，其次是在雷云放電時，迅速變化的雷電流在其周圍產(chǎn)生強大的瞬變電磁場，附近的導體中就會產(chǎn)生很高的感生電動勢，在電路中形成電磁感應，感應雷沿導體傳播，損壞電路中的設備或設備中的器件。信息系統(tǒng)中系統(tǒng)接口多，線路長，給感應雷的產(chǎn)生、耦合和傳播提供了良好環(huán)境，而信息系統(tǒng)設備隨著科技的發(fā)展，集成度越來越高，抗過電壓能力越來越差，極易受感應雷的襲擊，并且損害的往往是集成度較高的系統(tǒng)核心器件，所以更不能掉以輕心，感應雷可以來自云中放電，也可以來自對地雷擊。而信息系統(tǒng)與外界連接有各種長距離電纜可在更大范圍內產(chǎn)生感應雷，并沿電纜傳入信息系統(tǒng)。所以防感應雷是電力系統(tǒng)特別是微電子技術應用比較廣泛的變電站綜合自動化系統(tǒng)內，因而信息系統(tǒng)防雷是電力系統(tǒng)保證安全的重點。

3.電力系統(tǒng)高壓電力裝置防雷技術

供電網(wǎng)絡中發(fā)生雷擊時，很大的短路、接地電流會使電器設備過熱或受電動力作用而遭到損壞，同時使供電網(wǎng)絡內的電壓大大降低，因而破壞了網(wǎng)絡內用電設備的正常工作.為了消除或減輕雷擊的幾率，，就需要防雷技術。因此，防雷技術是進行電網(wǎng)雷擊保護配置設計的基礎。

3.1 原始的防雷技術：

電力裝置在其發(fā)展使用初期大都是通過裸導線架空線路輸電，架空導線一般在離地面6～18m的空間，通過雷電入侵波產(chǎn)生的雷電過電壓使線路或設備絕緣擊穿而損壞。當時人們通過在線路或設備上人為地制造絕緣薄弱點即間隙裝置，間隙的擊穿電壓比線路或設備的雷電沖擊絕緣水平低，在正常運行電壓下間隙處于隔離絕緣狀態(tài)，當雷電發(fā)生時強大的過電壓使間隙擊穿，從而產(chǎn)生接地保護，起到保護線路或設備絕緣的作用。

3.1.1 間隙保護技術：

間隙保護就是線路大體的兩極由角形棒組成，一極固定在絕緣件上連接帶電導線，而另一極接地，間隙擊穿后電弧在角形棒間上升拉長，當電弧電流變小時可以自行熄弧，間隙保護技術的缺點是當電弧電流大到幾十安以上時就沒法自行熄弧，雷電過電壓時，單相、兩相或三相間隙都可能擊穿接地，造成接地故障、兩相或三相間短路故障，以致線路電源斷路器保護動作分閘。

3.1.2管型避雷器技術：

管型避雷器技術是利用一種具有噴氣熄弧功能的間隙裝置，此裝置有內外兩個間隙，外間隙類似保護間隙，兩極均固定在絕緣件上，內間隙置于避雷器管內，當雷電過電壓內外間隙擊穿時，雷電流和工頻短路電流經(jīng)管內壁接地，管壁物質受熱氣化，有較大壓力氣體經(jīng)內間隙噴出管外，強制間隙熄弧。管型避雷器技術也存在很多的缺點：此裝置的的選用受安裝地點的限制，其次還受線路最大、最小短路電流的制約，最大短路電流大于避雷器的斷流上限時避雷器會爆炸；短路電流小于避雷器的斷流下限時就不能熄弧，避雷器可能燒壞。另外管型避雷器多次動作后，管內徑會逐漸增大，熄弧能力會下降甚致消失。

3.2新型防雷技術的應用：

間隙保護技術和管型避雷器技術都是靠間隙擊穿接地放電降壓來起到保護的作用，以上兩種防雷技術往往會造成接地故障或相間短路故障，不能達到科學合理的保護作用。目前在電力系統(tǒng)中防雷保護僅將它們用于輸電線路防雷，同時為了盡量減少線路停電事故，與自動重合閘裝置配合使用。更為科學合理的防雷措施是閥型避雷器（表3.2）技術，是目前電力高壓防雷最為普遍的電氣設備防雷技術。對于雷電侵入波的過電壓保護是利用閥型避雷器以及與閥型避雷器相配合的進線段保護。其原理是在過電壓下自動開閘泄流降壓，恢復運行電壓時閉閘斷流，這種保護作用是靠避雷器內電阻元件的限流限壓作用實現(xiàn)的，過電壓下電阻元件可將雷電流限制在5kA內，殘壓限制在設備的雷電沖擊絕緣水平以下；有些電阻元件在運行電壓下仍有續(xù)流通過，長時間續(xù)流會使管型避雷器損壞，故一般需加串聯(lián)間隙隔離運行電壓，并靠間隙滅弧和切斷續(xù)流。閥型避雷器突出優(yōu)點是避雷器的電阻元件可避免電力系統(tǒng)直接接地或相間短路故障，其保護作用不會影響電力系統(tǒng)的正常安全運行。

3.2.1碳化硅避雷器技術：

碳化硅避雷器結構為將間隙和若干片SiC閥片壓緊密封在避雷器瓷套內，保護作用是利用SiC閥片的非線性特性，在過電壓下電阻變得很小，可大量泄放雷電流限制殘壓，而在雷電壓過去后電阻自動增大，限制續(xù)流在幾十安內，使間隙能滅弧和斷流。碳化硅避雷器保護動作既泄放雷電流也泄放工頻續(xù)流，切斷續(xù)流時耗最大達 10000μs，一次保護循環(huán)時間要遠大于 10000μs才能恢復到可進行再次動作能力，故碳化硅避雷器沒有連續(xù)雷電沖擊保護能力碳化硅避雷器因其間隙結構（隙距小，數(shù)量多）帶來一些缺點：如沒有雷電陡波保護功能；沒有連續(xù)雷電沖擊保護能力；動作特性穩(wěn)定差可能遭受暫態(tài)過電壓危害；動作負載重壽命短等。無間隙氧化鋅避雷器因其拐點電壓較低，有暫態(tài)過電壓承受能力差，損壞爆炸率高和壽命短等缺點。串聯(lián)間隙氧化鋅避雷器的間隙結構不同于碳化硅避雷器，因其間隙數(shù)量少，當過電壓達到?jīng)_擊放電電壓時間隙無時延擊穿，因隙距大動作特性穩(wěn)定，故它可避免碳化硅避雷器間隙帶來的一切缺點。

3.2.2氧化鋅避雷器：

氧化鋅避雷器簡稱MOA，與傳統(tǒng)的碳化硅避雷器相比，MOA具有保護特性好，通流能力大，耐污能力強，結構簡單，可靠性高等特點，能對輸變電設備提供最佳保護。

圖3.2.2氧化鋅避雷器伏安特性

碳化硅避雷器技術在防雷性能上有其突出的優(yōu)點被電力系統(tǒng)高壓設備廣泛采用，但也存在著一定的缺點：一是只有雷電最大幅值限壓保護功能，而無雷電陡波保護功能，防雷保護功能不完全；二是沒有連續(xù)雷電沖擊保護能力；三是動作特性穩(wěn)定性差可能遭受暫態(tài)過電壓危害；四是動作負載重使用壽命短等。這些潛在的缺點已暴露出碳化硅避雷器在使用的過程當中存在影響電力安全的隱患性且其產(chǎn)品技術也比較落后。氧化鋅避雷器按外殼材料分為瓷套式、罐式、復合外套式三大類；按使用場所分配電、電站、線路、并聯(lián)補償電容器、變壓器和電機中性點、發(fā)電機和電動機保護用六大類，氧化鋅避雷器技術在繼承了碳化硅避雷器技術的基礎上，無論是在設計的思想上，還是在產(chǎn)品功能的完善上都是世界公認的當代最為先進防雷電器。氧化鋅避雷器的結構為將若干片ZnO閥片壓緊密封在避雷器瓷套內。ZnO閥片具有非常優(yōu)異的非線性特性，在較高電壓下電阻很小，可以泄放大量雷電流，殘壓很低，在電網(wǎng)運行電壓下電阻很大很大，泄漏電流只有50～150μA，電流很小可視為無工頻續(xù)流，這就是作成無間隙氧化鋅避雷器的原因，其突出優(yōu)點是它對雷電陡波和雷電幅值同樣有限壓作用，防雷保護功能完全。

我國最先生產(chǎn)使用的是無間隙氧化鋅避雷器，經(jīng)過長期的運行實踐，發(fā)現(xiàn)它有損壞爆炸率高，使用壽命短等缺點，原因是暫態(tài)過電壓承受能力差是其致命弱點。而串聯(lián)間隙氧化鋅避雷器仍有無間隙氧化鋅避雷器的保護性能優(yōu)點，同時有暫態(tài)過電壓承受能力強的特點，是一種理想地揚長避短產(chǎn)品，結合國情在3～ 35kV系統(tǒng)串聯(lián)間隙氧化鋅避雷器才是當代最先進防雷電器。

4.電力系統(tǒng)弱電裝置防雷技術：

4.1 雷擊的形成及入侵途徑：

4.1.1 雷擊形成主要有兩種形式直接雷擊和感應雷擊：

直接雷擊是指雷電直接作用在物體上，產(chǎn)生電能效應、熱效應和機械力等對物體造成危害。

感應雷擊是指雷電放電時，在附近導體上產(chǎn)生的靜電效應和電磁感應，由此產(chǎn)生的放電效應使使金屬部件之間產(chǎn)生火花，稱之為感應雷擊（圖4.1.1）

圖4.1.1感應雷的形成過程

4.1.2 對保護1進行過流保護整定：

感應雷擊的入侵途徑有以下幾種

架空線路上的二次感應產(chǎn)生的感應電壓（圖4.1.2），產(chǎn)生的雷電電流經(jīng)過架空線路時感應到傳輸線上。對于老式的通訊設備來講，它們的構造大都是由電子管、晶體管向集成電路過渡的。由于電子管、晶體管等相對對立，因而耐沖擊能力較強，因此二次雷擊效應對電子管、晶體管通訊設備不會造成太大損害。對于集成化程度較高的微電子設備，其耐沖擊能力差，受雷擊更易使微電子設備受到損壞。

通過電源線、信號線或天線饋線引入的感應雷擊通過電磁感應耦合到各類傳輸線而破壞設備。電源線引入感應雷擊。變電站內設置的微波通信基站的供電線路大多采用架空明線。試驗表明，雷電頻譜在幾十MHz以下頻域，主要能量集中分布在工頻附近。因此，雷電與市電相耦合的概率很高，容易造成通信線路及通信串口燒壞。為了擴大信號覆蓋范圍，就要盡可能地增加天線架設高度（65m以上的鐵塔約占50%）。但是，在提高信號覆蓋范圍的同時，也增加了鐵塔引雷的概率。

4.2 外部防護：

外部防護是指對安裝弱電設備的建筑物本體的安全防護，可采用避雷針、分流、屏蔽網(wǎng)、均衡電位、接地等措施，這種防護措施比較常見，相對來說比較完善弱電設備的外部防護首先是使用建筑物的避雷針將主要的雷電流引人大地；其次是在將雷電流引人大地的時候盡量將雷電流分流，避免造成過電壓危害設備；第三是利用建筑物中的金屬部件以及鋼筋可以作為不規(guī)則的法拉第籠，起到一定的屏蔽作用，如果建筑物中的設備是低壓電子邏輯系統(tǒng)、遙控、小功率信號電路的電器，則需要加裝專門的屏蔽網(wǎng)，在整個屋面組成不大于5m-5m，6m-4m的網(wǎng)格，所有均壓環(huán)采用避雷帶等電位連接；第四是建筑物各點的電位均衡，避免由于電位差危害設備；第五是保障建筑物有良好的接地，降低雷擊建筑物時接點電位損壞設備。