110kV以上電壓等級變電站防雷基礎(chǔ)參數(shù)分析

李迪 李舟鑫

摘 要：社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，要求電力系統(tǒng)提供安全可靠的供電質(zhì)量，所以高電壓，強(qiáng)電流的輸變電工程就是這一保障的唯一方式。本次研究的目的是對變電站的防雷系統(tǒng)的基礎(chǔ)參數(shù)進(jìn)行分析，對變電站存在的雷電有害因素進(jìn)行識(shí)別并提出補(bǔ)充和完善的防范對策、措施，以滿足變電站安全生產(chǎn)的要求。同時(shí)也為變電站的防雷裝置檢測提供科學(xué)依據(jù)，避免盲目性。

關(guān)鍵詞：變電站；分析；防范措施；科學(xué)依據(jù)

1 變電站的基本概況

變電站有500kV（220110kV）、220kV、110kV、35kV、10kV等多個(gè)電氣間隔，最終出線回路數(shù)量由容量決定，站區(qū)主要設(shè)備有主變壓器、六氟化硫（SF6）斷路器、隔離開關(guān)、電壓互感器、電流互感器、110kV、35kV、10kV避雷器、10kV電容器等。所有電氣設(shè)備均裝設(shè)接地裝置，并將電氣設(shè)備外殼接地。平面布置圖如圖1所示：

站區(qū)多為矩形，全站總平面布置以主干道為主軸線 ，主變場區(qū)，出線方向都在同一方位，同時(shí)也布置母線構(gòu)架，全站建筑物有配電裝置樓，控制樓。配電裝置樓底層布置10kV配電裝置和站用變壓室，二樓布置35kV配電裝置室；配電裝置樓呈“L”型布置。按變電站建（構(gòu)）筑物使用功能和位置分布情況，可將變電站劃分為以下防雷區(qū)域：配電裝置樓區(qū)域、控制樓區(qū)域、主變場區(qū)域，在實(shí)施防雷技術(shù)服務(wù)時(shí)可摟區(qū)域進(jìn)行針對性檢測。

2 接地電阻的定量分析

110kV以上電壓等級變電站主接地網(wǎng)的接地電阻值并不象通常情況下所規(guī)定的小于多少歐姆，而是按變電站設(shè)計(jì)時(shí)計(jì)算的入地最大短路電流值來確定，其計(jì)算公式為：R≤2000I，式中I就是設(shè)計(jì)時(shí)計(jì)算的入地最大短路電流，當(dāng)變電站設(shè)計(jì)計(jì)算的最大短路電流為3000A時(shí)，主接地網(wǎng)的接地電阻值就是小于或等于0.67歐姆。

對于變電站主接地網(wǎng)的接地電阻可以進(jìn)行估算，估算算法主要有兩種，算法如下：

算法一：等效為半球形接地極法

從計(jì)算公式可知，接地電阻值主要決定因素是變電站所處位置土壤的電阻率，如果僅利用建（構(gòu)）筑物基礎(chǔ)作自然接地體時(shí)，接地電阻值達(dá)不到規(guī)范及設(shè)計(jì)要求，需采用降阻劑、離子接極、換土等措施。

3 發(fā)生雷擊變電站磁場強(qiáng)度分析

雷擊情況下，入射磁場可近似看作一個(gè)平面波。入射磁場強(qiáng)度H0可按下列公式估算：

H0=i0/2·π·SaA/m

i0——雷電流強(qiáng)度（A）

Sa——雷擊點(diǎn)至所考慮的被屏蔽空間的水平距離（m）

雷擊所致的磁場強(qiáng)度最大值由首次雷擊產(chǎn)生，因此雷電流選擇i0=250kA。下圖中分別列出了雷擊點(diǎn)與場區(qū)建（構(gòu)）筑物距離為30m，50m，100 m，200m，300m，500m，1000m，2000m時(shí)，建筑物處無衰減的磁場強(qiáng)度H0。

從圖2可知，在距變電站49.74m內(nèi)范圍產(chǎn)生雷擊時(shí)，建筑物內(nèi)無衰減磁場強(qiáng)度H0大于800（A/m），對于一般電子設(shè)備，磁場強(qiáng)度H0經(jīng)過鋼筋混凝土屏蔽衰減后，建筑物內(nèi)部磁場強(qiáng)度的影響可以忽略。對于存放靈敏設(shè)備的，應(yīng)在設(shè)備工作和存放空間采取屏蔽措施，經(jīng)計(jì)算雷擊建筑物時(shí)根據(jù)不同雷電流強(qiáng)度和設(shè)備擺放位置不同計(jì)算出的屏蔽網(wǎng)格寬度最小達(dá)到0.07m，而網(wǎng)格寬度越小，成本越高，綜合考慮，提出采用0.1m網(wǎng)格寬度（見下表）。

通過計(jì)算可以看出，采用0.1m寬屏蔽網(wǎng)格時(shí)，設(shè)備擺放間距不應(yīng)小于0.5m。通常情況下，為保證安全距離，變電站各設(shè)備間距通常都大于計(jì)算允許值。

4 雷擊過電流分析

變電站雷擊過電流主要來至避雷針直接攔截閃電和避雷線攔截傳輸兩種方式，對變電站危害最大的就是避雷針直接攔截閃電，當(dāng)此種情況發(fā)生時(shí)，由于接地網(wǎng)的面積不是無限大，因此地網(wǎng)泄流的響應(yīng)時(shí)間就不可能為無限小，大約總雷電流i0的50%流入主接地網(wǎng)的接地裝置中，而其余的50%的雷電流（即is）進(jìn)入各種設(shè)施并在設(shè)備間分配。而雷電流is在電力線上的分配額度將由浪涌保護(hù)器SPD來承擔(dān)。

則SPD的通流量I1為：

I1=i0×50%×12×14；

即為SPD的Iimp10/350μs；

當(dāng)使用8/20μs波形時(shí)，可通過單位能量推算知：

I120=I1350×T2350T220；

雷電流經(jīng)過SPD后，會(huì)有50%～30%的殘余施加于后續(xù)設(shè)備上，這里考慮較壞的情況，假定有50%的殘余雷電流施加于后續(xù)設(shè)備上，則SPD2的標(biāo)稱通流量為：I2=I1×50%。

同樣，雷電流經(jīng)過SPD2后，會(huì)有50%～30%的殘余施加于SPD3上，這里考慮較壞的情況，假定有50%的殘余雷電流施加于SPD3上，則SPD3的標(biāo)稱通流量為：I3=I2×50%。

雷電流經(jīng)過SPD3后，會(huì)有50%～30%的殘余施加于SPD4上，這里考慮較壞的情況，假定有50%的殘余雷電流施加于SPD4上，則SPD4的標(biāo)稱通流量為：I4=I3×50%。

IEC6102412（1998.5）認(rèn)為，用于電氣設(shè)施的SPD標(biāo)稱放電電流值In≥10kA（8/20μs）是適宜的。從安全可靠的角度考慮，同時(shí)考慮到由感應(yīng)環(huán)路產(chǎn)生的感應(yīng)電流，可將上述各級SPD的通流量加上約10%的安全裕量。

對于110kV以上電壓等級的變電站，雷電波還會(huì)沿輸電線路侵入變電站，入射波的幅值常常高達(dá)數(shù)萬安，且會(huì)發(fā)生波反射和疊加現(xiàn)象，使侵入的雷電波到達(dá)變電站時(shí)其幅值升得更高，從而導(dǎo)致主變壓器和其它電器設(shè)備發(fā)生絕緣損壞事故。理論上，由于導(dǎo)線本身的阻抗使電壓超過導(dǎo)線的臨界電暈電壓而產(chǎn)生電暈現(xiàn)象，電暈消耗部分能量使入侵的雷電波得到衰減或變形，降低了雷電波的幅值和陡度，減少了流經(jīng)SPD電流，但由于線路阻抗有限其限制量不超過10kA，主要入侵雷電波的鉗制還是由SPD承擔(dān)。等效電路如圖3所示：

5 小結(jié)

對于110kV以上電壓等級變電站，在距變電站約50m范圍內(nèi)發(fā)生雷電閃擊時(shí)，變電站內(nèi)無衰減磁場強(qiáng)度將超過GB/T28872011規(guī)定的800A/m允許值，微機(jī)綜合自動(dòng)化系統(tǒng)、MS終端系統(tǒng)、站端電能量計(jì)量系統(tǒng)、綜合數(shù)據(jù)網(wǎng)通信系統(tǒng)、圖像監(jiān)視及安全警衛(wèi)系統(tǒng)等電子信息系統(tǒng)將受LEMP的危害。

貴州多為喀斯特地貌，變電站站區(qū)內(nèi)的平均土壤電阻率屬高土壤電阻率，變電站采用共用接地系統(tǒng)，接地電阻如只利用基礎(chǔ)接地極將不能達(dá)到DL/T621規(guī)范中關(guān)于接地電阻值的要求，應(yīng)采取換土、使用降阻材料等措施降低接地電阻。

浪涌保護(hù)器（SPD）是變電站防雷保護(hù)的基本重要措施，用于限制作用于設(shè)備上的雷擊過電壓或操作過電壓，當(dāng)過電壓超過SPD的啟動(dòng)電壓時(shí)，產(chǎn)生雪崩擊穿，將過電壓鉗制在后續(xù)設(shè)備可承受的電壓水平，使被保護(hù)設(shè)備不受過電壓的危害，SPD的保護(hù)能力，通常所說的通流量和響應(yīng)時(shí)間將對被保護(hù)設(shè)備的絕緣水平的確定產(chǎn)生直接影響，因此對變電站SPD的選擇及能量配合尤為重要。

參考文獻(xiàn)：

[1]35110kV變電所設(shè)計(jì)規(guī)范（GB500592011）.

[2]建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范（GB500572010）.

[3]交流電氣裝置接地（DL/T621）.

基金項(xiàng)目：2016年貴州省氣象局開放基金項(xiàng)目——110kV以上電壓等級變電站防雷系統(tǒng)研究