變電站雷電沖擊短路接地系統(tǒng)優(yōu)化研究

王仁俊+張?chǎng)?/p>

摘要：本文針對(duì)變電站雷電沖擊短路對(duì)二次電纜和防雷設(shè)備的危害問題，提出了使用一種新型二次電纜與等電位聯(lián)結(jié)保護(hù)裝置，以及采取加強(qiáng)防雷設(shè)備如避雷線、避雷針、避雷器的集中接地、地面及特殊位置均壓、利用鋼構(gòu)架作避雷器的接地引線等優(yōu)化措施。

關(guān)鍵詞：雷電流；接地系統(tǒng)；沖擊短路

隨著現(xiàn)代電力電子技術(shù)的迅速發(fā)展，電力電子產(chǎn)品不可避免大量地采用了超大規(guī)模及大規(guī)模的電力電子集成電路工藝技術(shù)，內(nèi)部接線之間的距離越來越小，且集成度越來越高，使電子元器件的耐高壓程度越來越低，因此由雷電引起的變電站局部電位升高所造成的電位差極易將室內(nèi)二次系統(tǒng)擊毀擊穿；另一方面，局部地位升高引起的電磁感應(yīng)過電壓所產(chǎn)生雷電沖擊波或浪涌電壓，這種沖擊波會(huì)沿著線路侵入到與之相連的二次系統(tǒng)，造成系統(tǒng)運(yùn)行錯(cuò)誤或者損壞，再者產(chǎn)生的電磁輻射可以使電子開關(guān)或繼電器工作失常；使測(cè)量儀器性能變低；使無線電接收設(shè)備出現(xiàn)噪音，如電視圖像、聲音變差，收音機(jī)信號(hào)不好等。尤其高壓變電站的電暈放電和絕緣子放電會(huì)對(duì)周圍的無線電產(chǎn)生嚴(yán)重干擾。

1雷電流入地時(shí)造成的局部電位升高問題分析

當(dāng)變電站內(nèi)及附近發(fā)生雷擊事故時(shí)，變電站接地系統(tǒng)可能注入高頻的大沖擊電流，使得變電站接地網(wǎng)呈現(xiàn)復(fù)雜的暫態(tài)特性，造成局部電位升高等問題，可能危害變電站內(nèi)工作人員的人身安全及各種電氣設(shè)備的安全運(yùn)行。

接地裝置在雷電沖擊電流作用下的暫態(tài)性能與工頻短路時(shí)有很大不同，這主要是由于沖擊電流頻率很高，由 可知接地體本身的電感作用與電阻相比將非常明顯，電感作用阻礙沖擊電流向接地體遠(yuǎn)端流動(dòng)，而不像工頻時(shí)，電流沿導(dǎo)線均勻分布。因此，接地體各點(diǎn)散流極不均衡，各點(diǎn)電位相差很大，因此火花放電的程度亦不相同，即各點(diǎn)的等值半徑不同。在接地體周圍，被擊穿的土壤的形狀呈錐形，而不是一般認(rèn)為的圓柱形。另外，沖擊接地阻抗明顯不同于工頻接地阻抗。在沖擊電流作用下，在靠近接地導(dǎo)體的區(qū)域的土壤中產(chǎn)生的火花放電相當(dāng)于增大了接地裝置的導(dǎo)體的直徑，從而降低了沖擊接地阻抗。

2變電站雷電沖擊短路接地系統(tǒng)優(yōu)化

在防雷設(shè)備，如構(gòu)架避雷針、避雷線和避雷器的接地處，加強(qiáng)集中接地。獨(dú)立避雷針不應(yīng)設(shè)在人經(jīng)常通行的地方，避雷針及其接地裝置與道路湖哦出入口等的距離不宜小于3m，否則應(yīng)采取均壓措施，或鋪設(shè)礫石或?yàn)r青地面。

對(duì)于裝設(shè)在變電所屋外配電裝置構(gòu)架上的避雷針，如果已經(jīng)按照工頻接地的要求采取了均壓或高電阻率的路面構(gòu)層等安全措施時(shí)，就可以認(rèn)為在沖擊的情況下也能保證安全，不必另加措施。否則，當(dāng)運(yùn)行人員有可能進(jìn)入3m的范圍內(nèi)時(shí)，就應(yīng)采取均壓或高電阻率的地面結(jié)構(gòu)層等措施。

針對(duì)前述的避雷器易被打壞的問題，應(yīng)對(duì)避雷器的接地進(jìn)行優(yōu)化。對(duì)于無間隙的6-10kV金屬氧化物避雷器，雷電流入地時(shí)，地電位升加在避雷器的接地端，則作用在避雷器上的電壓為到線上的電壓U與地電位升之差。根據(jù)金屬氧化物避雷器的工頻電壓耐受時(shí)間特性，避雷器能夠耐受其額定電壓Ur10S，而一般工頻短路時(shí)間遠(yuǎn)小于1s，因此，從保守的角度出發(fā)，我們可以要求：

（1）

考慮最不利的情況下，運(yùn)行電位恰好和接地網(wǎng)電位的極性相反到極端情況，即導(dǎo)線上的電壓取負(fù)的相電壓的峰值，則式（1）變?yōu)?/p>

（2）

式中Ue為系統(tǒng)的標(biāo)稱電壓。

對(duì)于6kV避雷器，其額定電壓有效值為12kV，則

（3）

對(duì)于10kV避雷器，其額定電壓有效值為17kV，則

（4）

因此，對(duì)于6kV和10kV金屬氧化物避雷器，其允許的地電位升至少為8.5kV和11.2kV。該分析結(jié)果是以避雷器可以耐受10s的額定電壓來分析的，如果以避雷器工頻1s的耐受值來分析，則允許的地電位升可以明顯增加。

就常規(guī)要求來說，避雷器必須采用可靠的低電阻接地連接，避雷器與被保護(hù)設(shè)備的接地端應(yīng)盡可能緊密的連接，所有避雷器的接地連接線應(yīng)以最短的可能路徑直接連接到接地網(wǎng)上，在沖擊引起的大電流或沖擊后大的續(xù)流情況下應(yīng)有足夠的短時(shí)容量。短時(shí)電流沖擊可以對(duì)控制系統(tǒng)引起顯著的干擾，因此這些導(dǎo)體不應(yīng)該靠近控制電路或控制電纜布置。經(jīng)多方面的研究表明，安裝在金屬構(gòu)架上的避雷器可利用鋼構(gòu)架作接地引線，鋼構(gòu)架的橫截面大，要比通常采用的一個(gè)銅絞線具有更高的通流容量，但應(yīng)保證從鋼構(gòu)架與避雷器以及接地網(wǎng)具有可靠的電氣連接。與此同時(shí)，保證鋼構(gòu)架的橫截面具有足夠的導(dǎo)電率并使其連接處不至于因油漆涂層、鐵銹等導(dǎo)致高接觸電阻。當(dāng)然，采用鋁構(gòu)架，無疑會(huì)提供一條導(dǎo)電率高與載流量大的接地通路。

參考文獻(xiàn)：

[1]秦晶晶，李景祿，宋萍.變電站地電位干擾及抗干擾措施研究.電磁避雷器，2009（2）：40-43.

[2]彭岳林，王堅(jiān)強(qiáng).均勻地質(zhì)水平接地網(wǎng)參數(shù)計(jì)算.電工技術(shù)學(xué)報(bào)，1995（2）：75～77.

[3]李增.復(fù)雜土壤地區(qū)接地網(wǎng)電氣特性的研究.成都：西南交通大學(xué)，2007.

[4]姜彤，白雪峰，郭志忠，等.基于對(duì)稱分量模型的電力系統(tǒng)短路故障計(jì)算方法.中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2003，23（2）：50-53.endprint