變電所的防雷措施及方法

袁鑄 李名莉

摘 要：變電所是電力系統(tǒng)中改變電壓的場(chǎng)所與地方，也是在電力系統(tǒng)中需要重點(diǎn)進(jìn)行防雷保護(hù)的設(shè)施。如果沒(méi)有采取防雷措施，或者防雷措施不夠安全可靠，當(dāng)變電站發(fā)生雷擊事故，不可避免地會(huì)造成大面積的停電事故，不僅會(huì)造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失，同時(shí)還會(huì)擾亂社會(huì)生產(chǎn)，影響人民群眾的正常生活。因此變電所的防雷措施必須十分可靠。

關(guān)鍵詞：變電所 防雷 避雷器 保護(hù)

中圖分類號(hào)：TM862 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2018）06（b）-0015-03

Abstract： The transformer substation is a place to changes the voltage， Its an important protection for lightning protection.The lightning accident will cause blackout accident and a large area is covered.This will produce an effect on the social production and people's life .All these will cause great economic loss.Therefore， the lightning protection measures of substation must be very safe and reliable

Key Words： Transformer substation； Lightning protection； The arrester； Protect

在電力系統(tǒng)中，變電所是對(duì)電能的電流和電壓進(jìn)行變換、集中和分配的場(chǎng)所[1，2]。為了保證設(shè)備的安全和電能的質(zhì)量，就必須要在變電所中進(jìn)行電壓調(diào)整、潮流控制和輸配電線路以及主要電工設(shè)備的保護(hù)。

防雷措施可簡(jiǎn)單地概括為“泄”和“抗”兩種方式。“泄”主要是用在防雷裝置上，比如避雷器、避雷針、避雷線、避雷網(wǎng)和避雷帶等，目的是把雷電引向自身泄掉，以削弱其威力?！翱埂敝饕m用于電氣設(shè)備本身需要防雷，主要是靠設(shè)備本身具有一定的絕緣水平，或采用其他的補(bǔ)救措施，目的是增強(qiáng)抵抗雷電破壞的能力。

在對(duì)建筑物、電力設(shè)備以及其他被保護(hù)對(duì)象進(jìn)行具體防護(hù)的過(guò)程中，要根據(jù)其自身特征和類別，針對(duì)感應(yīng)雷、直擊雷、雷電侵入波等采用適當(dāng)可行的防護(hù)措施。

1 電氣防雷措施

電氣設(shè)備要防護(hù)來(lái)自直擊雷、雷電反擊和侵入雷電波的危害。為了防止電氣設(shè)備發(fā)生反擊事故，需要將變電所內(nèi)電氣設(shè)備的所有接地裝置連接成沒(méi)有開口的環(huán)狀接地網(wǎng)，充分發(fā)揮接地裝置的作用，使跨步電壓和接觸電壓降低，從而使人身安全得以保證。

中小型工廠6～10kV變電所通常均較廠房為低，一般不另設(shè)直擊雷保護(hù)。

由于線路的絕緣水平比變電所內(nèi)設(shè)備的絕緣水平高，當(dāng)線路遭受雷擊，那么沿著線路侵入到變電所來(lái)的雷電行波的幅值必然很高，若是終端變電所，在反射作用下電壓還會(huì)升高，而電壓越高，危險(xiǎn)越大，因此，要高度重視沿進(jìn)線侵入的雷電行波?？梢园床煌碾妷旱燃?jí)和容量采取相對(duì)應(yīng)級(jí)別的保護(hù)接線來(lái)防護(hù)線路侵入雷電波。變電所的保護(hù)接線規(guī)定了保護(hù)系統(tǒng)的構(gòu)成以及各保護(hù)元件與被保護(hù)設(shè)備之間的關(guān)系。

配電網(wǎng)內(nèi)的變壓器，桿上斷路器等都可以采用閥型避雷器、管型避雷器。將被保護(hù)設(shè)備與保護(hù)設(shè)備安裝在同一桿塔上，把被保護(hù)設(shè)備的外殼及低壓零線相連后和避雷器或保護(hù)間隙的接地引下線共同接地，其接地電阻小于4Ω，這樣可以提高保護(hù)效果。作配電變壓器保護(hù)時(shí)，避雷器一般裝在高壓熔斷器的后面。

2 變電所的系統(tǒng)防雷保護(hù)

變電所的防雷保護(hù)是一個(gè)系統(tǒng)性的工程，是由三道防線，也即由3個(gè)子系統(tǒng)組成[3]。

2.1 第一道防線

第一道防線（第一子系統(tǒng)），主要作用是防止變電所電力設(shè)備被雷直擊。雷擊只能通過(guò)攔截導(dǎo)引來(lái)改變其入地路徑，而無(wú)法阻止。一個(gè)好的設(shè)計(jì)和建設(shè)，可以有效地避免雷電所造成的破壞性后果的發(fā)生。該防護(hù)由接閃裝置、引流裝置和接地散流防護(hù)裝置組成。

2.2 第二道防線

第二道防線（第二子系統(tǒng)），主要為變電所進(jìn)線保護(hù)段。當(dāng)進(jìn)線保護(hù)段首端及以外受到雷擊時(shí)，絕大部分雷電流被引入地中，只有很小部分沿架空線路侵入變電所。當(dāng)雷電波沿著架空線路導(dǎo)線傳播時(shí)，因受到?jīng)_擊電暈和大地效應(yīng)的影響而衰竭，從而降到電氣裝置絕緣強(qiáng)度的允許值范圍內(nèi)。

當(dāng)進(jìn)線保護(hù)段之內(nèi)的架空線路遭受雷擊，變電所遇到的主要危險(xiǎn)是繞擊導(dǎo)線或反擊導(dǎo)線產(chǎn)生的雷電侵入波，所以進(jìn)線段又被稱為危險(xiǎn)段。由于反擊和繞擊可能發(fā)生，通過(guò)加強(qiáng)避雷線的屏蔽性和耐雷水平來(lái)加強(qiáng)進(jìn)線段防雷保護(hù)就變得十分重要。因此，進(jìn)線保護(hù)段愈短愈好，這樣才能使其允許侵入波的陡度和幅值較大。

2.3 第三道防線

第三道防線（第三子系統(tǒng)），主要目的是將侵入變電所的雷電波的強(qiáng)度降低到電氣裝置絕緣強(qiáng)度所允許的范圍之內(nèi)。我國(guó)主要采用的是金屬氧化鋅避雷器（MOA）來(lái)實(shí)現(xiàn)，西方國(guó)家除了采用MOA以外，還在所有電氣裝置上將空氣間隙安裝上，其主要目的是保證一旦MOA失效后，間隙可以起到后備的保護(hù)作用。

由上述所述的3個(gè)子系統(tǒng)構(gòu)成了一個(gè)完整的變電所防雷的保護(hù)系統(tǒng)。三道防線各負(fù)其責(zé)，缺一不可。在實(shí)際應(yīng)用中，哪一道防線設(shè)置保護(hù)元件多少視具體情況而定。三道防線互相影響，第二道和第三道防線之間關(guān)系更為密切，若第二道防線的能力強(qiáng)，就可以使第三道防線的負(fù)擔(dān)減輕，從而整體上提高變電所的耐雷水平；若第三道防線的能力強(qiáng)，就可以使第二道防線的危險(xiǎn)段的長(zhǎng)度大大縮短，從而整體上提高變電所的耐雷可靠性。

3 變電所的防雷措施

3.1 直擊雷防護(hù)

安裝避雷針是變電所直擊雷防護(hù)的主要措施，避雷針是雷電接收裝置，它能夠?qū)⒗纂娢奖芾揍樕蟻?lái)，并且將雷擊電流安全地引入大地，使附近絕緣水平比它低的設(shè)備免受雷擊，其目的是保護(hù)建筑物和電氣設(shè)備不受直接雷擊。

在變電所上安裝避雷針，目的是保證所有的設(shè)備都在避雷針的保護(hù)范圍之內(nèi)。同時(shí)要采取一定措施防止雷擊避雷針時(shí)發(fā)生反擊事故。雷擊避雷針的反擊事故就是當(dāng)被保護(hù)設(shè)備或構(gòu)架與避雷針之間的空氣間隙被擊穿，或被保護(hù)設(shè)備接地裝置與避雷針接地裝置之間在土壤中的間隙被擊穿。對(duì)于35kV及以下的變電所，需要架設(shè)獨(dú)立避雷針，而不允許在配電構(gòu)架上裝設(shè)避雷針。對(duì)于110kV及以上的變電所，由于絕緣水平較高，可以在配電裝置的構(gòu)架上架設(shè)避雷針，因?yàn)槿绻讚舯芾揍槙r(shí)出現(xiàn)高電位，也不會(huì)在配電架構(gòu)上不會(huì)造成反擊事故。

3.2 變電所對(duì)侵入雷電波的防護(hù)

當(dāng)線路上出現(xiàn)過(guò)電壓后，雷電波將沿著導(dǎo)線侵入變電所，破壞電氣設(shè)備的絕緣[4]。在變電所的進(jìn)線段架設(shè)架空地線保護(hù)和在母線上裝設(shè)閥型避雷器是對(duì)雷電侵入波采取的主要防護(hù)措施。

變電所內(nèi)裝設(shè)避雷器，可以有效限制雷達(dá)波入侵時(shí)產(chǎn)生的過(guò)電壓，所以變電所防雷保護(hù)的基本措施之一就是變電所內(nèi)裝設(shè)避雷器。目前主要使用FS系列閥型避雷器保護(hù)小容量的配電裝置；使用SFZ系列閥型避雷器保護(hù)中等及大容量變電所的電氣設(shè)備；使用FCZ1系列瓷吹閥型避雷器保護(hù)變電所的高壓電氣設(shè)備。

隨著MOA的不斷推廣，在國(guó)內(nèi)除了一些變電所仍采用閥型避雷器以外，絕大多數(shù)變電所已逐步使用MOA。MOA擁有比較理想的非線性伏安特性，同時(shí)還有如下優(yōu)點(diǎn)。

（1）無(wú)間隙。在工作電壓下，不會(huì)使氧化鋅閥片燒壞，因?yàn)镸OA就相當(dāng)于一個(gè)絕緣體。同時(shí)，由于其無(wú)間隙，所以大大地改善了陡波下的響應(yīng)特性。

（2）無(wú)續(xù)流。MOA只吸收過(guò)電壓能量，所以對(duì)它的熱容量的要求比閥型避雷器低。

（3）可以降低電氣設(shè)備所受過(guò)電壓。對(duì)于10kA雷電流，MOA在整個(gè)過(guò)程中都有電流，而閥型避雷器只在串聯(lián)間隙放電后才可將電流泄放，雖然流過(guò)的殘壓值兩種避雷器相同，但是MOA使作用在變電所電氣設(shè)備上的過(guò)電壓有所降低。

（4）通流容量大。MOA通流容量大，所以可用MOA來(lái)限制內(nèi)部過(guò)電壓。同時(shí)，由于MOA重量輕，體積小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，運(yùn)行維護(hù)方便，使用壽命長(zhǎng)[5]，所以閥型避雷器被MOA取代是大勢(shì)所趨。

3.3 變電所的進(jìn)線保護(hù)

對(duì)變電所進(jìn)線實(shí)施防雷保護(hù)，就是限制雷電電流流經(jīng)避雷器的幅值和雷電波陡度。若線路出現(xiàn)了過(guò)電壓，將會(huì)有幅值為線路絕緣的50%沖擊閃絡(luò)電壓行波向變電所運(yùn)動(dòng)，而對(duì)于沖擊耐壓，線路上要比變電所設(shè)備的高得多，所以主要的防雷措施就是在靠近變電所的進(jìn)線上加裝避雷線。若沒(méi)有架設(shè)避雷線，一旦靠近變電所的進(jìn)線上受到雷擊，流經(jīng)避雷器的雷電電流幅值就可能會(huì)超過(guò)5kA，陡度也會(huì)超過(guò)允許值，那么線路會(huì)遭到破壞。

為把雷電波的出現(xiàn)范圍限制在靠近變電所的一段進(jìn)線段外，對(duì)于35～110kV無(wú)避雷線的線路，必須架設(shè)長(zhǎng)度為1～2km的避雷線，那么進(jìn)線段內(nèi)出現(xiàn)雷電波的概率將大降低。若線路絕緣水平很高，在進(jìn)線段首端裝設(shè)一組管型避雷器可以有效限制入侵雷電波的幅值。

而對(duì)于容量小于35kV的變電所，進(jìn)線保護(hù)可以根據(jù)雷電活動(dòng)強(qiáng)度和變電所的重要性等情況來(lái)進(jìn)行簡(jiǎn)化。避雷器距變壓器的距離一般小于10m，由于變電所范圍不大，入侵波陡度就允許增加，進(jìn)線段長(zhǎng)度可以適當(dāng)縮短500～600m。同時(shí)可以在首端裝設(shè)一組管型避雷器或保護(hù)間隙來(lái)限制流入變電所避雷器的雷電流。

對(duì)于容量為35～110kV的變電所，如果由于進(jìn)線段桿塔接地電阻難以下降或者進(jìn)線段裝設(shè)避雷線有困難而不能達(dá)到要求的耐雷水平時(shí)，可以在進(jìn)線的終端桿上安裝一組1mH左右的電抗線圈來(lái)代替進(jìn)線段。

3.4 變壓器的防護(hù)

在變電所中，變壓器是核心的電氣設(shè)備，所以還必須考慮中性點(diǎn)的保護(hù)問(wèn)題。一般來(lái)說(shuō)，對(duì)于35～60kV的變壓器，不需要進(jìn)行中性點(diǎn)保護(hù)；而對(duì)于110kV且為單進(jìn)線的變電所，就要進(jìn)行中性點(diǎn)保護(hù)；可以線電壓或相電壓來(lái)選擇避雷器的額定電壓，在中性點(diǎn)上加裝避雷器。同時(shí)應(yīng)該敷設(shè)一個(gè)統(tǒng)一的接地網(wǎng)，做好防雷保護(hù)。把避雷器裝設(shè)在靠近變壓器的位置是保護(hù)變壓器的基本措施，這樣可以防止絕緣遭受侵入線路的雷電波的損壞。

為減小雷電電流在連接線上形成的壓降，應(yīng)盡量將避雷器靠近變壓器安裝，從而減小連線的長(zhǎng)度。同時(shí)，變壓器的金屬外殼及低壓側(cè)中性點(diǎn)應(yīng)與避雷器接線連接在一起。這樣，就減少了雷電對(duì)變壓器破壞的機(jī)會(huì)。

3.5 所內(nèi)建筑物的防雷

內(nèi)部的電氣設(shè)備的防雷特性直接受到建筑物本身的防雷性能將的影響，所以說(shuō)內(nèi)部電氣設(shè)備及系統(tǒng)防雷的第一道屏障就是變電所建筑物本身的防雷裝置，必須予以重視。

現(xiàn)代建筑物防雷主要由頂部避雷帶、網(wǎng)狀接閃器、建筑物的梁、柱、樓板和四周墻體內(nèi)的主鋼筋作引下線，利用地下鋼筋混凝土基礎(chǔ)作為接地極[6]。在建筑物設(shè)計(jì)和施工的時(shí)候，都應(yīng)預(yù)留各層樓板、柱、梁內(nèi)鋼筋接頭，方便完成室內(nèi)外接地線相連，使之能夠方便地構(gòu)成“法拉第籠式”避雷網(wǎng)。建筑物鋼筋混凝土與防雷網(wǎng)相結(jié)合，是國(guó)內(nèi)外公認(rèn)的經(jīng)濟(jì)可靠的防雷方式。

3.6 室外設(shè)備的防雷

室外設(shè)備可以根據(jù)需要，采用安裝避震針的方法，起到保護(hù)室外所有設(shè)備防止直擊雷的目的。把室外架構(gòu)母線和變壓器中性點(diǎn)加裝避雷器來(lái)防雷。把所有設(shè)備的接地引下線都與該接地極焊接來(lái)保證等電位。

只有各種設(shè)備的絕緣水平能夠滿足電壓對(duì)該設(shè)備的絕緣要求，才能防止雷擊產(chǎn)生過(guò)電壓產(chǎn)生雷電擊穿。這種防雷結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)如下。

（1）可避免繞擊。

（2）可使用“法拉第籠”的屏蔽作用來(lái)削弱雷電電磁脈沖的侵入。

（3）由于在建筑物各層的梁、柱、樓板、墻體的鋼筋和金屬管線等導(dǎo)電體上構(gòu)成等電位體，可以有效保證設(shè)備的安全。

（4）由于“法拉第籠”避雷裝置的引下線的眾多鋼筋，可以有效地分散雷電流，同時(shí)使建筑內(nèi)設(shè)備受到的脈沖電磁場(chǎng)沖擊幅值大大效地削弱。

（5）由于接地極是由分布在地下四周的鋼筋混凝土基礎(chǔ)構(gòu)成，與大地的接觸面比較廣，接地電阻低并且穩(wěn)定，可以形成一個(gè)均勻分布的均壓網(wǎng)。

3.7 室內(nèi)設(shè)備的防雷

室內(nèi)設(shè)備的各種金屬外殼均應(yīng)與底座鋼保證良好的接觸，可以采用焊接的方式或者使用螺栓連接，同時(shí)槽鋼應(yīng)與電纜溝道內(nèi)的電纜支架用鍍鋅扁鋼焊接起來(lái)，同室外接地網(wǎng)一體形成一個(gè)完整的接地網(wǎng)。

3.8 其他

穿過(guò)各防雷區(qū)界面的金屬物和系統(tǒng)，或者在一個(gè)防雷區(qū)內(nèi)部的金屬物和系統(tǒng)均應(yīng)在界面處做等電位連接[6]。各種屏蔽結(jié)構(gòu)或設(shè)備外殼等其他局部金屬物也連接到該連接帶。

對(duì)各類防雷建筑物，各種連接導(dǎo)體的截面不應(yīng)小于規(guī)定的數(shù)值。

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