110kV變電站防雷裝置保護(hù)措施研究

吳仕軍 王蔚 羅應(yīng)松 冉啟林 趙波

摘要：危害電力系統(tǒng)的因素很多，其中雷電自然因素對(duì)變電站的安全運(yùn)行的影響極大，一旦變電站遭雷擊，輕則影響人們的正常工作和生活，引發(fā)大規(guī)模停電，重則會(huì)埋下諸多安全隱患，給人們的生命財(cái)產(chǎn)帶來威脅。因而，如何有效防雷已成為業(yè)界和專家學(xué)者們重點(diǎn)研究的課題之一。本文將從雷電對(duì)110kV變電站造成的威脅入手，通過對(duì)威脅來源的分析，提出了110kV變電站防雷裝置保護(hù)措施。

Abstract： There are many factors that endanger the power system. Among them， the natural factors of lightning have a great impact on the safe operation of the substation. Once the substation is struck by lightning， it will affect people's normal work and life， causing large-scale power outages and burying many safety hidden dangers， to pose a threat to people's lives and property. Therefore， how to effectively prevent lightning has become one of the topics of research in the industry and experts and scholars. This paper starts with the threat caused by lightning to the 110kV substation. Through the analysis of the source of the threat， the protection measures for the 110kV substation lightning protection device are proposed.

關(guān)鍵詞：變電站;防雷裝置;保護(hù)措施

Key words： substation;lightning protection device;protection measures

中圖分類號(hào)：TM862? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1006-4311（2019）34-0083-02

0? 引言

電力業(yè)作為我國(guó)現(xiàn)代化建設(shè)與發(fā)展中一項(xiàng)支柱型工業(yè)，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)水平的不斷提高，各領(lǐng)域和人們的生活工作中對(duì)電力的需求量猛增，與此同時(shí)，給電力系統(tǒng)的運(yùn)行質(zhì)量、安全指數(shù)和運(yùn)行效率都提出了更高的要求。縱觀整個(gè)電力系統(tǒng)，110kV變電站在電力輸送和分配中占比眾多，其運(yùn)行質(zhì)量的重要性也越發(fā)凸顯。如果發(fā)生雷擊事故，就會(huì)給變電站的運(yùn)行帶來威脅，因而，在110kV變電站建設(shè)中就要做好防雷保護(hù)工作，以保證110kV變電站的安全運(yùn)行，為后期維護(hù)提供便利?；诖?，本文將對(duì)110kV變電站防雷裝置保護(hù)措施展開如下研究。

1? 雷電對(duì)110kV變電站造成的威脅

1.1 直接損壞? 當(dāng)變電站設(shè)備被雷擊中后，會(huì)生產(chǎn)強(qiáng)大的電流和電壓，流經(jīng)線路繼而產(chǎn)生大量的熱量，并生成巨大的沖擊力，給變電站的電氣設(shè)備造成嚴(yán)重?fù)p壞，如雷電流所流經(jīng)的設(shè)備超出了其自身的承受值，則會(huì)出現(xiàn)擊穿或絕緣閃絡(luò)問題，這對(duì)于一個(gè)110kV的變電站來說，其后果將十分嚴(yán)重。

特別是近年來，隨著微機(jī)保護(hù)系統(tǒng)、運(yùn)動(dòng)裝置系統(tǒng)、圖像監(jiān)控裝置系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)等的普遍應(yīng)用，在變電站設(shè)計(jì)中更應(yīng)將雷擊事故這種自然因素考慮進(jìn)去，對(duì)其可能帶來的威脅進(jìn)行仔細(xì)研究，精密設(shè)計(jì)。否則極端天氣時(shí)所產(chǎn)生的雷擊波將會(huì)給變電站的弱電裝置帶來毀滅性的破壞，會(huì)嚴(yán)重影響相關(guān)設(shè)備的工作效率，必須引起高度重視。

1.2 間接損壞? 除了前述可能引發(fā)的直接損壞外，110kV變電站在面對(duì)雷擊事故時(shí)，還可能會(huì)引發(fā)間接事故，最為常見的就是熱效應(yīng)影響和機(jī)械變形受損[1]。這主要是因?yàn)槔讚暨^程中所產(chǎn)生的放電現(xiàn)象和電磁感應(yīng)脈沖的破壞力太大所致，也即我們所說的感應(yīng)雷現(xiàn)象。當(dāng)雷電釋放高壓途徑金屬線或電纜進(jìn)入到變電站的電氣設(shè)施中時(shí)，就會(huì)造成電磁干擾，嚴(yán)重影響電力系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

有研究稱，雷電到達(dá)到變電站的防雷設(shè)施時(shí)，其主要危害主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面：第一，雷電的高壓電流，要抵達(dá)地面，必須經(jīng)過變電站的內(nèi)部接地線，此過程中會(huì)形成較為強(qiáng)烈的沖擊電位，當(dāng)接地線受此侵?jǐn)_時(shí)，則會(huì)在某個(gè)位置進(jìn)行反擊，甚至?xí)诰植糠烹姡@會(huì)使電氣設(shè)備的絕緣性能大幅降低。第二，在雷電下泄的過程中，會(huì)在地面附近的空中和金屬內(nèi)形成一個(gè)強(qiáng)大的電磁感應(yīng)場(chǎng)，繼而造成變電站內(nèi)部分設(shè)施的電壓不穩(wěn)，相應(yīng)的受影響設(shè)施則會(huì)出現(xiàn)運(yùn)行不正?，F(xiàn)象，影響過大時(shí)就會(huì)停電，影響變電站輸送電的服務(wù)質(zhì)量。

2? 雷電事故引發(fā)110kV變電站安全隱患的原因分析

2.1 雷電直擊產(chǎn)生的電壓和電流沖擊? 在惡劣天氣條件下，如變電站的電氣設(shè)施遭受雷擊，會(huì)在瞬間生成巨大的沖擊電壓，電壓在途經(jīng)變電站的電氣設(shè)施時(shí)，會(huì)造成相應(yīng)設(shè)備的損壞，輕則發(fā)生短路，重則會(huì)引發(fā)電氣設(shè)施爆炸，甚至還會(huì)引起火災(zāi)事故的發(fā)生等，其可能造成的后果之嚴(yán)重不堪設(shè)想。此外，在變電站的電氣設(shè)備被雷擊時(shí)，所產(chǎn)生的強(qiáng)電流還可能會(huì)融化電氣設(shè)備線路，繼而造成電路癱瘓，如情況嚴(yán)重，則會(huì)出現(xiàn)大范圍停電問題，甚至有電力設(shè)備的斷裂或變形、爆炸情況的發(fā)生。

在變電站的電氣設(shè)施遭受雷擊的過程中，所產(chǎn)生的沖擊效應(yīng)會(huì)造成金屬的彎曲或開裂，會(huì)有引發(fā)人員受傷或財(cái)產(chǎn)受損的潛在隱患。此外，此過程中產(chǎn)生的電流感應(yīng)和靜電反應(yīng)也必須引起高度重視，如不及時(shí)采取有效措施加以處理，極易引發(fā)火災(zāi)事故。

2.2 雷電直擊產(chǎn)生的高熱、短路? 當(dāng)雷電擊中建筑物時(shí)，建筑內(nèi)的線路會(huì)產(chǎn)生短路，同時(shí)這股強(qiáng)電流還會(huì)釋放出高溫介質(zhì)，這部分生成的熱量也極易引發(fā)物品的自燃，甚至?xí)o整座變電站帶來安全隱患。此外，電流在接地網(wǎng)中還會(huì)因雷擊而產(chǎn)生反擊現(xiàn)象，會(huì)造成電力設(shè)備表層的絕緣體的破壞，極易誘發(fā)火災(zāi)、爆炸事故的發(fā)生，將會(huì)給變電站系統(tǒng)的正常運(yùn)行帶來不利影響[2]。

3? 提升110kV變電站防雷裝置保護(hù)措施

當(dāng)前，較為常用的防雷措施主要包括兩種方法：一是避免雷電波進(jìn)入到變電站設(shè)備中去;二是利用保護(hù)裝置把雷電波引入到接地網(wǎng)中。大致有如下幾個(gè)措施：

3.1 電源入口處安裝保護(hù)裝置? 雷電波能量大、峰值高、破壞力強(qiáng)[3]。因此，在電源入口位置安裝浪涌保護(hù)裝置，能有效降低雷擊給110kV變電站造成的威脅。其原理為：在電源位置遭雷擊時(shí)，雷電波會(huì)先抵達(dá)浪涌保護(hù)器，在工作中我們可以發(fā)現(xiàn)，只安裝浪涌保護(hù)器往往還不夠，周圍余留的信號(hào)仍會(huì)影響電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性，所以，最好應(yīng)同步安裝低通濾波器，將雷電波做過濾處理，并通過安裝非線性良好的壓敏電阻的方式，來確保110kV變電站的電源電壓處于安全可控的范圍內(nèi)，保證電力輸送安全。大量實(shí)踐應(yīng)用成果表明，浪涌保護(hù)裝置、低通濾波器和壓敏電阻等配套裝置的同步安裝，在吸收雷電波能量方面具有顯著優(yōu)勢(shì)，以消除雷電電波對(duì)電源的不利影響。

3.2 安裝避雷裝置? 浪涌保護(hù)裝置能將侵入到變電站的雷電波降到電氣裝置絕緣強(qiáng)度的允許值內(nèi)，以此來消除雷擊給變電站帶來的威脅。當(dāng)前，在對(duì)雷擊的有效攔截措施中，只能通過路徑的引導(dǎo)進(jìn)行化解消除。因此，當(dāng)前比較常見的避雷裝置閃接器主要包括避雷針和避雷線兩種。在110kV變電站的防雷裝置中，較為常用的還是避雷針，其目的在于做好戶外設(shè)備的防雷工作。按照現(xiàn)行有關(guān)規(guī)定和建設(shè)單位的成本核算角度而言，變電站建設(shè)中避雷針通常都安裝在110kV變電站的鐵桿、照明塔或屋頂?shù)炔课恢?。其中，裝載有避雷針的鐵桿支柱的接地裝置必須性能良好，其電阻應(yīng)≤4歐姆[4]。而連接變電站和終端桿之間的一檔線，為保證其性能的正常發(fā)揮，通常會(huì)通過在其中設(shè)置避雷線或在終端桿裝設(shè)避雷針的方式來實(shí)現(xiàn)。若安裝的是避雷針時(shí)，避雷針接地裝置的電阻則應(yīng)≤1歐，并確保避雷設(shè)施接地回路和變電站接地回路是分開的，這樣才能確保其配網(wǎng)線路的耐雷性。

為確保所安裝避雷裝置的有效性，還應(yīng)做好后期的定期檢查工作，以確保接地網(wǎng)的接地阻值符合防雷阻值要求，同時(shí)還要定期檢查桿塔基礎(chǔ)是否牢固，確保遇到臺(tái)風(fēng)等極端天氣時(shí)不會(huì)倒桿，這樣保證防雷裝置性能的有效發(fā)揮。

3.3 變壓器低壓側(cè)的防雷措施? 在變電站的電流輸送中，變壓器的重要性不可小視，其運(yùn)行質(zhì)量與變電站的綜合供電服務(wù)水平和社會(huì)評(píng)價(jià)息息相關(guān)。所以，在變電站的防雷保護(hù)過程中，變壓器必須作為防護(hù)重點(diǎn)。一般情況下，110kV的變電站我們會(huì)選擇在變壓器的中性點(diǎn)位置安設(shè)避雷器，此外還會(huì)在變壓器上安裝分級(jí)絕緣綜合防雷裝置。在設(shè)計(jì)安裝中，應(yīng)注意：相線首段部位的絕緣性應(yīng)比變壓器中性點(diǎn)的絕緣性要好。此外，變壓器中性點(diǎn)應(yīng)設(shè)計(jì)成和金屬氧化物相結(jié)合的防雷裝置，兩者之間有無間隙均可，這樣一來，能有效提升110kV的變電站變壓器的防雷性能。

當(dāng)前，我國(guó)較為常用的主要是金屬氧化物避雷器，而在西方發(fā)達(dá)國(guó)家，除了要求使用金屬氧化物避雷器外，對(duì)電氣設(shè)施安裝中的空氣間隙也有嚴(yán)格要求，這種設(shè)計(jì)施工方法，對(duì)提升變壓器的防雷效果更佳。

3.4 接地保護(hù)裝置措施? 要確保泄雷電流安全通過，應(yīng)在安裝接地裝置，以降低危險(xiǎn)電位突然升高帶來的危害。該套裝置的應(yīng)用，適用于所有電壓等級(jí)的輸、配電網(wǎng)和變電站，作為一種保護(hù)電氣設(shè)備和人身安全的重要防雷方法，在110 kV的變電站中也同樣適用。但在防雷接地裝置的具體涉及和安裝中，應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：第一，要采用獨(dú)立的避雷針。即和主接地網(wǎng)沒有任何關(guān)聯(lián)的單獨(dú)的接地網(wǎng)避雷針，電阻≤10歐姆[5]。第二，避雷器的裝設(shè)。無論是任何電壓等級(jí)的避雷器，在接地過程中都應(yīng)和主接地網(wǎng)保持聯(lián)通。第三，為提升接地防雷裝置的安全性，避雷網(wǎng)的引下線要和建筑物的環(huán)狀基礎(chǔ)、通長(zhǎng)主筋焊接在一起，并將其和室外的人工接地體連接起來，最好不應(yīng)少于2根。當(dāng)變電站所在處的位置處的土壤電阻較高時(shí)，應(yīng)根據(jù)區(qū)位情況適當(dāng)多引下線，以減少雷擊的接地電阻。此外，在引下線的過程中，還要確保引下線與電氣接觸性能優(yōu)良，機(jī)械連接穩(wěn)固性強(qiáng)，唯有同時(shí)滿足這些設(shè)計(jì)施工要求，才能有效減少雷擊給110 kV的變電站帶來的可能危害。

3.5 其他防雷保護(hù)措施? 除了前述的幾種重要防雷裝置外，其他防雷措施還有：第一，進(jìn)線防雷保護(hù)措施。主要是用于減少閥型避雷器的負(fù)荷，起到配合保護(hù)作用。其保護(hù)作用主要體現(xiàn)在：有效降低了避雷器的沖擊電流，當(dāng)雷電經(jīng)變電站的電壓波進(jìn)入進(jìn)線段時(shí)，經(jīng)沖擊電暈防護(hù)作用，有效削弱電壓波，起到保護(hù)變電站的作用。由此可見，在變電站進(jìn)線0.5-1.5千米部位裝設(shè)避雷線，對(duì)有效降低110 kV變電站的雷電損害具有良好的效果。第二，侵入波的防雷保護(hù)措施。指的是在進(jìn)線處安裝閥型避雷保護(hù)裝置，即在引入端安防雷保護(hù)裝置，確保下端接地，上端與變電站母線相連。此類避雷保護(hù)裝置主要構(gòu)造有非線性電阻和火花間隙等部件。目前市面上比較常見且應(yīng)用比較廣泛的閥型避雷保護(hù)裝置主要有：SFZ系列、FS系列等。具體的型號(hào)選擇還應(yīng)根據(jù)不同變電站的實(shí)際需求來定。

4? 結(jié)束語

綜上所述，在社會(huì)經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展的今天，電能這種動(dòng)力資源的需求量猛增，對(duì)電能質(zhì)量要求也在同步提高，只有不斷科學(xué)設(shè)計(jì)、合理使用和優(yōu)化分配，才能提升電力系統(tǒng)運(yùn)行的安全性和高效性。本文即在當(dāng)前110 kV的變電站遭雷擊產(chǎn)生的危害及其成因的基礎(chǔ)上，結(jié)合工作實(shí)際情況提出了幾點(diǎn)解決110 kV的變電站防雷裝置保護(hù)的具體措施。希望能為保證110 kV的變電站的系統(tǒng)運(yùn)行安全和做好防雷工作提供有益的借鑒和思考，如有不妥之處，還望同行們不吝賜教。

參考文獻(xiàn)：

[1]鄧園銘.110 kV變電站的防雷保護(hù)措施探析[J]科技與創(chuàng)新，2014（17）：35，37.

[2]李誠(chéng).110kV變電所雷電防護(hù)措施及研究[D].北京電力大學(xué)，2014（6）：35.

[3]方遒.110kV變電站的防雷保護(hù)措施探析[J].電子制作，2014（1）：164-165.

[4]祁永業(yè).110kV變電站的防雷保護(hù)措施探析[J].華東科技：學(xué)術(shù)版，2013（9）：263.

[5]張小兵.淺析110kV變電站的防雷措施[J].中國(guó)科技縱橫，2013（20）：125.