變電所的綜合防雷設(shè)計(jì)

建設(shè)綜合勘察研究設(shè)計(jì)院有限公司 蘇 靜

變電所的一次系統(tǒng)能通過各種防雷措施躲過雷擊，但系統(tǒng)內(nèi)的二次系統(tǒng)則對雷擊抵抗能力較?。阂环矫嬗捎诂F(xiàn)代電子設(shè)備內(nèi)部結(jié)構(gòu)高度集成化，耐壓水平很低，造成其對雷電過電壓的承受能力不如以前；另一方面由于通信設(shè)備增加使得信號(hào)線路更多，雷電波入侵更加簡單，以致雷電事故時(shí)常發(fā)生，影響信息系統(tǒng)正常運(yùn)行，輕則導(dǎo)致設(shè)備失靈或損壞，重則造成系統(tǒng)崩潰、電氣設(shè)備毀壞，造成龐大的經(jīng)濟(jì)損失。因此不能輕視變電所防雷，必須保證安裝信得過的防雷措施。

1 雷擊的形式及危害

雷擊的形式根據(jù)成因和特點(diǎn)的不同主要可分為雷電感應(yīng)過電壓、地電位反擊、雷電波入侵等形式[1-3]。

感應(yīng)雷過電壓：雷云放電雖沒有直接擊落在電氣設(shè)備上，但也可能產(chǎn)生過電壓。因?yàn)樵诶自品烹娭?，雷云?qiáng)大的靜電場會(huì)使得設(shè)備被感應(yīng)出大量異性電荷，被相對集中在近端；當(dāng)主放電發(fā)生后云中電荷迅速釋放掉，于是設(shè)備上集中的感應(yīng)電荷也要迅速入地釋放，會(huì)形成沖擊電流，該電流會(huì)在設(shè)備阻抗上形成壓降，這個(gè)壓降就是感應(yīng)雷過電壓[4]。感應(yīng)雷過電壓主要產(chǎn)生在架空輸電線路上。對于架空線路，沒有避雷線保護(hù)時(shí)，當(dāng)雷擊點(diǎn)距離導(dǎo)線水平距離S 大于65米時(shí)導(dǎo)線上感應(yīng)過電壓的值可按公式估算U=25×I×h/S。感應(yīng)雷過電壓是變電所低壓部分和弱電系統(tǒng)、信息系統(tǒng)的主要威脅，變電所遭受的感應(yīng)雷電壓主要有兩個(gè)來源：一種是感應(yīng)形式，因?yàn)樽冸娝浇霈F(xiàn)雷電現(xiàn)象，各裝置及設(shè)備中產(chǎn)生的感應(yīng)雷電壓屬于雷電導(dǎo)致的電磁感應(yīng)；另一種是入侵波在變壓器高低壓繞組發(fā)生的電磁感應(yīng)（變比）或電容耦合，在變壓器各側(cè)可能形成的過電壓。一般所說感應(yīng)雷過電壓指的第一種情況，這種雷電壓對變電所的低壓設(shè)備絕緣危害較大，尤其是對保護(hù)、通訊、測量、控制等弱電系統(tǒng)的威脅更加嚴(yán)重，對該類設(shè)備感應(yīng)雷防護(hù)是最重要的環(huán)節(jié)。

入侵波：由于變電所通常會(huì)有多條出線，因此各線路萬一遭受雷過電壓后，線路雷過電壓或雷電流一定會(huì)沿著線路進(jìn)入變電所，對建筑內(nèi)的設(shè)備安全構(gòu)成隱患，把這種雷害統(tǒng)稱入侵波[5]，其對變電所內(nèi)設(shè)備的威脅與變電所的運(yùn)行方式、設(shè)備狀態(tài)、系統(tǒng)參數(shù)、入侵波的來源、入侵波的幅值和陡度等多種因素有關(guān)系。如：當(dāng)雷電壓沿線進(jìn)入變電所時(shí)，若斷路器處于開斷狀態(tài)，因?yàn)椴ǖ恼鄯瓷鋵⒃跀嗦菲鲾嗫谏闲纬杉s2倍值的雷過電壓；變壓器中性點(diǎn)不接地時(shí)，中性點(diǎn)絕緣承受的過電壓大約是繞組首端入射電壓值的2倍；因避雷器動(dòng)作造成的截波過電壓等。一般入侵波沿線進(jìn)入前，受各種因素影響進(jìn)入變電所的波峰和陡度會(huì)被削弱，其直接危害會(huì)低于直擊雷危害，但由于線路遇雷幾率遠(yuǎn)高于變電所遭雷直擊，因此入侵波防護(hù)更是變電所防雷的重要環(huán)節(jié)。

雷電對二次設(shè)備的危害機(jī)理分析：雷電電涌是近年來人們極其重視的一種二次設(shè)備的雷電危害形式，它的防護(hù)方式也在不斷完善。從原理上劃分，雷電電涌對變電所二次系統(tǒng)的干擾方式主要有阻性耦合、容性耦合、感性耦合。經(jīng)過分析研究，對于阻性耦合，接地電阻越大干擾越嚴(yán)重；對于容性耦合，由于電勢差的原因，導(dǎo)致設(shè)備絕緣系統(tǒng)中存在較大的容性電流，對設(shè)備的正常運(yùn)行帶來巨大的干擾；對于感性耦合，雷電流的頻率越高、兩回路間互感越大感應(yīng)過電壓就越大，感性耦合對設(shè)備的危害就越嚴(yán)重[3]。

2 防雷措施

接閃器。作用是把雷電引向自身，承受直擊雷放電。除利用混凝土構(gòu)件內(nèi)鋼筋外，接閃器應(yīng)鍍鋅，焊接處應(yīng)涂防腐漆[6]。在我國通常使用避雷針作為接閃器，經(jīng)過幾十年的發(fā)展，不同場合的避雷針外形也不相同，從實(shí)用角度來講選擇直擊避雷針就可滿足要求。LS 單針避雷針（不銹鋼避雷針）采用316或304L 不銹鋼材質(zhì)，抗高溫及抗氧化性強(qiáng)，保用期超過10年，使用VSSIO 最新標(biāo)準(zhǔn)化工藝加工，從力學(xué)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、尺寸精度、焊接、拋光、數(shù)控鉆孔等各個(gè)環(huán)節(jié)都體現(xiàn)了國內(nèi)頂級(jí)工業(yè)水平，品質(zhì)、工藝遠(yuǎn)超同行業(yè)。在所有的避雷針中，單針避雷針的可供選擇的型號(hào)高度都特別多，有符合防雷要求的6m 的避雷針，所以我們選擇了一款單針避雷針，這樣經(jīng)濟(jì)實(shí)用也對防雷保護(hù)行之有效，因此選擇了LS6000型號(hào)的單針避雷針。

引下線。是指連接接閃器與接地裝置的金屬導(dǎo)體。引下線的用途是將接閃器的雷電流安全的導(dǎo)入大地[7]。設(shè)計(jì)的變電所是框架結(jié)構(gòu)的建筑，而避雷針正好設(shè)計(jì)在建筑物邊緣，一種方法可沿變電所外墻鋪設(shè)引下線，并直接沿墻向下接地；另一種方法是直接利用變電所內(nèi)的鋼筋作為引下線。兩邊有兩根避雷針，可用兩根引下線，既提高了整個(gè)變電所防雷的可靠性，且使用兩根引下線后可利用其分流作用將每根引下線的電壓降大大降低，減少了變電所側(cè)擊的風(fēng)險(xiǎn)。

屏蔽接地。主要作用是把電氣干擾轉(zhuǎn)入大地，能降低外來電磁干擾的負(fù)面作用，減少帶來的阻礙，避免其他設(shè)備遭到影響。其主要形式有建筑屏蔽接地、弱電設(shè)備的相關(guān)接地、低壓電纜屏蔽層接地。

避雷器的選型。由于氧化鋅避雷器優(yōu)點(diǎn)多，是目前世界上用得最廣泛的避雷器，所以選擇鄭州益之潤防雷工程有限公司的一款氧化鋅避雷器，屬于3～220kV 無間隙金屬氧化鋅避雷器，型號(hào)是Y5WZ-17/45。

防閃絡(luò)。與絕緣體擊穿對應(yīng)，一般稱在絕緣體表面出現(xiàn)的放電、電弧等現(xiàn)象稱作閃絡(luò)。當(dāng)雷擊發(fā)生時(shí)，存在空氣中或金屬、絕緣層等表面的氣體、液體等沿著絕緣表層發(fā)生破壞性放電，而放電時(shí)的電壓即閃絡(luò)電壓。當(dāng)閃絡(luò)發(fā)生時(shí)電極間的電壓會(huì)很快降低，甚至無限接近于零。出現(xiàn)閃絡(luò)的整個(gè)表面所產(chǎn)生的火花電弧等能導(dǎo)致絕緣層表皮焦炭化。變電所內(nèi)閃絡(luò)的發(fā)生將給安全供電和生產(chǎn)帶來極大的危害，一般可采取定時(shí)對絕緣體表面進(jìn)行污穢清除、在絕緣體表面的涂料選用絕緣屬性材料、時(shí)常對設(shè)備進(jìn)行巡視等措施來防止絕緣設(shè)備發(fā)生閃絡(luò)。

3 仿真分析

雷擊桿塔仿真研究。對于雷擊桿塔時(shí)，通過對變電站變壓器的過電壓在無避雷器仿真和雷擊桿塔加避雷器進(jìn)行仿真，對比雷擊桿塔無避雷器v/t 圖（圖1）和雷擊桿塔加避雷器v/t 圖（圖2）可知，通過添加避雷器將能有效抑制各個(gè)設(shè)備上過電壓的最大幅值，可有效保證站內(nèi)設(shè)備的安全運(yùn)行。

圖1 雷擊桿塔無避雷器v/t 圖

圖2 雷擊桿塔加避雷器v/t 圖

圖3 雷擊母線無避雷器仿真結(jié)果

圖4 雷擊母線加避雷器仿真結(jié)果

雷擊母線仿真研究：對于雷擊母線時(shí)，通過對變電站變壓器的過電壓在無避雷器仿真和雷擊桿塔加避雷器比較，雷擊桿塔無避雷器v/t 圖（圖3）和雷擊桿塔加避雷器v/t 圖（圖4）可知，加避雷器后各個(gè)設(shè)備的最大過電壓都有明顯下降，從而說明避雷器在雷電流過電壓入侵變電站時(shí)起到十分重要作用，保護(hù)變電站內(nèi)變壓器不受損害，提高了電力系統(tǒng)的安全性和可靠。對于雷擊桿塔母線時(shí)通過對變電站各個(gè)設(shè)備的過電壓仿真波形圖1～4（圖中藍(lán)線是電壓互感器，紅線是變壓器，綠線是電抗器）比較分析而知，變電站內(nèi)各電器設(shè)備過電壓比原來雷擊點(diǎn)的過電壓高很多，從而說明應(yīng)盡量避免雷擊近區(qū)桿塔而引起反擊和雷擊母線。