農(nóng)村變電站雷電防護(hù)技術(shù)

趙仲茂 梁靜宇

摘 要：變電站是電力系統(tǒng)中對(duì)電壓和電流進(jìn)行變換、接受電能和分配電能的場(chǎng)所，對(duì)農(nóng)村供電具有重要作用。雷電是影響變電站平穩(wěn)可靠運(yùn)行的重要因素之一。本文以農(nóng)村變電站為例，介紹雷電防護(hù)技術(shù)的應(yīng)用，分析現(xiàn)有防雷措施的不足，并提出相應(yīng)解決措施，以降低雷電致?lián)p的概率，保證農(nóng)村生產(chǎn)生活正常開(kāi)展。

關(guān)鍵詞：農(nóng)村變電站;雷擊風(fēng)險(xiǎn);防護(hù)技術(shù)

中圖分類(lèi)號(hào)：TM862;TM63 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-5168（2021）18-0147-03

Abstract： Substation is the place where the voltage and current in the power system are transformed， accepted and distributed. It plays an important role in rural power supply. Lightning is one of the important factors affecting the stable and reliable operation of substations. Taking rural substations as an example， this paper introduced the application of lightning protection technology， analyzed the shortage of existing lightning protection measures and put forward corresponding solutions to reduce the probability of lightning damage and ensure the normal development of rural production and life.

Keywords： rural substation;lightning risk;protection technology

目前，我國(guó)農(nóng)村電網(wǎng)覆蓋率不斷提高，變電站數(shù)量不斷增多，隨之而來(lái)的是，雷擊的概率也不斷提高。輸電線(xiàn)長(zhǎng)期暴露于室外，一旦遭受雷擊，就會(huì)導(dǎo)致跳閘，從而使變電站相應(yīng)設(shè)備出現(xiàn)運(yùn)行故障[1]。根據(jù)雷電的不同形狀，可將其大致分為片狀、線(xiàn)狀和球狀三種形式。雷電流放電電流大，幅值高達(dá)數(shù)十至數(shù)百千安;放電時(shí)間極短，只有50～100 μs;波頭陡度高，可達(dá)50 kA/s，屬于高頻沖擊波。線(xiàn)狀雷電是變電站發(fā)生雷擊事故的主要形式[2]。目前，廣東省徐聞縣的農(nóng)村變電站經(jīng)過(guò)改造，逐漸規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化，但變電站自動(dòng)化設(shè)備多為微電子元器件，極易受到雷擊等外界環(huán)境的影響，因此要加強(qiáng)變電站雷電防護(hù)管理，強(qiáng)化防雷技術(shù)設(shè)計(jì)。

1 變電站主要雷擊來(lái)源

變電站遭受的雷擊主要來(lái)源有兩個(gè)：一是雷電直接擊中變電站內(nèi)的設(shè)備，站內(nèi)設(shè)備多為金屬外殼，導(dǎo)電性強(qiáng);二是室外架空輸電線(xiàn)路的雷電感應(yīng)過(guò)電壓和直擊雷過(guò)電壓形成的雷電波沿線(xiàn)路侵入變電站（見(jiàn)圖1），其是導(dǎo)致變電站雷害的主要原因[3]。雷擊會(huì)對(duì)配電變壓器造成傷害。因此，針對(duì)直擊雷和雷電波入侵，需要采取必要的防雷措施。

2 配電變壓器的防雷技術(shù)

2.1 確定避雷器防護(hù)距離

變壓器是變電站的重要設(shè)備，其可承受的過(guò)電壓能力較其他電力設(shè)備低，因此常將變壓器作為變電站電氣設(shè)備的雷電防護(hù)的核心。變電站母線(xiàn)避雷器安裝位置要與主變壓器距離最近，以應(yīng)對(duì)在長(zhǎng)期運(yùn)行過(guò)程中因設(shè)備老化而導(dǎo)致其過(guò)電壓承受能力及耐雷水平不斷下降的現(xiàn)象。也就是說(shuō)，當(dāng)雷電產(chǎn)生的雷電波沿著變電站進(jìn)線(xiàn)入侵內(nèi)部后，避雷器連接點(diǎn)距離變壓器連接點(diǎn)的最大允許電氣距離要最小，盡可能安裝在與主變壓器側(cè)開(kāi)關(guān)同一間隔內(nèi)。以35 kV電壓等級(jí)為例，變電站1 km進(jìn)線(xiàn)段安裝有避雷線(xiàn)，取侵入波空間陡度[a0]為1.0 kV/m，當(dāng)避雷器與變壓器之間的距離控制在5 m及以下時(shí)，變壓器受到的沖擊電壓會(huì)減少10 kV，有利于對(duì)變壓器的絕緣保護(hù)。

2.2 三點(diǎn)共同接地

三點(diǎn)共同接地意味著防雷接地（高壓避雷器）、保護(hù)接地（外殼）和工作接地（低壓中性點(diǎn)）共用一個(gè)接地裝置，其接地電阻應(yīng)滿(mǎn)足三者之中的最小值，其中防雷接地電阻一般規(guī)定小于10 Ω，但要有垂直接地極，以利散流;低壓工作接地電阻一般應(yīng)小于4 Ω。因而接地電阻主要取決于高壓側(cè)對(duì)地?fù)舸r(shí)的保護(hù)接地，一般情況下配電變壓器都是向B類(lèi)建筑物供電的，相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，只有當(dāng)保護(hù)接地的接地電阻[R≤50/I]時(shí)，高壓側(cè)防雷及保護(hù)接地才能與低壓側(cè)工作接地共用同一個(gè)接地裝置;如果采取三點(diǎn)共同接地，則[R≤50/I]時(shí)，[I]為高壓系統(tǒng)的單相接地電流。分段對(duì)于不接地系統(tǒng)，[I]代表系統(tǒng)電容電流;對(duì)于消弧線(xiàn)圈接地系統(tǒng)，[I]是故障點(diǎn)殘流。公式中的50是低系統(tǒng)的安全電壓，即高壓側(cè)對(duì)外殼單相接地時(shí)，接地電流流過(guò)接地裝置的壓降不得超過(guò)50 V。變電站系統(tǒng)中的電容電流差別較大，在數(shù)十至數(shù)百安之間不等，所以配電變壓器三點(diǎn)共同接地時(shí)，要根據(jù)所在高壓系統(tǒng)的情況來(lái)確定接地裝置的接地電阻，不能籠統(tǒng)地規(guī)定4 Ω或10 Ω。分段采用三點(diǎn)共地后，高壓側(cè)避雷器放電電流較大，接地電阻壓降也很高。該壓降加在低壓線(xiàn)圈上，通過(guò)低壓線(xiàn)路電容接地，在低壓線(xiàn)圈中就中擊電流使線(xiàn)圈勵(lì)磁，通過(guò)電磁感應(yīng)使高壓線(xiàn)圈感應(yīng)出很高的電壓。高壓側(cè)電壓受高壓側(cè)避雷器殘壓限制，其線(xiàn)圈中性點(diǎn)電位較高，容易在中性點(diǎn)附近，導(dǎo)致對(duì)地?fù)舸┗蛟验g短路而損壞變壓器，因此，需要在低壓側(cè)加設(shè)避雷器，限制低壓線(xiàn)圈承受的電壓。當(dāng)?shù)仉娢簧邥r(shí)，通過(guò)避雷器放電，使低壓線(xiàn)圈則只承受低壓避雷器的殘壓，這樣高壓中性點(diǎn)附近的過(guò)電壓便被限制在可接受的范圍內(nèi)，從而防止逆變換損壞變壓器[4]。同理，當(dāng)?shù)蛪壕€(xiàn)路感應(yīng)雷傳導(dǎo)配電變壓器時(shí)，低壓側(cè)避雷器也會(huì)動(dòng)作，使雷電流泄放入地，低壓線(xiàn)圈電壓也被限制在低壓避雷器殘壓之內(nèi)，防止配電變壓器高壓側(cè)被按變比感應(yīng)的電壓所損壞。

2.3 引下線(xiàn)連接方式

配電變壓器區(qū)域的接地裝置應(yīng)設(shè)置為閉合環(huán)形，加設(shè)垂直地極。這是因?yàn)榄h(huán)形內(nèi)的接觸電壓較低，而沿環(huán)形接地體走路的行人，其跨步電壓也較小，城區(qū)的配電變壓器大多安裝在路邊，因常有人走動(dòng)，為行人安全著想，必須敷設(shè)為環(huán)形。閉合環(huán)的直徑一般為5 cm，這是因?yàn)橐l(fā)揮水平接地極和垂直接地極的散流效果，減少相互屏蔽，降低接地電阻。當(dāng)變電站內(nèi)安裝地點(diǎn)較為狹窄時(shí)，可變換為橢圓形，短軸距不應(yīng)小于3 cm，兩垂直接地極應(yīng)打在短軸兩端點(diǎn)附近，高壓避雷器、外殼接地、中性點(diǎn)的接地應(yīng)分別置于垂直接地極附近，以利于散流。當(dāng)土壤電阻率高時(shí)，做一個(gè)環(huán)后要立即測(cè)試電阻值是否符合標(biāo)準(zhǔn)，若不符合標(biāo)準(zhǔn)，需要在環(huán)外再做一個(gè)大環(huán)，兩環(huán)相距4～5 cm，埋地深度需比第一環(huán)深，兩環(huán)有相接處。

下線(xiàn)及接地裝置都應(yīng)使用焊接，但為安裝方便，通常在電桿下的1.8～2.0 m處有一個(gè)斷接卡，也以螺栓相接。引下線(xiàn)材質(zhì)一般為扁鋼或鋼絞線(xiàn)，此兩種材質(zhì)制作接線(xiàn)板宜用雙螺栓相連。但在實(shí)際操作中，高壓避雷器接地端分別用鋼絞線(xiàn)接線(xiàn)，三根線(xiàn)絞合連接，大多數(shù)情況是鋼絞線(xiàn)材質(zhì)，配電變壓器外殼的接地線(xiàn)也用鋼絞線(xiàn)與避雷器接地線(xiàn)絞合，再與接地裝置的引上線(xiàn)用螺栓連接，未壓制接線(xiàn)鼻，這些連接都不符合標(biāo)準(zhǔn)的做法。正確做法是將三個(gè)高壓避雷器的接地端以30 mm×4 mm的扁鋼連為一體，從中間引下和外殼的接地扁鋼相連，均采用焊接。中間不設(shè)置斷連卡，直接入地和接地裝置焊接。

2.4 地下水平接地極設(shè)置

接地裝置地下水平接地極采用40 mm×4 mm的扁鋼，垂直接地極用40 mm×4 mm的角鋼，埋地深度在60 cm以上，填埋時(shí)務(wù)必用干凈的原土并夯實(shí)。條件允許的情況下，擴(kuò)大環(huán)形水平接地極面積，或在環(huán)外再做一環(huán)，兩處相連，以降低電阻。地下相連處用焊接，扁鋼搭接長(zhǎng)度和自身寬之比為2∶1，且三面或四面均應(yīng)焊接，三面焊接時(shí)盡量二短邊一長(zhǎng)邊，利于電流通過(guò)。圓鋼焊接長(zhǎng)度和直徑之比應(yīng)為6∶1，兩面焊接且為實(shí)焊。焊接處要采取防腐措施。

2.5 柱上開(kāi)關(guān)防雷接地

高壓柱上開(kāi)關(guān)及隔離開(kāi)關(guān)一般作為聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)用，標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定要在一側(cè)或雙側(cè)加裝避雷器，且避雷器引下接地線(xiàn)應(yīng)與開(kāi)關(guān)外殼連接，以確保開(kāi)關(guān)對(duì)地絕緣只承受殘壓，使其得到有力保護(hù)。但實(shí)際上，不少柱上開(kāi)關(guān)的高壓側(cè)避雷器接地線(xiàn)是直接入地的，沒(méi)有按規(guī)定連接外殼。此時(shí)開(kāi)關(guān)對(duì)地絕緣所承受的除避雷器殘壓外，還包括引線(xiàn)和接地裝置電阻上的壓降[5]。如接地線(xiàn)電感為2.67 μH/m，引線(xiàn)長(zhǎng)為11 m，雷電波波頭為3.5 μs，幅值為5 kA，加上接地電阻壓降值，避雷器殘壓假設(shè)為50 kV，則開(kāi)關(guān)承受的電壓超過(guò)開(kāi)關(guān)的沖擊絕緣水平，避雷器就無(wú)法發(fā)揮效用。一些開(kāi)關(guān)外殼雖具有引下接地線(xiàn)，但是單獨(dú)入地，即使共用一個(gè)接地裝置，開(kāi)關(guān)絕緣承受的電壓也高于殘壓。通常情況下，單獨(dú)柱上開(kāi)關(guān)的接地裝置，其接地電阻應(yīng)在10 Ω以下，柱上開(kāi)關(guān)的外殼、隔離開(kāi)關(guān)閘刀坐臺(tái)、附近的絕緣子橫擔(dān)，應(yīng)連在一起與避雷器接地引下線(xiàn)相接，這樣就使隔離開(kāi)關(guān)支持絕緣子都能得到保護(hù)，防止雷擊閃絡(luò)，充分發(fā)揮避雷器的作用。線(xiàn)路中加設(shè)的高壓無(wú)功補(bǔ)償電容器應(yīng)加裝金屬裝氧化物避雷器，接地引下線(xiàn)應(yīng)與電容器外殼相連。

2.6 增強(qiáng)線(xiàn)路絕緣性

配電網(wǎng)線(xiàn)纜的絕緣水平越高，防雷效果越好。當(dāng)感應(yīng)雷擊中配電網(wǎng)線(xiàn)路時(shí)，導(dǎo)致固體絕緣子周?chē)臍怏w或液體電介質(zhì)被雷電流擊穿，沿固體絕緣子表面產(chǎn)生放電現(xiàn)象，從而降低整個(gè)線(xiàn)路的防雷程度。為了減少線(xiàn)纜通道數(shù)，實(shí)踐中采取同桿多回線(xiàn)技術(shù)，雖然可降低安裝成本，減少線(xiàn)路回廊數(shù)目，但遭受雷擊后，由于線(xiàn)纜之間的距離不足，會(huì)引發(fā)接地事故，嚴(yán)重情況下多回線(xiàn)同時(shí)跳閘會(huì)導(dǎo)致更多損失。因此，必須增強(qiáng)配電網(wǎng)絡(luò)的絕緣程度，可增加絕緣控件的個(gè)數(shù)，將裸導(dǎo)線(xiàn)更換為絕緣導(dǎo)線(xiàn)，選擇合適絕緣子型號(hào)，在絕緣子和線(xiàn)纜之間增加絕緣皮等。

3 結(jié)語(yǔ)

開(kāi)展防雷保護(hù)是做好事前預(yù)防的重要措施。為保證農(nóng)村變電站的平穩(wěn)運(yùn)行，有必要進(jìn)行全面的防雷保護(hù)。本文分析了易遭受雷擊的原因，并提出了相關(guān)解決措施，以減輕雷電對(duì)農(nóng)村變電站配電設(shè)備的影響。

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