變電站雷電防護(hù)與雷擊事故分析

摘要：本文分析了雷擊效應(yīng)及其危害，目前變電站雷電防護(hù)主要措施。在此基礎(chǔ)上重點(diǎn)分析了防雷接地，并提出了變電站統(tǒng)一采用一個(gè)接地體，雷電防護(hù)接地不再單獨(dú)設(shè)計(jì)接地體的優(yōu)點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：雷擊變電站放電避雷針接地

大氣中出現(xiàn)云塊后，云塊中快速流動(dòng)的霧狀水顆粒通過(guò)互相摩擦?xí)袘?yīng)出靜電，形成帶電云層。帶電云層之間以及帶電云層與地面之間通過(guò)摩擦也會(huì)產(chǎn)生靜電。當(dāng)他們之間的電位差、距離等達(dá)到相應(yīng)的數(shù)值，就會(huì)發(fā)生放電現(xiàn)象，也就是我們這么文章將要探討的雷電現(xiàn)象。雷電的形式包括線狀、片狀和球狀三種。雷電電流幅值可達(dá)數(shù)十至數(shù)百kA，但是持續(xù)時(shí)間極短，只有十到一百毫秒，但是其破壞性極大。線狀雷電是變電站發(fā)生的雷擊事故的主要形式，由于變電站對(duì)雷擊的防護(hù)措施還不健全，一旦發(fā)生雷擊事故，造成的危害后果就難以挽救。

1 雷擊效應(yīng)及其危害

雷擊發(fā)生之后，數(shù)十至數(shù)百kA的雷電電流瞬間侵入大地，靜電感應(yīng)過(guò)電壓因?yàn)榈孛嫔系膶?dǎo)體和輸電線路以及變配電設(shè)備與金屬管線無(wú)法迅速流散感應(yīng)到的電荷而高達(dá)數(shù)百千伏。

雷擊第一次放電后，后續(xù)放電會(huì)沿著首次放電的通道以三到四次的頻率出現(xiàn)，有時(shí)可高達(dá)二十余次。之所以這樣是由于大氣云塊以階躍式方式向大地放電，先驅(qū)放電于主放電之前出現(xiàn)。因此，雷擊電流幅值極高陡度極大，并且形成系列性的閃電雷電流脈沖，附近金屬導(dǎo)體感應(yīng)到的電磁感應(yīng)過(guò)電壓在強(qiáng)大瞬變脈沖磁場(chǎng)的影響下瞬間很高。

導(dǎo)體的熱穩(wěn)定由于高達(dá)數(shù)百遷安的雷電電流持續(xù)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)會(huì)被破壞，機(jī)械強(qiáng)度也會(huì)降低。并且靜電感應(yīng)過(guò)電壓和電磁感應(yīng)過(guò)電壓都會(huì)造成輸電設(shè)備絕緣閃絡(luò)，損壞電氣設(shè)備的絕緣功能。這些都是誘發(fā)二次事故的原因。另外，瞬變脈沖電磁場(chǎng)還會(huì)干擾電子和通訊系統(tǒng)，引發(fā)微機(jī)保護(hù)誤動(dòng)和電力調(diào)度通信中斷事件。

2 變電站雷電防護(hù)措施

安裝架空地線、避雷器和避雷針是變電站防護(hù)雷擊的三種主要辦法。在架空輸電線的上部架設(shè)架空地線，并做好接地，是有效防止架空輸電線遭受雷擊的手段之一。35kV以上的架空輸電線都必須架設(shè)的架空地線，防止雷擊事件發(fā)生。避雷器可以吸收雷擊后產(chǎn)生的靜電感應(yīng)過(guò)電壓和電磁感應(yīng)過(guò)電壓，安裝在變電站的進(jìn)出線和各段子母線上，可以減少雷擊后二次事故的發(fā)生。避雷針是有效防護(hù)直接雷擊的手段，在戶外變電站上均應(yīng)安裝避雷針預(yù)防直接雷擊。在安裝之前，必須調(diào)研變電站的占地面積、地形地貌以及周圍建筑物的高度和分布情況，在此基礎(chǔ)上，通過(guò)雷電防護(hù)設(shè)計(jì)來(lái)計(jì)算避雷針的安裝數(shù)量和位置。戶外變電站的避雷針一般都安裝在專用鐵塔上，避雷針針長(zhǎng)為1～2m，采用圓鋼時(shí)直徑應(yīng)大于20mm。現(xiàn)在市場(chǎng)上出現(xiàn)了許多非常規(guī)避雷針，目前還沒(méi)有通過(guò)實(shí)踐證明其效果和經(jīng)濟(jì)性優(yōu)于常規(guī)避雷針，我國(guó)及IEC國(guó)際防雷標(biāo)準(zhǔn)都沒(méi)有推薦使用。這一點(diǎn)在雷電防護(hù)設(shè)計(jì)中認(rèn)真考慮，在變電站雷電防護(hù)中更應(yīng)該引起注意。

避雷針不僅是最有效的防雷擊手段，也是最廣為人知的防雷手段。早在1752年，富蘭克林就通過(guò)風(fēng)箏實(shí)驗(yàn)提出避雷針的預(yù)想。在此之后，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的實(shí)踐考驗(yàn)，避雷針得到了很好的應(yīng)用。避雷針的原理很簡(jiǎn)單，即有帶電云塊出現(xiàn)在避雷針上空時(shí)，地面上因大氣中出現(xiàn)帶電云塊而感應(yīng)到的電荷積累到避雷針上，由此形成尖端放電。此時(shí)，避雷針是保護(hù)范圍的最高點(diǎn)，其他物體受避雷針保護(hù)則不會(huì)受到直接電擊。只要設(shè)計(jì)合理，靜電感應(yīng)過(guò)電壓和電磁感應(yīng)過(guò)電就會(huì)在安全范圍以內(nèi)。由此可以看出，避雷針實(shí)際上是通過(guò)自身尖端放電引發(fā)直接雷擊，犧牲自己來(lái)達(dá)到保護(hù)周邊物體的目的。所以就不難理解為什么有人要把避雷針更名為引雷針了。但是避雷針的名字已經(jīng)成為既定事實(shí)，并且已成為習(xí)慣，改變也有一定問(wèn)題，只要知道避雷針通過(guò)把直接雷擊引向自己來(lái)保護(hù)其保護(hù)范圍內(nèi)的物體避免遭受直接雷擊就可以了。

3 變電站雷電防護(hù)接地

雷電防護(hù)接地是指為防止雷擊事故，通過(guò)一定的技術(shù)手段，將直接雷擊后產(chǎn)生的數(shù)十至數(shù)百kA的電流通過(guò)引下線接入大地。只有能夠在發(fā)生直接雷擊后，防止產(chǎn)生的靜電感應(yīng)過(guò)電壓與電磁感應(yīng)過(guò)電壓引起危害，才能算是合格的接地。目前國(guó)際上通用的接地電阻值設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定為不大于10Ω。接地電阻值越小，直接雷擊誘發(fā)的靜電感應(yīng)過(guò)電壓和電磁感應(yīng)過(guò)電壓危害越小。比如，雷電電流幅值和接地電阻值分別為60Ω和30Ω時(shí)，對(duì)地面的電壓可達(dá)1800kV；當(dāng)接地電阻值變?yōu)?0Ω時(shí)，對(duì)地面的電壓則只有600kV。前者產(chǎn)生的跨步電壓比后者多了三分之二。由此可見(jiàn)，接地措施的重要性。為了防止雷擊的威化擴(kuò)大，必須做好接地措施并改善不合理的設(shè)計(jì)，所以變電站的雷電防護(hù)接地設(shè)計(jì)一定要和相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范的要求保持一致。

根據(jù)相關(guān)機(jī)構(gòu)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，為有效防護(hù)變電站雷擊發(fā)生，可以采取兩種有效的方式，一是等電位連接，二是聯(lián)合接地。等電位聯(lián)結(jié)是指將變電站內(nèi)的所有非帶電的金屬導(dǎo)電物體全部連接起來(lái)后引向接地體。聯(lián)合接地則是指變配電站統(tǒng)一采用一個(gè)接地體，接地電阻值按照不同接地系統(tǒng)的最小要求進(jìn)行設(shè)計(jì)。依照國(guó)際慣例，變電站接地電阻值電氣設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定為4Ω，這樣可以有效減少雷擊傷害。

目前，變電站統(tǒng)一采用一個(gè)接地體，雷電防護(hù)接地不再單獨(dú)設(shè)計(jì)接地體，看起來(lái)好象很可怕，實(shí)際上是有一定科學(xué)道理的。假如雷電電流幅值為50千安，采用聯(lián)合接地后，接地電阻值為4Ω，對(duì)地面的電壓為200kV。此時(shí)通過(guò)等電位聯(lián)結(jié)，變電站內(nèi)的所有非帶電的金屬導(dǎo)電物體對(duì)地電位全部同時(shí)升高200kV，各種電源的中性點(diǎn)也接在同一個(gè)接地體上，對(duì)地電位也同時(shí)升高200kV。彼此之間仍然保持原來(lái)的電位差。沒(méi)有產(chǎn)生新的電位差，就不會(huì)產(chǎn)生靜電感應(yīng)過(guò)電壓與電磁感應(yīng)過(guò)電壓。

通過(guò)上述分析，我們發(fā)現(xiàn)采用一個(gè)接地體，可以平衡各個(gè)位置的電壓，遏制新的電位差的形成，從而就遏制了靜電感應(yīng)過(guò)電壓和電磁感應(yīng)過(guò)電壓的形成，最終有效防止了雷擊事故損害的出現(xiàn)。

4 變電站雷擊事故分析

河北省保定市安新縣供電局現(xiàn)有的10座35kV變電站，兩座110 kV變電站，均為戶外變電站。雷電防護(hù)措施主要采用避雷針與避雷器，戶外照明采用探照燈。2000年7月西地35kV變電站一只避雷針遭受直接雷擊，變電站內(nèi)所有變配電站綜合自動(dòng)化（微機(jī)保護(hù)）裝置電源板全部被損壞。變電站處于無(wú)保護(hù)運(yùn)行。這是安新縣供電局有史以來(lái)最大的一次自然災(zāi)害造成的重大事故。

經(jīng)過(guò)調(diào)查分析后發(fā)現(xiàn)，探照燈除安裝在附近建筑物上以外，其他都安裝在避雷針鐵塔上。安裝在避雷針鐵塔上的戶外照明探照燈的電源容易引起戶內(nèi)交流電源屏。避雷針在遭受直接雷擊后，強(qiáng)大的雷電電流在探照燈的電源電纜上引起非常高的電磁感應(yīng)過(guò)電壓。電磁感應(yīng)過(guò)電壓由探照燈的電源電纜進(jìn)入戶內(nèi)交流電源屏，變電站綜合自動(dòng)化（微機(jī)保護(hù)）裝置電源也引入此戶內(nèi)交流電源屏，從而造成變電站綜合自動(dòng)化（微機(jī)保護(hù)）裝置電源置電源板全部被損壞的嚴(yán)重事故。

5 結(jié)束語(yǔ)

眾所周知，雷擊事故是一種不可抗拒的自然災(zāi)害，我們沒(méi)有能力讓它不發(fā)生，但是我們可以減少它對(duì)我們的傷害。通過(guò)安裝架空地線、避雷器和避雷針等有效防雷擊設(shè)備，可以在很大程度上預(yù)防和減少雷擊事件的發(fā)生，保護(hù)生命和財(cái)產(chǎn)安全。但是因?yàn)槔讚羰鹿室坏┌l(fā)生就會(huì)造成極大的危害，所以首先要從設(shè)計(jì)和施工安裝上做好雷電防護(hù)，并且要認(rèn)真的進(jìn)行日常維護(hù)。做到早發(fā)現(xiàn)早處理，預(yù)防為主。盡量減少事故發(fā)生。