變電站直擊雷保護分析

孫 明，孫舶竣

(1.雞西電業局，黑龍江 雞西158100;2.雞西市郊農電局，黑龍江 雞西158100)

0 引言

變電站安裝許多重要電氣設備(如變壓器、斷路器、隔離開關、互感器等)，一旦遭受雷擊，將產生雷擊過電壓(大氣過電壓)，危害電力設備、造成電力系統大面積停電，甚至危機到人的生命安全。因此，為了防止大氣過電壓對變電站的電氣設備和人們生命安全造成威脅，本文對變電站直擊雷保護進行了分析，并根據模擬試驗結果和運行經驗修正，得到了避雷針(線)的保護范圍、與配電裝置應保持的空間距離，使周圍被保護建構筑物、設備避免遭受雷擊災害和帶電設備絕緣被擊穿而損壞設備。

1 直擊雷保護措施和保護作用原理

露天的變電站和電氣設備通常采用避雷針來防止直擊雷，避雷針是一種簡單的防直擊雷裝置，其最大優點是結構簡單、安裝方便、成本低廉、便于維護。避雷針實際上是一組引雷導體，由接閃器、接地引下線和接地體組成。當雷云放電接近地面時，在雷電先導階段，避雷針頂部聚集電荷，在發展先導和避雷針頂端之間的通道建立了很大的電場強度，避雷針迎面先導的產生和發展大大加強了該通道中的電場，避雷針(線)使地面電場發生畸變，歪變了雷云與大地間的電場，將雷電引到避雷針(線)上，雷電擊中避雷針并泄流入大地，把雷電的能量消耗到地下［1］。靠近避雷針的被保護物高度比避雷針低，由于避雷針的迎面先導作用，因此被保護物遭受雷擊的概率很低，從而使周圍被保護建構筑物和設備避免遭受雷擊的災害。

要發揮避雷針(線)的保護作用，避雷針(線)的高度一定要高于周圍的被保護物體。顯然，避雷針(線)的高度越高，對電場的歪變能力就越強，其引雷空間就越大，使周圍免遭雷擊的范圍就越大。但避雷針(線)的高度越高，其本身遭到雷擊的幾率會增加。

2 避雷針(線)的主要技術要求

1)獨立式避雷針宜裝設獨立的接地裝置。在非高土壤電阻率地區，要求其工頻接地電阻不大于10 Ω。當有困難時，可將該接地裝置與主接地網連接，但避雷針與主接地網的地下連接點沿接地線的長度要大于 15 m［2］。

2)獨立式避雷針(線)及引下線與配電裝置在空氣中的間距d1≥0.2Ri+0.1h，而且d1≥5m;獨立式避雷針(線)的接地裝置與變配電所主接地網在地中距離d2≥0.3Ri，而且d2≥3m，Ri為沖擊接地電阻。

3)在多避雷針聯合保護時，兩針之間的距離與避雷針高度之比不宜大于5。

3 避雷針(線)的保護范圍

由于雷電先導在高空時隨機地向任意方向發展，當先導到達距地面某一高度時，受避雷針(線)對電場的畸變的影響，使先導的頭部與避雷針(線)間的電場強度最大，放電將沿此最大場強方向發展，而擊于避雷針(線)上，根據模擬試驗結果并經過運行經驗修正，得到避雷針(線)保護范圍如下。

3.1 單一獨立避雷針

單一獨立避雷針的保護范圍如圖1所示，在被保護物高度hx水平面上，其保護半徑rx為

式中:h為避雷針的高度;p為高度修正系數，當h≤30 m時，p=1;當h＞30 m

圖1 獨立避雷針的保護范圍

3.2 兩支等高避雷針

兩支等高避雷針聯合保護范圍要比兩針各自的保護范圍之和大，因為擊于兩針之間單針保護范圍邊緣外側的雷，可能被相鄰的針吸引而擊于相鄰針上，兩針的聯合作用使兩針間的保護范圍加大。兩針聯合的保護范圍在地面上一側的保護最小寬度位于兩針之間的中點，用bx表示，如圖2所示，而兩針外側的保護范圍與單針時相同。為了確定兩針之間的保護范圍，需先求出在兩針連線中間1點的假想針高度h0，此假想針在O―O'截面上的保護寬度為bx。D為兩針之間的距離，ha為避雷針到被保護設備頂面間的高度。

被保護寬度bx=0，

圖2 兩支等高避雷針保護范圍

式中:h為避雷針的高度;D為兩避雷針之間的距離;bx為兩避雷針之間保護范圍的最小寬度;h0為兩避雷針之間保護范圍上部邊緣最低點的假想高度;hx為被保護設備高度;ha為避雷針到被保護設備頂面間的高度;p為高度修正系數。R0為兩避雷針和兩避雷針之間保護范圍上部邊緣最低點，以這3點做出圓弧的半徑;當h≤30 m時，p=1，當h

3.3 兩支不等高避雷針

兩支不等高避雷針保護范圍，可以按下面的方法確定，如圖3所示。首先按兩單針分別作出保護范圍，然由用低針“2”的頂點作水平線，與高針“1”的保護范圍交于“3”點，視點“3”為假想等高針頂點，再作“2”和“3”點的保護范圍，圖3中f=D'/7p。

圖3 兩支避雷針不等高的保護范圍

3.4 單根避雷線

避雷線比同高度避雷針引雷空間要小，因為避雷線受風吹而擺動，使引雷空間減小，因此，其保護寬度就要取的較小，但其保護的長度與避雷線等長，兩端還有其保護的半個圓錐體空間。單根避雷線的保護范圍如圖4所示，其一側保護寬度rx的計算式為

式中:hx為被保護物高度;rx為保護寬度;hx為水平面上的保護半徑;h為避雷線高度;p為高度修正系數;當 h≤ 30 m時，p=1，當 h＞30 m時，

3.5 兩條避雷線

兩條避雷線的聯合保護范圍如圖5所示，兩線外側的保護范圍按單線時確定，兩線內側的保護范圍的橫截面，由通過兩線及保護范圍上部邊緣最低點O的圓弧確定，O點高度為

圖4 單根避雷線的保護范圍

式中:h為避雷線的高度;D為兩避雷線之間的距離;h0為兩避雷線之間保護范圍上部邊緣最低點的假想高度;p為高度修正系數。R0為兩避雷線和兩避雷線之間保護范圍上部邊緣最低點，以這3點做出圓弧的半徑;當h≤30 m時，p=1，當h＞30 m

圖5 雙避雷線保護范圍

4 防止對設備發生“反擊”

避雷針(線)受雷擊后，雷電流通過接閃器、引下線、接地裝置［3］流入大地。此時，在避雷針及引下線上產生高電位，對地電位的高低主要與接地裝置的接地電阻有關。若接地裝置的接地電阻過大，則雷電流通過時避雷針(線)電位將升得很高，使避雷針(線)臨近配電裝置、構架及建筑的絕緣受到被擊穿的威脅;若變電站配電裝置、構架及建筑距離避雷針(線)過近，則避雷針(線)的接地導體由于電位升高反過來向臨近設備放電，發生“反擊”。

為了防止接地裝置電位升高造成雷電流通過避雷針產生過電壓，對臨近的物體“反擊”，首先要求接地裝置必須接地良好，接地裝置的接地電阻必須合格。變電站獨立避雷針的接地電阻不得大于10 Ω，而220 kV變電站主接地網的接地電阻不能大于0.5 Ω，110 kV及66 kV變電站主接地網的接地電阻要求不能大于4 Ω。另外，要保證避雷針(線)與臨近的電氣設備要有足夠的安全距離，要求獨立避雷針與配電裝置的間距不得小于5 m;避雷針接地裝置與主接地網的地中距離不得小于3 m。另外，避雷針引下線下部的彎曲半徑不宜過小，人工接地網的外緣應閉合，外緣各角應做成圓弧形［4］，是因為雷擊避雷針時，避雷針及引下線上電位升高，一般引下線的彎曲半徑不要小于20 cm。

避雷針(線)接地電阻合格、避雷針與配電裝置應保持一定的空間距離，可有效防止“反擊”造成的帶電設備絕緣擊穿從而損壞設備。

5 結論

1)變電所內的所有設備及建筑物必須在避雷針(線)的保護范圍之內。

2)多避雷針時，兩針之間的距離與避雷針高度之比不宜大于5。

3)避雷針的高度不宜過高，也不宜過低。避雷針(線)過高會增加遭受的雷擊頻率，使其周圍的配電裝置受到“反擊”的幾率增加;過低的避雷針(線)的保護范圍會減小，使其周圍的設備受到直擊雷的威脅。

4)為防止“反擊”事故發生，一方面必須將接地裝置的接地電阻降低到規程允許值，接地引下線接地網外緣轉彎和轉角處的轉彎半徑盡量增大，不要有直角彎，另一方面要保證避雷針(線)與臨近的配電裝置及建筑物的安全距離。

［1］孫麗君.建筑物防雷與電氣安全［M］.北京:機械工業出版社，2006.

［2］杜澍春，陳維江.DL/T620－1997，交流電氣裝置的過電壓保護和絕緣配合［S］.北京:中國電力出版社，1997:9－13.

［3］中華人民共和國機械工業部.GB50057－94(2000年版)建筑物防雷設計規范［S］.北京:中國計劃出版社，2000:22.

［4］杜澍春.DL/T621－1997交流電氣裝置的接地［S］.北京:中國電力出版社，1998:15.