電力系統防雷工程設計淺談

　　摘要：電力系統的雷電保護愈來愈向精細化、準確化、專業化方向發展，因此本文通過分析雷電能量計算與防雷保護之間的關系，淺談了電力系統中變電所、輸電線路等方面的防雷工程設計，逐步完善現代科學的防雷體系。
　　關鍵詞：電力系統 變電所 雷擊 保護
　　中圖分類號：TJ417文獻標識碼：A文章編號：1672-3791（2012）09（b）-0182-03
　　隨著我國電力事業的蓬勃發展和電網的不斷擴大，，電網防雷就成為電力事業中的一項重要工作。
　　電網在現有技術的條件下仍然會出現遭雷擊的現象。從某種方面上來說，雷電襲擊是影響電網的可靠穩定的重要因素之一。
　　本文就國內外現有的技術條件，研究分析目前電網的設備現狀，結合實際情況闡述了現實中防雷保護存在的問題，并展望了未來電網防雷保護的發展方向。
　　雷電是一種極具破壞力的自然現象，其電壓可高達數百萬伏，瞬間電流更可高達數十萬安培。千百年來，雷電所造成的破壞可謂不計其數。落雷后在雷擊中心1.5～2km半徑的范圍內都可能產生危險過電壓損害線路上的設備。
　　在兩個多世紀的防雷歷史中雷電災害防御，從建筑物防雷發展到供電防雷、電氣和電子設備防雷，直到現在的現代微電子設備防雷。隨著高新技術發展防雷技術和產品到顯著發展，目前已經發展到消散削減、屏蔽隔離、抑制分流、疏導均衡等電位、優化接地泄放和雷電控測定位預警等技術。
　　近十多年來圍繞這些問題人們進行了不懈的努力，提出了許多新的防雷理論，研制出一大批新的防雷器件、設備和材料，開發出許多全新的雷電防護技術。我國于1994年頒布了新的《建筑物防雷設計規范》GB50057-1994，該規范參考了大量國際標準，無論從指導思想、技術要求還是技術措施上講都處在國際領先地位，這也標志著我們國家對雷害的重視。
　　1 雷擊的形成與防護
　　1.1 雷云的形成
　　地球上由于大氣的劇烈運動，引起靜電摩擦，云團內部會產生大量的帶正、負電荷的帶電離子，在空間電場力的作用，帶電離子定向垂直移動，使云團上部積與下部積累正負電荷，分層電荷在云團內產生，形成雷云。雷云的成因主要來自于大氣的運動，當雷云在天空移動時，在其下方的地面上會靜電感應出一個帶相反電荷的地面陰影。
　　1.2 尖端放電與雷擊
　　如果有一個帶尖鋒的金屬球，讓它帶上負電，由于電荷同性相斥的作用，球體尖鋒部分的電子受到同性電荷排斥力最強，最容易被排斥而離開金屬球，這就是“尖端放電”。
　　1.3 雷云放電
　　雷云放電理論是“長間隙放電”理論，該理論認為雷云對地放電的過程可以分為四個階段：即云中放電、對地先導、定向閃擊和回閃。
　　1.4 雷擊防護
　　雷擊防護通過合理、有效的手段和設備將雷電的能量盡可能的引入到大地，即疏導而不是堵住或消滅雷電。一個完整的防雷系統一般包括兩個內容：直接雷擊的防護和感應雷擊的防護。為了保護建筑物免受雷擊引起事故及人身安全；內部防雷系統以防止雷電的過電壓侵入設備中造成損壞，為了實現內部避雷，需要對建筑物進出各保護區的金屬電纜、金屬管道等安裝過電壓保護器進行保護并接地良好。
　　2 防雷工程設計中的重要依據
　　2.1 當雷電擊中避雷線或桿頂時，我們可計算雷電流的公式如下
　　公式中：K為耦合系數；h為桿高；β為分流系數；不同電壓的輸電線路上的避雷線的分流系數見表1。
　　R為沖擊接地電阻；L為輸電線路電感。
　　2.2 輸電線路保護角
　　為防止雷電擊中輸電線路，α、h越小越好。
　　保護角的大小，關系線路遭雷電繞擊的可能。計算繞擊概率，可以用下面的公式：
　　其中，a為保護角；Pa為繞擊概率；h為桿高。
　　根據送電線路的運行數據、現場測試和試驗模擬均可證明，避雷線對邊導線的保護角、桿塔高度以及高壓送電線路的地形、地貌和地質條件分區與雷電繞擊率有關。對山區桿塔的計算公式是：
　　山區高壓送電線路的繞擊率約為平地高壓送電線路的3倍。一些地區雷電活動相對強烈，使某一區段的線路較其它線路更容易遭受雷擊。
　　3 電源系統的設計方案
　　電源系統選用多級保護，防范從直擊雷到操作浪涌的各級過電壓的侵襲。
　　（1）在電源系統總配電間配電回路380V低壓總配電箱安裝一臺DHENTB100防雷箱或者一套CSP100電源防雷模塊，用于配電回路的第一級電源防護。主要防護因強大的雷電流（傳導雷）經電源線傳導至配電柜后對設備造成的損壞；如果安裝防雷模塊，為防止浪涌保護器遭受雷擊損壞后，電源對地短路，需要在浪涌保護器前安裝60A空氣開關作為短路保護裝置。
　　（2）在機房分配電柜，安裝1套德國一臺DHENTB40防雷箱或者一套DGMTT385電源防雷模塊，作為配電回路的第二級電源防護。主要防護因強大的雷電流（傳導雷）經10kV電源線傳導至配電柜后對后端設備造成的損壞，并實現L-N的等電位連接；為防止浪涌保護器遭受雷擊后損壞后，電源對地短路，需要在浪涌保護器前安裝30A空氣開關作為短路保護裝置。
　　（3）在樓層分配電箱空氣開關后級處，串聯安裝德國DHENDRM2P255的單相防雷器，保護單相AC220V電網的供電系統。
　　4 變電所防雷保護
　　變電所是電力系統中對電能的電壓和電流進行變換、集中和分配的場所，是聯系發電廠與電力用戶的紐帶，擔負著電壓變換和電能分配的重要任務。如果變電所發生雷擊事故，會給國家和人民造成巨大的損失。所以變電所的防雷是不可忽視的問題。
　　通常情況下變電所雷擊有兩種情況，一是雷直擊于變電所的設備上，二是架空線路的雷電感應過電壓和直擊雷過電壓形成的雷電波沿線路侵入變電所。其具體表現形式如下。
　　（1）直擊雷過電壓。雷云直接擊中電力裝置時，形成強大的雷電流，雷電流在電力裝置上產生較高的電壓，雷電流通過物體時，將產生有破壞作用的熱效應和機械效應。
　　（2）感應過電壓。當雷云在架空導線上方，由于靜電感應，在架空導線上積聚了大量的異性束縛電荷，在雷云對大地放電時，線路上的電荷被釋放，形成的自由電荷流向線路的兩端，產生很高的過電壓，此過電壓會對電力網絡造成危害變電站防侵入波保護的主要措施是在變電站內采用避雷器，在母線和進線處加裝避雷器；對于直擊雷的防護采用避雷針。避雷針和避雷線這兩種裝置都是通過攔截措施，改變雷電波的入地路徑，從而起到防雷保護的作用。小變電所多采用獨立避雷針，大變電所多在變電站構架上采用避雷針或避雷線，或者兩者相結合。
　　變電所防雷保護應注意以下幾個問題：（1）變電所發生的雷擊是隨機的。因此，其防雷保護，應因地制宜地對變電所設計防護。（2）變電所防雷保護一般由三個子系統組成。三道防線之間，關系密切，互相影響，不應孤立設置。（3）電力變壓器繞組各側選用WGMOA的In等級應相同，耐雷可靠性應一致。（4）選用沿架空輸電線路導線侵入變電所的雷電波陡度和幅值，即WGMOA至被保護物之間的最大允許電氣距離。
　　5 電力變壓器防雷保護
　　電力變壓器繞組各側設防的耐雷可靠性應一致，不論哪一側繞組損壞，變壓器都要停運和修理。
　　根據容量大小、損壞影響程度及供電重要性來決定電力變壓器防雷保護的簡繁。所以IEC99-4以交流無間隙金屬氧化物避雷器（WGMOA）的標稱放電電流值（In）來分類，In等級不同，試驗要求不同。用戶根據電力變壓器的重要性來選用WGMOA的In等級。WGMOA型錄[1]中說明：電站WGMOA的In分為10kA和20kA兩個等級；In=10kA的，Ur為（3～336）kA；In=20kA的，Ur為（3～800）kV；配電型WGMOA的In只有5kA。例如大容量變壓器，保護高壓或超高壓一次側繞組絕緣選用WGMOA的In=10kA或20kA，而二次中壓側WGMOA也應選用In=10kA或20kA。In等級實際上反映變壓器的耐雷可靠性，即風險程度。
　　6 輸電線路防雷保護
　　6.1 采用避雷線、避雷針
　　其主要作用是防止雷直擊導線。同時還有以下作用：在雷擊塔頂時起分流作用，從而減小塔頂電位；對導線有耦合作用，從而降低絕緣子串上的電壓；對導線有屏蔽作用，從而降低導線上的感應過電壓。輸電線路愈高，采用避雷線的效果愈好。我國110kV線路一般全線架設避雷線，220kV及以上線路則是全線架設避雷線。為了提高避雷線對導線的屏蔽作用，減小繞擊率，避雷線的保護角較小，通常采用20°～30°，甚至負保護角。通常，避雷線應在每基桿塔處接地。但在超高壓線路上，將避雷線經一小間隙對地絕緣。當線路正常運行時，避雷線是絕緣的；當線路出現強雷云電場或雷擊線路時，小間隙擊穿，避雷線自動轉為接地狀態。
　　6.2 降低桿塔接地電阻
　　降低桿塔沖擊接地電阻是提高線路耐雷水平、降低雷擊跳閘率的最經濟而有效的措施。
　　6.3 架設耦合地線
　　在導線下方4～5m處架設接地的耦合導線連同避雷線一起來增大它們與導線間的耦合系數，增大桿塔向兩側的分流作用。耦合地線可使雷擊跳閘率下降50%左右。
　　6.4 采用中性點非有效接地方式
　　我國35kV及以下電網一般采用中性點不接地或經消弧線圈接地的方式。線路跳閘率約可下降1/3左右。
　　6.5 加強線路絕緣
　　增加絕緣子片數，增大跨越檔導線與避雷線間的距離。采用不平衡絕緣方式，使兩回線的絕緣子片數有差異，雷擊時，片數少的回路先閃絡，閃絡后的導線相當于耦合地線，增加了對另一回導線的耦合作用。
　　6.6 裝設自動重合閘裝置
　　利用絕緣的自恢復性，降低線路的雷擊事故率。
　　7 防雷保護發展方向
　　7.1 加強監測構建雷電探測系統
　　未來主要的發展重心著力于加強雷電定位技術的開發和應用研究，進一步完善雷電定位系統設備，開發全國雷電監測站網的綜合定位技術，作為今后探測業務發展的主要任務之一。因此，從本地區的實際情況出發，發展具有獨立知識產權的衛星空間綜合探測設備和地面雷電探測設備，開發和完善全國雷電監測網的綜合定位技術，在常規雷電定位站網產品中增加云閃信息、雷電的三維觀測、利用星載雷電探測器與地面雷電站網結合構成新一代一體化的先進探測系統，獲取全面的雷電監測資料。同時開展全國雷電監測站網的性能評估研究，并不斷改進雷電探測系統的定位精度和探測效率，為開發雷電資料應用平臺，建立共享資源數據庫提供必要的基礎，使雷電資料得到廣泛應用，最大限度地發揮雷電探測系統的效益。
　　提高雷電監測和預警準確性和預報服務水平，這將有助于規范雷電預警服務的標準和內容，提高國家現代化的雷電預警能力和災害性天氣警報服務水平，從而為各個行業的生產和人民的生活提供重要的保障和服務。根據雷電預警模型，開發雷暴預警的軟件系統，逐步建立和完善能夠投入業務應用的我國短時雷電監測、預警、預報系統，以及重大雷電事件警報，雷電信息產品包括雷電特征在地理信息系統平臺上的圖像顯示，雷電預報產品以移動速度和移動方向的形式顯示雷電活動區域的擴展狀況，以及雷電災害等級在不同時段的分布等形式。
　　另外，尋求氣象保障服務系統中建立公眾雷電服務系統，加快公眾雷電服務技術和手段的現代化，開發適應公眾需求、內容豐富的雷電信息產品，為森林防火、電力、交通、航空航天、國防與軍事、石油等應用部門提供更高質量的雷電信息應用產品。并結合不同行業的特殊要求，提供專業雷電預警、災害等級的科學評估和決策分析系統，為國民經濟建設服務。
　　7.2 廣泛的應用現有新技術
　　安裝線路可控避雷針使由于雷擊所產生的過電壓超過一定的幅值時動作，給雷電流提供一個低阻抗的通路，使其泄放到大地，從而限制了電壓的升高，保障了線路、設備安全。廣泛的采用自動重合閘采用自動重合閘后可以有效的避免跳閘保證供電的可靠性。
　　8 結論
　　防雷是一個永久話題，仍在不斷發展中，防雷技術與防雷產品也在發展中，以科學的態度在實踐，在理論不斷完善。
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