變電站接地系統(tǒng)改進方案的探討

廣電總局723臺 陳素申

1.前言

隨著西新工程建設(shè)，我臺2003年新建了35千伏變電站，投入運行以來的前幾年，每到雷雨天氣，35KV母線一次進線側(cè)的避雷器及互感器多次損壞，根據(jù)我臺所處的地理環(huán)境、地形地勢、地質(zhì)特點及當?shù)氐睦纂娨?guī)律，對防雷接地系統(tǒng)分析論證，對防雷接地部分重新設(shè)計施工，有效地降低了接地電阻。

2.雷電對電力設(shè)施的危害

雷電是一種幅度大、時間短、頻譜寬的最具破壞性的自然電磁干擾源，它是雷云間或雷云與地面物體間的放電過程，強大的雷電流產(chǎn)生的交變磁場，其感應(yīng)電壓可高達上億伏。雷電對電力設(shè)施的危害來自于雷電過電壓，它有兩種形式：

2.1 直擊雷過電壓

直擊雷過電壓是指雷云直接對電氣設(shè)備或建筑物放電而引起的過電壓。雷電擊中避雷針接閃器時，在引下線和接地體上產(chǎn)生的高電位，在防雷裝置附近的金屬體會感應(yīng)很強的過電壓，它引起對地電位升高，如果與被保護設(shè)備之間的有效絕緣距離不夠，極容易造成高電位反擊和感應(yīng)過電壓事故。在一般情況下，接地電阻不宜大于4歐姆。

雷電對35KV電力供電系統(tǒng)上產(chǎn)生較大的過電壓現(xiàn)象十分普遍。這種破壞，依據(jù)其嚴重程度，大體分為以下四種情況：一是使設(shè)備、裝置短時間工作錯亂；二是造成潛故障，即使得電路或器件的性能下降，壽命縮短，提前失效；三是造成電路或器件的永久性損壞；四是導致起火、觸電等安全事故。

2.2 感應(yīng)雷過電壓

所謂感應(yīng)雷過電壓是指當架空線附近出現(xiàn)對地雷擊時，在輸電線路上感應(yīng)的雷電過電壓。當雷云對地放電后，線路上的束縛電荷被釋放而形成自由電荷，向線路兩端沖擊流動。這就是感應(yīng)雷過電壓沖擊波。這種過電壓主要對線路器件、控制線路、集成電路危害較大。

2.2.1 雷電對油開關(guān)、線路刀閘、絕緣子產(chǎn)生損害，這些設(shè)備在較高的雷電過電壓作用下也會擊穿或閃絡(luò)。雷擊作用于那些開關(guān)斷開而線路刀閘在合閘狀態(tài)的熱備用線路，雷電波沿線路向變電所傳播到開關(guān)斷開處，會發(fā)生反射，形成2倍的過電壓，造成開關(guān)、絕緣子損壞事故。

2.2.2 雷電對高壓柜內(nèi)避雷器的損害。避雷器的損壞往往伴隨著接地問題。據(jù)調(diào)查6KV-10KV電網(wǎng)中，避雷器的接地存在較多問題，主要表現(xiàn)在兩個方面：(1)接地電阻問題。這些配電型避雷器接地由于受其場所的限制，有相當一部分接地電阻超標，據(jù)電力部門統(tǒng)計，大約有30%左右的配電避雷器接地電阻超標，有的高達上百歐姆。(2)接地引下線問題。接地引下線存在問題較多，如一些接地引下線內(nèi)部如果折斷不容易發(fā)現(xiàn)，且兩邊的連接頭容易銹蝕。我們在維護中往往只注意按期對避雷器進行試驗校核，而對避雷器的接地重視不夠。避雷器只有通過良好的接地才能發(fā)揮作用。如果接地不良，避雷器等防雷設(shè)備則形同虛設(shè)。

2.2.3 輸電線路傳導來的雷電波會對進線柜內(nèi)的PT(電壓互感器)、避雷器造成損害。雷電波可能直接沖擊進線柜內(nèi)的電壓互感器，如線路側(cè)無避雷器，或避雷器接地效果差，再加上電壓互感器本身耐壓質(zhì)量問題就非常容易造成電壓互感器炸裂損壞。另外，防雷保護靠母線避雷器，當線路遭雷擊跳閘，在重合前線路再次遭雷擊，則容易導致線路側(cè)電容式電壓互感器因雷電波沖擊損壞。

3.歷年雷雨天氣曾出現(xiàn)的故障

2004年7月29日崗會線PT燒毀。

6月14日崗七線PT燒毀。

7月20日崗七PT計量柜故障，換計量柜PT。

2005年7月19日崗七三相電壓不平衡，換PT及避雷器高壓側(cè)A相保險。

8月12日計量柜后柜一避雷器引線燒斷。

2006年6月11日崗會線計量柜(B相欠壓)，更換電壓互感器。

2007年7月5日崗七線C相接地，更換避雷器及處理64號桿、34號桿B相接地及C相斷線。

從歷年的故障可以看出6-8月是我臺雷雨多發(fā)季節(jié)，變電站也是雷擊多發(fā)地帶，從PT及避雷器動作次數(shù)也充分證實了這一點。（每年避雷器動作次數(shù)在5到6次，2008年曾高達12次）。

4.防雷措施

針對雷電的危害，防雷措施概括為六個方面：

(1)控制雷擊點（可采用大范圍的避雷針）；

(2)安全引導雷電流進入接地網(wǎng)；

(3)完善的低阻接地網(wǎng)；

(4)消除地面形成的回路；

(5)電源的浪涌沖擊保護；

(6)信號及數(shù)據(jù)線的瞬變保護。

在科學技術(shù)日益發(fā)達的今天，雖然人類不可能完全控制雷電，但是經(jīng)過長期的摸索和實踐，已經(jīng)積累了很多有關(guān)防雷的知識和經(jīng)驗，形成一系列對防雷行之有效的方法和技術(shù)，其中良好的接地是防雷技術(shù)最重要的環(huán)節(jié)。

5.防雷接地原理及其重要性

接地就是讓已經(jīng)納入防雷系統(tǒng)的閃電能量泄放入大地，良好的接地才能有效地降低引下線上的電壓，避免發(fā)生反擊。因此接地電阻越小，散流就越快，被雷擊物體高電位保持時間就越短，危險性就越小。

接地的作用主要是防止人身遭受電擊、設(shè)備和線路遭受損壞、預防火災、防止雷擊、防止靜電損害和保障電力系統(tǒng)正常運行。近年來，國內(nèi)許多地區(qū)連續(xù)發(fā)生多起因接地網(wǎng)不滿足要求而引起的設(shè)備損壞事故，同時雷擊是導致電網(wǎng)事故的主要自然災害之一，雷擊引發(fā)的電網(wǎng)事故占總事故的50%以上，因此良好的接地裝置應(yīng)是防雷的重要措施。

6.接地裝置在防雷中的作用

雷電的破壞作用主要是雷電流引起的，為了防止雷擊事故的發(fā)生，必須了解接地裝置上可能出現(xiàn)的最大電位。一般來說，雷電流通過單根引下線的全部電壓降是：

UFJ=i×Rch+L0×L×di/dt

式中i——雷電流，kA

Rch——接地裝置的沖擊電阻，Ω

L0——單位長度的電感，μL/m

L——接地引下線的長度，m

UFJ——電壓降，kV

di/dt——雷電流的陡度，kV/μs

從上述公式中，我們可以看出，在防雷接地裝置中，接地電阻阻值越小，則瞬間沖擊接地電壓降就越小，遭受雷擊的危險性就越小，因此足夠小的接地電阻值和安全可靠的防雷接地裝置是防雷的重要保證。

7.接地裝置的布置方式及組成

接地裝置是指埋設(shè)在地下的接地電極與該接地電極到設(shè)備之間的連接導線的總稱。裝置的選擇接地極按其布置方式可分為外引式接地極和環(huán)路式接地極。若按其形狀，則有管形、帶形和環(huán)形幾種基本形式。若按其結(jié)構(gòu)，則有自然接地極和人工接地極之分。用來作為自然接地極的有上下水的金屬管道、與大地有可靠連接的建筑物和構(gòu)筑物的金屬結(jié)構(gòu)、敷設(shè)在地下而其數(shù)量不少于兩根的電纜金屬包皮及敷設(shè)于地下的各種金屬管道(但可燃液體以及可燃或爆炸的氣體管道除外)。用來作為人工接地極的有鋼管、角鋼、扁鋼和圓鋼等鋼材。

接地裝置的組成——包括引下線、接地母線、匯流排、垂直接地體和水平接地體等。其中，垂直接地體和水平接地體通常稱地網(wǎng)，地網(wǎng)的接地電阻值達到設(shè)計要求是十分重要的。

8.我臺變電站初期的防雷接地

我臺機房和變電站為二類防雷建筑。防雷接地、保護接地、工作接地共用一個接地裝置，利用建筑物基礎(chǔ)作為接地極，接地電阻應(yīng)不大于4歐姆。

防直擊雷措施：本工程在屋頂設(shè)避雷帶，屋面上設(shè)避雷網(wǎng)作防雷接閃器，其屋面上所有金屬管道和金屬構(gòu)件與避雷裝置相焊接。利用結(jié)構(gòu)柱內(nèi)的主筋作防雷引下線。

防止雷電反擊和高電位引入：防止雷電反擊措施是將建筑物內(nèi)部的配電金屬套管、水管、空調(diào)通風管道等一切金屬管道和金屬構(gòu)件及支架均與防雷接地裝置作等電位連接。變配電室設(shè)等電位連接箱，要求進入建筑物的金屬管道，在入戶處等電位連接箱可靠焊接。全部采用電纜進線。為防直擊雷、雷電感應(yīng)、電力線路投切及其它大功率設(shè)備的起停所產(chǎn)生的瞬態(tài)過電壓對電子信息設(shè)備的干擾和危害，本工程在低壓配電盤進線處裝設(shè)過電壓保護裝置。同時在發(fā)射機配電盤進線處裝設(shè)過電壓保護裝置。

9.改進方案分析及示意圖

(1)地理地質(zhì)情況

我臺地貌屬太行山東麓低山丘陵區(qū)，場地地形基本平坦，場地地質(zhì)層自上至下依次為：1層是雜填土2層是強風化片麻巖3層同為強風化片麻巖。本工程場地屬堅硬土或巖石，場地類別為Ⅰ類。本工程基礎(chǔ)采用柱下獨立基礎(chǔ)，基礎(chǔ)持力層選在2層強風化片麻巖。

(2)地形地勢情況

2003年新建臺區(qū)35KV變電站。外電兩路35KV高壓進線，由原外線T接電纜引入。兩路電源一用一備，高壓采用單母線分段運行方式。變壓器均為室外安裝。

變電站上方是天線交換閘，東方和北方是發(fā)射機饋線出口，35KV高壓電纜通過地埋穿過PVC管進入變電站的高壓開關(guān)柜，西邊是避雷針和變壓器進出線。

(3)雷電規(guī)律情況

我臺所在地區(qū)平山年平均雷暴日數(shù)為30.8天，90年代以前雷暴日數(shù)較多，1965年、1967年、1974年、1977年、1986年和1990年雷暴日數(shù)均超過40天，其中1990年最多，達到50天，90年代以后雷暴日數(shù)有下降的趨勢。雷暴一般出現(xiàn)在4～10月，其中的6～8月為雷暴多發(fā)期。

(4)接地裝置及改進方案圖

經(jīng)過幾年的觀察分析判斷：變電站的接地裝置在建成初期是合格的，根據(jù)我臺每年5月份電站測試的接地電阻來看，經(jīng)過一定的運行周期后，接地電阻逐漸變大。

原來的接地裝置設(shè)計在變壓器中心區(qū)域地帶，4根2.5米的垂直接地體間距5米，水平接地體為40×4的鍍鋅扁鋼埋深凍土層一下，水平接地體通過40×4的鍍鋅扁鋼連接到基礎(chǔ)接地。

從圖1可見35KV高壓柜的接地匯流排距離接地裝置很遠，一旦遇到從高壓電纜進入的雷電波入侵，在避雷器或互感器上形成很高的感應(yīng)電壓，雷電流若不能及時泄放，容易造成避雷器和互感器損壞。

針對如何降低變電站的接地電阻，縮短接地體和接地匯流排的距離，減小雷電流的泄放時間，設(shè)計了以下改進方案。

方案：在變電站后方離建筑物1.5米的地方，平行于建筑物的地方挖一個長30米，寬0.5米，深0.8米深坑，一層木灰一層細土分層夯實。采用6根熱鍍鋅角鋼(L50×50×5×2500)作為垂直接地體，深埋0.8米，垂直接地體之間距離5米。水平接地體采用熱鍍鋅扁鋼（40×4）與垂直接地體焊接好，接地母線也采用熱鍍鋅扁鋼（40×4）通過PVC100管進入室內(nèi)與匯流排焊接，如圖1所示。

通過對接地系統(tǒng)的改進，使被保護設(shè)備的接地母線由原來的40米縮短為3米，變電站初期的接地裝置和新加的接地裝置在電站周圍形成L型接地系統(tǒng)，增加了接地點，降低了接地電阻，縮短了雷電流泄放時間，為變電站設(shè)備提供了良好的防雷保護。

10.結(jié)束語

變電站是整個電臺配電系統(tǒng)的樞紐，它的穩(wěn)定運行也是實現(xiàn)安全傳輸發(fā)射的重要保證。另外微電子技術(shù)的推廣，使變電站的自動化控制得以實現(xiàn)，現(xiàn)代設(shè)備不僅對防雷措施提出了更高的要求，還對系統(tǒng)抗干擾性有嚴格的標準，這就要求接地系統(tǒng)要有更低的接地電阻，以保障設(shè)備的安全可靠運行。本文的防雷接地改進方案經(jīng)過三年多的運行，性能穩(wěn)定可靠，故障率大大降低，減輕了值班人員的負擔，有效地保證了變電站的安全運行，確保了發(fā)射機的安全播出。

[1]何金良,高延慶.電力系統(tǒng)接地技術(shù)研究[J].電力建設(shè),2004.

[2]蘇邦禮.雷電與避雷工程[M].廣州:中山大學出版社,1996.