淺談變電站的防雷保護

摘要：雷電放電所產生的雷電流高達數十、甚至數百千安，從而引起巨大的電磁效應、機械效應和熱效應。從電力工程的角度來看，雷電放電在電力系統中引起很高的雷電過電壓，它是造成電力系統絕緣故障和停電事故的主要原因之一。此外，雷電放電所產生的巨大電流，也會造成設備的損壞。為了預防和限制雷電的危害，在電力系統中采用了一系列防雷措施和防雷保護設備。圍繞變電站的防雷保護予以闡述。

關鍵詞：變電站；防雷保護；直擊雷保護；入侵波保護；進線段保護

中圖分類號：TM63 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0079（2014）35-0197-02變電站發生雷害事故往往會導致變壓器等重要電力設施損壞，并造成大面積停電，因此變電站的防雷保護必須十分可靠。變電站遭受雷害一般來自兩方面：一是雷直擊于變電站；二是雷擊輸電線后產生向變電站入侵的雷電波。對直擊雷的保護，可采用避雷針或避雷線。根據運行經驗，凡裝設符合標準要求的避雷針（線）的變電站繞擊和反擊事故率是非常低的。因為線路落雷比較頻繁，所以沿線路入侵的雷電波是造成變電站雷害事故的主要原因。雖然沿線路入侵的雷電波電壓受到線路絕緣水平的限制，其峰值不可能超過線路絕緣的閃絡電壓，但線路絕緣水平比變電站電氣設備的絕緣水平高，所以必須采取防護措施，削弱來自線路的雷電入侵波幅值和陡度，限制變電站內的過電壓，才能避免電氣設備發生雷害事故。

對入侵波過電壓防護的主要措施是：合理確定在變電站內裝設的避雷器的位置、數量、類型和參數；在線路進線段上采取輔助措施，以限制流過避雷器的雷電流幅值和降低侵入波陡度，使變電站電氣設備上的過電壓幅值低于其雷電沖擊耐受電壓。

一、變電站的直擊雷保護

為了避免變電站的電氣設備及其他建筑物遭受直接雷擊，需要裝設避雷針或避雷線，使被保護物體處于避雷針或避雷線的保護范圍之內；同時還要求雷擊避雷針或避雷線時，不應對被保護物發生反擊。按安裝方式，避雷針可分為獨立避雷針和構架避雷針。

對于35kV及以下的配電裝置，由于絕緣水平較低，為了避免反擊的危險，應架設獨立避雷針，其接地裝置與主接地網分開埋設。獨立避雷針與相鄰配電裝置構架及其接地裝置在空氣中及地下應保持足夠的距離。

對于110kV及以上的配電裝置，可以將避雷針架設在配電裝置的構架上，因為此類電壓等級配電裝置的絕緣水平較高，雷擊避雷針時在配電構架上出現的高電位一般不會造成反擊事故，并且可以節約投資、便于布置。為了確保變電站中最重要而絕緣又較弱的設備——主變壓器的絕緣免受反擊的威脅，要求在裝設避雷針的構架附近埋設輔助集中接地裝置，且避雷針與主接地網的地下連接點至變壓器接地線與主接地網的地下連接點之間，沿接地體的長度不得小于15m。這是因為當雷擊避雷針時，在接地裝置上出現的電位升高，在沿接地體傳播過程中將發生衰弱，經過15m的距離后，一般不至于對變壓器反擊。出于相同的考慮，在變壓器的門型構架上，不允許裝避雷針（線）。

二、變電站的入侵波保護

變電站中限制雷電入侵波過電壓的主要措施是裝設避雷器。變壓器及其他高壓電氣設備的絕緣水平就是依據閥式避雷器的特性而確定的。

變電站有許多電氣設備，不可能在每個設備旁邊裝設一組避雷器，一般只在變電站母線上裝設避雷器，這樣，避雷器與各個電氣設備之間就不可避免地沿連接線分開一定的距離，稱為電氣距離。變壓器等被保護設備上的過電壓，與避雷器的保護特性（放電電壓、殘壓）、入侵波的陡度、離避雷器的距離、被保護設備的入口容器等許多因素有關。為了保證變壓器和其他設備的安全運行，必須限制避雷器的殘壓，使其不超過5kA下的值，這就要求流過避雷器的雷電流不得超過5kA，同時還必須限制入侵波陡度和設備離開避雷器的電器距離。限制流經避雷器的雷電流和入侵波陡度的任務由變電站進線段保護來完成。

運行經驗證明，對于低壓等級較高、規模較大（電氣距離長）、接線比較復雜的高壓特別是超高壓變電站，一般只能根據經驗進行設計，然后通過計算機或模擬試驗檢驗，確定合理的保護方案。

對于220kV及以下的一般變電站，無論是變電站的電氣主接線形式如何，實際上只要保證在每一段可能單獨運行的母線上都有一組避雷器，就可以使整個變電站得到保護。只有當母線或設備連接很長的大型變電站，或靠近大跨越、高桿塔的特殊變電站，經過計算或試驗證明以下布置不能滿足要求時，才需要考慮是否在適當的位置增設避雷器。

對于500kV的超高壓變電站，目前國內主要采用一個半斷路器或雙母線帶旁路母線的電氣主接線。500kV敞開式變電站防雷保護接線的重要特點是電器距離長，無論是哪種主接線方式，每組避雷器一般只能保護與它靠近的某些電氣設備。再加上操作過電壓保護的需要，一般500kV敞開式變電站的保護接線是：在每回線路入口的出線斷路器的線路側裝一組線路型避雷器，在每臺變壓器的出口裝設一組電站型避雷器。如果線路出口有并聯電抗器并且通過斷路器進行操作，則在電抗器側增設一組避雷器。

三、變電站的進線段保護

當雷擊35kV及以上變電站附近的線路，產生向變電站入侵的雷電過電壓波時，流過避雷器的雷電流可能超過5kA，而且陡度也可能超過允許值。因此，對靠近變電站1～2km的一段線路（進線段）必須加強防雷保護。具體的做法是：對未沿全線架設避雷線的35～110kV線路，在進線段內架設避雷線；對全線裝有避雷線的線路，也將靠近變電站1～2km的線段列為進線保護段。進線保護段應具有較高的耐雷水平，避雷線的保護角一般不宜超過20°。這樣，雷擊進線段線路時發生反擊和繞擊的概率將大大減小，可防止或減少在進線段內形成入侵波。若雷擊進線保護段以外的線路產生入侵波時，只有經過進線保護段入侵波才能到達變電站。由于沖擊電暈的影響，將使進入變電站入侵波的陡度和幅值降低，同時由于進線段導線本身阻抗的作用，將使流過避雷器的雷電流減小。

對于變電站35kV及以上電纜進線段，在電纜與架空線的連接處，由于波的多次折、反射，可能形成很高的過電壓，因而一般都需裝設避雷器保護。避雷器的接地端應與電纜金屬外皮連接。對三芯電纜，末端的金屬外皮應直接接地。對單芯電纜，因為不許外皮流過工頻感應電流而不能兩端同時接地，又需限制末端形成的過電壓，所以應經電纜護層保護器，或保護間隙接地。

若電纜長度不長，或雖然較長，但經驗證明架設一組閥式避雷器即能滿足要求。若電纜長度較長，且斷路器在雷雨季節可能經常開路運行時，為了防止開路器端全反射形成很高的過電壓損壞斷路器，應在電纜末端裝設排氣式或閥式避雷器。連接電纜進線段前的1km架空線路應架設避雷線。對全線電纜——變壓器組的變電站內是否裝設避雷器，應根據電纜前端是否有雷電過電壓波入侵，經校驗確定。

對35kV小容量變電站，可根據供電的重要性和當地雷電活動的強弱等具體情況，采用簡化的進線段保護。

四、變壓器防雷保護

1.三繞組變壓器的防雷保護

就雙繞組變壓器而言，當變壓器高壓側有雷電波入侵時，通過繞組間的靜電和電磁耦合，會使低壓側出現過電壓，但實際上雙繞組變壓器在正常運行時，高壓和低壓側斷路器都是閉合的，兩側都有避雷器保護，所以一側來波，傳遞到另一側去的電壓不會對繞組造成損害。

三繞組變壓器在正常運行時，可能出現只有高、中壓繞組工作而低壓繞組開路的情況。這時，當高壓或中壓側有雷電波作用時，因處于開路狀態的低壓側對地電容較小，低壓繞組上的靜電分量可達很高的數值以致危及低壓繞組的絕緣。因此為了限制這種過電壓，需在低壓繞組出線端加裝一組避雷器，但若變壓器低壓繞組接有25m以上金屬外皮電纜時，因對地電容增大，足以限制靜電感應過電壓，故可不必再裝避雷器。三繞組變壓器的中壓側雖然也有開路的可能性，但其絕緣水平較高，所以除了高中壓繞組的變化很大以外，一般都不必裝設限制靜電感應過電壓的避雷器。

2.自耦變壓器的防雷保護

為了減小系統的零序阻抗和改善電壓波形，自耦變壓器除了高、中壓自耦繞組外，還有一個三角形接線的低壓繞組。在這個低壓繞組上應裝設限制靜電感應過電壓的避雷器。此外，由于自耦變壓器中的波過程有其自己的特點，因此其保護方式與其他變壓器也有所不同。

3.變壓器中性點的防雷保護

在110～220kV的中性點有效接地系統中，為了減少單相接地時的短路電流，有部分變壓器的中性點采用不接地的方式運行，因此需要考慮其中性點絕緣的保護問題。用于這種系統的變壓器，其中性點絕緣水平有兩種情況：一是全絕緣，二是分級絕緣。當變壓器中性點為全絕緣時，一般不需要采取專門的保護。但在變壓站只有一臺變壓器且為單路進線的情況下，仍需在中性點加裝一臺與繞組首端同樣電壓等級的避雷器，這是因為在三相同時進波的情況下，中性點的最大電壓可達繞組始端電壓的兩倍。這種情況雖屬罕見，但因變壓站只有一臺變壓器，萬一中性點絕緣被擊穿，后果十分嚴重。當變壓器中性點采用分級絕緣時，必須選用與中性點絕緣等級相當的避雷器加以保護，且滿足以下條件：其沖擊放電電壓低于中性點沖擊絕緣水平；避雷器的滅弧電壓應大于因電網一相接地而引起的中性點電位升高的穩態值，以免避雷器爆炸。35kV及以下中性點非有效接地系統中的變壓器，其中性點采用全絕緣，一般不需保護。

4.配電變壓器的防雷保護

配電變壓器的高壓側裝設氧化鋅或閥式避雷器保護，避雷器應盡可能靠近變壓器裝設，其接地線應與變壓器的金屬外殼以及低壓側中性點連在一起共同接地，并應盡量減少接地線的長度，以減少其上的電壓降。這樣避雷線動作時，作用在變壓器主絕緣上的電壓主要是變壓器的殘壓，不包括接地電阻的電壓降，這種共同接地的缺點是避雷器動作時引起的地電位升高，可能危及低壓用戶安全，應加強低壓用戶的防雷措施。

運行經驗證明，如果只在高壓測裝設避雷器，還不能免除變壓器遭受雷害事故，這是因為：一是雷直擊于低壓線或低壓線遭受感應雷時，因低壓側無避雷器，使低壓側絕緣損壞。二是雷直擊于低壓線或低壓線遭受感應雷時，通過電磁耦合，在高壓側繞組也出現了與變比成正比的電壓，稱為正變換過電壓。由于高壓側絕緣的裕度比低壓側小，所以可能造成高壓側損壞。三是雷直擊于高壓線路或高壓線遭受感應雷使避雷器動作，接地電阻上流過很大的沖擊電流時產生的壓降將同時作用在低壓繞組上，通過電磁耦合，按變比關系在高壓繞組上感應出過電壓，稱為反比換過電壓。由于高壓繞組出線端的電位受避雷器固定，在高壓繞組上感應出的這種過電壓將沿高壓繞組分布，在中性點上達到最大值，可能擊穿中性點附近的絕緣，也會危及繞組的縱絕緣。因此，還應在配電變壓器低壓側加裝避雷器。

（責任編輯：孫晴）