110kV變電站防雷裝置保護措施研究

吳仕軍 王蔚 羅應松 冉啟林 趙波

摘要：危害電力系統(tǒng)的因素很多，其中雷電自然因素對變電站的安全運行的影響極大，一旦變電站遭雷擊，輕則影響人們的正常工作和生活，引發(fā)大規(guī)模停電，重則會埋下諸多安全隱患，給人們的生命財產帶來威脅。因而，如何有效防雷已成為業(yè)界和專家學者們重點研究的課題之一。本文將從雷電對110kV變電站造成的威脅入手，通過對威脅來源的分析，提出了110kV變電站防雷裝置保護措施。

Abstract： There are many factors that endanger the power system. Among them， the natural factors of lightning have a great impact on the safe operation of the substation. Once the substation is struck by lightning， it will affect people's normal work and life， causing large-scale power outages and burying many safety hidden dangers， to pose a threat to people's lives and property. Therefore， how to effectively prevent lightning has become one of the topics of research in the industry and experts and scholars. This paper starts with the threat caused by lightning to the 110kV substation. Through the analysis of the source of the threat， the protection measures for the 110kV substation lightning protection device are proposed.

關鍵詞：變電站;防雷裝置;保護措施

Key words： substation;lightning protection device;protection measures

中圖分類號：TM862? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1006-4311（2019）34-0083-02

0? 引言

電力業(yè)作為我國現(xiàn)代化建設與發(fā)展中一項支柱型工業(yè)，隨著社會經濟水平的不斷提高，各領域和人們的生活工作中對電力的需求量猛增，與此同時，給電力系統(tǒng)的運行質量、安全指數(shù)和運行效率都提出了更高的要求。縱觀整個電力系統(tǒng)，110kV變電站在電力輸送和分配中占比眾多，其運行質量的重要性也越發(fā)凸顯。如果發(fā)生雷擊事故，就會給變電站的運行帶來威脅，因而，在110kV變電站建設中就要做好防雷保護工作，以保證110kV變電站的安全運行，為后期維護提供便利。基于此，本文將對110kV變電站防雷裝置保護措施展開如下研究。

1? 雷電對110kV變電站造成的威脅

1.1 直接損壞? 當變電站設備被雷擊中后，會生產強大的電流和電壓，流經線路繼而產生大量的熱量，并生成巨大的沖擊力，給變電站的電氣設備造成嚴重損壞，如雷電流所流經的設備超出了其自身的承受值，則會出現(xiàn)擊穿或絕緣閃絡問題，這對于一個110kV的變電站來說，其后果將十分嚴重。

特別是近年來，隨著微機保護系統(tǒng)、運動裝置系統(tǒng)、圖像監(jiān)控裝置系統(tǒng)和計算機系統(tǒng)等的普遍應用，在變電站設計中更應將雷擊事故這種自然因素考慮進去，對其可能帶來的威脅進行仔細研究，精密設計。否則極端天氣時所產生的雷擊波將會給變電站的弱電裝置帶來毀滅性的破壞，會嚴重影響相關設備的工作效率，必須引起高度重視。

1.2 間接損壞? 除了前述可能引發(fā)的直接損壞外，110kV變電站在面對雷擊事故時，還可能會引發(fā)間接事故，最為常見的就是熱效應影響和機械變形受損[1]。這主要是因為雷擊過程中所產生的放電現(xiàn)象和電磁感應脈沖的破壞力太大所致，也即我們所說的感應雷現(xiàn)象。當雷電釋放高壓途徑金屬線或電纜進入到變電站的電氣設施中時，就會造成電磁干擾，嚴重影響電力系統(tǒng)的正常運行。

有研究稱，雷電到達到變電站的防雷設施時，其主要危害主要表現(xiàn)在兩個方面：第一，雷電的高壓電流，要抵達地面，必須經過變電站的內部接地線，此過程中會形成較為強烈的沖擊電位，當接地線受此侵擾時，則會在某個位置進行反擊，甚至會在局部放電，這會使電氣設備的絕緣性能大幅降低。第二，在雷電下泄的過程中，會在地面附近的空中和金屬內形成一個強大的電磁感應場，繼而造成變電站內部分設施的電壓不穩(wěn)，相應的受影響設施則會出現(xiàn)運行不正常現(xiàn)象，影響過大時就會停電，影響變電站輸送電的服務質量。

2? 雷電事故引發(fā)110kV變電站安全隱患的原因分析

2.1 雷電直擊產生的電壓和電流沖擊? 在惡劣天氣條件下，如變電站的電氣設施遭受雷擊，會在瞬間生成巨大的沖擊電壓，電壓在途經變電站的電氣設施時，會造成相應設備的損壞，輕則發(fā)生短路，重則會引發(fā)電氣設施爆炸，甚至還會引起火災事故的發(fā)生等，其可能造成的后果之嚴重不堪設想。此外，在變電站的電氣設備被雷擊時，所產生的強電流還可能會融化電氣設備線路，繼而造成電路癱瘓，如情況嚴重，則會出現(xiàn)大范圍停電問題，甚至有電力設備的斷裂或變形、爆炸情況的發(fā)生。

在變電站的電氣設施遭受雷擊的過程中，所產生的沖擊效應會造成金屬的彎曲或開裂，會有引發(fā)人員受傷或財產受損的潛在隱患。此外，此過程中產生的電流感應和靜電反應也必須引起高度重視，如不及時采取有效措施加以處理，極易引發(fā)火災事故。

2.2 雷電直擊產生的高熱、短路? 當雷電擊中建筑物時，建筑內的線路會產生短路，同時這股強電流還會釋放出高溫介質，這部分生成的熱量也極易引發(fā)物品的自燃，甚至會給整座變電站帶來安全隱患。此外，電流在接地網(wǎng)中還會因雷擊而產生反擊現(xiàn)象，會造成電力設備表層的絕緣體的破壞，極易誘發(fā)火災、爆炸事故的發(fā)生，將會給變電站系統(tǒng)的正常運行帶來不利影響[2]。

3? 提升110kV變電站防雷裝置保護措施

當前，較為常用的防雷措施主要包括兩種方法：一是避免雷電波進入到變電站設備中去;二是利用保護裝置把雷電波引入到接地網(wǎng)中。大致有如下幾個措施：

3.1 電源入口處安裝保護裝置? 雷電波能量大、峰值高、破壞力強[3]。因此，在電源入口位置安裝浪涌保護裝置，能有效降低雷擊給110kV變電站造成的威脅。其原理為：在電源位置遭雷擊時，雷電波會先抵達浪涌保護器，在工作中我們可以發(fā)現(xiàn)，只安裝浪涌保護器往往還不夠，周圍余留的信號仍會影響電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性，所以，最好應同步安裝低通濾波器，將雷電波做過濾處理，并通過安裝非線性良好的壓敏電阻的方式，來確保110kV變電站的電源電壓處于安全可控的范圍內，保證電力輸送安全。大量實踐應用成果表明，浪涌保護裝置、低通濾波器和壓敏電阻等配套裝置的同步安裝，在吸收雷電波能量方面具有顯著優(yōu)勢，以消除雷電電波對電源的不利影響。

3.2 安裝避雷裝置? 浪涌保護裝置能將侵入到變電站的雷電波降到電氣裝置絕緣強度的允許值內，以此來消除雷擊給變電站帶來的威脅。當前，在對雷擊的有效攔截措施中，只能通過路徑的引導進行化解消除。因此，當前比較常見的避雷裝置閃接器主要包括避雷針和避雷線兩種。在110kV變電站的防雷裝置中，較為常用的還是避雷針，其目的在于做好戶外設備的防雷工作。按照現(xiàn)行有關規(guī)定和建設單位的成本核算角度而言，變電站建設中避雷針通常都安裝在110kV變電站的鐵桿、照明塔或屋頂?shù)炔课恢稀Ｆ渲校b載有避雷針的鐵桿支柱的接地裝置必須性能良好，其電阻應≤4歐姆[4]。而連接變電站和終端桿之間的一檔線，為保證其性能的正常發(fā)揮，通常會通過在其中設置避雷線或在終端桿裝設避雷針的方式來實現(xiàn)。若安裝的是避雷針時，避雷針接地裝置的電阻則應≤1歐，并確保避雷設施接地回路和變電站接地回路是分開的，這樣才能確保其配網(wǎng)線路的耐雷性。

為確保所安裝避雷裝置的有效性，還應做好后期的定期檢查工作，以確保接地網(wǎng)的接地阻值符合防雷阻值要求，同時還要定期檢查桿塔基礎是否牢固，確保遇到臺風等極端天氣時不會倒桿，這樣保證防雷裝置性能的有效發(fā)揮。

3.3 變壓器低壓側的防雷措施? 在變電站的電流輸送中，變壓器的重要性不可小視，其運行質量與變電站的綜合供電服務水平和社會評價息息相關。所以，在變電站的防雷保護過程中，變壓器必須作為防護重點。一般情況下，110kV的變電站我們會選擇在變壓器的中性點位置安設避雷器，此外還會在變壓器上安裝分級絕緣綜合防雷裝置。在設計安裝中，應注意：相線首段部位的絕緣性應比變壓器中性點的絕緣性要好。此外，變壓器中性點應設計成和金屬氧化物相結合的防雷裝置，兩者之間有無間隙均可，這樣一來，能有效提升110kV的變電站變壓器的防雷性能。

當前，我國較為常用的主要是金屬氧化物避雷器，而在西方發(fā)達國家，除了要求使用金屬氧化物避雷器外，對電氣設施安裝中的空氣間隙也有嚴格要求，這種設計施工方法，對提升變壓器的防雷效果更佳。

3.4 接地保護裝置措施? 要確保泄雷電流安全通過，應在安裝接地裝置，以降低危險電位突然升高帶來的危害。該套裝置的應用，適用于所有電壓等級的輸、配電網(wǎng)和變電站，作為一種保護電氣設備和人身安全的重要防雷方法，在110 kV的變電站中也同樣適用。但在防雷接地裝置的具體涉及和安裝中，應注意以下幾點：第一，要采用獨立的避雷針。即和主接地網(wǎng)沒有任何關聯(lián)的單獨的接地網(wǎng)避雷針，電阻≤10歐姆[5]。第二，避雷器的裝設。無論是任何電壓等級的避雷器，在接地過程中都應和主接地網(wǎng)保持聯(lián)通。第三，為提升接地防雷裝置的安全性，避雷網(wǎng)的引下線要和建筑物的環(huán)狀基礎、通長主筋焊接在一起，并將其和室外的人工接地體連接起來，最好不應少于2根。當變電站所在處的位置處的土壤電阻較高時，應根據(jù)區(qū)位情況適當多引下線，以減少雷擊的接地電阻。此外，在引下線的過程中，還要確保引下線與電氣接觸性能優(yōu)良，機械連接穩(wěn)固性強，唯有同時滿足這些設計施工要求，才能有效減少雷擊給110 kV的變電站帶來的可能危害。

3.5 其他防雷保護措施? 除了前述的幾種重要防雷裝置外，其他防雷措施還有：第一，進線防雷保護措施。主要是用于減少閥型避雷器的負荷，起到配合保護作用。其保護作用主要體現(xiàn)在：有效降低了避雷器的沖擊電流，當雷電經變電站的電壓波進入進線段時，經沖擊電暈防護作用，有效削弱電壓波，起到保護變電站的作用。由此可見，在變電站進線0.5-1.5千米部位裝設避雷線，對有效降低110 kV變電站的雷電損害具有良好的效果。第二，侵入波的防雷保護措施。指的是在進線處安裝閥型避雷保護裝置，即在引入端安防雷保護裝置，確保下端接地，上端與變電站母線相連。此類避雷保護裝置主要構造有非線性電阻和火花間隙等部件。目前市面上比較常見且應用比較廣泛的閥型避雷保護裝置主要有：SFZ系列、FS系列等。具體的型號選擇還應根據(jù)不同變電站的實際需求來定。

4? 結束語

綜上所述，在社會經濟飛速發(fā)展的今天，電能這種動力資源的需求量猛增，對電能質量要求也在同步提高，只有不斷科學設計、合理使用和優(yōu)化分配，才能提升電力系統(tǒng)運行的安全性和高效性。本文即在當前110 kV的變電站遭雷擊產生的危害及其成因的基礎上，結合工作實際情況提出了幾點解決110 kV的變電站防雷裝置保護的具體措施。希望能為保證110 kV的變電站的系統(tǒng)運行安全和做好防雷工作提供有益的借鑒和思考，如有不妥之處，還望同行們不吝賜教。

參考文獻：

[1]鄧園銘.110 kV變電站的防雷保護措施探析[J]科技與創(chuàng)新，2014（17）：35，37.

[2]李誠.110kV變電所雷電防護措施及研究[D].北京電力大學，2014（6）：35.

[3]方遒.110kV變電站的防雷保護措施探析[J].電子制作，2014（1）：164-165.

[4]祁永業(yè).110kV變電站的防雷保護措施探析[J].華東科技：學術版，2013（9）：263.

[5]張小兵.淺析110kV變電站的防雷措施[J].中國科技縱橫，2013（20）：125.