變電所的綜合防雷設計

建設綜合勘察研究設計院有限公司 蘇 靜

變電所的一次系統能通過各種防雷措施躲過雷擊，但系統內的二次系統則對雷擊抵抗能力較?。阂环矫嬗捎诂F代電子設備內部結構高度集成化，耐壓水平很低，造成其對雷電過電壓的承受能力不如以前；另一方面由于通信設備增加使得信號線路更多，雷電波入侵更加簡單，以致雷電事故時常發生，影響信息系統正常運行，輕則導致設備失靈或損壞，重則造成系統崩潰、電氣設備毀壞，造成龐大的經濟損失。因此不能輕視變電所防雷，必須保證安裝信得過的防雷措施。

1 雷擊的形式及危害

雷擊的形式根據成因和特點的不同主要可分為雷電感應過電壓、地電位反擊、雷電波入侵等形式[1-3]。

感應雷過電壓：雷云放電雖沒有直接擊落在電氣設備上，但也可能產生過電壓。因為在雷云放電之初，雷云強大的靜電場會使得設備被感應出大量異性電荷，被相對集中在近端；當主放電發生后云中電荷迅速釋放掉，于是設備上集中的感應電荷也要迅速入地釋放，會形成沖擊電流，該電流會在設備阻抗上形成壓降，這個壓降就是感應雷過電壓[4]。感應雷過電壓主要產生在架空輸電線路上。對于架空線路，沒有避雷線保護時，當雷擊點距離導線水平距離S 大于65米時導線上感應過電壓的值可按公式估算U=25×I×h/S。感應雷過電壓是變電所低壓部分和弱電系統、信息系統的主要威脅，變電所遭受的感應雷電壓主要有兩個來源：一種是感應形式，因為變電所附近出現雷電現象，各裝置及設備中產生的感應雷電壓屬于雷電導致的電磁感應；另一種是入侵波在變壓器高低壓繞組發生的電磁感應（變比）或電容耦合，在變壓器各側可能形成的過電壓。一般所說感應雷過電壓指的第一種情況，這種雷電壓對變電所的低壓設備絕緣危害較大，尤其是對保護、通訊、測量、控制等弱電系統的威脅更加嚴重，對該類設備感應雷防護是最重要的環節。

入侵波：由于變電所通常會有多條出線，因此各線路萬一遭受雷過電壓后，線路雷過電壓或雷電流一定會沿著線路進入變電所，對建筑內的設備安全構成隱患，把這種雷害統稱入侵波[5]，其對變電所內設備的威脅與變電所的運行方式、設備狀態、系統參數、入侵波的來源、入侵波的幅值和陡度等多種因素有關系。如：當雷電壓沿線進入變電所時，若斷路器處于開斷狀態，因為波的折反射將在斷路器斷口上形成約2倍值的雷過電壓；變壓器中性點不接地時，中性點絕緣承受的過電壓大約是繞組首端入射電壓值的2倍；因避雷器動作造成的截波過電壓等。一般入侵波沿線進入前，受各種因素影響進入變電所的波峰和陡度會被削弱，其直接危害會低于直擊雷危害，但由于線路遇雷幾率遠高于變電所遭雷直擊，因此入侵波防護更是變電所防雷的重要環節。

雷電對二次設備的危害機理分析：雷電電涌是近年來人們極其重視的一種二次設備的雷電危害形式，它的防護方式也在不斷完善。從原理上劃分，雷電電涌對變電所二次系統的干擾方式主要有阻性耦合、容性耦合、感性耦合。經過分析研究，對于阻性耦合，接地電阻越大干擾越嚴重；對于容性耦合，由于電勢差的原因，導致設備絕緣系統中存在較大的容性電流，對設備的正常運行帶來巨大的干擾；對于感性耦合，雷電流的頻率越高、兩回路間互感越大感應過電壓就越大，感性耦合對設備的危害就越嚴重[3]。

2 防雷措施

接閃器。作用是把雷電引向自身，承受直擊雷放電。除利用混凝土構件內鋼筋外，接閃器應鍍鋅，焊接處應涂防腐漆[6]。在我國通常使用避雷針作為接閃器，經過幾十年的發展，不同場合的避雷針外形也不相同，從實用角度來講選擇直擊避雷針就可滿足要求。LS 單針避雷針（不銹鋼避雷針）采用316或304L 不銹鋼材質，抗高溫及抗氧化性強，保用期超過10年，使用VSSIO 最新標準化工藝加工，從力學結構設計、尺寸精度、焊接、拋光、數控鉆孔等各個環節都體現了國內頂級工業水平，品質、工藝遠超同行業。在所有的避雷針中，單針避雷針的可供選擇的型號高度都特別多，有符合防雷要求的6m 的避雷針，所以我們選擇了一款單針避雷針，這樣經濟實用也對防雷保護行之有效，因此選擇了LS6000型號的單針避雷針。

引下線。是指連接接閃器與接地裝置的金屬導體。引下線的用途是將接閃器的雷電流安全的導入大地[7]。設計的變電所是框架結構的建筑，而避雷針正好設計在建筑物邊緣，一種方法可沿變電所外墻鋪設引下線，并直接沿墻向下接地；另一種方法是直接利用變電所內的鋼筋作為引下線。兩邊有兩根避雷針，可用兩根引下線，既提高了整個變電所防雷的可靠性，且使用兩根引下線后可利用其分流作用將每根引下線的電壓降大大降低，減少了變電所側擊的風險。

屏蔽接地。主要作用是把電氣干擾轉入大地，能降低外來電磁干擾的負面作用，減少帶來的阻礙，避免其他設備遭到影響。其主要形式有建筑屏蔽接地、弱電設備的相關接地、低壓電纜屏蔽層接地。

避雷器的選型。由于氧化鋅避雷器優點多，是目前世界上用得最廣泛的避雷器，所以選擇鄭州益之潤防雷工程有限公司的一款氧化鋅避雷器，屬于3～220kV 無間隙金屬氧化鋅避雷器，型號是Y5WZ-17/45。

防閃絡。與絕緣體擊穿對應，一般稱在絕緣體表面出現的放電、電弧等現象稱作閃絡。當雷擊發生時，存在空氣中或金屬、絕緣層等表面的氣體、液體等沿著絕緣表層發生破壞性放電，而放電時的電壓即閃絡電壓。當閃絡發生時電極間的電壓會很快降低，甚至無限接近于零。出現閃絡的整個表面所產生的火花電弧等能導致絕緣層表皮焦炭化。變電所內閃絡的發生將給安全供電和生產帶來極大的危害，一般可采取定時對絕緣體表面進行污穢清除、在絕緣體表面的涂料選用絕緣屬性材料、時常對設備進行巡視等措施來防止絕緣設備發生閃絡。

3 仿真分析

雷擊桿塔仿真研究。對于雷擊桿塔時，通過對變電站變壓器的過電壓在無避雷器仿真和雷擊桿塔加避雷器進行仿真，對比雷擊桿塔無避雷器v/t 圖（圖1）和雷擊桿塔加避雷器v/t 圖（圖2）可知，通過添加避雷器將能有效抑制各個設備上過電壓的最大幅值，可有效保證站內設備的安全運行。

圖1 雷擊桿塔無避雷器v/t 圖

圖2 雷擊桿塔加避雷器v/t 圖

圖3 雷擊母線無避雷器仿真結果

圖4 雷擊母線加避雷器仿真結果

雷擊母線仿真研究：對于雷擊母線時，通過對變電站變壓器的過電壓在無避雷器仿真和雷擊桿塔加避雷器比較，雷擊桿塔無避雷器v/t 圖（圖3）和雷擊桿塔加避雷器v/t 圖（圖4）可知，加避雷器后各個設備的最大過電壓都有明顯下降，從而說明避雷器在雷電流過電壓入侵變電站時起到十分重要作用，保護變電站內變壓器不受損害，提高了電力系統的安全性和可靠。對于雷擊桿塔母線時通過對變電站各個設備的過電壓仿真波形圖1～4（圖中藍線是電壓互感器，紅線是變壓器，綠線是電抗器）比較分析而知，變電站內各電器設備過電壓比原來雷擊點的過電壓高很多，從而說明應盡量避免雷擊近區桿塔而引起反擊和雷擊母線。