浅谈变电站防雷系统设计

2014-12-25段娜李亚朋

城市建设理论研究 2014年37期

段娜李亚朋

摘要：变电站是电力系统的枢纽，对变电站进行防雷保护设计是及其重要的。根据变电站的面积、保护物高度及地形等确定避雷针的分布以及高度，使其能全面保护变电站。输电线路进线段的防雷分进线段保护和装设避雷器配合进行，减少行波对变电站的危害，还要考虑地网的分布，接地电阻和接地体的型号、土壤电阻率。设计过程中，设计方案的经济性也应着重考虑。如果过分追求可靠性则可能导致投资过高，造成浪费。

关键词：防雷；避雷针；避雷系统；防雷保护；避雷器

中图分类号：TM411文献标识码： A

前言

雷电是一种大气中放电的现象，虽然放电时间短，但放电时产生数万伏至数十万伏冲击电压，放电电流可达几十万安培，造成人身伤亡，建筑物损坏，电力设施损坏，电力系统中断等严重事故。从雷电危害角度考虑，雷电可分为直击雷、感应雷和雷电侵入波。直击雷是带电积云接近地面至一定程度时，与地面目标（建筑物、大地或防雷装置）之间的强烈放电，直击雷的特点是冲击电压高，放电电流大，危害也最大。感应雷也称作雷电感应，分为静电感应雷和电磁感应雷，由于感应雷电流的强大电场和磁场变化产生的静电感应和电磁感应，造成屋内电线、金属管道和大型金属设备放电引起建筑内爆炸危险品或易燃品燃烧。雷电侵入波是指雷电在架空线路、金属管道上产生的冲击过电压，使雷电波沿线路或管道迅速传播，或侵入建筑物内可造成配电装置和电气线路绝缘层击穿，产生短路，或使建筑物内易燃易爆品燃烧或爆炸，危机人身安全或损坏设备。电气设备遭雷电袭击都会产生过电压，感应雷过电压一般不会超过500kV，因此主要对35kV及以下电压等级电力设备的绝缘有威胁，而对110kV以上的设备，通常设备的最小冲击绝缘耐压水平已高于此值，一般不会构成危害。因此，电力系统防雷的重点是直击雷防护。对于雷击输电线路产生的雷电波侵入可采用进线保护，这是利用其阻抗来限制雷电流幅值和利用其电晕衰减来降低雷电波的陡度；可通过进线段上的避雷器进行配合。

1避雷针的保护范围

直击雷的防护措施通常采用接地良好的避雷针或避雷线。其作用原理为：当雷云的先导发展到离地面一定高度时，避雷针产生的强电场将影响雷云的电场分布和先导的发展方向，使其向着避雷针（线）的方向发展，从而使得避雷针（线）附近的设备受到保护，免遭雷击。

在电力系统中，为了使输电线路少受雷击，采用了在输电线路上方架设平行的钢线避雷的方法。这种架设在输电线路上方的钢线，称之为避雷线。

1.1避雷针的结构

避雷针包括三个部分:接闪器（避雷针的针头）、引下线和接地体。接闪器可以用直径为10-12mm的圆钢，引下线可用直径为6mm的圆钢，接地体一般可用多根2.5m长的40mm*40mm*4mm的角钢打入地中再并联后与引下线可靠连接。

1.2单支避雷针保护范围

单支避雷针的保护范围是一个以其本体为轴线的曲线圆锥体，像一座圆帐篷。它的侧面边界线实际上是曲线，但在我国规程建议近似地用折线来拟合，以简化计算，如图1所示。

在某一被保护物高度的水平面上的保护半径为：

当时：

当时：（1）

式中——避雷针的高度，m。

——高度修正系数，是考虑到避雷针很高时不与针高成正比增大而引入的一个修正系数。

当时，。

当时。

不难看出，最大的保护半径为地面上的保护半径。

从越高、修正系数越小可知：为了增大保护范围而一味提高避雷针高度并非良策。

图 1单支避雷针的保护范围

1.3两只等高避雷针的联合保护范围

等高双避雷针联合保护范围要比两针各自保护范围的和要大。避雷针的外侧保护范围同样可由式1确定，因为击于两针之间单针保护范围边缘外侧的雷，可能被相邻避雷针吸引而击于其上，从而使两针间保护范围加大。保护范围如图2所示

（2）

式中——等高双针联合保护范围上部边缘最低点的高度，m。

——两避雷器之间的距离。

——两避雷器之间保护范围宽度。

很明显，当时，。两针间距离与针高之比不宜大于5，式2的使用范围。

图2

1.4两支不等高避雷针的保护范围

首先按单个避雷针分别作出其保护范围，然后由低针的顶点做水平线，与高针的保护范围边界交于一点，该交点即为一假象等高针的顶点，再求出假想两等高针的保护范围。高针的保护范围与所做的假想针的联合保护范围并集即为要求的两支不等高避雷针的保护范围。

1.5多支等高避雷针的保护范围

等高三针联合保护范围可以两针、两针地分别计算其联合保护范围，只要在被保护物高度的平面上，各个两针的，则三针组成的三角形中间部分均处于三针联合保护范围之内。

等高四针及多针，可以按三针、三针地分别确定其保护范围，然后再加到一起即为多针的联合保护范围。

2避雷针、避雷线、避雷器的装设原则及要求

2.1避雷针、避雷线的装设原则

1）独立避雷针（线）宜设独立的接地装置。在非高土壤电阻率地区，其工频接地电阻不宜超过10Ω。当有困难时，该接地装置可与主接地网连接，使两者的接地电阻都得到降低。但为了防止经过接地网反击35kV及以下设备，要求避雷针与主接地网的地下连接点至35kV及以下设备与主接地网地下连接点，沿接地体的长度不得小于15m，因为经15m的长度能将接地体传播的雷电过电压衰减到35kV及以下设备不危险的程度。独立避雷针不应装设在人经常通行的地方，避雷针及接地装置与道路或出入口等的距离不宜小于3m，否则应采取均压措施，或敷设砾石或沥青地面。

2）110kV及以上的配电装置，一般将避雷针装设在配电装置的构架或房顶上，但在土壤电阻大于1000Ω.m的地区，应装设独立避雷针。在空气污秽地区，如有困难，空气中距离可安标准绝缘子串的长度确定。避雷针与主接地网的地下连接点至主变压器接地线与主接地网地下连接点，沿接地体的长度不得小于15m。

3）110kV及以上的配电装置，可将线路的避雷线引到出线门型架构上，土壤电阻率大于1000Ω.m的地区，应装设集中接地装置。5～63kV的配电装置，在土壤电阻率不大于500Ω.m的地区，允许将线路的避雷线引到出线门型架构上，但应装设集中接地装置。土壤电阻率大于500Ω.m的地区，避雷线应架设到线路降压杆塔为止。从线路降压杆塔到配电装置的一档线路的保护，可采用独立避雷针，也可在线路降压杆塔上装设避雷针。

2.2避雷针的装设要求

变电站的雷害来自两个方面：一是雷电直击于变电站；二是雷击输电线路后产生的雷电波侵入。因此，应采取以下措施：

1）为防止变电站的电气设备和建筑物遭受直击雷击，需要安装避雷针，被保护物或要求保护的变电站面积均要处于避雷针的保护范围之内；

2）要求避雷针必需有良好的接地，用扁铁将所有的避雷针水平连接起来，并与主厂房内钢筋焊接成一体，加强分流；设备的接地点应尽量远离避雷针接地引入线的入地点。避雷针接地引入线尽量远离电气设备，防止反击，或采取共用接地的形式；

3）对于雷击输电线路产生的雷电波侵入可采用进线保护，这是利用其阻抗来限制雷电流幅值和利用其电晕衰减来降低雷电波的陡度；可通过进线段上的避雷器进行配合。

2.3避雷器的装设要求

1)选用避雷器必须满足的要求是：避雷器的VS特性、VA特性要分别与被保护设备的VS特性和VA特性正确配合；避雷器的灭弧电压与安装地点的最高工频相电压应正确配合。这样，即使在系统发生一相接地故障的情况下，避雷器也能可靠地熄灭工频续流电弧，避免避雷器发生爆炸。

2)选择管型避雷器时应注意管型避雷器不能用作有绕组的电气设备的过电压保护，而只用于线路、发电厂和变电站进线的保护；管型避雷器遮断电流的上限应不小于安装处短路电流的最大值，下限不大于安装处短路电流的最小值。

3)阀型避雷器分普通型和磁吹型两大类，选择时应注意避雷器的保护比Kb数值大小要按照额定电压的大小来选择。要注意校验避雷器的额定电压、工频放电电压、冲击放电电压及残压，要注意与被保护电气设备的距离。

4)选择氧化锌避雷器时，要计算或实测避雷器安装处长期的最大工作电压。应使避雷器的额定电压大于或等于避雷器安装点的暂态工频过电压幅值。注意残压与被保护设备绝缘水平的配合。

3防雷保护的设计

举一例对变电站进行防雷保护的设计：