淺談變電站防雷系統設計

段娜 李亞朋

摘要：變電站是電力系統的樞紐，對變電站進行防雷保護設計是及其重要的。根據變電站的面積、保護物高度及地形等確定避雷針的分布以及高度，使其能全面保護變電站。輸電線路進線段的防雷分進線段保護和裝設避雷器配合進行，減少行波對變電站的危害，還要考慮地網的分布，接地電阻和接地體的型號、土壤電阻率。設計過程中，設計方案的經濟性也應著重考慮。如果過分追求可靠性則可能導致投資過高，造成浪費。

關鍵詞：防雷；避雷針；避雷系統；防雷保護；避雷器

中圖分類號：TM411文獻標識碼： A

前言

雷電是一種大氣中放電的現象，雖然放電時間短，但放電時產生數萬伏至數十萬伏沖擊電壓，放電電流可達幾十萬安培，造成人身傷亡，建筑物損壞，電力設施損壞，電力系統中斷等嚴重事故。從雷電危害角度考慮，雷電可分為直擊雷、感應雷和雷電侵入波。 直擊雷是帶電積云接近地面至一定程度時，與地面目標（建筑物、大地或防雷裝置）之間的強烈放電，直擊雷的特點是沖擊電壓高，放電電流大，危害也最大。感應雷也稱作雷電感應，分為靜電感應雷和電磁感應雷，由于感應雷電流的強大電場和磁場變化產生的靜電感應和電磁感應，造成屋內電線、金屬管道和大型金屬設備放電引起建筑內爆炸危險品或易燃品燃燒。雷電侵入波是指雷電在架空線路、金屬管道上產生的沖擊過電壓，使雷電波沿線路或管道迅速傳播，或侵入建筑物內可造成配電裝置和電氣線路絕緣層擊穿，產生短路，或使建筑物內易燃易爆品燃燒或爆炸，危機人身安全或損壞設備。電氣設備遭雷電襲擊都會產生過電壓，感應雷過電壓一般不會超過500kV，因此主要對35kV及以下電壓等級電力設備的絕緣有威脅，而對110kV以上的設備，通常設備的最小沖擊絕緣耐壓水平已高于此值，一般不會構成危害。因此，電力系統防雷的重點是直擊雷防護。對于雷擊輸電線路產生的雷電波侵入可采用進線保護，這是利用其阻抗來限制雷電流幅值和利用其電暈衰減來降低雷電波的陡度；可通過進線段上的避雷器進行配合。

1避雷針的保護范圍

直擊雷的防護措施通常采用接地良好的避雷針或避雷線。其作用原理為：當雷云的先導發展到離地面一定高度時，避雷針產生的強電場將影響雷云的電場分布和先導的發展方向，使其向著避雷針（線）的方向發展，從而使得避雷針（線）附近的設備受到保護，免遭雷擊。

在電力系統中，為了使輸電線路少受雷擊，采用了在輸電線路上方架設平行的鋼線避雷的方法。這種架設在輸電線路上方的鋼線，稱之為避雷線。

1.1避雷針的結構

避雷針包括三個部分:接閃器（避雷針的針頭）、引下線和接地體。接閃器可以用直徑為10-12mm的圓鋼，引下線可用直徑為6mm的圓鋼，接地體一般可用多根2.5m長的40mm*40mm*4mm的角鋼打入地中再并聯后與引下線可靠連接。

1.2單支避雷針保護范圍

單支避雷針的保護范圍是一個以其本體為軸線的曲線圓錐體，像一座圓帳篷。它的側面邊界線實際上是曲線，但在我國規程建議近似地用折線來擬合，以簡化計算，如圖1所示。

在某一被保護物高度的水平面上的保護半徑為：

當時：

當時： （1）

式中——避雷針的高度，m。

——高度修正系數，是考慮到避雷針很高時不與針高成正比增大而引入的一個修正系數。

當時，。

當時。

不難看出，最大的保護半徑為地面上的保護半徑。

從越高、修正系數越小可知：為了增大保護范圍而一味提高避雷針高度并非良策。

圖 1單支避雷針的保護范圍

1.3兩只等高避雷針的聯合保護范圍

等高雙避雷針聯合保護范圍要比兩針各自保護范圍的和要大。避雷針的外側保護范圍同樣可由式1確定，因為擊于兩針之間單針保護范圍邊緣外側的雷，可能被相鄰避雷針吸引而擊于其上，從而使兩針間保護范圍加大。保護范圍如圖2所示

（2）

式中——等高雙針聯合保護范圍上部邊緣最低點的高度，m。

——兩避雷器之間的距離。

——兩避雷器之間保護范圍寬度。

很明顯，當時，。兩針間距離與針高之比不宜大于5，式2的使用范圍。

圖2

1.4兩支不等高避雷針的保護范圍

首先按單個避雷針分別作出其保護范圍，然后由低針的頂點做水平線，與高針的保護范圍邊界交于一點，該交點即為一假象等高針的頂點，再求出假想兩等高針的保護范圍。高針的保護范圍與所做的假想針的聯合保護范圍并集即為要求的兩支不等高避雷針的保護范圍。

1.5多支等高避雷針的保護范圍

等高三針聯合保護范圍可以兩針、兩針地分別計算其聯合保護范圍，只要在被保護物高度的平面上，各個兩針的，則三針組成的三角形中間部分均處于三針聯合保護范圍之內。

等高四針及多針，可以按三針、三針地分別確定其保護范圍，然后再加到一起即為多針的聯合保護范圍。

2避雷針、避雷線、避雷器的裝設原則及要求

2.1避雷針、避雷線的裝設原則

1）獨立避雷針（線）宜設獨立的接地裝置。在非高土壤電阻率地區，其工頻接地電阻不宜超過10Ω。當有困難時，該接地裝置可與主接地網連接，使兩者的接地電阻都得到降低。但為了防止經過接地網反擊35kV及以下設備，要求避雷針與主接地網的地下連接點至35kV及以下設備與主接地網地下連接點，沿接地體的長度不得小于15m，因為經15m的長度能將接地體傳播的雷電過電壓衰減到35kV及以下設備不危險的程度。獨立避雷針不應裝設在人經常通行的地方，避雷針及接地裝置與道路或出入口等的距離不宜小于3m，否則應采取均壓措施，或敷設礫石或瀝青地面。

2）110kV及以上的配電裝置，一般將避雷針裝設在配電裝置的構架或房頂上，但在土壤電阻大于1000Ω.m的地區，應裝設獨立避雷針。在空氣污穢地區，如有困難，空氣中距離可安標準絕緣子串的長度確定。避雷針與主接地網的地下連接點至主變壓器接地線與主接地網地下連接點，沿接地體的長度不得小于15m。

3）110kV及以上的配電裝置，可將線路的避雷線引到出線門型架構上，土壤電阻率大于1000Ω.m的地區，應裝設集中接地裝置。5～63kV的配電裝置，在土壤電阻率不大于500Ω.m的地區，允許將線路的避雷線引到出線門型架構上，但應裝設集中接地裝置。土壤電阻率大于500Ω.m的地區，避雷線應架設到線路降壓桿塔為止。從線路降壓桿塔到配電裝置的一檔線路的保護，可采用獨立避雷針，也可在線路降壓桿塔上裝設避雷針。

2.2避雷針的裝設要求

變電站的雷害來自兩個方面：一是雷電直擊于變電站；二是雷擊輸電線路后產生的雷電波侵入。因此，應采取以下措施：

1）為防止變電站的電氣設備和建筑物遭受直擊雷擊，需要安裝避雷針，被保護物或要求保護的變電站面積均要處于避雷針的保護范圍之內；

2）要求避雷針必需有良好的接地，用扁鐵將所有的避雷針水平連接起來，并與主廠房內鋼筋焊接成一體，加強分流；設備的接地點應盡量遠離避雷針接地引入線的入地點。避雷針接地引入線盡量遠離電氣設備，防止反擊，或采取共用接地的形式；

3）對于雷擊輸電線路產生的雷電波侵入可采用進線保護，這是利用其阻抗來限制雷電流幅值和利用其電暈衰減來降低雷電波的陡度；可通過進線段上的避雷器進行配合。

2.3避雷器的裝設要求

1)選用避雷器必須滿足的要求是：避雷器的VS特性、VA特性要分別與被保護設備的VS特性和VA特性正確配合；避雷器的滅弧電壓與安裝地點的最高工頻相電壓應正確配合。這樣，即使在系統發生一相接地故障的情況下，避雷器也能可靠地熄滅工頻續流電弧，避免避雷器發生爆炸。

2)選擇管型避雷器時應注意管型避雷器不能用作有繞組的電氣設備的過電壓保護，而只用于線路、發電廠和變電站進線的保護；管型避雷器遮斷電流的上限應不小于安裝處短路電流的最大值，下限不大于安裝處短路電流的最小值。

3)閥型避雷器分普通型和磁吹型兩大類，選擇時應注意避雷器的保護比Kb數值大小要按照額定電壓的大小來選擇。要注意校驗避雷器的額定電壓、工頻放電電壓、沖擊放電電壓及殘壓，要注意與被保護電氣設備的距離。

4)選擇氧化鋅避雷器時，要計算或實測避雷器安裝處長期的最大工作電壓。應使避雷器的額定電壓大于或等于避雷器安裝點的暫態工頻過電壓幅值。注意殘壓與被保護設備絕緣水平的配合。

3防雷保護的設計

舉一例對變電站進行防雷保護的設計：

一所110kV變電站面積（長×寬×高），71m×61.8m×13m；雷暴日：30日/年。因當時，。當時，初步選擇避雷針高度為30m。

3.1避雷器的選擇

為防止輸電線路產生雷電波侵入，產生過電壓，在設計中分別在110kV、35kV及10kV母線、主變壓器中性點、10kV出線上裝設氧化鋅避雷器來防護，避雷器選擇結果見表1。

表1 氧化鋅避雷器選擇結果表

安裝地點 型號 額定電壓

（KV） 系統電壓（KV） 直流1mA時

兩端電壓（KV） 標稱殘壓

不大于（KV）

110kV母線 Y10W5-146/320W 146 110 145 320

主變中性點 Y15W5-146/320W 146 110 190 320

35kV母線 HY5WZ-51/134 51 35 21.8 134

10kV母線 Y5Wz-11/45W 11 10 24 45

3.2避雷針的保護范圍的計算

（1）單只避雷針的保護范圍計算：

當時，。當時。

配電裝置

，不能滿足變電站的防雷保護要求。

（2）、兩只等高避雷針的保護范圍計算：

1)兩針外側的保護范圍按單支避雷針的計算方法確定：

2） 兩針間的保護最低點高度按下式計算：

式中— 兩針間保護最低點的高度（m）

—兩針間的距離（m）

3） 兩針間水平面上保護范圍的一側最小寬度按下式計算：

當時，

當時，

當時，

（3）四只等高避雷針的保護計算

將其分為兩支之間計算，如圖3所示。

圖3防雷保護示意圖

，，，。

1）避雷針1-2、3-4外側的保護范圍為，1-2、3-4間保護范圍為

2)避雷針1-4、2-3外側的保護范圍為，1-4、2-3間的保護范圍為

根據以上的計算結果，采取的防雷保護滿足要求，繪制防雷布置圖，可滿足該變電站的防雷要求。

參 考 文 獻

［1］王麗.高電壓技術,中國電力出版社，2010/05.

［2］楊培宏.建筑物防雷設計規范,2010/11.

［3］江日洪、張兵、羅曉宇.發、變電所防雷保護及應用實例[M],中國電力出版社，2007/05.

［4］李艷. 110kV變電所防雷保護研究. 現代企業文化[J],2009/08.