朱 雙

天津華廈建筑設(shè)計(jì)有限公司

淺析電氣工程的防雷保護(hù)

朱 雙

天津華廈建筑設(shè)計(jì)有限公司

本文以廣東省境內(nèi)的一座T型剛構(gòu)舊橋?yàn)楸尘埃ㄟ^(guò)建立有限元模型進(jìn)行理論計(jì)算，以此為基礎(chǔ)制訂靜載試驗(yàn)方案并進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)加載，測(cè)試橋梁關(guān)鍵截面的撓度和應(yīng)變數(shù)據(jù)，最后與理論數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，對(duì)橋梁的受力狀態(tài)和承載能力進(jìn)行綜合評(píng)定，并得到相應(yīng)的結(jié)論，可對(duì)同類(lèi)型的橋梁提供參考。

T型剛構(gòu)橋；有限元模型；靜載試驗(yàn)；性能評(píng)定

電氣工程設(shè)計(jì)中，防雷保護(hù)是一個(gè)重要內(nèi)容。本文電氣工程不單考慮了一般的工業(yè)、民用項(xiàng)目，這些項(xiàng)目通常只有中壓的送變電設(shè)備，而且以置于戶(hù)內(nèi)的居多。但隨著我國(guó)大型企業(yè)建設(shè)的發(fā)展，戶(hù)外的送、配、變電工程不能不作考慮。本文涉及電力工程的中、高壓輸電線路（主要是架空輸電線路），也涉及戶(hù)外的變配電系統(tǒng)、戶(hù)內(nèi)的變配電系統(tǒng)的防雷保護(hù)問(wèn)題。主要介紹防雷保護(hù)的措施及其基本原理，防雷保護(hù)的內(nèi)容主要涉及直擊雷、侵入雷電波以及電磁感應(yīng)浪涌等。

1 直擊雷

直擊雷是當(dāng)大氣中的帶電云層（雷云）中積存電荷，大地中積存極性相反的電荷，當(dāng)積聚到一定程度時(shí)，就產(chǎn)生直接放雷中和，其過(guò)程產(chǎn)生雷電流，雷電流的雷電通道直接通過(guò)地上物體時(shí)，地上物體就受到直擊雷侵害。應(yīng)對(duì)這種直擊雷，不同的設(shè)備有不同的防護(hù)措施：

1.1 高壓線路

1）直擊雷形成

高壓線路受到直擊雷打擊時(shí)，直擊雷最大可能是擊中線路桿塔，因?yàn)樗母叨茸罡?，也有可能擊中線路，不管擊中何處，它形成的電流Iz都會(huì)流入大地與大地中的電荷中和。這個(gè)電流數(shù)量很大，達(dá)幾百千安以上，與接地電阻相乘，這樣就會(huì)在雷擊的地方產(chǎn)生對(duì)地很大的電壓Uf，稱(chēng)反擊電壓，如圖1：

圖1

這個(gè)Uf由絕緣子串相隔的導(dǎo)線形成電位差，如果超過(guò)絕緣子的絕緣能力就會(huì)產(chǎn)生放電，稱(chēng)閃絡(luò)，線路就形成接地，事故就產(chǎn)生了。因此絕緣子的作用是在一定條件下防止反擊電壓的破壞，不同的電壓等級(jí)線路有不同的絕緣子串的要求，也有一定的耐直擊雷電流的要求。如10千伏線路絕緣子一般一個(gè)，35千伏線路三個(gè)，110千伏線路八個(gè)……

對(duì)耐雷電流的等級(jí)也有不同的要求，如表1：

表1

2）保護(hù)措施

要達(dá)到上述標(biāo)準(zhǔn)，線路不是自然形成保護(hù)的，一般要加防直擊雷措施，其措施有：

A、避雷針：在線路中只有極其重要的地方才使用，其原理如圖2:

圖2

圖3

B、避雷線

高壓線路很長(zhǎng)，達(dá)幾百公里，不可能由避雷針全線保護(hù)，直擊雷保護(hù)不但要保護(hù)桿（塔）頂，還要保護(hù)線路，因此產(chǎn)生了避雷線。

避雷線保護(hù)就是在高壓線路上，在電力線路中加裝一根避雷線，避雷線是沿線接地的。其原理與避雷針相同。其保護(hù)范圍如圖4（線路斷面圖）:

圖4

110千伏以上的送電線路全線都加裝避雷線，35千伏線路至少在變電所出進(jìn)線處加裝避雷線，避雷線不僅防直擊雷，對(duì)侵入波（下述）也有消耗作用，侵入波沿有避雷線的送電線前進(jìn)時(shí)會(huì)與避雷線產(chǎn)生電暈放電，這樣就不斷的削弱侵入波的陡度，有利安全。

C、加強(qiáng)線路絕緣

在污穢地區(qū)、海岸邊及其他雷暴較強(qiáng)的地方，線路絕緣子數(shù)增加，也是防止直擊雷及電擊電壓破壞的方法之一。絕緣子數(shù)增加，增加了爬電的距離，增加了線路的絕緣。

1.2 戶(hù)外高壓配電裝置

1）35KV、110KV的戶(hù)外配電裝置的進(jìn)線保護(hù)

110KV進(jìn)線架桿（鋼、鋼筋混凝土）可直接安裝避雷針保護(hù)進(jìn)線，或?qū)⒈芾拙€直接接到架桿上；35KV的進(jìn)線架可直接安裝獨(dú)立避雷針，或在進(jìn)線架桿上安裝避雷針，其接地電阻為1Ω。

2）配電裝置

35KV、110KV戶(hù)外配電裝置（開(kāi)關(guān)、PT、CT、避雷器、隔離開(kāi)關(guān)、進(jìn)線架、主變壓器、導(dǎo)線及母線橋……）均應(yīng)在避雷針直接保護(hù)下，其接地電阻≤10Ω。耐雷水平200KA。

1.3 建筑物

根據(jù)建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范GB 50057-2010下列建筑物均應(yīng)在避雷針（避雷線）的直接保護(hù)之下：

一類(lèi)建筑物：防雷水平200KA，地理接地電阻≤10Ω。

二類(lèi)建筑物：防雷水平150KA，地理接地電阻≤10Ω，又與其他保護(hù)、工作接地網(wǎng)相連。

三類(lèi)建筑物：防雷水平100KA，地理接地電阻≤30Ω，又與其他保護(hù)、工作接地網(wǎng)相連。

其中一類(lèi)建筑物避雷針是獨(dú)立的，考慮到可能的反擊電壓，接地引下線和接地網(wǎng)與其他導(dǎo)電體的距離都有具體的規(guī)定。

其他二、三類(lèi)建筑物的引下線雖與其他接地網(wǎng)線連，但考慮到反擊電壓的危害，也有一些相應(yīng)的規(guī)定。

2 雷電波

2.1 高壓線路

雷電波是直擊雷產(chǎn)生的后果，但不是直接的，產(chǎn)生在戶(hù)外輸電線路。其產(chǎn)生原因簡(jiǎn)述如下：

當(dāng)大氣中云層帶電荷必然感應(yīng)大地產(chǎn)生相反的束縛電荷，隨著云層電荷的逐漸增大，大地束縛電荷也逐漸增加，而且會(huì)在靠近云層的導(dǎo)線上聚結(jié)為圖5。

圖5

當(dāng)聚結(jié)到一定程度，電荷放電中和產(chǎn)生雷電流。有些束縛電荷被中和了，但很多束縛電荷未被放電，而因云層電荷消失而解除束縛形成電荷積聚而瞬間釋放向多處泄流形成涌浪（沖擊波）。波頭多數(shù)是余弦波頭。這些電荷沿著線路向各方向泄流可能對(duì)線路產(chǎn)生過(guò)電壓的損害，破壞線路絕緣，產(chǎn)生對(duì)地短路。這在高電壓線路上經(jīng)常存在，也是危害之一。

防止雷電波損壞的方法：

1）加避雷線（其作用上述）

2）加強(qiáng)線路絕緣（其作用上述）

3）加避雷器

在線路中加裝特殊避雷器（管型、間隙……），使雷電波通過(guò)避雷器入地、工頻電流阻斷。

4）設(shè)消弧線圈

對(duì)那些中心點(diǎn)不接地系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，雷電波閃絡(luò)（反擊電壓擊穿損壞絕緣放電現(xiàn)象）使其一相電線接地，產(chǎn)生瞬間單相接地故障，系統(tǒng)的電容電流產(chǎn)生電弧，會(huì)引起系統(tǒng)故障，為此中性點(diǎn)處加消弧線圈（有芯電感），消除部分或者大部分電容電流，使電弧熄滅，系統(tǒng)雖經(jīng)受沖擊，但仍能工作。

5）重合閘

上述結(jié)果是短暫發(fā)生的，單相接地可能使電路跳閘（特別是大接地電流系統(tǒng)或者小電流接地系統(tǒng)有接地跳閘保護(hù)的），大部分接地故障是雷電波瞬時(shí)發(fā)生的，當(dāng)線路跳閘后再重新投入（重合閘）可以成功投入，有的線路是多次重合閘，以期獲得成功。

3 高壓配電裝置

對(duì)配電裝置的防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)是以侵入雷電波的陡度表示的，見(jiàn)表2。

表2 侵入變壓器雷電波計(jì)算用陡度

對(duì)配電裝置而言沖擊性雷電波危害性極大，高壓開(kāi)關(guān)、高壓斷路器、高壓電壓互感器（PT）、高壓電流互感器（CT）、變壓器……。其套管的絕緣水平都是經(jīng)過(guò)經(jīng)濟(jì)技術(shù)比較而確定的。因此對(duì)于沿著線路入侵的雷電波都有著被破壞的危險(xiǎn)，對(duì)于雷電波的防患是高壓配電裝置首先要考慮的。

我們先簡(jiǎn)單論述雷電波的一些特征：a）是進(jìn)行波，波速很高，接近光速每秒十萬(wàn)公里以上，其速度由導(dǎo)線的波阻抗決定；b）波頭多數(shù)是余弦形；c）有分流。當(dāng)波進(jìn)行到分叉路時(shí)能分流運(yùn)行見(jiàn)圖6。當(dāng)波Σ入侵時(shí)，遇到分支會(huì)形成波1+波2+波3分流，幅度減小，波Σ=波1+波2+波3。

圖6

d）有反射：當(dāng)進(jìn)行波遇到高阻抗時(shí)會(huì)反射。

就像水波遇到石頭會(huì)反射一樣。變壓器是感性高阻抗的元件，入射波能分解為多次諧波。變壓器對(duì)之來(lái)說(shuō)是高阻抗，所以形成反射（變壓器副邊因與鐵心電感阻斷，不存在雷電波）。因此當(dāng)入射和反射產(chǎn)生時(shí)，變壓器（或高阻抗的電器為電感，PT等）套管實(shí)際承受入射+反射=2x入射波的壓力，這就是有名的波得遜定理。

對(duì)于其他高壓電器如斷路器、開(kāi)關(guān)、CT等不存在反射，因此實(shí)際上最要保護(hù)的是變壓器，下列是變壓器的保護(hù)分析：

變壓器的侵入波保護(hù)主要是避雷器（閥形的、氧化鋅的……）。避雷器主要作用是當(dāng)電壓一定時(shí)，放電泄流，電壓消失后恢復(fù)，是放電間隙形，主要是這個(gè)作用。之所以能保護(hù)變壓器是因?yàn)樗姆烹婋妷菏呛妥儔浩鬟M(jìn)線套管絕緣相配合的，一定電壓的變壓器配一定電壓相應(yīng)的避雷器，他們之間有伏特特性配合。其作用如圖7。

圖7

當(dāng)入射波例為：U=at入侵時(shí)，經(jīng)過(guò)避雷器到變壓器。

由于變壓器是大阻抗終端，變壓器形成反射，在反射期間，變壓器是承受兩種電壓（入、反射）的，這時(shí)避雷器只承受入射電壓。但反射波是開(kāi)始向避雷器反射的（這時(shí)變壓器仍承受兩種電壓）當(dāng)反射波反射到避雷器時(shí)，避雷器也承受兩種電壓。但是制造時(shí)已配合好，避雷器的伏秒特性決定這時(shí)應(yīng)放電（這時(shí)變壓器仍受兩種電壓），放電后，兩者都安全了。問(wèn)題是避雷器不能離變壓器太遠(yuǎn)，若太遠(yuǎn)，反射波反射到避雷器處時(shí)間太長(zhǎng)，變壓器受不了而擊穿。這關(guān)鍵就是避雷器和變壓器的伏秒特性要配合好。避雷器與變壓器的距離在一定條件下有限定，不能超過(guò)，才能在保護(hù)范圍。因此考慮了進(jìn)、出線避雷線的影響，考慮了進(jìn)行波的分流，考慮了伏秒特性，有些資料有如下的研究結(jié)果，見(jiàn)表3。

表3 避雷器到電氣設(shè)備的距離

4 低壓配電裝置

由于中壓（高壓）變壓器的阻擋，低壓部分基本上沒(méi)有高壓側(cè)雷電波的沖擊，除非低壓出線是架空線，雷電流由低壓架空線引入，則需考慮低壓SPD（浪涌保護(hù)器）解決。

5 電磁感應(yīng)脈沖（浪涌）

這是和直擊雷有關(guān)的雷電反映，主要對(duì)象是對(duì)筑物內(nèi)的設(shè)備的保護(hù)。當(dāng)直擊雷直擊建筑物的接閃器，或是附近的直擊雷發(fā)生后，產(chǎn)生直擊的雷電流，其標(biāo)準(zhǔn)為：一類(lèi)建筑200KA，二類(lèi)建筑150KA，三類(lèi)建筑100KA。巨大的電流，根據(jù)安培環(huán)路定律產(chǎn)生磁場(chǎng)，即磁場(chǎng)強(qiáng)度H。

1）防雷區(qū)域的劃分:（LPZ）,0區(qū),1區(qū),2區(qū),……。

基本原則是根據(jù)受雷電流感應(yīng)的程度劃分。

2）脈沖波形:余弦波頭,有10/350μs, 8/20μs,等的波形,分子10,8為到達(dá)最大波幅的時(shí)間,分母是半波幅時(shí)間，從這個(gè)數(shù)字可以看出波的強(qiáng)弱大小。

3）SPD最重要的指標(biāo)，保護(hù)水平UP（KV）即放電電壓；標(biāo)準(zhǔn)放電電流Ln（KA）即正常放電電流。

4）接法：根據(jù)接地形式TN-S、TN-C、TT、IT等有不同的接法。

其中最經(jīng)常的接法是TN-S形式。在PE與N共同接地處的SPD，N線可以不接，當(dāng)PE線與N線分開(kāi)后，線路一要距離（有至少10m）后N線仍需接SPD。原因是：脈沖的傳輸速度很快，10m～100m的傳輸時(shí)間是μS級(jí)，而有些電子設(shè)備在μS時(shí)間內(nèi)就可能損壞，因此N線不能靠遠(yuǎn)處的（相對(duì)的）的接地來(lái)保護(hù)，需要接ns級(jí)SPD來(lái)保護(hù)。

5）SPD原理與上述介紹的避雷器基本一致，只是脈沖波產(chǎn)生的原因和使用的場(chǎng)合、方法、分類(lèi)有不同而已。

[1]范立礎(chǔ).橋梁工程[M].北京:人民交通出版社,2001.

[2]張俊平,周建賓.橋梁檢測(cè)與加固維修[M].北京:人民交通出版社，2006.

[3]中華人民共和國(guó)交通部標(biāo)準(zhǔn).公路舊橋承載能力鑒定方法（試行1988）.

[4]中華人民共和國(guó)交通部標(biāo)準(zhǔn).公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范（JTJ021-85）.

[5]中華人民共和國(guó)交通部標(biāo)準(zhǔn).公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范(TJ023-85).

[6]交通部.大跨徑混凝土橋梁的試驗(yàn)方法.北京:人民交通出版社,1982

10.3969/j.issn.1001-8972.2012.21.021