戴麗君, 成明華

(1.南京鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院鐵道供電系，江蘇 南京 210031；2.上海鐵路局南京供電段，江蘇 南京 210015)

變電所防雷綜合技術(shù)研究

戴麗君1, 成明華2

(1.南京鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院鐵道供電系，江蘇 南京 210031；2.上海鐵路局南京供電段，江蘇 南京 210015)

變電所在電力供電系統(tǒng)中飾演著重要角色。如果一旦發(fā)生雷閃情況，會對使變壓器等主要電氣設(shè)備造成損壞，導(dǎo)致大面積停電；同時伴隨雷擊產(chǎn)生的雷電波過電壓沿架空線路侵入變電所，也可能損壞變電所內(nèi)電氣設(shè)備，引發(fā)更嚴(yán)重的事故。重點針對變電所防雷綜合技術(shù)策略進行研究探討，分析變電所防雷綜合技術(shù)需重點解決的關(guān)鍵問題，結(jié)合工程實例，總結(jié)提出行之有效的變電所防雷綜合技術(shù)對策。

變電所；雷電過電壓；防雷設(shè)施；對策；措施

0 引 言

雷電對人類活動有著重要的影響，雷電造成的自然災(zāi)害，對供電系統(tǒng)也有著很大的影響，一旦有雷閃事故發(fā)生，往往會造成變壓器等關(guān)鍵設(shè)備的損壞或者燒毀，繼而發(fā)生停電事故，這將造成重大的經(jīng)濟損失，對日常生活產(chǎn)生巨大的影響，因此要求我們做好變電所的雷電防護。

雷擊導(dǎo)致的變電所事故主要分為兩種：第一種是變電所的設(shè)備或者帶電導(dǎo)體遭到直接雷擊；第二種是雷電波通過連接變電所的金屬導(dǎo)體線路傳入變電所。[1]

通常情況，為降低線路部分遭閃電擊中的概率，往往將線路絕緣做得較高。這就導(dǎo)致了一旦有雷電波侵入，幅值必然很大，直接影響到變電所的運轉(zhuǎn)，這就要求對變電所采取嚴(yán)格的保護措施，以防止變電所設(shè)備絕緣被損壞。故而在變電所設(shè)置雷電波防護是非常必要的任務(wù)：其主要手段是在變電所內(nèi)裝設(shè)閥型避雷器或氧化鋅避雷器，同時要采取相應(yīng)方案降低雷電入侵波的陡度，限制流過閥型避雷器電流。下面對防雷技術(shù)進行綜合分析，并歸納提煉出工程上可實施性強，性價比高的綜合防雷措施。

1 變電所雷電過電壓的分類

不同電氣設(shè)備都有額定電壓要求，所以在制造時都有相應(yīng)的絕緣強度，當(dāng)設(shè)備遭受雷電過電壓,超過絕緣強度時，電氣設(shè)備的絕緣被擊穿，設(shè)備損壞，發(fā)生故障或事故。

變電所雷電過電壓主要有兩個途徑，首先是變電所遭閃電的直接擊中，另外是輸電線路被雷擊后產(chǎn)生的雷電過電壓沿線路金屬導(dǎo)體侵入變電所。

雷電過電壓種類可分為：直接雷電過電壓和感應(yīng)雷電過電壓。直擊雷電過電壓是雷云直接向室外架空輸電線和電氣設(shè)備放電產(chǎn)生的，其對變電所內(nèi)的設(shè)備危害很大。感應(yīng)雷電過電壓則因雷擊發(fā)生時的電磁感應(yīng)現(xiàn)象形成[2]。

2 變電所常用防雷設(shè)施

變電所的常用防雷設(shè)施，主要有避雷網(wǎng)、避雷針、避雷線和避雷器等。防雷裝置主要經(jīng)過引下線與大地相連，必須充分接地，其接地電阻要求小于等于10 Ω，有條件時應(yīng)盡可能做到更小，以保證接地效果，充分利用大地是無限大電容，可無限收納雷電能量。

2.1 避雷針

當(dāng)雷雨天氣時，避雷針通過與雷電云感應(yīng)出大量電荷，其尖端大量電荷集聚，這時帶電云和避雷針之間形成一個天然的電容器。由于避雷器尖端面積極小，電容兩級正對面積小，電容就很小。所以當(dāng)帶電云上電荷越多，他們之間的空氣間隙就越容易被擊穿。而良好的接地，就使雷電流在他們之間形成了通路，順利被釋放到大地之中，從而使建筑物避免了直擊雷的電擊，起到了保護建筑物的作用。

避雷針對周邊人員和設(shè)備的保護區(qū)域為一立體空間，因此常用避雷針對直擊雷的保護區(qū)域來顯示其保護范圍，一般情況下，以避雷針作為軸線畫出圓錐體，其可保護的范圍[3]，如圖1所示。

圖1 避雷針的保護范圍圖

2.2 避雷線

避雷線設(shè)置的位置比被保護物要高，可對直擊雷實現(xiàn)防護。在雷電先導(dǎo)階段時，避雷線的頂部會聚積大量電荷，由于避雷線屏蔽和迎面先導(dǎo)作用，位置較低的被保護物遭受雷擊的概率大大降低(防護效果可達99.5%-99.9%)。工程實踐上的經(jīng)驗是：由于雷擊避雷線之時，強大的雷擊電流與引流線電抗、接地電阻會共同作用，會產(chǎn)生很高電壓，將引起空中絕緣物體、或地面上保護物體反擊，所以工程上均要求避雷線的阻抗要非常低，這是保障防護效果的重要影響因素。

與城市電網(wǎng)供電系統(tǒng)類似，鐵路和城軌交通的高架線路，其牽引供電系統(tǒng)中的接觸網(wǎng)也往往采用架空地線兼做避雷線的形式對變電所和沿線設(shè)備進行防護，架空地線一般沿線路架設(shè)，位于線路最上方，高于接觸網(wǎng)的帶電體，上下行各架設(shè)一根架空地線，也充當(dāng)避雷線的作用。

圖2 單根避雷線的保護范圍

避雷線為保證其防護區(qū)域內(nèi)的被保護物不被雷電擊中，其保護范圍由仿真實驗和工程經(jīng)驗共同確定。同時，考慮到雷電放電路徑會被一些不確定因素干擾，所以很難確保被保護物完全免遭閃電擊中。避雷線的保護范圍如圖2所示。

避雷線的保護范圍可以采用保護角來表示，其值越低，線路受雷電直擊的幾率越低，防護水平也更高。

2.3 避雷器

變電所中的供電設(shè)施防雷電使用最多、性價比最高的是避雷器。避雷器連接于帶電設(shè)備或?qū)Ь€和大地之間或者并聯(lián)在要保護的各種設(shè)備上。[5]避雷器通過將雷電引入大地或者釋放由于各種原因形成的過電壓，從而起到保護作用。

避雷器通過非線性電阻或放電間隙對侵入的雷電波造成減幅，達到減小被保護設(shè)備所受的電壓值的效果，從而保護電力設(shè)備。它的獨特優(yōu)勢在于能及時地開斷續(xù)流，不會引起供電系統(tǒng)短路故障。避雷器設(shè)有整定值，一旦電壓升至這一規(guī)定值，避雷器將快速動作使電路導(dǎo)通，從而達到限制過電壓，保護變電所內(nèi)設(shè)備絕緣的目的。當(dāng)電壓穩(wěn)定之后，避雷器立即回到原來狀態(tài)，確保變電所運行。

2.4 保護間隙

保護間隙具有結(jié)構(gòu)簡單、維修方便的特點，但其滅弧能力弱，保護動作不靈敏，易造成短路接地故障。為了提高其可靠性，通常和自動重合閘共同配合。

為了保護電力變壓器，通常在高壓熔斷器的內(nèi)側(cè)安裝角型保護間隙，這樣間隙被擊穿后，熔斷器快速熔斷，切斷故障回路，縮小停電范圍。

3 變電所綜合防雷對策和措施研究

3.1 變電所直擊雷防護-裝設(shè)避雷針

根據(jù)上文分析的防護原理，避雷針預(yù)防直擊雷的效果較好，其布局主要考慮以下因素：

一是避雷針的保護范圍要足夠大，根據(jù)變電所平面布局計算避雷針的高度和設(shè)置位置是比較常規(guī)的工程方法，能將被保護設(shè)備裝設(shè)在保護范圍內(nèi)，特別是最后一檔進線，一定要包括在內(nèi)。

二是避雷針的裝設(shè)需要考慮，當(dāng)避雷針遭受雷擊，會引起對地電位升高，這就要防止被保護設(shè)備遭受反擊的因素。

這里簡要分析一下有關(guān)避雷針的反擊現(xiàn)象。雷電流iL經(jīng)過避雷針及其接地裝置如圖3時，在避雷針上高為h處(A點)，將產(chǎn)生高電位ua，避雷針接地裝置上電位為ue，[4]則有:

(1)

ue=iLRch

(2)

其中Rch—避雷針的沖擊接地電阻；

圖3 獨立避雷針和配電構(gòu)架之間的距離

避雷針和被保護設(shè)備或構(gòu)架之間存在空氣間隙Sa(如圖3所示)，為防止因其被擊穿釀成的反擊事故，需令Sa滿足一定長度，如果令空氣的沖擊放電電壓為500 kV/m，則Sa應(yīng)滿足下式要求:

Sa≥0.3Ri+0.1h

(3)

同理，為保證泥土里避雷針接地裝置與被保護設(shè)備接地裝置之間的間隙Se不被擊穿，Se應(yīng)滿足下式:

Se≥0.3Ri

(4)

此處假設(shè)土壤沖擊放電電壓為500 kV/m。在一般情況下Sa不應(yīng)小于5 m，Se不應(yīng)小于3m。[5]

可見實際工程中，避雷針至其保護的供配電構(gòu)架應(yīng)保證一定的距離，以利于抵抗雷電反擊。

三是注意選擇適宜的避雷針安裝形式。

(1)獨立避雷針：用于35 kV以下系統(tǒng)(此類設(shè)備絕緣水平較差，易發(fā)生反擊)。

(2)構(gòu)架避雷針：用于110 kV以上系統(tǒng)(此類設(shè)備絕緣水平較好，難以造成反擊).

城市電網(wǎng)中及電氣化鐵路和軌道交通主變電所的電壓等級多在110 kV之上，可在配電裝置的構(gòu)架之上設(shè)置避雷針?？紤]到此類電氣設(shè)備絕緣程度較好，閃電直接擊中避雷針時，雖然構(gòu)架上電位較高，但不至造成反擊事故。配電構(gòu)架還需要配置輔助接地，其和變電所地網(wǎng)的連接點需離主變接地裝置與變電所地網(wǎng)的連接點15 m以上。目的是讓閃電擊中避雷針時，避雷針上的高電位，在沿著接地網(wǎng)向變壓器接地點移動過程中被不斷削弱，在其到達變壓器時，不會導(dǎo)致變壓器反擊事故?？紤]到變壓器絕緣水平不高，而且還是變電所中的最關(guān)鍵設(shè)備，因此其門型構(gòu)架上不安裝避雷針。

關(guān)于線路終端桿上的避雷針能否與變電所構(gòu)架相連的問題，也可按上述裝設(shè)避雷針的原則來處理，一般110 kV及以上的變電所允許相連，35 kV及以下的變電所一般不允許相連。

3.2 變電所的進線側(cè)防護-裝設(shè)避雷線

為了降低通過設(shè)置于變電所的避雷器的雷電流的大小、削弱入侵波的陡度，變電所需采用進線保護?？梢圆捎镁植窟M線保護或全線均保護兩種形式。

線路產(chǎn)生過電壓時，流向變電所的入侵波會沿著導(dǎo)線移動，幅值等于線路絕緣的50%放電電壓。線路的沖擊耐壓比變電所的沖擊耐壓要高得多，如表1所示。

表1 不同額定電壓的線路與變壓器的沖擊強度kV

如果變電所進線段沒有安裝避雷線，當(dāng)閃電擊中變電所附近進線時，沿線路入侵通過避雷器的電流較高，且其陡度或高于允許值，故而在進線段附近，必須設(shè)置避雷線。

進線段裝設(shè)避雷線后，進線段附近產(chǎn)生雷電波的概率明顯降低，保證雷電波只能在進線段以外產(chǎn)生。變電所的進線保護區(qū)域一般設(shè)定1～2 km，如圖4所示。

變電所進線段裝有避雷線具備很強的耐雷能力，在各種電壓等級下，進線段耐雷水平規(guī)定如表2所示。

表2 進線段線路的耐雷水平

最嚴(yán)重的情況是母線只有一條線路，入侵的雷電波幅值被線路絕緣放電限制，其最大幅值可設(shè)為線路絕緣的50%沖擊電壓U50%。入侵波在l～2 km的進線段上，往返時間為2i/v=6.7～1.33 μs。由于入侵波波頭很短，所以避雷器動作后所造成的負反射波可返回到被擊中點，在該點的反射波通過避雷器的最大電流Ibm由式(5)計算：

2U50%=IbmZ+Ubm

(5)

圖4 變電所的進線保護

式(5)中Z為進線段導(dǎo)線的波阻抗，對于35～220 kV的線路設(shè)Z=400 Ω，對于330 kV線路設(shè)Z=300 Ω；Ubm為避雷器的殘壓最大值，根據(jù)其電氣特性可知：對于電壓低于220 kV的避雷器，用5 kA下的殘壓；330 kV時用10 kA下的殘壓；[6]將上述數(shù)值代入式(5)即能算出不同等級的Ibm，如表3所示。

表3 不同等級電壓線路雷電流的幅值

根據(jù)表3數(shù)據(jù)，l～2 km長度進線段，即可達到將通過避雷器的雷電流控制在5 kA(或10 kA)之下的目的。

最不利的情形是落雷擊中進線段首端，同時入侵波的幅值等于線路的50%沖擊電壓，并存在直角波頭。此電壓值大于導(dǎo)線臨界電暈電壓，由于入侵波影響，導(dǎo)線會產(chǎn)生電暈。由于電暈要消耗能量，可對入侵波造成衰減與變形，所以直角波頭的雷電波入侵變電所時，波形會變緩。

進線側(cè)電壓為110 kV或者220 kV的系統(tǒng)有著很高的絕緣水平，這些線路絕緣子串的沖擊電壓也很高，如果一旦進線端發(fā)生雷電波入侵，由于較高雷電波幅值，將會損壞所內(nèi)的電氣設(shè)備。為了保證變電所正常運行，就必須降低雷電波的坡度和幅值，使其小于設(shè)備絕緣的擊穿電壓。這也成為變電所防雷方面的難點。

為了解決這一問題，就要安裝避雷針，要求裝設(shè)高度要足夠高并且有良好有效的接地，從而保證變電所外漏、帶電的絕緣部分與避雷器可靠連接，只有這樣電氣設(shè)備才能維持正常運行狀態(tài)。

此外，根據(jù)運行經(jīng)驗證明，在重雷區(qū)，甚至在雷雨季中常合閘的斷路器，也宜裝設(shè)氧化鋅避雷器，因為一次雷擊引起斷路器跳閘后，可能發(fā)生連續(xù)雷擊，致使已跳閘的斷路器閃絡(luò)。

3.3 變壓器防護-避雷器最有效

1)雙繞組變壓器的防雷保護

雙繞組變壓器工作時，高低壓側(cè)均為閉合回路，因此可在高低壓側(cè)設(shè)置避雷器，一但有雷電波入侵，立刻導(dǎo)通接地，切斷回路，高電壓感應(yīng)到另一側(cè)也不會擊穿繞組，因此無需加裝其他保護措施。

2)三繞組變壓器的防雷保護

110 kV以上的變電所采用的變壓器具有高壓、中壓、低壓三個繞組。雷電波入侵高壓側(cè)時，由于繞組間存在電磁與靜電耦合，低壓側(cè)絕緣存在隱患。常見的情況是，三繞組變壓器正常運行，低壓側(cè)為開路狀態(tài)，當(dāng)高中壓側(cè)遭受雷電波入侵時，由于低壓側(cè)絕緣性能較差，容易被擊穿，因此要在任一相低壓繞組的直接出口處均架設(shè)一臺對地的避雷器 ；當(dāng)然，中壓繞組也存在開路的可能性，不過因自身絕緣較好，多數(shù)不設(shè)置其他保護措施。

圖5 AT變壓器的防雷保護接線圖

3)電氣化鐵路使用的AT供電，其自耦變壓器除有高、中壓自耦繞組外，還采用三角形連接的低壓非自耦繞組，使零序阻抗降低并優(yōu)化電壓波形。在低壓非自耦繞組上，為降低由靜電感應(yīng)產(chǎn)生的電壓需裝一臺避雷器。此外，當(dāng)雷電波從高、中壓繞組的一側(cè)侵入而另一側(cè)開路時，將在開路側(cè)出現(xiàn)過電壓。因此，需要將避雷器設(shè)置于AT變壓器和斷路器中間的兩個自耦繞組出線上。如圖5所示。

3.4 變壓器中性點的防雷保護

1)中性點絕緣水平

中性點絕緣水平有兩種：全絕緣和分級絕緣，當(dāng)相間絕緣水平與中性點相等時，稱之為全絕緣，一般在60 kV及其以下的變壓器采用；凡相間絕緣高于中性點的，稱之為分級絕緣，其多用于110 kV及其以上的變壓器。

2)不同電壓等級的中性點保護

電壓不超過60 kV的電網(wǎng)額定電壓較低，因此線路絕緣性能較低，變壓器一般采用中性點間接接地的方式；另外35 kV及以下的線路又不架避雷線。因此理論上有雷電波入侵的可能，但依據(jù)實際應(yīng)用情況來說，每百臺遭受雷電的概率只有0.38次，實際上是可以接受的。由于以下幾方面的原因，導(dǎo)致35～60 kV遭雷電波入侵較少：

(1)三相同時遭入侵的概率很低；

(2)避雷器實際安裝位置距變壓器的距離比設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)更??；

(3)大多雷電波從線路遠處入侵，其陡度很?。?/p>

(4)變壓器絕緣有一定的預(yù)留；

(5)流經(jīng)避雷器的雷電流不超過5 kA，多在1.4～2.0 kA的范圍內(nèi)；

(6)由于變電所多條進線，將來自一條線的雷電流分流，這就大大減小雷電流。

所以我國的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，36～60 kV的變壓器，其中性點大多不加裝保護。

于中性點處裝設(shè)金屬氧化物避雷器或閥型避雷器多用于單路進線、中性點非直接接地、多雷區(qū)的變電所。高壓電網(wǎng)(110 kV以上)多數(shù)采用中性點直接接地的方式，但也有一些變壓器不接地，而在中心點加裝避雷器，這樣就可以實現(xiàn)繼電保護。由于單進線的變電所只有一臺變壓器工作，因此中心點需加裝避雷器，必須同時滿足下列條件：

(1)為了預(yù)防避雷器發(fā)生爆炸，要使電網(wǎng)單相接地時造成的中性點電位的上升穩(wěn)態(tài)值低于避雷器的熄弧電壓；

(2)其沖擊放電時的電壓不超過中性點沖擊絕緣水平；

(3)為了確保繼電保護準(zhǔn)確動作，由電網(wǎng)單相接地上升的中性點電位的暫態(tài)最大值應(yīng)低于保護間隙的放電電壓。

3.5 饋線防護

饋線將變電所的電能輸送到電網(wǎng)。在饋線出口處裝設(shè)獨立的避雷針的目的是避免強雷區(qū)變電所出線口附近的饋線或電網(wǎng)被雷擊而引起的幅值和陡度較高的雷電波侵入變電所。

為實現(xiàn)對變電所設(shè)備的防雷保護，不僅可在饋線上加裝避雷器，還可采用電容器組加避雷器、抗雷線圈加避雷器、單芯電纜加保護間隙等接線方式。

4 結(jié)束語

(1)變電所防雷意義重大

變電所是供電系統(tǒng)最重要的核心設(shè)施，決定了供電的安全可靠性，必須得到可靠地保護；變電所直接和輸饋電線路以及架空地線相連接，受雷擊的概率大；雷電侵入波一般有著較大的幅值，超過了變電所中電氣設(shè)備承受能力，就會導(dǎo)致設(shè)備被擊穿、損壞，發(fā)生供電中斷，對社會生產(chǎn)生活產(chǎn)生嚴(yán)重影響，同時造成經(jīng)濟損失，所以變電所防雷保護意義重大。

(2)因地制宜采取合適的防雷措施

避雷針、避雷線(避雷帶、避雷網(wǎng))、避雷器等常規(guī)防雷設(shè)施均有其不同的防雷特性，也有各自適應(yīng)的場所，具體可根據(jù)需求，結(jié)合周邊環(huán)境采取相應(yīng)的或綜合的措施。

(3)重視周邊環(huán)境對防雷效果的影響

周邊環(huán)境對防雷措施及效果影響較大。例如：鐵路或城市軌道交通高架線路位于高壓輸電線路附近時，將因輸電線路形成的天然屏障，利于防雷，可相應(yīng)核減軌道交通自身的防雷設(shè)施。

(4)接地電阻對防雷效果的影響顯著

接地的安全可靠、接地電阻的大小及穩(wěn)定程度，對防雷效果非常敏感，接地與防雷反擊也有著密切的聯(lián)系，強弱電共用的綜合接地體需要將強弱電的接地位置分開設(shè)置，以策安全。因此應(yīng)在工程中積極采取措施，設(shè)置性能穩(wěn)定、耐久、可靠的接地設(shè)施。

[1] 周澤存，沈其工．高電壓技術(shù)[M].北京：中國電力出版社，2004.

[2] 張一塵．高電壓技術(shù)[M]．北京：中國電力出版社，2007.

[3] 周啟龍,劉恒赤．高電壓技術(shù)[M]．北京：中國水利水電出版社,2004.

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[5] 趙賢龍,馮鍇.淺析變電所的雷害及保護措施[J].科技資訊,2006,3(21):28.

[6] 戈東方，鐘大文．電力工程電氣設(shè)計手冊[Z]．北京：水利電力出版社，1989.

Comprehensive Technology Study of Substation Lightning Protection

Dai Lijun1, Cheng Minghua2

(1.Department of Railway Power Supply, Nanjing Institute of Railway Technology, Nanjing Jiangsu 210031, China;2. Nanjing Power Supply Section, Shanghai Railway Bureau, Nanjing Jiangsu 210015, China)

Substations play an important role in the power supply system. Should lightning occur, it will damage main electrical equipment such as transformer, resulting in large-scale outage. Furthermore, lightening overvoltage occurring along with thunder will intrude substations along overhead lines and would possibly damage electrical equipment of the substations, triggering even more serious accidents. This paper focuses on comprehensive lightning protection technology for substations and analyzes key problems to be solved in this respect. Through project examples, this paper summarizes effective countermeasures for lightning protection of substations.

substation;lightning overvoltage;lightning protection facility;countermeasure; measure

10.3969/j.issn.1000-3886.2017.04.022

TM764.2

A

1000-3886(2017)04-0074-04

定稿日期: 2016-11-01

戴麗君(1967-)，女，南京人，南京鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院電力工程學(xué)院鐵道供電系副教授。 成明華(1967-)，男，南京人，上海鐵路局南京供電段高工。