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摘 要:雷电是自然界最为壮观的大气现象之一，其强大的电流、炙热的高温、猛烈的冲击波以及强烈的电磁辐射等物理效应能够在瞬间产生巨大的破坏作用，常常导致人员伤亡，击毁建筑物、供配电系统、通信设备，造成计算机信息系统中断，引起火灾、燃烧甚至爆炸，威胁着人们的生命和财产安全。变电站发生雷击事故，将造成大面积的停电，会对电网形成较大的危害，这就要求防雷措施必须十分可靠。本文从雷电基础知识着手，重点分析变电站雷击原因、防雷原则及防雷措施。
关键词:变电站;雷电形成；雷击原因;防雷原则;防雷具体措施
一、雷电形成的三个基本条件及主要特点
雷电形成的三个基本条件：
1.空气中必须有足够的水汽；
2.有使潮湿水气强烈上升的气流；
3.有使潮湿空气上升凝结成水珠或冰晶的气象条件。
雷电的主要特点：
1.放电时间短，一般约50~100微秒，1微秒=10-6秒）。
2.冲击电流大，其电流可高达几万到几十万安培。
3.冲击电压高，强大的电流产生的交变磁场，其感应电压可高达万伏。
4.释放热能大，瞬间使局部空气温度升高到数千度以上。
5.产生冲击压力大，空气的压强可高达几十个大气压。因此雷电极具破坏力。
二、变电站遭受雷击的主要原因
变电站设备在正常运行时,电气设备的绝缘处于电网的额定电压作用之下,但是由于雷击的原因,供配电系统中某些部分的电压会大大超过正常状态下的数值,通常情况下变电站雷击有两种情况:一是雷直击于变电站的设备上;二是架空线路的雷电感应过电压和直击雷过电压形成的雷电波沿线路侵入变电站。
1.直击雷过电压。雷云直接击中电力装置时,形成强大的雷电流,雷电流在电力装置上产生较高的电压,雷电流通过物体时,将产生有破坏作用的热效应和机械效应。
2.感应过电压。当雷云在架空导线上方,由于静电感应,在架空导线上积聚了大量的异性束缚电荷,在雷云对大地放电时,线路上的电荷被释放,形成的自由电荷流向线路的两端,产生很高的过电压,此过电压会对电力网络造成危害。
因此,架空线路的雷电感应过电压和直击雷过电压形成的雷电波沿线路侵入变电站,是导致变电站雷害的主要原因,若不采取防护措施,势必造成变电站电气设备绝缘损坏,引发事故。
三、变电站防雷的原则
针对变电站的特点,其总的防雷原则是将绝大部分雷电流直接接闪引入地下泄散(外部保护);阻塞沿电源线或数据、信号线引入的过电压波(内部保护及过电压保护);限制被保护设备上浪涌过压幅值(过电压保护)。这三道防线,相互配合,各行其责,缺一不可。应从单纯一维防护(避雷针引雷入地———无源保护)转为三维防护(有源和无源防护),包括:防直击雷,防感应雷电波侵入,防雷电电磁感应等多方面系统加以分析。
1.外部防雷和内部防雷
避雷针或避雷带、避雷网引下线和接地系统构成外部防雷系统,主要是为了保护建筑物免受雷击引起火灾事故及人身安全事故;而内部防雷系统则是防止雷电和其它形式的过电压侵入设备中造成损坏,这是外部防雷系统无法保证的。为了实现内部防雷,需要对进出保护区的电缆,金属管道等都要连接防雷、及过压保护器,并实行等电位连接。
2.防雷等电位连接
为了彻底消除雷电引起的毁坏性的电位差,就特别需要实行等电位连接,电源线、信号线、金属管道等都要通过过电压保护器进行等电位连接,各个内层保护区的界面处同样要依此进行局部等电位连接,各个局部等电位连接棒互相连接,并最后与主等电位连接棒相连。
四、变电站防雷的具体措施
变电站遭受的雷击是下行雷,主要雷直击在变电站的电气设备上,或架空线路的感应雷过电压和直雷过电压形成的雷电波沿线路侵入变电站。因此,避免直击雷和雷电波对变电站进线及变压器产生破坏就成为变电站雷电防护的关键。
1.变电站装设避雷针对直击雷进行防护
架设避雷针是变电站防直击雷的常用措施,避雷针是防护电气设备、建筑物不受直接雷击的雷电接收器,其作用是把雷电吸引到避雷针身上并安全地将雷电流引入大地中,从而起到保护设备效果。变电站装设避雷针时应使所有设备都处于避雷针保护范围之内,此外,还应采取措施,防止雷击避雷针时的反击事故。对于35kV变电站,保护室外设备及架构安全,必须装有独立的避雷针。独立避雷针及其接地装置与被保护建筑物及电缆等金属物之间的距离不应小于五米,主接地网与独立避雷针的地下距离不能小于三米,独立避雷针的独立接地装置的引下线接地电阻不可大于10Ω,并需满足不发生反击事故的要求;对于110kV及以上的变电站,装设避雷针是直击雷防护的主要措施。由于此类电压等级配电装置的绝缘水平较高,可将避雷针直接装设在配电装置的架构上,同时避雷针与主接地网的地下连接点,沿接地体的长度应大于十五米。因此,雷击避雷针所产生的高电位不会造成电气设备的反击事故。
2.变电站的进线防护
要限制流经避雷器的雷电电流幅值和雷电波的陂度就必须对变电站进线实施保护。当线路上出现过电压时,将有行波导线向变电站运动,起幅值为线路绝缘的50%冲击闪络电压,线路的冲击耐压比变电站设备的冲击耐压要高很多。因此,在接近变电站的进线上加装避雷线是防雷的主要措施。
3.变电站对侵入波的防护
变电站对侵入波的防护的主要措施是在其进线上装设阀型避雷器。阀型避雷器的基本元件为火花间隙和非线性电阻。目前,SFZ系列阀型避雷器,主要有用来保护中等及大容量变电站的电气设备。FS系列阀型避雷器,主要用来保护小容量的配电装置。
4.变压器的防护
变压器的基本保护措施是在接近变压器处安装避雷器,这样可以防止线路侵入的雷电波损坏绝缘。 装设避雷器时,要尽量接近变压器,并尽量减少连线的长度,以便减少雷电电流在连接线上的压降。同时,避雷器的连线应与变压器的金属外壳及低压侧中性点连接在一起,这样就有效减少了雷电对变压器破坏的机会。变电站的每一组主母线和分段母线上都应装设阀式避雷器,用来保护变压器和电气设备。
5.变电站的防雷接地
变电站防雷保护满足要求以后,还要根据安全和工作接地的要求敷设一个统一的接地网,然后避雷针和避雷器下面增加接地体以满足防雷的要求,或者在防雷装置下敷设单独的接地体。变电站电气装置的接地装置采用水平接地极为主的人工接地网,水平接地极采用扁钢50mm×5mm,垂直接地极采用角钢50mm×5mm,垂直接地极间距5m～6m,主接地网接地装置电阻不大于4Ω,主接地网埋于冻土层1m以下。人工接地网的外缘应闭合,外缘各角应做成圆弧形。
6.变电站防雷感应
采取防雷感应保护的措施主要有:多分支接地引线,减少引线雷电流;改善汇流系统的结构,减少引下线对弱电设备的感应;除了在电源入口装设处压敏电阻等限制过压装置外,还可在信号线接入处使用光耦元件;所有进出控制室的电缆均采用屏蔽电缆,屏蔽层共用一个接地极;在控制室和通信室铺设等电位,所有电气设备的外壳均与等电位汇流牌连接。
结束语:变电站防雷设施是否完善可靠，关系到电力系统安全稳定运行，关系到社会生产和人民生活、生命财产的用电安全，如果发生雷击事故,将造成大面积的停电,会对人民的生命财产及社会稳定带来严重影响。因此要求变电站的防雷措施必须十分可靠。
关键词:变电站;雷电形成；雷击原因;防雷原则;防雷具体措施
一、雷电形成的三个基本条件及主要特点
雷电形成的三个基本条件：
1.空气中必须有足够的水汽；
2.有使潮湿水气强烈上升的气流；
3.有使潮湿空气上升凝结成水珠或冰晶的气象条件。
雷电的主要特点：
1.放电时间短，一般约50~100微秒，1微秒=10-6秒）。
2.冲击电流大，其电流可高达几万到几十万安培。
3.冲击电压高，强大的电流产生的交变磁场，其感应电压可高达万伏。
4.释放热能大，瞬间使局部空气温度升高到数千度以上。
5.产生冲击压力大，空气的压强可高达几十个大气压。因此雷电极具破坏力。
二、变电站遭受雷击的主要原因
变电站设备在正常运行时,电气设备的绝缘处于电网的额定电压作用之下,但是由于雷击的原因,供配电系统中某些部分的电压会大大超过正常状态下的数值,通常情况下变电站雷击有两种情况:一是雷直击于变电站的设备上;二是架空线路的雷电感应过电压和直击雷过电压形成的雷电波沿线路侵入变电站。
1.直击雷过电压。雷云直接击中电力装置时,形成强大的雷电流,雷电流在电力装置上产生较高的电压,雷电流通过物体时,将产生有破坏作用的热效应和机械效应。
2.感应过电压。当雷云在架空导线上方,由于静电感应,在架空导线上积聚了大量的异性束缚电荷,在雷云对大地放电时,线路上的电荷被释放,形成的自由电荷流向线路的两端,产生很高的过电压,此过电压会对电力网络造成危害。
因此,架空线路的雷电感应过电压和直击雷过电压形成的雷电波沿线路侵入变电站,是导致变电站雷害的主要原因,若不采取防护措施,势必造成变电站电气设备绝缘损坏,引发事故。
三、变电站防雷的原则
针对变电站的特点,其总的防雷原则是将绝大部分雷电流直接接闪引入地下泄散(外部保护);阻塞沿电源线或数据、信号线引入的过电压波(内部保护及过电压保护);限制被保护设备上浪涌过压幅值(过电压保护)。这三道防线,相互配合,各行其责,缺一不可。应从单纯一维防护(避雷针引雷入地———无源保护)转为三维防护(有源和无源防护),包括:防直击雷,防感应雷电波侵入,防雷电电磁感应等多方面系统加以分析。
1.外部防雷和内部防雷
避雷针或避雷带、避雷网引下线和接地系统构成外部防雷系统,主要是为了保护建筑物免受雷击引起火灾事故及人身安全事故;而内部防雷系统则是防止雷电和其它形式的过电压侵入设备中造成损坏,这是外部防雷系统无法保证的。为了实现内部防雷,需要对进出保护区的电缆,金属管道等都要连接防雷、及过压保护器,并实行等电位连接。
2.防雷等电位连接
为了彻底消除雷电引起的毁坏性的电位差,就特别需要实行等电位连接,电源线、信号线、金属管道等都要通过过电压保护器进行等电位连接,各个内层保护区的界面处同样要依此进行局部等电位连接,各个局部等电位连接棒互相连接,并最后与主等电位连接棒相连。
四、变电站防雷的具体措施
变电站遭受的雷击是下行雷,主要雷直击在变电站的电气设备上,或架空线路的感应雷过电压和直雷过电压形成的雷电波沿线路侵入变电站。因此,避免直击雷和雷电波对变电站进线及变压器产生破坏就成为变电站雷电防护的关键。
1.变电站装设避雷针对直击雷进行防护
架设避雷针是变电站防直击雷的常用措施,避雷针是防护电气设备、建筑物不受直接雷击的雷电接收器,其作用是把雷电吸引到避雷针身上并安全地将雷电流引入大地中,从而起到保护设备效果。变电站装设避雷针时应使所有设备都处于避雷针保护范围之内,此外,还应采取措施,防止雷击避雷针时的反击事故。对于35kV变电站,保护室外设备及架构安全,必须装有独立的避雷针。独立避雷针及其接地装置与被保护建筑物及电缆等金属物之间的距离不应小于五米,主接地网与独立避雷针的地下距离不能小于三米,独立避雷针的独立接地装置的引下线接地电阻不可大于10Ω,并需满足不发生反击事故的要求;对于110kV及以上的变电站,装设避雷针是直击雷防护的主要措施。由于此类电压等级配电装置的绝缘水平较高,可将避雷针直接装设在配电装置的架构上,同时避雷针与主接地网的地下连接点,沿接地体的长度应大于十五米。因此,雷击避雷针所产生的高电位不会造成电气设备的反击事故。
2.变电站的进线防护
要限制流经避雷器的雷电电流幅值和雷电波的陂度就必须对变电站进线实施保护。当线路上出现过电压时,将有行波导线向变电站运动,起幅值为线路绝缘的50%冲击闪络电压,线路的冲击耐压比变电站设备的冲击耐压要高很多。因此,在接近变电站的进线上加装避雷线是防雷的主要措施。
3.变电站对侵入波的防护
变电站对侵入波的防护的主要措施是在其进线上装设阀型避雷器。阀型避雷器的基本元件为火花间隙和非线性电阻。目前,SFZ系列阀型避雷器,主要有用来保护中等及大容量变电站的电气设备。FS系列阀型避雷器,主要用来保护小容量的配电装置。
4.变压器的防护
变压器的基本保护措施是在接近变压器处安装避雷器,这样可以防止线路侵入的雷电波损坏绝缘。 装设避雷器时,要尽量接近变压器,并尽量减少连线的长度,以便减少雷电电流在连接线上的压降。同时,避雷器的连线应与变压器的金属外壳及低压侧中性点连接在一起,这样就有效减少了雷电对变压器破坏的机会。变电站的每一组主母线和分段母线上都应装设阀式避雷器,用来保护变压器和电气设备。
5.变电站的防雷接地
变电站防雷保护满足要求以后,还要根据安全和工作接地的要求敷设一个统一的接地网,然后避雷针和避雷器下面增加接地体以满足防雷的要求,或者在防雷装置下敷设单独的接地体。变电站电气装置的接地装置采用水平接地极为主的人工接地网,水平接地极采用扁钢50mm×5mm,垂直接地极采用角钢50mm×5mm,垂直接地极间距5m～6m,主接地网接地装置电阻不大于4Ω,主接地网埋于冻土层1m以下。人工接地网的外缘应闭合,外缘各角应做成圆弧形。
6.变电站防雷感应
采取防雷感应保护的措施主要有:多分支接地引线,减少引线雷电流;改善汇流系统的结构,减少引下线对弱电设备的感应;除了在电源入口装设处压敏电阻等限制过压装置外,还可在信号线接入处使用光耦元件;所有进出控制室的电缆均采用屏蔽电缆,屏蔽层共用一个接地极;在控制室和通信室铺设等电位,所有电气设备的外壳均与等电位汇流牌连接。
结束语:变电站防雷设施是否完善可靠，关系到电力系统安全稳定运行，关系到社会生产和人民生活、生命财产的用电安全，如果发生雷击事故,将造成大面积的停电,会对人民的生命财产及社会稳定带来严重影响。因此要求变电站的防雷措施必须十分可靠。