李友根

（中國(guó)能源建設(shè)集團(tuán)湖南火電建設(shè)有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410015）

0 引 言

雷電是自然中令人恐怖的氣體放電現(xiàn)象。18世紀(jì)，富蘭克林首次闡述了避雷針的原理，提出了雷電是大氣中火花放電的物理本質(zhì)。雷電放電對(duì)現(xiàn)代航空、電力等領(lǐng)域有很大影響，使得人們開(kāi)始加強(qiáng)對(duì)雷電防護(hù)技術(shù)的研究。變電站發(fā)生雷擊事故會(huì)對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生較大危害，造成大量經(jīng)濟(jì)損失。電力變電站實(shí)現(xiàn)綜合自動(dòng)化提高了變電站的防雷能力，為供電部門(mén)提供經(jīng)濟(jì)安全的電能創(chuàng)造了條件。在變電站設(shè)計(jì)中保護(hù)變電站設(shè)備安全，能最大程度減少雷擊事故發(fā)生。

1 相關(guān)研究

雷電災(zāi)害是嚴(yán)重的自然災(zāi)害，全球每年因雷擊都會(huì)造成大量的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。美國(guó)雷電安全研究所的相關(guān)調(diào)查顯示，美國(guó)每年因雷擊造成的損失約50億美元。我國(guó)是雷電活動(dòng)頻繁的國(guó)家，每年因雷擊造成人員傷亡的人員達(dá)4 000人。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和科技現(xiàn)代化發(fā)展，雷電災(zāi)害造成的經(jīng)濟(jì)損失和社會(huì)影響不斷擴(kuò)大。

19世紀(jì)70年代是電力網(wǎng)發(fā)展的初期階段，80年代末電力網(wǎng)采用導(dǎo)雷器電話保護(hù)裝置，20世紀(jì)30年代發(fā)展成去游離避雷器。電力系統(tǒng)的迅速發(fā)展，使避雷設(shè)施技術(shù)不斷提高。1907年美國(guó)出現(xiàn)了鋁電解避雷器，1929年美國(guó)制造出齊德特閥型避雷器，大大降低了系統(tǒng)雷擊損壞率。近年來(lái)，電子設(shè)備的廣泛應(yīng)用，促使人們重視防雷技術(shù)的研究，防雷技術(shù)手段不斷提升。

2 變電站高壓電力裝置防雷技術(shù)

建筑物的防雷設(shè)計(jì)要因地制宜采取防雷措施，做到安全可靠、技術(shù)先進(jìn)，以減少雷擊建筑物而發(fā)生的人身傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。要認(rèn)真調(diào)查被保護(hù)區(qū)周?chē)乩?、土壤、氣象等條件，研究防雷裝置的形式和布置。

雷電具有強(qiáng)大的破壞能力。雷電流幅值指被擊中物體雷電流的最大值，是產(chǎn)生雷電過(guò)電壓的根源，表示雷電強(qiáng)度的指標(biāo)。雷電流對(duì)電氣設(shè)備絕緣的危險(xiǎn)系數(shù)與雷電流波頭陡度有關(guān)。雷暴日表征不同地區(qū)的雷電活動(dòng)頻繁程度。少雷區(qū)為年平均雷暴日在20天以下的地區(qū)。高雷區(qū)為40天地區(qū)，強(qiáng)雷區(qū)為超60天以上的地區(qū)。

雷電直擊在物體上產(chǎn)生電磁效應(yīng)，對(duì)物體造成危害的現(xiàn)象為直擊雷。直擊雷可產(chǎn)生達(dá)數(shù)十萬(wàn)伏的過(guò)電壓幅值，是普通電壓等級(jí)電力設(shè)備絕緣不可耐受的。防護(hù)直擊雷常用的措施為裝設(shè)避雷針。避雷針是接地導(dǎo)電物，作用是將吸引的雷電導(dǎo)入地中。一般設(shè)置在高于被保護(hù)物體處，在雷云電場(chǎng)作用下，尖端電場(chǎng)強(qiáng)度大于空氣電力場(chǎng)強(qiáng)，與雷云雷電先驅(qū)相遇形成雷擊。

在一定高度的避雷針下，有一處安全區(qū)為避雷安全區(qū)，不能保證被保護(hù)物絕對(duì)不受直接雷擊。工程中多采用兩根以上避雷針擴(kuò)大保護(hù)范圍，兩針聯(lián)合屏蔽作用使中間部門(mén)保護(hù)范圍較單針大。兩針間距與針高比應(yīng)小于5。

避雷線即掛在高空的接地導(dǎo)線，引雷作用與保護(hù)寬度較避雷針小，適合保護(hù)架空線路，可編成防雷保護(hù)網(wǎng)保護(hù)重要的建筑物。避雷線保護(hù)范圍與數(shù)量、高度、架設(shè)位置等有關(guān)。

避雷針裝設(shè)分為獨(dú)立避雷針和構(gòu)架避雷針。首要考慮配電裝置電壓等級(jí)等情況進(jìn)行選型安裝。不同的電壓等級(jí)配電裝置絕緣水平不同，35 kV以下的變電站不允許將避雷針裝設(shè)在配電架構(gòu)上，接地電阻一般不超過(guò)10 Ω，土壤電阻率高地區(qū)應(yīng)裝設(shè)獨(dú)立避雷針。

裝設(shè)避雷針構(gòu)架應(yīng)就近裝設(shè)輔助接地裝置，發(fā)生雷擊時(shí)，避雷針接地裝置產(chǎn)生高電位向變壓器接地點(diǎn)傳播逐漸衰弱[1]。通過(guò)在建筑物上裝設(shè)避雷網(wǎng)及其混合組成的接閃器，亦可有效防止建筑物直擊雷危害。避雷網(wǎng)應(yīng)沿屋頂四周等易受雷擊部位設(shè)置，網(wǎng)格要求小于100 m2。避雷針要用避雷帶相互連接，可沿建筑物四周均勻布置避雷帶引下線。若利用建筑物四周柱子鋼筋為引下線，平均間距應(yīng)按跨度設(shè)置。

避雷針可防止雷擊，但被保護(hù)電氣設(shè)備仍可能存在雷擊過(guò)電壓造成的損壞。雷擊線路附近大地將輸電線路產(chǎn)生過(guò)電壓，以波形形式沿線路傳入變電站，需按照避雷器保護(hù)裝置限制危害電氣設(shè)備絕緣過(guò)電壓。

避雷器是一種并聯(lián)在被保護(hù)設(shè)備附近的放電器，擊穿電壓比被保護(hù)設(shè)備低。線路傳過(guò)電壓避雷器放電壓時(shí)，限制設(shè)備過(guò)電壓，入侵波消失后避雷器自行恢復(fù)絕緣能力。目前，使用的避雷器主要有保護(hù)間隙、氧化鋅避雷器等幾種類(lèi)型。正確的選擇使用避雷器，能使避雷器達(dá)到預(yù)期效果。

3 變電站二次設(shè)備電涌保護(hù)

電力系統(tǒng)的二次設(shè)備是監(jiān)控保護(hù)一次設(shè)備運(yùn)行設(shè)備。變電站二次設(shè)備遭受雷電影響有多方面的原因，只有綜合運(yùn)用各種措施形成相互配合的整體，才能有效防止雷擊危害。變電站內(nèi)建筑物有三層，有一次系統(tǒng)和二次系統(tǒng)。變電站帶有強(qiáng)電特性，易遭受雷擊，雷擊在線路上引起的過(guò)電壓是損壞建筑物內(nèi)設(shè)備的主要原因。

變電站架空線路遭受直擊雷后，雷電流直接傳到弱電設(shè)備，架空線路較長(zhǎng)，發(fā)生幾率較大，危害性也較大。直擊雷電流通過(guò)引下線引起電磁感應(yīng)，配電線路產(chǎn)生電磁感應(yīng)，感應(yīng)雷可能直接對(duì)設(shè)備造成損壞。變電站遭受雷擊后，雷電流流入接地網(wǎng)。接地網(wǎng)接地電阻偏大時(shí)，會(huì)使接地網(wǎng)具備電位抬高，導(dǎo)致低電位對(duì)設(shè)備反擊損壞設(shè)備。

雷電防護(hù)分區(qū)法即將防雷空間分為雷擊電流與電磁場(chǎng)逐漸減小的區(qū)域，建立雷電防護(hù)系統(tǒng)。電涌指因雷電在線路與電氣設(shè)備上產(chǎn)生的過(guò)電壓現(xiàn)象。電涌保護(hù)通過(guò)保護(hù)電子設(shè)備避免此類(lèi)瞬態(tài)電沖擊。電涌保護(hù)器是用于限制瞬態(tài)過(guò)電壓與泄放浪涌電流的裝置。電涌保護(hù)器使用時(shí)并聯(lián)在被保護(hù)設(shè)備的兩端，限制電涌電壓保護(hù)電子設(shè)備。被保護(hù)設(shè)備工作正常，該元件電阻極高，不會(huì)對(duì)被保護(hù)設(shè)備產(chǎn)生影響。出現(xiàn)瞬態(tài)電涌時(shí)，需降低被保護(hù)兩端的電壓。電涌結(jié)束時(shí)，自動(dòng)恢復(fù)為高電阻。電涌保護(hù)保護(hù)電子設(shè)備不受雷擊電涌危害，因此雷害元件損壞造成經(jīng)濟(jì)損失的設(shè)備需配備電涌保護(hù)器。綜合自動(dòng)化設(shè)備包括電源和信息側(cè)兩部分，電源側(cè)雷害占全設(shè)備雷害的一半，信息側(cè)內(nèi)部電路更脆弱，故而必須進(jìn)行電涌保護(hù)。

雷電電涌防護(hù)設(shè)計(jì)依據(jù)雷電防護(hù)分級(jí)，要對(duì)工程所處地區(qū)雷電環(huán)境進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，以提高防雷技術(shù)的經(jīng)濟(jì)性。電涌風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估根據(jù)建筑物周?chē)纂姯h(huán)境形式、建筑物與進(jìn)線引雷面積等實(shí)際情況確定。

4 接地屏蔽技術(shù)

接地是為電路系統(tǒng)提供參考的等電位點(diǎn)，接地是防雷技術(shù)的重要環(huán)節(jié)。所有形式的雷擊最終都是將雷電流導(dǎo)入大地。接地具有維持正常運(yùn)行、保護(hù)防雷等作用。電力系統(tǒng)分為保護(hù)接地、防雷接地和工作接地[2]。保護(hù)接地指電氣裝置金屬外殼構(gòu)架等。工作接地指為保障電力系統(tǒng)電氣裝置正常運(yùn)行所設(shè)計(jì)的接地。雷電保護(hù)接地為保護(hù)裝置向大地泄放雷電流設(shè)計(jì)。

防雷基地利用各類(lèi)接地極將雷電流泄放到大地，以達(dá)到保護(hù)電氣設(shè)備安全的目的。與電網(wǎng)連接的所有儀器設(shè)備都應(yīng)可靠接地，需保護(hù)的二次設(shè)備必須采取等電位連接保護(hù)措施，而各防雷保護(hù)裝置必須配備合適的接地裝置。防雷工程接地以下線路的布線工程非常重要，決定了整個(gè)工程的防雷效果。

雷電流通過(guò)接地極進(jìn)入大地，接地附近土壤中電流密度大時(shí)會(huì)被擊穿。此時(shí)，接地極附近土壤導(dǎo)電性增大，土壤成為良好的導(dǎo)體。雷電流等值頻率較高，導(dǎo)致接地電感影響增大，使接地體得不到充分利用。因此，在同一接地裝置沖擊下具有不同的電阻值。

接地線與接地極總和為接地裝置。變電站可利用自然接地體，如與大地可靠連接的建筑物及其金屬結(jié)構(gòu)，或埋設(shè)在地下的金屬管道等。防雷接地裝置多用于垂直接地體，對(duì)泄放電流的進(jìn)出線構(gòu)架的接地均應(yīng)設(shè)置人工集中接地。獨(dú)立避雷針應(yīng)設(shè)立獨(dú)立的集中接地裝置，接地電阻小于10 Ω。要防止避雷針對(duì)被保護(hù)設(shè)備反擊。

屏蔽是防止本身電磁場(chǎng)輻射對(duì)外界干擾的措施，利用銅鋁等低電阻材料將需要隔離的部分包裹，從而防止某制定空間內(nèi)外部靜電感應(yīng)影響。建筑物屏蔽利用建筑物及其金屬結(jié)構(gòu)相互連接形成初級(jí)屏蔽網(wǎng)。設(shè)備屏蔽要求屏蔽材料的導(dǎo)磁率較高，能增強(qiáng)阻擋外界電磁干擾的能力。線纜屏蔽采用屏蔽電纜，建筑物間的互聯(lián)電纜應(yīng)敷設(shè)在與其等電位有電氣連接的金屬管道內(nèi)。

5 結(jié) 論

變電站防雷是一項(xiàng)綜合性工程，要了解變電站所處的自然環(huán)境、土壤地質(zhì)條件、設(shè)備的配置情況等，需對(duì)變電站進(jìn)行有針對(duì)性的防雷保護(hù)。通過(guò)合理設(shè)置避雷針等設(shè)備，對(duì)弱電系統(tǒng)配置有效的電涌保護(hù)器，與接地系統(tǒng)可靠連接，從而實(shí)現(xiàn)有效的防雷保護(hù)。