110 kV 變電站的電氣設(shè)計與防雷保護分析

賈德剛

（中油（新疆）石油工程有限公司，新疆 克拉瑪依 834000）

1 引言

變電站因在電力系統(tǒng)中的核心地位和重要作用，在各區(qū)域電網(wǎng)架構(gòu)升級和發(fā)展的同時，也相應(yīng)進行了調(diào)整，現(xiàn)階段工業(yè)生產(chǎn)力度和居民用電需求的增加，對供電系統(tǒng)負荷的安全性以及電力輸出運行的穩(wěn)定性的要求也隨之提高，原本建設(shè)的變電站已經(jīng)無法滿足當(dāng)下的發(fā)展需求，需要從電氣主接線方式、接地網(wǎng)設(shè)計等方面進行技術(shù)升級和優(yōu)化，通過合理設(shè)計提高供電質(zhì)量和效率。

2 110 kV 變電站電氣設(shè)計與防雷保護的研究目的及相關(guān)內(nèi)容

2.1 研究目的

目前，電力電子設(shè)備的普及和廣泛應(yīng)用，在很大程度上對電力能源有很大的依賴性，一旦出現(xiàn)供電中斷，會造成工廠生產(chǎn)停止，居民日常飲食以及出行受阻。因此，要極力確保電力供應(yīng)正常，從而促使整個社會正常運轉(zhuǎn)。圍繞社會需求，需要加快完善110 kV 變電站建設(shè)，一方面，認識和明確變電站在電網(wǎng)系統(tǒng)中的重要性，以提升變電站工作的穩(wěn)定性和安全性為前提，合理設(shè)計，細化變電站設(shè)計內(nèi)容。另一方面，借助高科技手段，優(yōu)化電氣設(shè)計和防雷保護設(shè)施裝置設(shè)計，按照長足發(fā)展的原則，根據(jù)實際需求更新變電站電氣設(shè)備，提高變電站抗風(fēng)險能力。

2.2 設(shè)計的基本內(nèi)容

首先，需要進行短路電流的計算。目的在于了解各個斷路點的短路電流，經(jīng)過比較得出短路電流的最大值，以此作為短路電流的最大允許值。通常短路點不止一個，一般會選擇2～3個點進行計算，并將計算結(jié)果放在一起進行比較。再者，需要做好直擊雷保護裝置設(shè)計，其中，需要著重圍繞避雷針安裝、避雷針高度、防雷保護范圍、防雷保護措施、接地網(wǎng)設(shè)計等進行合理安排和細化。

3 110 kV 變電站電氣設(shè)計要點分析

3.1 電氣主接線設(shè)計

變電站接線設(shè)計過程中，接線方式相對煩瑣，其中，關(guān)鍵設(shè)備是變壓器，通常情況下，變壓器負責(zé)線路升壓和減壓，電氣主接線設(shè)計時，應(yīng)以良好的接線設(shè)計方式使變壓器各項指標(biāo)在合理使用范圍內(nèi)。選擇變壓器時，應(yīng)根據(jù)電量及負荷等的具體需求以及使用情況綜合考量，發(fā)電量較少時，需要配置一臺主變壓器以及兩臺配套的發(fā)電機，如果情況相反，還要結(jié)合實際情況增加變壓器和發(fā)電機的數(shù)量[1]。所以，在設(shè)計變電站的全過程中，要重點設(shè)計主接線，一方面需要設(shè)計好電器位置的主接線，按照平面圖進行整體布局。另一方面，要不斷調(diào)整和優(yōu)化模塊的主要接線位置，降低后期維修和保養(yǎng)變電設(shè)備的壓力，減少維修設(shè)備過程中的消耗，并且要對擴建、重新改造部分加強維護與管理。

3.2 信號整理

進行110 kV 線路的光纖通道設(shè)計時，需要保障通信通道在信號整理過程中保持雙向延時，并且將電子互感器與合并單元模式統(tǒng)籌運用，提高保護的疊加效果。此外，為加強信號整理效率和質(zhì)量，要利用雙A/D 系統(tǒng)接入合并單元的方法，全面收集和整理各個電子式互感器搜集的信號，并進行信號的檢測，針對異常信號診斷根源，以此更科學(xué)、更有針對性地進行電氣設(shè)計，實現(xiàn)設(shè)計與實際需求的平衡。

3.3 智能運行管理

現(xiàn)階段，智能變電站設(shè)計和定義并不明確。一些歐美發(fā)達國家已經(jīng)開始著手對智能電氣設(shè)備進行研究，但是各國國情和電力發(fā)展現(xiàn)狀都不盡相同，因此，很多生產(chǎn)廠商對智能變電站的設(shè)計與發(fā)展的理念也存在差異。比如，在西門子公司看來，智能變電站設(shè)計的重點應(yīng)集中在高度自動化方面，以自動化技術(shù)作為變電站自愈功能的支撐點。但是ABB 公司有不同的看法，認為西門子公司提出的智能化設(shè)計觀念只是智能化建設(shè)中比較基礎(chǔ)的內(nèi)容，真正的設(shè)計重心應(yīng)放在對電力設(shè)備的數(shù)據(jù)采集以及運行狀態(tài)的監(jiān)測上。由于設(shè)計理念和實際電力情況以及需求的差異化，需要根據(jù)電網(wǎng)設(shè)計統(tǒng)一管理標(biāo)準(zhǔn)，以智能化、自動化技術(shù)進行電網(wǎng)系統(tǒng)的運行管理，建設(shè)智能電網(wǎng)也是當(dāng)下電力工業(yè)面臨的重要挑戰(zhàn)以及未來共同發(fā)展的趨勢。以物理電網(wǎng)為基礎(chǔ)，采用先進的通信技術(shù)、高級傳感器、電力電子裝置、自動化設(shè)備等，對電力設(shè)備運行狀態(tài)進行自動化分析和監(jiān)控，排除隱患，控制運行風(fēng)險。

4 防雷保護設(shè)計及相關(guān)措施

4.1 避雷針和避雷線

安裝避雷裝置是進行防雷保護設(shè)計最為實用和便捷的方法。但同時為合理利用防雷裝置，控制避雷裝置相關(guān)配套設(shè)施的使用成本，應(yīng)將避雷針設(shè)置在變電站的鐵塔塔桿、照明塔以及各處建筑物的高部位。避雷針和避雷線的作用是從被保護物體上方引導(dǎo)雷電通過，并安全泄入大地，防止雷電直擊，減小在其保護范圍內(nèi)的電器設(shè)備和建筑物遭受雷擊的概率。其作用原理是將避雷線與避雷針相連，避雷針會有所感應(yīng)聚集大量電荷，雷電從天空中順著避雷針進入避雷線直至埋地的避雷網(wǎng)，形成回路，以此消除雷擊。隨著時代發(fā)展，可以利用攝像機立桿避雷針防雷設(shè)計，將避雷針架設(shè)在攝像機的支撐桿上，引下線可直接利用金屬桿本身或選用φ8 mm 的鍍鋅圓鋼。為防止電磁感應(yīng)，沿電線桿引上的攝像機電源線和信號線應(yīng)穿在金屬管內(nèi)以達到屏蔽作用，屏蔽金屬管的兩端均應(yīng)接地。為此，結(jié)合避雷針原理和圖1 所示系統(tǒng)進行防雷保護設(shè)計。

圖1 避雷針與系統(tǒng)設(shè)計原理圖

安裝避雷裝置需要以安裝接地線設(shè)備為前提，并且接地電阻值要控制在10 Ω 以內(nèi)，確保變電站和接地連接的終端線路能夠在可承載范圍內(nèi)，而線路應(yīng)采用連接避雷針的避雷線，加強對線路的保護作用。比較小型的變電站會采用獨立的避雷針，大型變電站會將避雷針和避雷線結(jié)合使用，這樣可以在很大程度上提高變電站的抗雷擊能力，避免因為雷擊造成電力系統(tǒng)運行中斷而停電。所以，這就對接地設(shè)施、避雷針以及避雷線提出了更嚴(yán)格的要求。同時，還要根據(jù)當(dāng)?shù)靥鞖庾兓?、土壤情況等做好及時的維護工作，提高電力系統(tǒng)的抗雷擊能力，并且要定期做好檢查，提前做好預(yù)防，保障避雷針和地下的接地網(wǎng)在接地電阻允許范圍內(nèi)，還要加固塔桿的連接位置[2]。

4.2 直擊雷的保護設(shè)計

不同的變電站以及不同的地域有不同的防雷設(shè)計要求，差異性要求的接地裝置設(shè)計也不同。例如，對于小型變電站會設(shè)置獨立避雷針，適合設(shè)計獨立的接地裝置。而且在非高土壤電阻率地區(qū)，其工頻接地電阻要控制在100 Ω 以內(nèi)。當(dāng)出現(xiàn)阻礙時，接地裝置和主接地網(wǎng)連接，使其接地電阻全面降低。所以，要選擇適合的避雷器，結(jié)合不同變電器安裝區(qū)域的電網(wǎng)額定電壓的差異特點，選擇適合的避雷裝置。比如，氧化鋅避雷器適用于110 kV 的電網(wǎng)，其他適合的安裝地點以及相應(yīng)的參考數(shù)值見表1。

表1 氧化鋅避雷器安裝地點及參考數(shù)值

與此同時，獨立避雷針的位置不應(yīng)靠近人行通道，避雷針以及接地裝置與人行道、出入口等地方的距離應(yīng)超過3 m，如果沒有按照這個距離進行安裝設(shè)計，需要采取均壓措施，或鋪設(shè)礫石或瀝青地面。電壓在110 kV 及以上的配電裝置，需要將避雷針安裝在配電裝置的架構(gòu)或者屋頂上。對于土壤電阻率大于1 000 Ω·m 的地區(qū)，除了需要設(shè)計獨立避雷針，還可以進行相應(yīng)計算，通過降低接地電阻、提高絕緣屬性等方式，防止雷擊事故發(fā)生[3]。

4.3 照明設(shè)計

要確保110 kV 變電站安全運行，除了需要在適合的位置上安裝避雷針和接地裝置以外，還需要做好科學(xué)的照明設(shè)計，在安全通道以及關(guān)鍵位置安裝照明設(shè)計，并且電氣設(shè)備中需要設(shè)計照明系統(tǒng)，采用現(xiàn)代化技術(shù)，結(jié)合電氣設(shè)備的功能需求，完善照明系統(tǒng)的設(shè)計，當(dāng)出現(xiàn)危險或者遇到緊急情況時，可以減少維修人員的時間成本，有便利的照明系統(tǒng)為維修工作提供照明條件，讓維修人員快速找到發(fā)生危機的位置，并進行相應(yīng)的檢查和維修。

5 結(jié)語

綜合上述分析，現(xiàn)代化發(fā)展推進了供電系統(tǒng)的變革，結(jié)合人們生活用電和工業(yè)生產(chǎn)用電的雙重需求，對變電站的合理設(shè)計需要以實際需求為依據(jù)，加強電氣設(shè)計，完善相關(guān)工作，提高110 kV 變電站安全和保護功能，運用智能化、自動化技術(shù)，立足于國情，積極研究智能變電站，并進一步提高安全性能，加強防雷保護裝置設(shè)計，安裝避雷針和接地裝置，維護國內(nèi)變電站電力系統(tǒng)穩(wěn)定運行。