(整理)变电所防雷

第三章发、变电所防雷概述发、变电所是电力系统的枢纽，一旦遭受雷击损坏，将会造成大面积长时间的停电，严重影响各行各业的工作。

因此要求有可靠的防雷保护措施。

造成变电所雷害的来源有三：(1) 雷直击于变电所导线或设备上；(2) 变电所避雷针落雷时形成的感应过电压；(3) 沿线路传来的大气过电压波。

下面我们分别简单谈一下。

每个变电所每年落雷的次数可按下式估计N=0.015×T×K(a+10h)(b+10h)×10-6(3-1)式中，T—雷电日；a.b.h—变电所的长度、宽度和高度，m；K—选择性雷击系数，在一般地区取K=1，在选择性雷击区，如有水的山谷、土壤电阻率ρ突变处的低ρ区、矿区等、K值可大到8～12。

［例］某60 kV变电所，长宽各100 m，平均高度15 m，T＝40日，计算该处每年平均落雷次数。

解：由上式得每年平均落雷次数N为N=0.015×40×1×(100+10×15)(100+10×15)×10-6=0.038次/年。

由上例可见，在一般地区，每大约运行=26年即遭受一次雷击。

如果在选择性雷击区(易击区)，平均每年可能落雷0.3～0.45次，即平均运行2.2～3.3年就可能受雷击一次，而这种直击雷绝大多数要造成严重停电事故的。

由此可见在选址时应尽量避开易击区，而所有发、变电所都应装设防直击雷装置—避雷针或避雷线。

我国运行经验表明：装有避雷针(线)的变电所雷电绕击事故率约为0.2～0.3次/百所年，反击事故率更低，是相当可靠的。

装有避雷针后，当落雷时在其直接附近的导线上产生较高的感应过电压，会使35 kV 及其以下的母线或设备产生严重故障。

例如上海某电厂独立避雷针落雷时距其8 m外的35 kV变压器最远相套管闪络，广西某厂4.5 m外的35 kV线闪络。

所以避雷针应尽量远离电气设备，而采用避雷线可减轻感应过电压的危害。

据不完全统计，变电所35 kV及以下侧的感应过电压事故率约１次/百所年。

由于线路落雷次数多，所以沿线路导线传来的雷电波袭击发、变电所是最为频繁的。

线路的绝缘一般比变电所设备的绝缘为高，例如110 kV线路的U50%为700 kV，它也就是由线路传来波的最大值，但变压器的全波多次冲击耐受电压只有480＝437 kV，因此来波会对变压器造成损坏。

限制这种来波过电压的主要设备是避雷器，并在邻近变电所的1～2 km线路上加强防雷措施，称为进线段。

据统计，我国110～220 kV变电所近3000所年的雷电进行波事故率约0.5次/百所年，而35 kV变电所进行波事故率约0.67次/百所年。

第一节发、变电所直击雷保护本节讨论变电所安装避雷针(线)的注意事项。

由于发电厂和变电所在防直击雷上有很多共性，所以也顺便谈一下发电厂防直击雷的问题。

发、变电所的以下对象应加直击雷保护：(1) 屋外配电装置及导线；(2) 较突出的建、构筑物：如烟囱、冷却塔及煤场的高建筑物等；(3) 易燃对象：如油处理室、燃油泵房、露天油罐、主变压器修理间、易燃材料库等；(4) 易爆对象：如乙炔发生站、制氢站、露天氢气罐、氢气罐储存室、天然气调压站、露天天然气罐等。

主厂房、主控制室和配电装置室一般不需装设防直击雷装置，而将其金属结构接地即可，因为雷击的机会本来不多，即使落雷一般只打掉一块水泥，不会引起严重后果，而这些建筑物本身却对室内电气设备起了保护作用。

避雷针(线)按其接地方式，可分为独立避雷针和架构避雷针。

独立避雷针(线)与被保护物之间应保持一定距离(图3-1)，以免当避雷针落雷时造成向被保护物的反击。

首先我们来讨论避雷针的情况，为此要计算图3-1中离被保护物最近的避雷针A点电位UA。

显然UA=iRch+L(di/dt)取雷电流i的幅值为100 kA，形状为斜角波头，波头2.6μs，即==57.7 kA/μs，避雷针电感L取1.3h微亨(h以米计)，于是上式变成UA=100Rch+75h。

图3-1图3-2在图3-2中(a)画的是电压的电感分量L(di/dt)，它只存在于波头时间2.6 μs以内，(b)画的是电压的电阻分量Rchi，它存在于整个雷电波持续的时间内(数十微秒)，所以它们对空气绝缘的作用有所不同，对前者可取空气的平均耐压为750 kV/m，对后者可取500 kV。

于是我们可求出避雷针不发生反击的空气距离S K为同样，可以求出一端绝缘(经绝缘子挂到架构或墙上)另一端接地的避雷线由验算点不发生反击的空气距离Sk为式中：Δl1—由验算点到接地支柱的距离，m。

h—避雷线接地端支柱的高度，m。

取其每单位长度电感与避雷线者相同，均为1.3微亨/m。

类似地，可求出两端接地的避雷线由验算点不发生反击的空气距离Sk为(3-4)式中，l—避雷线长度，m；h—避雷线的支柱高度，m。

在计算β值时已忽略了接地电阻值的影响。

但空气距离Sk一般不应小于5 m。

为了降低雷击避雷针时感应过电压的影响，在条件许可时，此距离宜适当增大。

独立避雷针(线)接地体与被保护物的接地体之间也应保持一定的距离Sd(图3-1)，以免在土中向被保护物接地体闪络。

Sd应满足：对避雷针和一端绝缘的避雷线来说，Sd≥0.3Rch(3-5)对两端接地的避雷线来说，Sd≥0.3 Rch (3-6)但在一般情况，Sd不应小于3 m避雷针对易燃油油罐、易燃气气罐以及它呼吸阀的距离均应符合以上Sk和Sd的规定。

当独立避雷针的接地电阻太大时，Sk和Sd都太大，而针的高度也要加大，在经济上不合适。

所以在一般土壤中其工频接地电阻不宜大于10 Ω(只规定工频电阻而不规定冲击电阻是为了便于现场检查)。

有时由于布置上的困难，无法保证Sd的距离此时允许将避雷针的接地装置在地中与变电所的主接地两相联，但为避免雷击针时主接地网电位升高太多造成反击，应保证该联接点到35 kV及以下设备的接地线入地点，沿接地体的距离大于15 m。

独立避雷针用在35 kV及以下的情况。

在60 kV及以上时，由于电气设备或母线的绝缘水平较强，不易造成反击，所以为降低造价并便于布置，可将避雷针(线)装在架构上，成为架构避雷针。

架构避雷针的接地是利用发、变电所的主接地时，但应设置辅助的集中接地，即根据土质情况打３～5根垂直接地体或敷设3～5根水平接地体。

为保证接地的良好，架构避雷针只许用在0≤500 Ω·m(60 kV级时)或P≤1000 Ω·m(110 kV级)的情况下。

由于主变压器的绝缘较弱而重要性较大，为避免万一反击，所以在变压器的门型架构上不应安装避雷针。

同时，任何架构避雷针的接地引下线入地点到变压器接地端的入地点，沿接地体的地中距离不得小于15 m。

有时由于布置上的困难，需要在主厂房上装避雷针(线)来保护母线桥或软联线。

加了避雷针后，主厂房挨雷击的机会增大，此时为防止反击，除应敷设上述集中接地外，还应采取其他措施，如加强分流(将几支避雷针用金属联接或与主厂房钢筋焊接，并且多做几个引下线，主厂房各钢筋间也互相焊接)、设备的接地点尽量远离电气设备等，并宜在靠近避雷针的发电机出口装置磁吹避雷器，并宜在变压器的低压侧套管上装设避雷器。

在设计避雷针(线)时还应注意以下几个问题。

(1) 避雷针的安装地点应避开人员经常通行的地方，一般应距道路3 m以上，否则应采取均压措施，或铺设碎石路面或混凝土沥青路面(厚5～8 cm)，以保证人身安全。

(2) 为避免雷击避雷针时，雷电波沿电线传入室内，所以架空照明线、电话线、广播线、无线电天线等严禁架在避雷针(线)上或其下的架构上。

(3) 现场中往往需要在独立避雷针上或在装有避雷针的架构上装有照明灯，这些灯的电源线必须采用金属包皮并且埋入土中10 m以上再与35 kV及以下配电装置的接地网及低压配电装置相连。

机力通风冷却塔上的电源线也应照此办理。

(4) 发电厂烟囱上装有避雷针，烟囱下附近往往有引风机，后者自配电室供电。

为使雷击烟囱避雷针时不致使引风机或配电室发生损坏，一般应将二者的接地分开。

而将引风机外壳接于发电厂主接地网。

当因位置所限，二者不易分开时，引风机的电源线应采用金属包皮并埋入土中10 m以上。

第二节变压器绕组内波过程当雷直击、反击或绕击于线路的导线时，沿导线就有雷电冲击波流动，从而会传到变电所的变压器上。

此时变压器进线端子上所受冲击电压幅值U0受避雷器限制，冲击电压的波头可能很短(1.5 μs左右)，但波长较大，为便于分析且偏于严格侧，我们可认为此时相当于幅值为U0的直流电压突然合闸到变压器上去。

变压器的等值回路在工频下可只考虑其电感。

但是在相当于高频的冲击波波头时绕组电容的作用就不能忽略了。

例如某110 kV，5600 kVA变压器，其漏感为Ll=0.362亨，由进线端子看进去的等值入口电容为Cr=1000微微法，在50周波时，漏感抗ωLl=115 Ω，而容抗1/ωCr=3.2 MΩ，即容抗比感抗要大30000倍，所以容抗可以忽略。

但在波头1.5 μs的冲击波作用下，其等值频率周波，感抗为２π×3.33×105×0.362=750800 Ω，而容抗为=478 Ω，此时感抗要比容抗大1600倍。

所以在波头时变压器的电感可以认为开路，而可只把变压器当成电容看待。

当直流电压U0突然合闸于图3-3的变压器绕组首端A点时，在开始一段时间里，L中不会有电流流过，所以此时的等值接线图如图3-4所示。

图中C为每匝对地自部分电容，K 为相邻两匝的互部分电容。

设变压器总共有n匝，现在我们来讨论：图3-3图3-4(1) 在冲击波刚作用的一段时间里，变压器的入口电容Cr是多少?(2) 在冲击波刚作用的一段时间里，变压器匝间绝缘所受电压有多大?接着，我们将讨论：(3) 在以后的全部过程中，变压器主绝缘上所受电压有多大?(4) 中性点接地方式的影响。

问题(1) 的答案在研究变压器与避雷器的配合时将要用到。

问题(2) 的答案将决定变压器匝间绝缘的设计。

问题(3) 的答案将决定变压器主绝缘的设计，并将在自耦变压器的防雷上用到。

问题(4) 将影响中性点的绝缘水平的选择。

现在我们就来逐条研究。

(1) 在冲击波刚作用的一段时间里，变压器总的入口电容Cr是多少?参看图3-4，现在我们要计算由A点向右看的总电容(入口电容)Cr。

我们注意到变压器的匝数n是很大的数目，因此变压器少绕一匝实际上不会影响到Cr的数值，也就是说，由图中B点向右看的总电容Cr也应当等于Cr。

于是我们可以写出(3-7)我们注意到，匝间互部分电容K要比每匝对地自部分电容C大得多，所以上式可简化成(3-8)即变压器的入口电容等于每匝对地自部分电容C与匝间互部分电容K的几何平均值。