变电站设备的防雷分析及保护措施

变电站电子设备的防雷分析及保护措施

信息来源：广西达科建筑智能工程有限公司发布时间:2007-11-6

黄薇唐琦

［摘要］文中对直击雷、感应雷、雷电浪涌进行了分析，阐述了雷击对变电站内电子设备的危害，提出了采取的防护措施。

［关键词］雷击危害变电站电子设备措施

一、概述

随着我国现代化建设的不断提高，各类先进的电子设备广泛地运用到了各电压等级的变电站内。但是一方面由于电子设备内部结构高度集成化，从而造成设备耐压、耐过电流的水平下降，对雷电（包括感应雷及操作过电压浪涌）的承受能力下降，另一方面由于信号来源路径增多，系统较以前更容易遭受雷电波侵入。据统计，雷电对电子设备的损坏占设备损坏因素的比例高达26%，例如变电站线路落雷，造成主控地与设备之间的电位差而损坏大量的保护设备；变电站的微波塔落雷，由于感应过电压而造成大量的通讯、远动设备损坏，我们应当对雷电的危害性引起高度重视，加强防雷意识，做好变电站预防工作，将雷害损失降到最低限度。

二、几种主要的雷击方式

2.1雷的直击和绕击

雷云单体浮在大地上空，其所带电荷拖着地表相反电荷犹如一个影子随风移动。如果途经变电站的避雷针或地表其他突出物，地电荷会导致突出物顶端电场畸变集中。闪电开展之前先是雷云底部的始发先导按间歇分级跃进方式向地表发展，当距地面50～100m时，由避雷针等地表电场畸变集中的地方产生垂直向上的迎面先导。两者相接，进入直击或绕击的主放电阶段。

通常当地面上突出物的高度为h，雷云正下方的平均电场强度大于和等于580h-0.7 kV/m时，则该突出物将容易受到直击雷。原因是高为h的避雷针可影响雷云单体向下的始发先导发展方向的半径，用公式表述为：R＝16.3h0.61m。该式还表明，地表安装独立避雷针后，将会在其附近出现大量的散击，甚至对避雷针进行直击，对受避雷针保护范围内的物体进行绕击。

一次雷击主放电一般为几万安培到十几万安培，释放的能量相当大，瞬间所产生的强大电流、灼热的高温、猛烈的冲击波、剧变的静电场和强烈的电磁辐射等物理效应给人们的生产生活带来多种危害，如引起火灾和大爆炸，金属导体连接部分断裂破损，建筑物倒塌，电气设备损坏等等。

2.2雷击反击

直击雷电流通过地表突出物的电阻入地散流。假如地电阻为10Ω，一个30kA的雷电流将会使地网电位上升至300kV。如果受雷击变电站输电线路来自另一个不同地网的变电站，那么上升的地电位与输电线上的电位将形成巨大反差，导致与输电线路相连的电气设备的损坏。

不仅仅是输电线路、动力电缆，凡是引进变电站的金属管线都会引起雷电反击。

另一种雷电反击，对变电站的电子设备危害也不容忽视。雷电流沿变电站的接地网散流，支线上的雷电流和各点电位差异很大。连接在不同等电位地网上的电子设备，如果其间有电信号联系，那么超过其容许承受能力的地电位差将导致设备损坏。

2.3感应雷

直击雷放电的能量通过电磁感应和静电感应方式向四周辐射，导致设备过电压放电，则为感应雷。感应雷虽然没有直接雷猛烈，但其发生的几率比直击雷高得多。感应雷的破坏也称为二次破坏。雷电流变化梯度很大，会产生强大的交变磁场，使得周围的金属构件产生感应电流，这种电流可能向周围物体放电，如附近有可燃物就会引发火灾和爆炸，而感应到正在联机的导线上就会对设备具有强烈的破坏性。显然，感应雷危害是大面积的，是电子设备的克星。

有资料计算表明，当雷电电流为30 kA斜角波，雷云高度为3 km，导线高度为10m，击中距末端匹配的500m长架空线路中点100m处地面时，线路上感应电压为150 kV幅值的振荡波。此波为电磁感应和静电感应共同作用的结果。

事实上，在生产实践中，雷击的静电感应破坏力数倍于电磁感应。静电感应还可用雷电的二次效应理论来解释。带电雷云飘浮在地表上空，地表带上与雷云相反的等量电荷。当雷击过后，雷击点地表变为电荷的相对空穴，周围高电荷区域内与地电位相对绝缘的导体上的电荷，将像受突然击发的水波一样冲向雷击点，导致设备打火，绝缘受损和电子设备失效。特别注意的是电子设备的高阻抗输入回路，信号回路等引线较长，且直接连接的金属体积较大处，虽然已作电磁屏蔽（采用屏蔽电缆且屏蔽层两端接地）仍会遭受厄运。

2.4雷电波侵入

远方落雷，通过直击或电磁感应和静电感应方式从高压输电线路、配电线路、低压电源线路、通信线、电缆线、金属管道等途径侵入变电站、由于管线相对较长，且存在着分布电感和电容，使雷电传播速度减慢，这样一种现象用波传输理论来说明的概念称作雷电波。雷电波在传输过程中通过不同参数的连接线段或线路端点时，波阻抗发生变化会产生反射、折射，可导致波阻抗突变处的电压升高许多，加大了对设备的危害。

三、传统变电站防雷措施的局限性

3.1避雷针

为免遭直击雷破坏，变电站一般采用独立避雷针和构架避雷针进行防雷保护。其结构均分为接闪器、引下线和接地体，防雷原理相同。

独立避雷针的保护范围对地面为1.5h（针高），对超过针高一半的空间其保护范围只能在45 角内校核。目前国际上流行的一种滚球法理论校核独立避雷针的保护范围比较符合实际。滚球法理论认为直击和绕击与雷云带电量有关，能量越小的雷越易产生绕击。可形象地解释为一个半径与雷云带电量成比例的以雷云先导为圆心的球，滚落在地面上。到碰到避雷针尖为止。球与地面接触点到针尖这段弧，如果碰不到被保护物体，则被保护物处在保护范围内。如中等强度的雷云(U0=50MV),按雷电先导的闪击距离公式r s=1.63 U01.75，可得球的半径为133m，在此情况下得出的保护半径比有关设计规程的大一些。按防雷规范核保护范围，一般110kV中等规模变电站采用3～5根，35 kV变电站1～4根30m左右避雷针，即可以覆盖全站被保护区范围。

避雷针的年雷击次数，可按经验公式N=0.015·n·k(l+5h)(b+5h)10-6计算。其中n 为年雷暴日数，k为校正系数，金属结构取2，l、b、h分别为建筑物的长、宽、高。按该式在年雷暴日为40的地区，35kV室外终端变电站，母线构架5.5m高，受雷击概率为每年0.000454次，而加1根30m高避雷针后，则每年将受0.027次雷击。如果一个变电站有4根针，每边相距50m，雷击概率则为0.048次/年。由于避雷针的存在，建筑物上落雷机会反倒增加，内部设备遭感应雷危害的机会和程度一般来说是增加了。

3.2避雷器

为了防护感应雷和输电线路的雷电侵入波的危害，变电站内采用了避雷器。以前装设的避雷器大多为装在线路端的管型避雷器和装在母线、设备处的阀型避雷器，目前均由性能更好的金属氧化物避雷器所取代。

由于雷电侵入波主要对35kV以下系统危害较大，变电站着重对35kV和10kV线路