变电站雷电防护与雷击事故分析

变电站雷电防护与雷击事故分析

变电站雷电防护与雷击事故分析

大气中出现云块后，云块中快速流动的雾状水颗粒通过互相摩擦会感应出静电，形成带电云层。带电云层之间以及带电云层与地面之间又会感应出静电。当相互之间的电位差与距离达到一定数值时，就会产生放电而形成雷电。雷电有线状、片状和球状等形式。变配电站发生的雷击事故主要为线状，雷电电流幅值可达数十至数百kA，但持续时间只有数十至数百毫秒。变电站雷电防护措施有问题，一旦发生雷击事故造成的危害都比较严重。

1 雷击效应及其危害

发生雷击事故后数十至数百kA的雷电电流流入大地，由于其存在的时间很短，附近地面导体、输电线路、变配电设备与金属管线等感应出的电荷来不及流散，就会形成高达数百千伏的静电感应过电压。

大气云块对地面的放电是阶跃式的，先出现先驱放电后，才开始主放电。发生第一次雷击放电后，会沿着首次放电通道发生多次后续放电，平均为3～4次，最多可达20余次。雷电电流不仅具有很高的幅值和陡度，而且是一系列闪电雷电流脉冲，在其周围空间会形成强大的瞬变脉冲电磁场，附近的金属导电物体上就会感应出很高的电磁感应过电压。

静电感应过电压与电磁感应过电压都会引起输配电设备绝缘闪络，使电气设备的绝缘遭受损坏。高达数百千安的雷电电流持续时间过长时，会影响导体的热稳定，使导体的机械强度降低。这些都会诱发二次事故发生。瞬变脉冲电磁场还会对电子和通信系统造成干扰，引起微机保护误动与电力调度通信中断。

2 变电站雷电防护措施

变电站雷电防护措施主要有安装架空地线、避雷针与避雷器。沿架空输电

线上部架设架空地线，并作好接地，可以有效防止架空输电线遭受雷击。35kV以上的架空输电线都有随架空输电线上部架设的架空地线。变电站在进出线与各段母线上都安装有避雷器，用来吸收输电线或变电站遭受雷击后，产生的静电感应过电压与电磁感应过电压。为了预防直接雷击，户外变电站还安装避雷针进行雷电防护。避雷针的数量与安装位置，需要根据变电站占地面积和地形地貌以及周围建筑物的高度与分布情况通过雷电防护设计计算来确定。

户外变电站的避雷针一般都安装在专用铁塔上，避雷针针长为1～2m ，采用圆钢时直径应大于20 m m。现在市场上出现了许多非常规避雷针，目前还没有通过实践证明其效果和经济性优于常规避雷针，我国及IEC国际防雷标准都没有推荐使用。在雷电防护设计中采用的产品需要有充分的理论根据与运行实践的验证。

避雷针的原理很早以前就得到证明，而且通过了长期的运行实践考验。当避雷针上空大气中出现带电云块时，大气中出现的带电云块在地面感应的电荷向避雷针积累，避雷针可以形成尖端放电。避雷针处于保护范围内的最高点，当大气中出现带电云块与避雷针之间的距离达到其击距时，就会发生雷击放电。避雷针处于保护范围内的其他物体受避雷针保护，不会遭受直接雷击，只会产生静电感应过电压与电磁感应过电压。合理设计避雷器与放电间隙，静电感应过电压与电磁感应过电压会在安全范围以内。

以上分析可以看到避雷针实际上通过本身尖端放电诱发直接雷击，把直接雷击引向自己来保护其保护范围内的物体避免遭受直接雷击。

3 变电站雷电防护接地

发生直接雷击后避雷针要把数十至数百kA的电流通过引下线引向大地。良好和合理的接地是在发生直接雷击后，防止所产生的静电感应过电压与电

磁感应过电压的重要措施。接地不好或设计不合理会使上述危害扩大。变电站雷电防护接地设计一定要符合有关设计规范的要求。

雷电防护接地是指接大地，接地电阻值要符合有关设计规范的要求，目前设计规范规定为不大于10Ω。接地电阻值越小，直接雷击引起的静电感应过电压和电磁感应过电压危害就越小。假设雷电电流幅值为50kA，接地电阻值为20Ω时，对地面的电压可达1000kV；接地电阻值为

10Ω时，对地面的电压可达500kV。后者产生的跨步电压与在周围金属导电物体上产生的静电感应过电压和电磁感应过电压下降二分之一。

为减小雷击引起的危害，变电站雷电防护最有效的接地方式是采用等电位联结与联合接地。等电位联结是指将变电站内的所有非带电的金属导电物体全部连接起来后引向接地体。联合接地是指变配电站统一采用一个接地体，接地电阻值按照不同接地系统的最小要求进行设计，目前我国变电站接地电阻值电气设计规范规定为4Ω。

变电站统一采用一个接地体后，避雷针接地不再单独设计接地体，假如雷电电流幅值为50千安，采用联合接地后，接地电阻值为4Ω，对地面的电压为200kV。此时通过等电位联结，变电站内的所有非带电的金属导电物体对地电位全部同时升高200kV，各种电源的中性点也接在同一个接地体上，对地电位也同时升高200kV。彼此之间仍然保持原来的电位差。电位差不发生变化，就不会产生静电感应过电压与电磁感应过电压。所以采用等电位联结与联合接地是变配电站雷电防护最有效的接地方式。

从上述分析中可以看到，变电站避雷针接地单独设计接地体时，接地电阻值为10Ω，雷电电流幅值为50千安时，避雷针铁塔对地面的电压可达500kV，变电站内非带电的金属导电物体就容易引起静电感应过电压与电磁感应过电压。避雷针铁塔应单独设置，并要考虑与变电站内金属导电

物体之间保持一定距离。但距离远又会影响避雷针的保护范围。

4 变电站雷击事故分析

河北省保定市安新县供电局现有35kV变电站10座，110 kV变电站两座，全部为户外变电站。雷电防护采用避雷针与避雷器。户外照明采用探照灯。原来探照灯除安装在附近建筑物上以外，其他都安装在避雷针铁塔上。2000年7月西地35kV变电站一只避雷针遭受直接雷击，变电站内所有变配电站综合自动化（微机保护）装置电源板全部被损坏。变电站处于无保护运行，是安新县供电局有史以来最大的一次自然灾害造成的重大事故。

经过分析后发现，安装在避雷针铁塔上的户外照明探照灯的电源引此户内交流电源屏。避雷针遭受直接雷击后，强大的雷电电流在探照灯的电源电缆上引起电磁感应过电压是非常高的，此电磁感应过电压由探照灯的电源电缆进入户内交流电源屏，然后再进入变电站综合自动化（微机保护）装置电源板。变电站综合自动化（微机保护）装置电源置电源板上一般有压敏电阻进行过电压保护，其额定泄放电流应大于5kA。如果雷电产生的电磁感应过电压能量比较大时，压敏电阻就会被击穿，使事故扩大。

通过这次事故后，虽然找到了事故发生的原因，但要改变雷电防护接地方式目前还有一定难度。他们逐步探照灯与避雷针铁塔分开，将探照灯安装在专用的电杆上，并与避雷针铁塔保持一定距离。运行中要求对变电站交流电源屏内的低压避雷器加强维护与检查。

5 结束语

雷击事故是一种不可抗拒的自然灾害，首先要从设计与施工安装上作好雷电防护措施，预防与减少雷击事故发生。由于雷击事故一旦发生危害性就很大，日常维护时要进行认真的检查，发现问题及早处理，作到预防为主。