电力系统防雷工程设计浅谈

　　摘要：电力系统的雷电保护愈来愈向精细化、准确化、专业化方向发展，因此本文通过分析雷电能量计算与防雷保护之间的关系，浅谈了电力系统中变电所、输电线路等方面的防雷工程设计，逐步完善现代科学的防雷体系。
　　关键词：电力系统 变电所 雷击 保护
　　中图分类号：TJ417文献标识码：A文章编号：1672-3791（2012）09（b）-0182-03
　　随着我国电力事业的蓬勃发展和电网的不断扩大，，电网防雷就成为电力事业中的一项重要工作。
　　电网在现有技术的条件下仍然会出现遭雷击的现象。从某种方面上来说，雷电袭击是影响电网的可靠稳定的重要因素之一。
　　本文就国内外现有的技术条件，研究分析目前电网的设备现状，结合实际情况阐述了现实中防雷保护存在的问题，并展望了未来电网防雷保护的发展方向。
　　雷电是一种极具破坏力的自然现象，其电压可高达数百万伏，瞬间电流更可高达数十万安培。千百年来，雷电所造成的破坏可谓不计其数。落雷后在雷击中心1.5～2km半径的范围内都可能产生危险过电压损害线路上的设备。
　　在两个多世纪的防雷历史中雷电灾害防御，从建筑物防雷发展到供电防雷、电气和电子设备防雷，直到现在的现代微电子设备防雷。随着高新技术发展防雷技术和产品到显著发展，目前已经发展到消散削减、屏蔽隔离、抑制分流、疏导均衡等电位、优化接地泄放和雷电控测定位预警等技术。
　　近十多年来围绕这些问题人们进行了不懈的努力，提出了许多新的防雷理论，研制出一大批新的防雷器件、设备和材料，开发出许多全新的雷电防护技术。我国于1994年颁布了新的《建筑物防雷设计规范》GB50057-1994，该规范参考了大量国际标准，无论从指导思想、技术要求还是技术措施上讲都处在国际领先地位，这也标志着我们国家对雷害的重视。
　　1 雷击的形成与防护
　　1.1 雷云的形成
　　地球上由于大气的剧烈运动，引起静电摩擦，云团内部会产生大量的带正、负电荷的带电离子，在空间电场力的作用，带电离子定向垂直移动，使云团上部积与下部积累正负电荷，分层电荷在云团内产生，形成雷云。雷云的成因主要来自于大气的运动，当雷云在天空移动时，在其下方的地面上会静电感应出一个带相反电荷的地面阴影。
　　1.2 尖端放电与雷击
　　如果有一个带尖锋的金属球，让它带上负电，由于电荷同性相斥的作用，球体尖锋部分的电子受到同性电荷排斥力最强，最容易被排斥而离开金属球，这就是“尖端放电”。
　　1.3 雷云放电
　　雷云放电理论是“长间隙放电”理论，该理论认为雷云对地放电的过程可以分为四个阶段：即云中放电、对地先导、定向闪击和回闪。
　　1.4 雷击防护
　　雷击防护通过合理、有效的手段和设备将雷电的能量尽可能的引入到大地，即疏导而不是堵住或消灭雷电。一个完整的防雷系统一般包括两个内容：直接雷击的防护和感应雷击的防护。为了保护建筑物免受雷击引起事故及人身安全；内部防雷系统以防止雷电的过电压侵入设备中造成损坏，为了实现内部避雷，需要对建筑物进出各保护区的金属电缆、金属管道等安装过电压保护器进行保护并接地良好。
　　2 防雷工程设计中的重要依据
　　2.1 当雷电击中避雷线或杆顶时，我们可计算雷电流的公式如下
　　公式中：K为耦合系数；h为杆高；β为分流系数；不同电压的输电线路上的避雷线的分流系数见表1。
　　R为冲击接地电阻；L为输电线路电感。
　　2.2 输电线路保护角
　　为防止雷电击中输电线路，α、h越小越好。
　　保护角的大小，关系线路遭雷电绕击的可能。计算绕击概率，可以用下面的公式：
　　其中，a为保护角；Pa为绕击概率；h为杆高。
　　根据送电线路的运行数据、现场测试和试验模拟均可证明，避雷线对边导线的保护角、杆塔高度以及高压送电线路的地形、地貌和地质条件分区与雷电绕击率有关。对山区杆塔的计算公式是：
　　山区高压送电线路的绕击率约为平地高压送电线路的3倍。一些地区雷电活动相对强烈，使某一区段的线路较其它线路更容易遭受雷击。
　　3 电源系统的设计方案
　　电源系统选用多级保护，防范从直击雷到操作浪涌的各级过电压的侵袭。
　　（1）在电源系统总配电间配电回路380V低压总配电箱安装一台DHENTB100防雷箱或者一套CSP100电源防雷模块，用于配电回路的第一级电源防护。主要防护因强大的雷电流（传导雷）经电源线传导至配电柜后对设备造成的损坏；如果安装防雷模块，为防止浪涌保护器遭受雷击损坏后，电源对地短路，需要在浪涌保护器前安装60A空气开关作为短路保护装置。
　　（2）在机房分配电柜，安装1套德国一台DHENTB40防雷箱或者一套DGMTT385电源防雷模块，作为配电回路的第二级电源防护。主要防护因强大的雷电流（传导雷）经10kV电源线传导至配电柜后对后端设备造成的损坏，并实现L-N的等电位连接；为防止浪涌保护器遭受雷击后损坏后，电源对地短路，需要在浪涌保护器前安装30A空气开关作为短路保护装置。
　　（3）在楼层分配电箱空气开关后级处，串联安装德国DHENDRM2P255的单相防雷器，保护单相AC220V电网的供电系统。
　　4 变电所防雷保护
　　变电所是电力系统中对电能的电压和电流进行变换、集中和分配的场所，是联系发电厂与电力用户的纽带，担负着电压变换和电能分配的重要任务。如果变电所发生雷击事故，会给国家和人民造成巨大的损失。所以变电所的防雷是不可忽视的问题。
　　通常情况下变电所雷击有两种情况，一是雷直击于变电所的设备上，二是架空线路的雷电感应过电压和直击雷过电压形成的雷电波沿线路侵入变电所。其具体表现形式如下。
　　（1）直击雷过电压。雷云直接击中电力装置时，形成强大的雷电流，雷电流在电力装置上产生较高的电压，雷电流通过物体时，将产生有破坏作用的热效应和机械效应。
　　（2）感应过电压。当雷云在架空导线上方，由于静电感应，在架空导线上积聚了大量的异性束缚电荷，在雷云对大地放电时，线路上的电荷被释放，形成的自由电荷流向线路的两端，产生很高的过电压，此过电压会对电力网络造成危害变电站防侵入波保护的主要措施是在变电站内采用避雷器，在母线和进线处加装避雷器；对于直击雷的防护采用避雷针。避雷针和避雷线这两种装置都是通过拦截措施，改变雷电波的入地路径，从而起到防雷保护的作用。小变电所多采用独立避雷针，大变电所多在变电站构架上采用避雷针或避雷线，或者两者相结合。
　　变电所防雷保护应注意以下几个问题：（1）变电所发生的雷击是随机的。因此，其防雷保护，应因地制宜地对变电所设计防护。（2）变电所防雷保护一般由三个子系统组成。三道防线之间，关系密切，互相影响，不应孤立设置。（3）电力变压器绕组各侧选用WGMOA的In等级应相同，耐雷可靠性应一致。（4）选用沿架空输电线路导线侵入变电所的雷电波陡度和幅值，即WGMOA至被保护物之间的最大允许电气距离。
　　5 电力变压器防雷保护
　　电力变压器绕组各侧设防的耐雷可靠性应一致，不论哪一侧绕组损坏，变压器都要停运和修理。
　　根据容量大小、损坏影响程度及供电重要性来决定电力变压器防雷保护的简繁。所以IEC99-4以交流无间隙金属氧化物避雷器（WGMOA）的标称放电电流值（In）来分类，In等级不同，试验要求不同。用户根据电力变压器的重要性来选用WGMOA的In等级。WGMOA型录[1]中说明：电站WGMOA的In分为10kA和20kA两个等级；In=10kA的，Ur为（3～336）kA；In=20kA的，Ur为（3～800）kV；配电型WGMOA的In只有5kA。例如大容量变压器，保护高压或超高压一次侧绕组绝缘选用WGMOA的In=10kA或20kA，而二次中压侧WGMOA也应选用In=10kA或20kA。In等级实际上反映变压器的耐雷可靠性，即风险程度。
　　6 输电线路防雷保护
　　6.1 采用避雷线、避雷针
　　其主要作用是防止雷直击导线。同时还有以下作用：在雷击塔顶时起分流作用，从而减小塔顶电位；对导线有耦合作用，从而降低绝缘子串上的电压；对导线有屏蔽作用，从而降低导线上的感应过电压。输电线路愈高，采用避雷线的效果愈好。我国110kV线路一般全线架设避雷线，220kV及以上线路则是全线架设避雷线。为了提高避雷线对导线的屏蔽作用，减小绕击率，避雷线的保护角较小，通常采用20°～30°，甚至负保护角。通常，避雷线应在每基杆塔处接地。但在超高压线路上，将避雷线经一小间隙对地绝缘。当线路正常运行时，避雷线是绝缘的；当线路出现强雷云电场或雷击线路时，小间隙击穿，避雷线自动转为接地状态。
　　6.2 降低杆塔接地电阻
　　降低杆塔冲击接地电阻是提高线路耐雷水平、降低雷击跳闸率的最经济而有效的措施。
　　6.3 架设耦合地线
　　在导线下方4～5m处架设接地的耦合导线连同避雷线一起来增大它们与导线间的耦合系数，增大杆塔向两侧的分流作用。耦合地线可使雷击跳闸率下降50%左右。
　　6.4 采用中性点非有效接地方式
　　我国35kV及以下电网一般采用中性点不接地或经消弧线圈接地的方式。线路跳闸率约可下降1/3左右。
　　6.5 加强线路绝缘
　　增加绝缘子片数，增大跨越档导线与避雷线间的距离。采用不平衡绝缘方式，使两回线的绝缘子片数有差异，雷击时，片数少的回路先闪络，闪络后的导线相当于耦合地线，增加了对另一回导线的耦合作用。
　　6.6 装设自动重合闸装置
　　利用绝缘的自恢复性，降低线路的雷击事故率。
　　7 防雷保护发展方向
　　7.1 加强监测构建雷电探测系统
　　未来主要的发展重心着力于加强雷电定位技术的开发和应用研究，进一步完善雷电定位系统设备，开发全国雷电监测站网的综合定位技术，作为今后探测业务发展的主要任务之一。因此，从本地区的实际情况出发，发展具有独立知识产权的卫星空间综合探测设备和地面雷电探测设备，开发和完善全国雷电监测网的综合定位技术，在常规雷电定位站网产品中增加云闪信息、雷电的三维观测、利用星载雷电探测器与地面雷电站网结合构成新一代一体化的先进探测系统，获取全面的雷电监测资料。同时开展全国雷电监测站网的性能评估研究，并不断改进雷电探测系统的定位精度和探测效率，为开发雷电资料应用平台，建立共享资源数据库提供必要的基础，使雷电资料得到广泛应用，最大限度地发挥雷电探测系统的效益。
　　提高雷电监测和预警准确性和预报服务水平，这将有助于规范雷电预警服务的标准和内容，提高国家现代化的雷电预警能力和灾害性天气警报服务水平，从而为各个行业的生产和人民的生活提供重要的保障和服务。根据雷电预警模型，开发雷暴预警的软件系统，逐步建立和完善能够投入业务应用的我国短时雷电监测、预警、预报系统，以及重大雷电事件警报，雷电信息产品包括雷电特征在地理信息系统平台上的图像显示，雷电预报产品以移动速度和移动方向的形式显示雷电活动区域的扩展状况，以及雷电灾害等级在不同时段的分布等形式。
　　另外，寻求气象保障服务系统中建立公众雷电服务系统，加快公众雷电服务技术和手段的现代化，开发适应公众需求、内容丰富的雷电信息产品，为森林防火、电力、交通、航空航天、国防与军事、石油等应用部门提供更高质量的雷电信息应用产品。并结合不同行业的特殊要求，提供专业雷电预警、灾害等级的科学评估和决策分析系统，为国民经济建设服务。
　　7.2 广泛的应用现有新技术
　　安装线路可控避雷针使由于雷击所产生的过电压超过一定的幅值时动作，给雷电流提供一个低阻抗的通路，使其泄放到大地，从而限制了电压的升高，保障了线路、设备安全。广泛的采用自动重合闸采用自动重合闸后可以有效的避免跳闸保证供电的可靠性。
　　8 结论
　　防雷是一个永久话题，仍在不断发展中，防雷技术与防雷产品也在发展中，以科学的态度在实践，在理论不断完善。
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