浅谈电力系统防雷

陈文学

摘要：电力生产发，送，变，用的同时性，决定了它每一个过程重要性。电力系统要通过设计、组织，以使电力能够可靠、经济地送到用户。对供电系统最大的威胁就是雷击引起的短路故障、接地故障，它会给系统带来巨大的破坏作用，因此我们必须采取措施来防范它。

对于一个大电网，雷击引起故障发生的几率和雷电带来的扰动是相当大的，如果没有防雷的保护装置，电网是不允许运行的。这就是防雷技术在实际应用中的重要程度。正确安装避雷保护装置的必要性是显而易见的。但在系统复杂的内部连接和易发雷电区域关系致使很难检查正确与否。因此有必要采取校验手段。防雷的保护装置是分区域布置的，这样整个电力系统都得到了保护，而不存在保护死区。本论文较好的介绍了对雷电的产生基本理论知识，针对雷电的基本特征，分析原始资料，充分保证电力系统安全稳定运行，实现了对防雷技术改革的目的、要求及措施，提出有益的建议，使每个电力职工增强电力设施的安全保护意识。

关键词：雷电；防雷技术；接地保护；浪涌电压

1.绪论

2.雷电产生的原因

近年来，随着电子技术的飞速发展，自动控制系统在电力生产各个方面的使用越来越广，电力職工在受益于微电子技术的极大方便的同时，也受到其一旦损坏就损失巨大的困扰。实际上，在电力系统增加自动控制系统的时候，对自动控制系统的安全防雷意识相对淡薄，一旦有雷电波侵入，设备损坏一般是巨大的，有的甚至使整个系统瘫痪，造成无可挽回的损失。雷击是一种自然现象，它能释放出巨大的能量、具有极强大的破坏能力。一直以来，致力于电力生产和电力设备研究的人员通过对雷击破坏性的研究、探索，对雷电的危害采取了一定的预防措施，有效地降低了雷害。

雷电产生的原因是大气中的放电现象。在大气层中，云层间或云和地之间的电位差增大达到一定程度时，即发生猛烈放电现象（闪电）。可见，雷电的产生首先与大气层中的云有关，如层积云、雨层云、积云、积雨云等，最重要的则是积雨云，气象专业书中讲的积雨云就是指雷雨云。在积雨云的生成与发展的同时，云体会带有大量电荷，一般云体上部带正电荷，中部和下部带负电荷，底部又有一部分带正电荷。当浓积云发展到积雨云阶段，其中有的区域电位梯度大到每厘米几千伏特，甚至上万伏特时，才会有闪电发生。每次放电时的电流强度平均有2万安培左右，放电时间很短，总的持续时间一般为0.2秒；个别的可达1.5秒。闪电有枝状、球状、片状、条状等多种形状，但经常见到的是枝状闪电，其平均长度是2-3公里，也有可达20-30公里的。在闪电的同时，放电的路径上空气的温度瞬息间可以增高几万度，空气因急剧增热而膨胀就会引起空气的剧烈振动、冲击、爆炸，产生强烈的雷鸣（打雷），亦称雷暴。由于光速比声速快，故先见闪电，后闻雷声。雷暴在气象学里，分锋面雷暴、气团雷暴、对流性雷暴、平流性雷暴。

当雷电放电路径不经过防雷保护装置时，放电过程中产生强大的瞬变电磁场在附近的导体中感应到强大的电磁脉冲，称感应雷。感应雷可通过两种不同的感应方式侵入导体。一种是在雷云中电荷积聚时，附近导体会感应相反的电荷，当雷击放电时，雷云中电荷迅速释放，而导体中的静电荷在失去雷云电场束缚后也会沿导体流动寻找释放通道，就会在电路中形成静电感应，其次是在雷云放电时，迅速变化的雷电流在其周围产生强大的瞬变电磁场，附近的导体中就会产生很高的感生电动势，在电路中形成电磁感应，感应雷沿导体传播，损坏电路中的设备或设备中的器件。信息系统中系统接口多，线路长，给感应雷的产生、耦合和传播提供了良好环境，而信息系统设备随着科技的发展，集成度越来越高，抗过电压能力越来越差，极易受感应雷的袭击，并且损害的往往是集成度较高的系统核心器件，所以更不能掉以轻心，感应雷可以来自云中放电，也可以来自对地雷击。而信息系统与外界连接有各种长距离电缆可在更大范围内产生感应雷，并沿电缆传入信息系统。所以防感应雷是电力系统特别是微电子技术应用比较广泛的变电站综合自动化系统内，因而信息系统防雷是电力系统保证安全的重点。

3.电力系统高压电力装置防雷技术

供电网络中发生雷击时，很大的短路、接地电流会使电器设备过热或受电动力作用而遭到损坏，同时使供电网络内的电压大大降低，因而破坏了网络内用电设备的正常工作.为了消除或减轻雷击的几率，，就需要防雷技术。因此，防雷技术是进行电网雷击保护配置设计的基础。

3.1 原始的防雷技术：

电力装置在其发展使用初期大都是通过裸导线架空线路输电，架空导线一般在离地面6～18m的空间，通过雷电入侵波产生的雷电过电压使线路或设备绝缘击穿而损坏。当时人们通过在线路或设备上人为地制造绝缘薄弱点即间隙装置，间隙的击穿电压比线路或设备的雷电冲击绝缘水平低，在正常运行电压下间隙处于隔离绝缘状态，当雷电发生时强大的过电压使间隙击穿，从而产生接地保护，起到保护线路或设备绝缘的作用。

3.1.1 间隙保护技术：

间隙保护就是线路大体的两极由角形棒组成，一极固定在绝缘件上连接带电导线，而另一极接地，间隙击穿后电弧在角形棒间上升拉长，当电弧电流变小时可以自行熄弧，间隙保护技术的缺点是当电弧电流大到几十安以上时就没法自行熄弧，雷电过电压时，单相、两相或三相间隙都可能击穿接地，造成接地故障、两相或三相间短路故障，以致线路电源断路器保护动作分闸。

3.1.2管型避雷器技术：

管型避雷器技术是利用一种具有喷气熄弧功能的间隙装置，此装置有内外两个间隙，外间隙类似保护间隙，两极均固定在绝缘件上，内间隙置于避雷器管内，当雷电过电压内外间隙击穿时，雷电流和工频短路电流经管内壁接地，管壁物质受热气化，有较大压力气体经内间隙喷出管外，强制间隙熄弧。管型避雷器技术也存在很多的缺点：此装置的的选用受安装地点的限制，其次还受线路最大、最小短路电流的制约，最大短路电流大于避雷器的断流上限时避雷器会爆炸；短路电流小于避雷器的断流下限时就不能熄弧，避雷器可能烧坏。另外管型避雷器多次动作后，管内径会逐渐增大，熄弧能力会下降甚致消失。

3.2新型防雷技术的应用：

间隙保护技术和管型避雷器技术都是靠间隙击穿接地放电降压来起到保护的作用，以上两种防雷技术往往会造成接地故障或相间短路故障，不能达到科学合理的保护作用。目前在电力系统中防雷保护仅将它们用于输电线路防雷，同时为了尽量减少线路停电事故，与自动重合闸装置配合使用。更为科学合理的防雷措施是阀型避雷器（表3.2）技术，是目前电力高压防雷最为普遍的电气设备防雷技术。对于雷电侵入波的过电压保护是利用阀型避雷器以及与阀型避雷器相配合的进线段保护。其原理是在过电压下自动开闸泄流降压，恢复运行电压时闭闸断流，这种保护作用是靠避雷器内电阻元件的限流限压作用实现的，过电压下电阻元件可将雷电流限制在5kA内，残压限制在设备的雷电冲击绝缘水平以下；有些电阻元件在运行电压下仍有续流通过，长时间续流会使管型避雷器损坏，故一般需加串联间隙隔离运行电压，并靠间隙灭弧和切断续流。阀型避雷器突出优点是避雷器的电阻元件可避免电力系统直接接地或相间短路故障，其保护作用不会影响电力系统的正常安全运行。

3.2.1碳化硅避雷器技术：

碳化硅避雷器结构为将间隙和若干片SiC阀片压紧密封在避雷器瓷套内，保护作用是利用SiC阀片的非线性特性，在过电压下电阻变得很小，可大量泄放雷電流限制残压，而在雷电压过去后电阻自动增大，限制续流在几十安内，使间隙能灭弧和断流。碳化硅避雷器保护动作既泄放雷电流也泄放工频续流，切断续流时耗最大达 10000μs，一次保护循环时间要远大于 10000μs才能恢复到可进行再次动作能力，故碳化硅避雷器没有连续雷电冲击保护能力碳化硅避雷器因其间隙结构（隙距小，数量多）带来一些缺点：如没有雷电陡波保护功能；没有连续雷电冲击保护能力；动作特性稳定差可能遭受暂态过电压危害；动作负载重寿命短等。无间隙氧化锌避雷器因其拐点电压较低，有暂态过电压承受能力差，损坏爆炸率高和寿命短等缺点。串联间隙氧化锌避雷器的间隙结构不同于碳化硅避雷器，因其间隙数量少，当过电压达到冲击放电电压时间隙无时延击穿，因隙距大动作特性稳定，故它可避免碳化硅避雷器间隙带来的一切缺点。

3.2.2氧化锌避雷器：

氧化锌避雷器简称MOA，与传统的碳化硅避雷器相比，MOA具有保护特性好，通流能力大，耐污能力强，结构简单，可靠性高等特点，能对输变电设备提供最佳保护。

图3.2.2氧化锌避雷器伏安特性

碳化硅避雷器技术在防雷性能上有其突出的优点被电力系统高压设备广泛采用，但也存在着一定的缺点：一是只有雷电最大幅值限压保护功能，而无雷电陡波保护功能，防雷保护功能不完全；二是没有连续雷电冲击保护能力；三是动作特性稳定性差可能遭受暂态过电压危害；四是动作负载重使用寿命短等。这些潜在的缺点已暴露出碳化硅避雷器在使用的过程当中存在影响电力安全的隐患性且其产品技术也比较落后。氧化锌避雷器按外壳材料分为瓷套式、罐式、复合外套式三大类；按使用场所分配电、电站、线路、并联补偿电容器、变压器和电机中性点、发电机和电动机保护用六大类，氧化锌避雷器技术在继承了碳化硅避雷器技术的基础上，无论是在设计的思想上，还是在产品功能的完善上都是世界公认的当代最为先进防雷电器。氧化锌避雷器的结构为将若干片ZnO阀片压紧密封在避雷器瓷套内。ZnO阀片具有非常优异的非线性特性，在较高电压下电阻很小，可以泄放大量雷电流，残压很低，在电网运行电压下电阻很大很大，泄漏电流只有50～150μA，电流很小可视为无工频续流，这就是作成无间隙氧化锌避雷器的原因，其突出优点是它对雷电陡波和雷电幅值同样有限压作用，防雷保护功能完全。

我国最先生产使用的是无间隙氧化锌避雷器，经过长期的运行实践，发现它有损坏爆炸率高，使用寿命短等缺点，原因是暂态过电压承受能力差是其致命弱点。而串联间隙氧化锌避雷器仍有无间隙氧化锌避雷器的保护性能优点，同时有暂态过电压承受能力强的特点，是一种理想地扬长避短产品，结合国情在3～ 35kV系统串联间隙氧化锌避雷器才是当代最先进防雷电器。

4.电力系统弱电装置防雷技术：

4.1 雷击的形成及入侵途径：

4.1.1 雷击形成主要有两种形式直接雷击和感应雷击：

直接雷击是指雷电直接作用在物体上，产生电能效应、热效应和机械力等对物体造成危害。

感应雷击是指雷电放电时，在附近导体上产生的静电效应和电磁感应，由此产生的放电效应使使金属部件之间产生火花，称之为感应雷击（图4.1.1）

图4.1.1感应雷的形成过程

4.1.2 对保护1进行过流保护整定：

感应雷击的入侵途径有以下几种

架空线路上的二次感应产生的感应电压（图4.1.2），产生的雷电电流经过架空线路时感应到传输线上。对于老式的通讯设备来讲，它们的构造大都是由电子管、晶体管向集成电路过渡的。由于电子管、晶体管等相对对立，因而耐冲击能力较强，因此二次雷击效应对电子管、晶体管通讯设备不会造成太大损害。对于集成化程度较高的微电子设备，其耐冲击能力差，受雷击更易使微电子设备受到损坏。

通过电源线、信号线或天线馈线引入的感应雷击通过电磁感应耦合到各类传输线而破坏设备。电源线引入感应雷击。变电站内设置的微波通信基站的供电线路大多采用架空明线。试验表明，雷电频谱在几十MHz以下频域，主要能量集中分布在工频附近。因此，雷电与市电相耦合的概率很高，容易造成通信线路及通信串口烧坏。为了扩大信号覆盖范围，就要尽可能地增加天线架设高度（65m以上的铁塔约占50%）。但是，在提高信号覆盖范围的同时，也增加了铁塔引雷的概率。

4.2 外部防护：

外部防护是指对安装弱电设备的建筑物本体的安全防护，可采用避雷针、分流、屏蔽网、均衡电位、接地等措施，这种防护措施比较常见，相对来说比较完善弱电设备的外部防护首先是使用建筑物的避雷针将主要的雷电流引人大地；其次是在将雷电流引人大地的时候尽量将雷电流分流，避免造成过电压危害设备；第三是利用建筑物中的金属部件以及钢筋可以作为不规则的法拉第笼，起到一定的屏蔽作用，如果建筑物中的设备是低压电子逻辑系统、遥控、小功率信号电路的电器，则需要加装专门的屏蔽网，在整个屋面组成不大于5m-5m，6m-4m的网格，所有均压环采用避雷带等电位连接；第四是建筑物各点的电位均衡，避免由于电位差危害设备；第五是保障建筑物有良好的接地，降低雷击建筑物时接点电位损坏设备。