变电所防雷综合技术研究

戴丽君, 成明华

(1.南京铁道职业技术学院铁道供电系，江苏 南京 210031；2.上海铁路局南京供电段，江苏 南京 210015)

变电所防雷综合技术研究

戴丽君1, 成明华2

(1.南京铁道职业技术学院铁道供电系，江苏 南京 210031；2.上海铁路局南京供电段，江苏 南京 210015)

变电所在电力供电系统中饰演着重要角色。如果一旦发生雷闪情况，会对使变压器等主要电气设备造成损坏，导致大面积停电；同时伴随雷击产生的雷电波过电压沿架空线路侵入变电所，也可能损坏变电所内电气设备，引发更严重的事故。重点针对变电所防雷综合技术策略进行研究探讨，分析变电所防雷综合技术需重点解决的关键问题，结合工程实例，总结提出行之有效的变电所防雷综合技术对策。

变电所；雷电过电压；防雷设施；对策；措施

0 引 言

雷电对人类活动有着重要的影响，雷电造成的自然灾害，对供电系统也有着很大的影响，一旦有雷闪事故发生，往往会造成变压器等关键设备的损坏或者烧毁，继而发生停电事故，这将造成重大的经济损失，对日常生活产生巨大的影响，因此要求我们做好变电所的雷电防护。

雷击导致的变电所事故主要分为两种：第一种是变电所的设备或者带电导体遭到直接雷击；第二种是雷电波通过连接变电所的金属导体线路传入变电所。[1]

通常情况，为降低线路部分遭闪电击中的概率，往往将线路绝缘做得较高。这就导致了一旦有雷电波侵入，幅值必然很大，直接影响到变电所的运转，这就要求对变电所采取严格的保护措施，以防止变电所设备绝缘被损坏。故而在变电所设置雷电波防护是非常必要的任务：其主要手段是在变电所内装设阀型避雷器或氧化锌避雷器，同时要采取相应方案降低雷电入侵波的陡度，限制流过阀型避雷器电流。下面对防雷技术进行综合分析，并归纳提炼出工程上可实施性强，性价比高的综合防雷措施。

1 变电所雷电过电压的分类

不同电气设备都有额定电压要求，所以在制造时都有相应的绝缘强度，当设备遭受雷电过电压,超过绝缘强度时，电气设备的绝缘被击穿，设备损坏，发生故障或事故。

变电所雷电过电压主要有两个途径，首先是变电所遭闪电的直接击中，另外是输电线路被雷击后产生的雷电过电压沿线路金属导体侵入变电所。

雷电过电压种类可分为：直接雷电过电压和感应雷电过电压。直击雷电过电压是雷云直接向室外架空输电线和电气设备放电产生的，其对变电所内的设备危害很大。感应雷电过电压则因雷击发生时的电磁感应现象形成[2]。

2 变电所常用防雷设施

变电所的常用防雷设施，主要有避雷网、避雷针、避雷线和避雷器等。防雷装置主要经过引下线与大地相连，必须充分接地，其接地电阻要求小于等于10 Ω，有条件时应尽可能做到更小，以保证接地效果，充分利用大地是无限大电容，可无限收纳雷电能量。

2.1 避雷针

当雷雨天气时，避雷针通过与雷电云感应出大量电荷，其尖端大量电荷集聚，这时带电云和避雷针之间形成一个天然的电容器。由于避雷器尖端面积极小，电容两级正对面积小，电容就很小。所以当带电云上电荷越多，他们之间的空气间隙就越容易被击穿。而良好的接地，就使雷电流在他们之间形成了通路，顺利被释放到大地之中，从而使建筑物避免了直击雷的电击，起到了保护建筑物的作用。

避雷针对周边人员和设备的保护区域为一立体空间，因此常用避雷针对直击雷的保护区域来显示其保护范围，一般情况下，以避雷针作为轴线画出圆锥体，其可保护的范围[3]，如图1所示。

图1 避雷针的保护范围图

2.2 避雷线

避雷线设置的位置比被保护物要高，可对直击雷实现防护。在雷电先导阶段时，避雷线的顶部会聚积大量电荷，由于避雷线屏蔽和迎面先导作用，位置较低的被保护物遭受雷击的概率大大降低(防护效果可达99.5%-99.9%)。工程实践上的经验是：由于雷击避雷线之时，强大的雷击电流与引流线电抗、接地电阻会共同作用，会产生很高电压，将引起空中绝缘物体、或地面上保护物体反击，所以工程上均要求避雷线的阻抗要非常低，这是保障防护效果的重要影响因素。

与城市电网供电系统类似，铁路和城轨交通的高架线路，其牵引供电系统中的接触网也往往采用架空地线兼做避雷线的形式对变电所和沿线设备进行防护，架空地线一般沿线路架设，位于线路最上方，高于接触网的带电体，上下行各架设一根架空地线，也充当避雷线的作用。

图2 单根避雷线的保护范围

避雷线为保证其防护区域内的被保护物不被雷电击中，其保护范围由仿真实验和工程经验共同确定。同时，考虑到雷电放电路径会被一些不确定因素干扰，所以很难确保被保护物完全免遭闪电击中。避雷线的保护范围如图2所示。

避雷线的保护范围可以采用保护角来表示，其值越低，线路受雷电直击的几率越低，防护水平也更高。

2.3 避雷器

变电所中的供电设施防雷电使用最多、性价比最高的是避雷器。避雷器连接于带电设备或导线和大地之间或者并联在要保护的各种设备上。[5]避雷器通过将雷电引入大地或者释放由于各种原因形成的过电压，从而起到保护作用。

避雷器通过非线性电阻或放电间隙对侵入的雷电波造成减幅，达到减小被保护设备所受的电压值的效果，从而保护电力设备。它的独特优势在于能及时地开断续流，不会引起供电系统短路故障。避雷器设有整定值，一旦电压升至这一规定值，避雷器将快速动作使电路导通，从而达到限制过电压，保护变电所内设备绝缘的目的。当电压稳定之后，避雷器立即回到原来状态，确保变电所运行。

2.4 保护间隙

保护间隙具有结构简单、维修方便的特点，但其灭弧能力弱，保护动作不灵敏，易造成短路接地故障。为了提高其可靠性，通常和自动重合闸共同配合。

为了保护电力变压器，通常在高压熔断器的内侧安装角型保护间隙，这样间隙被击穿后，熔断器快速熔断，切断故障回路，缩小停电范围。

3 变电所综合防雷对策和措施研究

3.1 变电所直击雷防护-装设避雷针

根据上文分析的防护原理，避雷针预防直击雷的效果较好，其布局主要考虑以下因素：

一是避雷针的保护范围要足够大，根据变电所平面布局计算避雷针的高度和设置位置是比较常规的工程方法，能将被保护设备装设在保护范围内，特别是最后一档进线，一定要包括在内。

二是避雷针的装设需要考虑，当避雷针遭受雷击，会引起对地电位升高，这就要防止被保护设备遭受反击的因素。

这里简要分析一下有关避雷针的反击现象。雷电流iL经过避雷针及其接地装置如图3时，在避雷针上高为h处(A点)，将产生高电位ua，避雷针接地装置上电位为ue，[4]则有:

(1)

ue=iLRch

(2)

其中Rch—避雷针的冲击接地电阻；

图3 独立避雷针和配电构架之间的距离

避雷针和被保护设备或构架之间存在空气间隙Sa(如图3所示)，为防止因其被击穿酿成的反击事故，需令Sa满足一定长度，如果令空气的冲击放电电压为500 kV/m，则Sa应满足下式要求:

Sa≥0.3Ri+0.1h

(3)

同理，为保证泥土里避雷针接地装置与被保护设备接地装置之间的间隙Se不被击穿，Se应满足下式:

Se≥0.3Ri

(4)

此处假设土壤冲击放电电压为500 kV/m。在一般情况下Sa不应小于5 m，Se不应小于3m。[5]

可见实际工程中，避雷针至其保护的供配电构架应保证一定的距离，以利于抵抗雷电反击。

三是注意选择适宜的避雷针安装形式。

(1)独立避雷针：用于35 kV以下系统(此类设备绝缘水平较差，易发生反击)。

(2)构架避雷针：用于110 kV以上系统(此类设备绝缘水平较好，难以造成反击).

城市电网中及电气化铁路和轨道交通主变电所的电压等级多在110 kV之上，可在配电装置的构架之上设置避雷针。考虑到此类电气设备绝缘程度较好，闪电直接击中避雷针时，虽然构架上电位较高，但不至造成反击事故。配电构架还需要配置辅助接地，其和变电所地网的连接点需离主变接地装置与变电所地网的连接点15 m以上。目的是让闪电击中避雷针时，避雷针上的高电位，在沿着接地网向变压器接地点移动过程中被不断削弱，在其到达变压器时，不会导致变压器反击事故。考虑到变压器绝缘水平不高，而且还是变电所中的最关键设备，因此其门型构架上不安装避雷针。

关于线路终端杆上的避雷针能否与变电所构架相连的问题，也可按上述装设避雷针的原则来处理，一般110 kV及以上的变电所允许相连，35 kV及以下的变电所一般不允许相连。

3.2 变电所的进线侧防护-装设避雷线

为了降低通过设置于变电所的避雷器的雷电流的大小、削弱入侵波的陡度，变电所需采用进线保护。可以采用局部进线保护或全线均保护两种形式。

线路产生过电压时，流向变电所的入侵波会沿着导线移动，幅值等于线路绝缘的50%放电电压。线路的冲击耐压比变电所的冲击耐压要高得多，如表1所示。

表1 不同额定电压的线路与变压器的冲击强度kV

如果变电所进线段没有安装避雷线，当闪电击中变电所附近进线时，沿线路入侵通过避雷器的电流较高，且其陡度或高于允许值，故而在进线段附近，必须设置避雷线。

进线段装设避雷线后，进线段附近产生雷电波的概率明显降低，保证雷电波只能在进线段以外产生。变电所的进线保护区域一般设定1～2 km，如图4所示。

变电所进线段装有避雷线具备很强的耐雷能力，在各种电压等级下，进线段耐雷水平规定如表2所示。

表2 进线段线路的耐雷水平

最严重的情况是母线只有一条线路，入侵的雷电波幅值被线路绝缘放电限制，其最大幅值可设为线路绝缘的50%冲击电压U50%。入侵波在l～2 km的进线段上，往返时间为2i/v=6.7～1.33 μs。由于入侵波波头很短，所以避雷器动作后所造成的负反射波可返回到被击中点，在该点的反射波通过避雷器的最大电流Ibm由式(5)计算：

2U50%=IbmZ+Ubm

(5)

图4 变电所的进线保护

式(5)中Z为进线段导线的波阻抗，对于35～220 kV的线路设Z=400 Ω，对于330 kV线路设Z=300 Ω；Ubm为避雷器的残压最大值，根据其电气特性可知：对于电压低于220 kV的避雷器，用5 kA下的残压；330 kV时用10 kA下的残压；[6]将上述数值代入式(5)即能算出不同等级的Ibm，如表3所示。

表3 不同等级电压线路雷电流的幅值

根据表3数据，l～2 km长度进线段，即可达到将通过避雷器的雷电流控制在5 kA(或10 kA)之下的目的。

最不利的情形是落雷击中进线段首端，同时入侵波的幅值等于线路的50%冲击电压，并存在直角波头。此电压值大于导线临界电晕电压，由于入侵波影响，导线会产生电晕。由于电晕要消耗能量，可对入侵波造成衰减与变形，所以直角波头的雷电波入侵变电所时，波形会变缓。

进线侧电压为110 kV或者220 kV的系统有着很高的绝缘水平，这些线路绝缘子串的冲击电压也很高，如果一旦进线端发生雷电波入侵，由于较高雷电波幅值，将会损坏所内的电气设备。为了保证变电所正常运行，就必须降低雷电波的坡度和幅值，使其小于设备绝缘的击穿电压。这也成为变电所防雷方面的难点。

为了解决这一问题，就要安装避雷针，要求装设高度要足够高并且有良好有效的接地，从而保证变电所外漏、带电的绝缘部分与避雷器可靠连接，只有这样电气设备才能维持正常运行状态。

此外，根据运行经验证明，在重雷区，甚至在雷雨季中常合闸的断路器，也宜装设氧化锌避雷器，因为一次雷击引起断路器跳闸后，可能发生连续雷击，致使已跳闸的断路器闪络。

3.3 变压器防护-避雷器最有效

1)双绕组变压器的防雷保护

双绕组变压器工作时，高低压侧均为闭合回路，因此可在高低压侧设置避雷器，一但有雷电波入侵，立刻导通接地，切断回路，高电压感应到另一侧也不会击穿绕组，因此无需加装其他保护措施。

2)三绕组变压器的防雷保护

110 kV以上的变电所采用的变压器具有高压、中压、低压三个绕组。雷电波入侵高压侧时，由于绕组间存在电磁与静电耦合，低压侧绝缘存在隐患。常见的情况是，三绕组变压器正常运行，低压侧为开路状态，当高中压侧遭受雷电波入侵时，由于低压侧绝缘性能较差，容易被击穿，因此要在任一相低压绕组的直接出口处均架设一台对地的避雷器 ；当然，中压绕组也存在开路的可能性，不过因自身绝缘较好，多数不设置其他保护措施。

图5 AT变压器的防雷保护接线图

3)电气化铁路使用的AT供电，其自耦变压器除有高、中压自耦绕组外，还采用三角形连接的低压非自耦绕组，使零序阻抗降低并优化电压波形。在低压非自耦绕组上，为降低由静电感应产生的电压需装一台避雷器。此外，当雷电波从高、中压绕组的一侧侵入而另一侧开路时，将在开路侧出现过电压。因此，需要将避雷器设置于AT变压器和断路器中间的两个自耦绕组出线上。如图5所示。

3.4 变压器中性点的防雷保护

1)中性点绝缘水平

中性点绝缘水平有两种：全绝缘和分级绝缘，当相间绝缘水平与中性点相等时，称之为全绝缘，一般在60 kV及其以下的变压器采用；凡相间绝缘高于中性点的，称之为分级绝缘，其多用于110 kV及其以上的变压器。

2)不同电压等级的中性点保护

电压不超过60 kV的电网额定电压较低，因此线路绝缘性能较低，变压器一般采用中性点间接接地的方式；另外35 kV及以下的线路又不架避雷线。因此理论上有雷电波入侵的可能，但依据实际应用情况来说，每百台遭受雷电的概率只有0.38次，实际上是可以接受的。由于以下几方面的原因，导致35～60 kV遭雷电波入侵较少：

(1)三相同时遭入侵的概率很低；

(2)避雷器实际安装位置距变压器的距离比设计标准更小；

(3)大多雷电波从线路远处入侵，其陡度很小；

(4)变压器绝缘有一定的预留；

(5)流经避雷器的雷电流不超过5 kA，多在1.4～2.0 kA的范围内；

(6)由于变电所多条进线，将来自一条线的雷电流分流，这就大大减小雷电流。

所以我国的标准规定，36～60 kV的变压器，其中性点大多不加装保护。

于中性点处装设金属氧化物避雷器或阀型避雷器多用于单路进线、中性点非直接接地、多雷区的变电所。高压电网(110 kV以上)多数采用中性点直接接地的方式，但也有一些变压器不接地，而在中心点加装避雷器，这样就可以实现继电保护。由于单进线的变电所只有一台变压器工作，因此中心点需加装避雷器，必须同时满足下列条件：

(1)为了预防避雷器发生爆炸，要使电网单相接地时造成的中性点电位的上升稳态值低于避雷器的熄弧电压；

(2)其冲击放电时的电压不超过中性点冲击绝缘水平；

(3)为了确保继电保护准确动作，由电网单相接地上升的中性点电位的暂态最大值应低于保护间隙的放电电压。

3.5 馈线防护

馈线将变电所的电能输送到电网。在馈线出口处装设独立的避雷针的目的是避免强雷区变电所出线口附近的馈线或电网被雷击而引起的幅值和陡度较高的雷电波侵入变电所。

为实现对变电所设备的防雷保护，不仅可在馈线上加装避雷器，还可采用电容器组加避雷器、抗雷线圈加避雷器、单芯电缆加保护间隙等接线方式。

4 结束语

(1)变电所防雷意义重大

变电所是供电系统最重要的核心设施，决定了供电的安全可靠性，必须得到可靠地保护；变电所直接和输馈电线路以及架空地线相连接，受雷击的概率大；雷电侵入波一般有着较大的幅值，超过了变电所中电气设备承受能力，就会导致设备被击穿、损坏，发生供电中断，对社会生产生活产生严重影响，同时造成经济损失，所以变电所防雷保护意义重大。

(2)因地制宜采取合适的防雷措施

避雷针、避雷线(避雷带、避雷网)、避雷器等常规防雷设施均有其不同的防雷特性，也有各自适应的场所，具体可根据需求，结合周边环境采取相应的或综合的措施。

(3)重视周边环境对防雷效果的影响

周边环境对防雷措施及效果影响较大。例如：铁路或城市轨道交通高架线路位于高压输电线路附近时，将因输电线路形成的天然屏障，利于防雷，可相应核减轨道交通自身的防雷设施。

(4)接地电阻对防雷效果的影响显著

接地的安全可靠、接地电阻的大小及稳定程度，对防雷效果非常敏感，接地与防雷反击也有着密切的联系，强弱电共用的综合接地体需要将强弱电的接地位置分开设置，以策安全。因此应在工程中积极采取措施，设置性能稳定、耐久、可靠的接地设施。

[1] 周泽存，沈其工．高电压技术[M].北京：中国电力出版社，2004.

[2] 张一尘．高电压技术[M]．北京：中国电力出版社，2007.

[3] 周启龙,刘恒赤．高电压技术[M]．北京：中国水利水电出版社,2004.

[4] 王宏.浅谈变电站的防雷保护[M].北京：中国电力教育出版社, 2014.

[5] 赵贤龙,冯锴.浅析变电所的雷害及保护措施[J].科技资讯,2006,3(21):28.

[6] 戈东方，钟大文．电力工程电气设计手册[Z]．北京：水利电力出版社，1989.

Comprehensive Technology Study of Substation Lightning Protection

Dai Lijun1, Cheng Minghua2

(1.Department of Railway Power Supply, Nanjing Institute of Railway Technology, Nanjing Jiangsu 210031, China;2. Nanjing Power Supply Section, Shanghai Railway Bureau, Nanjing Jiangsu 210015, China)

Substations play an important role in the power supply system. Should lightning occur, it will damage main electrical equipment such as transformer, resulting in large-scale outage. Furthermore, lightening overvoltage occurring along with thunder will intrude substations along overhead lines and would possibly damage electrical equipment of the substations, triggering even more serious accidents. This paper focuses on comprehensive lightning protection technology for substations and analyzes key problems to be solved in this respect. Through project examples, this paper summarizes effective countermeasures for lightning protection of substations.

substation;lightning overvoltage;lightning protection facility;countermeasure; measure

10.3969/j.issn.1000-3886.2017.04.022

TM764.2

A

1000-3886(2017)04-0074-04

定稿日期: 2016-11-01

戴丽君(1967-)，女，南京人，南京铁道职业技术学院电力工程学院铁道供电系副教授。 成明华(1967-)，男，南京人，上海铁路局南京供电段高工。