中外变电站主变区域防雷设计的对比与解析

曾 军，尹大千

（特变电工沈阳电力勘测设计有限公司，辽宁 沈阳 110025）

0 引 言

目前，随着中国“一带一路”战略的推进，由中国公司总承包的国外基础设施项目越来越多，中国的变电站设计人员开始越来越多地进行国外变电站的设计工作。中国设计人员的图纸，仍然需要在国内接受总包方、国内外咨询方等相关单位的审查。不可避免地，中国标准作为设计的参照，也被普遍应用到了国外工程设计中。在主变区域的防雷设计上，要在执行国际标准的同时兼顾中国标准，非常困难。本文将对比中外不同的设计方式和理念，并分析给出国外变电站主变区域防雷设计的意见。

400 kV及以上电压等级的变电站，400 kV主变和区域设备的耐雷水平较220 kV高，且通常有2～3个配电装置区，主变区域的防雷有多种可供选择的设计。132 kV及以下的电压等级，其设备及导线的高度较220 kV低，避雷针、线的设置相对容易。因此，本文选择220 kV变电站的220 kV主变区域作为研究的基础。

1 基于中国标准的防雷设计方法

中国标准GB/T60064-2014《交流电气装置的过电压保护和绝缘配合设计规范》对直击雷的防护，采用中国特有的折线法[1]。设计过程中，避雷针保护20 m高的设备或构架较容易。一般不需要在主变构架上设置避雷线或避雷针，且避雷针很容易远离主变。中国标准对主变构架上设置直击雷的防护，有十分严格的要求。中国标准规定：土壤电阻率大于350 Ω·m时，不允许在主变构架上设置避雷线或避雷针；在土壤电阻率不大于350 Ω·m时，在采取防止反击措施后，允许装设避雷针、避雷线。但是，标准中未明确防止反击的具体措施。

中国标准中，将主变遭受雷电的反击作为优先考虑的事项，制定了详细的条文。因此，中国境内的变电站，主变构架上通常不会设置防雷措施。

2 基于国外标准的防雷设计方法

国外变电站的设计通常执行IEC、IEEE标准，对直击雷的防护采用滚球法。按照IEEE998-2012《变电站直击雷防护导则》，根据设备的绝缘水平，确定雷电防护的滚球半径。标准220 kV设备适用的滚球半径非常小，仅18 m，无法通过设置独立避雷针来保护主变的进线及主变构架[2]。对于雷电流较小、刺穿防护的情况，由设备自身的绝缘来承受。该计算设计的方式，对雷击的防护理论上有效，但并非万无一失，且实际难以做到。一方面由于雷电的路径并非直线，另一方面是工程的造价高昂。

按照IEC 61936-1：2010（+AMD1：2014）《1 kV以上电力安装通用规范》，将滚球半径指定为针高的3倍[3]。这个原则显著增加了保护半径，降低了造价。同时，变电站受雷击影响较小，使得该导则的计算方式被广泛应用。但是，该导则仅确认对25 m以下的避雷针或线适用。考虑到风险与造价的关系，葡萄牙、莫桑比克、安哥拉等国家，将高度适用范围拓展到30 m以下的避雷针或线。

为了保护主变区域免遭直击雷，在主变区域进线构架使用两根避雷线，一直连接至主变构架，以此保护该区域的导线及设备。需要时，在该门型构架上增设两根构架避雷针，以扩大保护范围，充分保护构架附近的中压设施。

上述主变区域的防雷设计在国外属于较常规的设计，并未见过多的要求和限制。在莫桑比克的KONGOLOTE 60 kV、巴西ceriluz 220 kV、安哥拉CaVaco 60 kV等变电站的考察调研中，均运行良好。从收集的资料来看，在西班牙、法国、美国等，亦属于常见的设计。

3 中国设计人员面临的问题

多数情况下，在国外变电站的建设过程中，中国设计人员需要满足各方面的意见或要求。设计标准一般执行国际标准，同时也能满足中国标准的要求，但主变区域的防雷却常遇到问题。

220 kV配电装置的挂线点在15 m左右，220 kV主变压器的外形亦较大，因此主变门型构架的高度通常在15.5 m。即使使用25 m高的避雷针，在15.5 m的高度，其保护半径不到10 m。无论是对宽度超过15 m的主变门构，还是对主变区域里的架空导线，避雷针的保护范围都无法覆盖。中国设计人员常在主变区域周围设计3～4个25 m高的独立避雷针，再架设架空地线，用以满足防直击雷的要求。此设计方法有两个弊端，一是避雷线多次横跨带电体存在安全隐患，二是造价较高。而后在国外咨询工程师和业主的审查中，这种奇怪的设计也为其所质疑。本文认为最佳的解决办法是采用主变构架设置避雷针和避雷线的属地化设计，但此设计方法违反了中国标准，需要进行论证。

4 国外常规防雷设计的论证

4.1 设计要求论证

防雷接地的设计通常作为一个系统整体的设计，分为地上的部分和地下的部分。地下的部分为主接地网，采用裸铜绞线。地上的部分为构架避雷针和避雷线。构架避雷针通常是富兰克林针，避雷线通常是钢芯铝绞线，二者末端由铜排或铜绞线连接，然后统一引下，接至主接地网。构架两侧的铜排或铜绞线在构架横梁上，同样通过铜排或铜绞线连接。整个地上的系统，由铜材质连接成网。

国外的防雷设计方案中对主变的绝缘水平提出了较高要求。例如，在安哥拉国家电网的建设中，咨询方葡萄牙电力公司（EDP）要求15 kV侧的雷电冲击耐受电压提升至170 kV，并且要求主变各侧均装设避雷器，特别是要求低压侧安装高标准的避雷器（放电电流为10 kA，等级3）。

上述方法为国外变电站防雷的常规设计方法，并未见相关标准对其进行详细规定，这与笔者在多国的变电站考察所见相吻合。同时，经过与多家国际知名咨询公司DAR Angola Consultoria、葡萄牙建筑和大坝建设咨询公司COBA、EDP等的沟通，上述主变构架设置避雷针和避雷线等均是常规做法，并无其他特殊要求。

4.2 设计理论论证

为论证国外变电站防雷设计方案的可行性，按照国外某220 kV变电站的情况，建立了防雷接地系统的电磁模型。

4.2.1 标准雷电激励

雷电浪涌电流选择标准的波形，波头时间1 μs，波长时间50 μs，以双指数函数表示：

4.2.2 防雷接地系统电磁模型

主接地网的规模为110 m×140 m，土壤电阻率100 Ω·m，构架高度22 m。为简化模型，仅保留主变区域的防雷构架和地线。选择主变构架一端的避雷针作为雷击点，如图1中P1点所示；选择构架附近、主变可能的接地位置，设置观测点，每米一个，共设置35个，如图1中箭头L1所示的虚线。

图1 系统电磁模型

4.2.3 计算过程

（1）将时域的雷电流通过Fourier变换进行频域分解；

（2）基于上述防雷接地网的导体系统模型，按照频率计算未调制的系统频域响应；

（3）将得到的频域响应再进行Fourier反变换，获得系统的时域响应。

此计算过程较为复杂，需要借助计算机软件进行计算。

4.2.4 计算结果及解析

（1）铜材质属于抗磁性物质，其相对磁导率小于1。无论高频还是低频，连接的铜导体之间电位差别小，且散流效果较好。钢铁的相对磁导率在300左右，高频下，钢铁构架的电位呈现较大差别。雷电流的主要成分为高频，因此铜材质的电气连通十分重要。

表1 系统频率响应

如图2所示，本例的模型中，所有入地导体按照2 m分段，在地面上的部分按照5 m分段，然后利用软件计算每一段导体的GPR。在计算的25个典型频率中，本文选择4个频率下若干导体段的GPR以说明上述情况，如表1所示。

计算的结论表明，在钢铁的杆塔上呈现较高的电位差，而在铜地网中，在各个频率下均未呈现较高的电位或电位差。

图2 导体段标识

（2）在约2 μs时，地面上的观测点能观测到的最大电位升在120 kV左右，整个主变区域的电位差小于20 kV。选择第1#、15#、30#三个观测点得到的响应如图3所示。

对于该站标准绝缘的220/30 kV主变，低压侧绝缘水平为170 kV，是足够安全的。

担心主变区域和主变免受雷反击，在主变区域设置避雷线时，刻意将主变构架往主变后侧移动一段距离，从整条观测线的计算来看并没意义。

（3）当土壤电阻率调整至1 000 Ω·m，最大地电位升约180 kV，但首尾观测点的电位差仍在40kV以内。对于更大雷电流、更高土壤电阻率的模型，最大地电位升与土壤电阻率成正相关性。理论上，采用铜接地系统时，几乎不会发生雷电反击的事故。主变高压侧直接接地时，站区地网电位同时升高，并不会反击主变。如主变低压侧为三角形接线，在极端特殊的情况下发生雷电反击，但安装的三相避雷器有一相发挥作用，也能避免系统绝缘被击穿。

图3 三个观测点的电位升

5 结 论

由于主变区域的高度敏感，同时考虑到中国标准GB/T60064-2014的强制性条款，中国的设计方、建设方通常花费较高的代价，以实现其直击雷的防护。计算表明，采用铜接地系统时，利用铜材质的抗磁性，短距离导体间电位差通常很小，不会达到发生雷电反击主变造成事故的程度。同时，主变各侧设置的避雷器亦属于多一重保护，参照执行中国标准的意义不大。另一方面，主变构架增设避雷针/线降低了工程造价。在境外设计变电站，此做法也属于属地化设计，客户和监理公司更加容易接受。因此，境外项目在适当情况下，可以在变构架增设避雷针/线。