摘要：变电站是电力系统重要组成部分，是电网传输电能的核心。一旦变电站遭受雷击，可能直接会造成电网的瓦解，城市大面积停电，给社会的安全和谐稳定带来极大的负面影响。因此，要求变电站必须配置安全可靠的防雷保护。本文针对变电站防雷系统设计进行研究，提出并解决一些相关问题，主要内容包括变电站直击雷防护、感应雷防护、变配电设备的防护、变电站电源系统防雷保护及避雷器的选用等，最后以实际例子做分析。
关键词：变电站,雷电波,防雷保护；电气安全
1、防雷接地保护的研究现状
对变电站的防雷保护的研究最早是从电磁兼容角度出发的，上世纪60年代美国电力工程技术人员对变电站的电磁干扰问题主要从电子电路到电缆的电磁干扰祸合过程进行研究，其成果后来形成了美国国家标准协会（ANSI-American National Standards Institute）的ANSI C37.90标准的一部分。1978年美国电力科学研究启动了编号为RP1359的研究项目，建立了一套新的变电站开关柜的电磁干扰进行了研究。全部工作历时十余年，分为两个阶段完成。
第一阶段的研究工作于1983年结束，并提出了研究报告。该报告介绍了测量系统的研制、变电站电磁环境的测量和数据分析方法以及初步结果，其中的测量数据包括一个345kV变电站、一个500kV变电站的实测结果和一个高压实验室的模拟测量结果。基于此项工作，发表了一系列的论文。文献介绍了瞬态测量系统的组成及其技术指标，描述了在一个115kV变电站进行的实际测量工作，给出了典型的电雷电干扰波形。文献论述了通过模拟变电站的雷电瞬态干扰对二次设备进行抗扰度测试的问题，比较了时域和频域测试的特点，给出了在变电站实测的典型雷电干扰波形，总结了高压实验室模拟测试的优缺点。文献提出了一种分析变电站雷电瞬态电磁干扰问题的时域模型，利用斜坡函数对时域雷电干扰波形进行分解，并计算空间的时域电场和磁场，将预测分析的结果与实测数据做了对比。
第二阶段的研究工作从1986年至1993年。测量工作涉及7个空气绝缘变电站和2个气体绝缘变电站，共组织了13次集中现场测试，测得近800多次事件的3000多个雷电电磁干扰波形，数据量约500MB。基于此项工作，提出了完整的研究报告，发表了一系列的论文。文献介绍了变电站的瞬态电磁场的测量工作，总结了微脉冲的特点，给出了部分测量结果，并对不同频率和不同场强产生的原因进行了定性分析。文献给出了变电站雷电产生的瞬态电磁干扰对几种变电站电缆和内部电缆线影响的测量结果，介绍了通过CT的场祸合和直接祸合的模型。将预测分析的结果与实测数据进行了对比。文献总结了变电站瞬态电磁干扰的建模方法和测量技术，并将预测分析的结果与实测数据进行了对比。分析比较了开关操作、雷击和故障二种瞬态电磁干扰波形的特点，少与现有抗扰度试验标准中的限值进行了对比。但是上述工作并未对二次设备所处的电磁环境进行研究。
其他国家的研究工作也各具特色。德国的W.A.Heib在文献中介绍了针对一座GIS变电站开关操作产生的雷电干扰所采取的屏蔽设计工程，并给出了屏蔽效能的部分实测结果。南非的P. H. Pertorus在文献中给出了在132kV，275kV和400kV二个电压等级的变电站测量的雷电瞬态电磁干扰的初步结果。英国的C. S.Barrack在文献中对现有变电站瞬态电磁干扰测量方法进行了综述，特别是对不同测量系统的特性进行了分析比较。日本和意大利等国科学家也在该领域开展了研究工作。
我国的广播、邮电、交通、船舶、航大和军工等行业在电磁兼容研究方面起步较早，结合各自的行业特点开展了许多很有成效的研究工作。20世纪80年代，随着基于微电子技术的继电保护装置的应用与推广，变电站的电磁兼容问题在电力部门开始得到关注。由于欧共体从1996年1月1口起执行“89/336/EEC!电磁兼容性指令”，使得我国各行业加大了对电磁兼容问题的研究力度。改革开放以来我国电力工业迅猛发展的趋势也迫切要求尽快解决电力系统的电磁兼容问题。在此背景下，国家电力公司所属的中国电力科学研究院、南京自动化研究院、武汉高压研究所和华北电力大学等单位，以及四方公司、清华大学和武汉大学等单位相继开展了有关的研究工作。其中，中国电力科学研究院对高压线路的电磁环境进行了深入研究巨，还组织出版了《发电厂和变电站电磁兼容导则》。清华大学则针对电力线路干扰临近通信线路或金属管线的问题在数学建模和计算方法方面开展了深入研究。南京自动化研究院和四方公司的研究工作则主要侧重在二次弱电
1、 变电所的规模
拟建的开县某变电所位于开县郊区，750兆伏安主变压器1组，为A、B、C、0相（4*250兆伏安），500千伏采用3/2接线，出线3回，分别是连接500千伏乌海站的乌里I线，连接凤凰岭电厂的凤里线，连接磴口金牛电厂的磴里线，500千伏1号母线上装设1组150兆伏高抗。220千伏采用双母线分段接线，出线6回，分别是连接220千伏胡图变电站的千苏I、II回，连接220千伏祥和变电站的千祥I、II、III回，连接220千伏库布奇变电站的千库线。主变35千伏侧安装1组60兆乏低压并联电抗器，1组60兆乏低压并联电容器。
2 、变电所位置的自然条件
该变电站位于开县高新技术工业园区东北角。东距高速1.5公里，西距开县国道车站1.2公里，占地150亩（85000㎡）。是重庆高压供电局负责管理维护的第12座综合自动化变电站。于2006年6月15日奠基，2009年6月竣工，2009年06月27日投入运行。该变电站的建成投产使开县地区形成为500千伏主网架的三角环网，向220千伏变电站辐射状供电的，安全、稳固的网架结构。
3、 避雷针的设置及防雷保护校验
避雷针由金属制成，其保护原理是当雷云放电时使地面电场畸变，在避雷针的顶端形成局部场强集中的空间以影响雷电先导放电的发展方向，使雷电对避雷针放电，再经过接地装置将雷电流引入大地，从而使被保护物体免受雷击。
避雷针的设计一般有以下几种类型：
① 单支避雷针的保护；
② 两针避雷针的保护；
③ 多支避雷针的保护；
本变电站采用单针避雷针的保护，变电所直击雷保护的基本原则：一是独立避雷针（线）与被保护物之间应有一定的距离，以免雷击针（线）时造成反击；二是独立避雷针的接地装置与被保护物之间也应保持一定的距离，以免击穿。在本设计中，独立避雷针的接地装置与被保护物之间为5m，这样，当冲击波沿地埋线流动15m后，在ρ≤500Ω•m时，幅值可衰减到原来的22%左右，一般不会引起事故。
4、 接地装置的设置
接地是指将地面上的金属物体或电气回路中的某一节点通过导体与大地保持等电位，接地按其功用可分三类：
工作接地：根据电力系统正常运行的需要而设置的接地，它所要求的接地电阻值约在0.5-1
0的范围内。
保护接地：不设这种接地，电力系统也能正常运行,但为了人身安全而将电气设备的金属外壳等加以接地,它是在故障的条件下才发挥作用的,它所要求的接地电阻值处于1-10
的范围内。
防雷接地：用来将雷电流顺利泄入大地,以减小它所引起的过电压,它的性质似乎介于前两种接地之间,它防雷保护装置不可缺少的组成部分，它有些像工作接地；但它又是保障人身安全的有力措施,而且只有在故障下才发挥作用，它又有些像保护接地,它的阻值一般在1-30
的范围内。
但是，无论是工作接地还是保护接地，都是经过接地装置与大地连接，接地装置包括接地体和接地线两部分。
本变电站为长方形，其接地网也取为长方形，用直径为48mm，长为250cm的钢管作接地体，埋深0.8m，接地体之间用镀锌扁钢连接，保证了接地电阻R≤4Ω；同时，采用截面积为4mm×12mm的扁钢，直径为6mm的圆钢作为接地线。
5、变压器低压侧装设避雷器
变电站低压(400V)侧需装设避雷器以限制雷电波入侵时的过电压。为了保证电气设备的安全运行，在加装避雷器时，一定要限制避雷器的残压，同时把侵入波的陡度限制在一定值以内。此外所有设备到避雷器的电气距离都在保护范围内，相对于主变压器而言，变压器与避雷器之间允许的最大距离Imax为：
(式5.1)
其中：Up一变压器冲击电压最大值，kV；
Ur一避雷器残压，kV；
a一雷电波陡度，kV/µs ；
v一雷电波速度，m/µs ；
Cr一变压器入口电容， µF ；
Co一避雷器到变压器连线单位长度的电容，µF。
上述公式只适用于一路进线的变电站，对两路以及以上变电站，一路波可以从另外几路分流出一部分，此时Imax为：
(式5.2)
式中：k1> 1，并且k1随着回路数的增加而增大。
不过，对于同杆架设的双回线有同时受雷击的可能，所以在决定I值时该回线只按一路考虑。如果避雷器至主变压器的电气距离超过允许值时，应在变压器附近再增装一组避雷器才能保护主设备的安全。
6、电源入口端加装浪涌保护器
雷电电涌电压波形中含有的高频分量会损坏电子设备，在电涌保护器的设计中要考虑到对高频的抑制。低通滤波器能够对雷电过电压波中的高频分量进行衰减，同时它对电源系统的正常工频运行状态的影响可以忽略不计，因此它在电源系统的防雷保护中具有一定的优势。如果将压敏电阻引入低通滤波器，可以使滤波器在原有的滤波衰减功能的基础上，再增加泄流限压的功能，从而使整体保护功能有明显改善。对于低频分量我们可以采用具有良好非线性特性的压敏电阻来抑制，压敏电阻有电压箱位和大电流旁路作用，能把电涌低频端的干扰信号控制到设备允许的范围内。MOV有较好的非线性，可以将电压钳位到安全范围内。其防雷保护装置(SPD)原理如图7.1中虚线部分所示。
图5.1低压电源保护示意图
变电站内雷电干扰的频率主要分布在1 MHz左右，大致分布在100KHz～10MHz频率范围内。为了保证电子设备正常工作，必须将这范围内高频分量有效滤除。因此根据
，合理选择电感L和电容C参数。L﹑C参数应按“技术经济比”原则进行选择，不仅要满足技术要求，又要经济实惠。由于电感的体积较大，制造电感线圈比较麻烦，不利于大规模生产和不便于集成化和小型化，所以造价较高，一般为了缩小体积，降低造价，会使用较小的。
参考文献:
[1] 汤放奇，胡登宇，肖金华．弱电设备的雷害分析及防雷保护[J]． 长沙电力学 院学报，2005，20(5)：1-4
[2] 陈慈萱．过电压保护原理与运行技术[M]．北京：中国电力出版社，2002：60．64
[3] 谢鹏，张国栋．金属氧化物避雷器试验测试方法的发展及应用[J]．电瓷避雷 器，2006(5)：36—41
[4] 周志敏，周纪海，纪爱华．电气电子系统防雷接地实用技术[M]．第一版．北京：电子工业出版社，2005：6．33
[5] 杨奇逊．微型机继电保护基础．第一版．北京：水利电力出版社，1987：89—102
[6] 何彬．电力系统二次设备的电磁兼容问题．中国电力[J]，1998，31(4)：46-50
论文作者:水少青
论文发表刊物:《电力设备》2017年第34期
论文发表时间:2018/5/11
标签：变电站论文; 雷电论文; 避雷针论文; 防雷论文; 避雷器论文; 测量论文; 范围内论文; 《电力设备》2017年第34期论文;