摘要：变电站是电力供应系统的重要构成场所之一，也是改变电压的场所，对于防电击有很高的要求，当有雷击产生时，变电站设备的安全保护十分重要，所以，研究变电站的防雷接地技术，对于提高供电的可靠性，有重大意义。本篇文章分析了在雷击发生的时候，变电站的电气设备有可能受到的干扰及损害，并提出了变电站在设计时应该采取的防雷保护措施和接地方法。
关键词：变电站；供电系统；防雷；接地保护
前言
随着电力系统的快速发展，使得电能这一清洁能源在人民生产、生活中得到了普遍使用。但当高压输电网在为人们提供动力和照明时，不能忽视自然界产生的雷电对高压输变电设备产生的大量危害。因此，必须加强变电站雷电防护问题的认识与研究。
1、基本概述
1.1 雷电的定义
雷电是一种大气里的放电现象，它产生在积雨里。积雨的云在形成的过程中，部分云团带有正电荷，部分云团带有负电荷，因此，当电荷总量积聚到了一定的程度时，在不同的电荷云团之间，或者云团和大地之间的电压数值非常大，足够击穿空气。当云团开始游离放电的时候，我们称这个过程为先导放电。云团对地的先导放电现象是云团向地面的跳跃式逐渐发展的过程，当先导放电现象到达地面的时候（地面的建筑物和架空输电线路等），就会产生从地面向云团的主要放电阶段（如图1-1所示）。
图1-1 负雷云下行雷的过程
（a）负下行雷的光学照片描绘图 （b）放电过程中雷电流的变化过程
在主要放电阶段中，由于不同种电荷进行剧烈中和，往往此时会出现非常大的雷电流（一般为在几十万A到几百万A之间），并且随后会产生强烈的闪电及巨大的响声，从而形成了雷电。雷电的防护措施包括以下三个部分：直击雷的防护、侧击雷的防和感应雷的防护。防雷工程的一个十分方面是接地和引入下地下线路的基本布线工程，整个防雷工程的效果和防雷器件是否有效取决这一点，所以，我们应当认真的研究变电站中电力设备和电子设备的接地效果，它是保障电力设备的安全、操作人员的安全以及设备正常工作运行的必要部分。可以这样说，只要是和电网相连的仪器和设备都必须接地；只要有电力需要的地方，就会是接地工程需要配置的地方。
1.2 防雷的意义
1.2.1 变电站的保护问题
变电站的防雷和接地问题既非常的复杂又至关重要不可或缺，它的好与坏直接对电气系统的设备和人身的安全造成严重的后果。特别是如今随着电力系统的日益发展，电网规模的逐渐扩大，接地短路电流被要求的越来越大。各式各样的微机监控设备的不断普及和应用，同样对防雷接地的要求逐渐增高。以前由于接地装置的一些问题从而引发了主设备的损坏，变电站一度停止运行带来了巨大的损失和严重的问题，给电网的稳定运行造成了很大的麻烦，因此变电站的防雷接地措施必须要高度的重视起来。变电站的接地系统是保护电力系统的正常运行，保障设备及人身安全的措施之一[1]。
1.2.2 变电站的防雷保护
变电站接地技术是用来防止电力设备和电子设备遭到雷击从而采取的基础性的保护措施，它的目的是把由雷电产生的巨大的雷击电流引到大地中，进而起到保护变电站的作用。同时，变电站接地技术也是保护我们人身安全一种十分有效手段，如果由于某种原因而引起了相线与设备外壳相碰触的时候，电力设备的外壳将会有非常危险的电压产生，此时，故障产成的电流将会流经接地保护装置到达大地，进而起到了保护的作用。
因为变电站具有的特殊环境，比如强大的电磁场、巨大的雷电等其他许多因素影响，使得变电站特别容易受到各式各样的干扰，因此，为了提高变电站运行时的安全及工作时的可靠性，我们应该根据现实存在的不同的干扰源，来采取相应的防雷和抗干扰的措施。
电力系统的安全运行有两方面的要求，一是要保证设备及人身的安全，二是要保证电力系统的正常运行。这些都与接地装置的设计是分不开的。在以往电力的规程中，在跨步电压满足的前提下，发电厂、变电站的接地电阻应小于0.5欧姆的标准。然而在新的电力规程《交流电气装置的接地》中，对接地电阻有了更高的要求；另一方面，在电力系统的规模逐渐扩大的同时，而短路电流却随之增加，这加高了接地设计的难度。在高土壤电阻率区，这一问题尤为突出，因此对降低接地的电阻必须采用各种措施[2]。
2、变电站的防雷接地保护
2.1 变电站遭雷击的主要原因
供电系统在正常运行时，电气设备的绝缘处于电网的额定电压作用之下，但是由于雷击的原因，供配电系统中某些部分的电压会大大超过正常状态下的数值，通常情况下变电站雷击有两种情况：一是雷电直击于变电站的设备上；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站。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（如图2-1所示）。
图2-1 雷击大地时的计算模型
（a）模拟先导放电 （b）模拟主放电 （c）主放电通道电路 （d）等值电路
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（如图2-2所示）。
图2-2 感应雷过电压的形成
（a）先导放电阶段 （b）主放电阶段
因此，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站，是导致变电站雷害的主要原因，若不采取防护措施，势必造成变电站电气设备绝缘损坏，引发事故。
2.2 变电站防雷接地及防护措施
变电站是电力系统的枢纽，设备相对集中，一旦发生雷害事故，往往导致发电机、变压器等重要电气设备的损坏，更换和修复困难，并造成大面积停电，严重影响国民经济和人民生活。因此，避免直击雷和雷电波对变电站进线及变压器产生破坏就成为变电站雷电防护的关键。
2.2.1 直击雷过电压的防护
架设避雷针是变电站防直击雷的常用措施，避雷针是防护电气设备、建筑物不受直接雷击的雷电接收器，其作用是把雷电吸引到避雷针身上并安全地将雷电流引入大地中（如图2-3所示），从而起到保护设备效果。变电站装设避雷针时应使所有设备都处于避雷针保护范围之内，此外，还应采取措施，防止雷击避雷针时的反击事故。
对于35 kV变电站，保护室外设备及架构安全，必须装有独立的避雷针。独立避雷针及其接地装置与被保护建筑物及电缆等金属物之间的距离不应小于五米，主接地网与独立避雷针的地下距离不能小于三米，独立避雷针的独立接地装置的引下线接地电阻不可大于10Ω，并需满足不发生反击事故的要求；对于110kV及以上的变电站，装设避雷针是直击雷防护的主要措施。由于此类电压等级配电装置的绝缘水平较高，可将避雷针直接装设在配电装置的架构上，同时避雷针与主接地网的地下连接点，沿接地体的长度应大于十五米。因此，雷击避雷针所产生的高电位不会造成电气设备的反击事故。
图2-3 雷击独立避雷针（1—母线 2—变压器）
2.2.2 变电站的接地网防护
变电站防雷保护满足要求以后，还要根据安全和工作接地的要求敷设一个统一的接地网，然后避雷针和避雷器下面增加接地体以满足防雷的要求，或者在防雷装置下敷设单独的接地体[3]。
小变电站用独立避雷针，大变电大多在独立避雷针与配电装置带电部分的空气中最短途径不得小于五米。避雷针接地引下线埋在地中部分与配电装置构架的接地导体埋在地中部分在土壤中的距离必须大于三米，变电站电气装置的接地装置采用水平接地极为主的人工接地网，水平接地极采用扁钢50mm×5mm，垂直接地极采用角钢50mm×5mm，垂直接地极间距5m～6m，主接地网接地装置电阻不大于4Ω，主接地网埋于冻土层1m以下。人工接地网的外缘应闭合，外缘各角应做成圆弧形。
大变电站安装在架构上的避雷针，与主接地网应在其附近装设集中接地装置。避雷针与主接地网的地下连接点至变压器的接地线主接地网的地下连接点，沿接地体的长度不得小于15m，同时变压器门形架构上不得装避雷针。
2.2.3 变电站的雷电感应防护
随着电力技术的发展，变电站均有完善的直击雷防护系统，户外设备直接遭受雷击损坏的可能很小。但雷击防护系统时所产生的雷击放电及电磁脉冲，以及雷电过电压通过金属管道电缆对变电站控制等各种弱电设备产生严重的电磁干扰，这就可能影响到变电设备的正常运行。
采取防雷感应保护的措施主要有：多分支接地引线，减少引线雷电流；改善汇流系统的结构，减少引下线对弱电设备的感应；除了在电源入口装设处压敏电阻等限制过压装置外，还可在信号线接入处使用光耦元件；所有进出控制室的电缆均采用屏蔽电缆，屏蔽层共用一个接地极；在控制室和通信室铺设等电位，所有电气设备的外壳均与等电位汇流牌连接[4]。
2.2.4 变电站的浪涌现象防护
变电站开关的操作、静电放电现象及闪电放电时产生的瞬时过电压可能会对电力设备造成毁灭性的伤害或者加快它的老化过程。
对于浪涌现象的保护方法主要是在变电站系统内加装浪涌的二次保护器。浪涌的二次保护器是采用同等电位的原理，及时把浪涌电流导入接地系统。当系统的过电压现象发生时，瞬时的高电压将会抑制电力二极管（Rm）作为反应速度最快的电力元件首先动作，同时开始泄放巨大的雷电电流，并且把输出的电压钳位控制在它的截止电压之上，从而十分有效地防止了巨大的过电压对于电力设备的损伤。当加在TVS里的放电的电流随着电压幅值的上升进而使得充气式的放电器（HFB）两端放电电压超过了它的点火电压UM时，GDT将会瞬时动作，并且也会开始泄放雷电电流。这时，GDT呈现低阻的状态，它的两端仅仅只有20~40V的电弧电压，所以可以避免因为过电压的持续时间长进而把TVS烧毁。
2.2.5 变电站的侵入波过电压防护
变电站中限制雷电侵入波过电压的主要措施是在进线上装设阀型避雷器。如果三台避雷器分别直接连接在变压器的三个出线套管端部，只要避雷器的冲击放电电压和残压低于变压器的冲击绝缘水平，变压器就得到可靠的保护。
但在实际中，变电站有许多电气设备需要防护，而电气设备总是分散布置在变电站内，常常要求尽可能减少避雷器的组数，又要保护全部电气设备的安全，加上布线上的原因，避雷器与电气设备之间总有一段长度不等的距离。
2.2.6 变电站的进线段防护
变电站的进线段保护是对雷电侵入波保护的一个重要辅助措施，当线路上出现过电压时，将有行波导线向变电站运动，起幅值为线路绝缘的50%冲击闪络电压，线路的冲击耐压比变电站设备的冲击耐压要高很多。因此，在接近变电站的进线上加装避雷线是防雷的主要措施。如不架设避雷线，当遭受雷击时，势必会对线路造成破坏。如在临近变电站1～2km的一段线路上加强防护。进线段保护的作用在于限制流经避雷器的雷电流幅值和侵入波的陡度。35kV～110kV变电站的进线段保护接线（如图2-4所示）。
图2-4 35kV～110kV变电站进线保护接线
2.2.7 变电站的变压器防雷防护
变压器的基本保护措施是在接近变压器处安装避雷器，这样可以防止路侵入的雷电波损坏绝缘。装设避雷器时，要尽量接近变压器，并尽量减少连线的长度，以便减少雷电电流在连接线上的压降。同时，避雷器的连线应与变压器的金属外壳及低压侧中性点连接在一起，这样就有效减少了雷电对变压器破坏的机会。以下是变压器的集中防护措施：
（1）变压器中性点防雷保护。当三相来波时，在变压器中性点的电位理论上会达到绕组首端电压的两倍，因此需要考虑变压器中性点的保护问题；
（2）三绕组变压器的防雷保护。高压侧有雷电过电压波时，通过绕组间的静电耦合和电磁耦合，低压侧出现一定过电压。在任一一相低压绕组加装阀式避雷器；
（3）自耦变压器的防雷保护。自耦变压器除高、中压自耦绕组之外，还有三角形接线的低压非自耦绕组。高低压绕组运行而中压开路时，若有侵入波从高压端线袭来，绕组中电位的起始与稳态分布以及最大电位包络线都和中性点接地的绕组相同。自耦变压器的防雷保护接线（如图2-5所示）。
图2-5 自耦变压器的防雷保护接线
（4）配电变压器的防雷保护。配电变压器的防雷保护接线（如图2-6所示），其3～10kV侧应装设阀式避雷器FS-3～10或保护间隙来保护，构成变压器高压侧FS的接地端点、低压绕组的中性点和变压器金属外壳三点联合接地。
图2-6 配电变压器的保护接线
3、变电站接地保护方式
目前，变电站的接地方式有许多种，比如单点的接地、多点的接地和混合类型的接地等。单点的接地还分为串联单点的接地及并联单点的接地。
一般来讲，单点的接地常常用于简单线路，、以及频率较低（f<2MHz）的电子线路。而当涉及到高频（f>20MHz）的电路时，我们应该采用多点的接地或者多层板的方式。
3.1保护的接地
防雷接地是受到雷电袭击（直击、感应或线路引入）时，为防止造成损害的接地系统。常有信号（弱电）防雷地和电源（强电）防雷地之分，区分的原因不仅仅是因为要求接地电阻不同，而且在工程实践中信号防雷地常附在信号独立地上，和电源防雷地分开建设。机壳安全接地是将系统中平时不带电的金属部分（机柜外壳，操作台外壳等）与地之间形成良好的导电连接，以保护设备和人身安全。原因是系统的供电是强电供电（380、220、或110V），通常情况下机壳等是不带电的，当故障发生（如主机电源故障或其它故障）造成电源的供电火线与外壳等导电金属部件短路时，这些金属部件或外壳就形成了带电体.如果没有很好的接地，那么这带电体和地之间就有很高的电位差。如果人不小心触到这些带电体，那么就会通过人身形成通路，产生危险[5]。因此，必须将金属外壳和地之间作很好的连接，使机壳和地等电位。此外，保护接地还可以防止静电的积聚。
3.2工作的接地
工作接地的目的是使变电站电网和其中的仪都能够可靠地运行并且保证系统量测和控制信息精度而设置的接地方法。它又分成机器的逻辑地、信号的回路接地、屏蔽的接地。机器的逻辑地，同时也称为主机的电源地，它是控制中心内部逻辑的电平正端，即+ 6V 等低压电源的电流输出地。信号的回路接地，比如各个变送器的负端同时接地，开关量的信号负端接地等方式。屏蔽的接地（包括模拟信号中屏蔽层面的接地）。除了上述几种工作的接地外，在很多系统运行情况下容易发生混乱的还有一种特殊供电系统地，即交流电源工作地。它也是电力系统内为正常运行所需要设的接地（比如中性点的接地）。
4、总结
如今电力系统的不断发展，以及雷击事故的发生，对防电接地技术提出了更高的要求，变电站的防雷措施应给予更多的关注，如不能对其有较好的防范措施，一旦发生事故就会造成严重的后果。根据防雷设计整体的性能、结构的性能、层次的性能和整个变电站所处的环境、变电站地基的土质条件和设备性能的用途，分别采取了相应的雷电的保护措施。对于处在不同区域的电力设备，系统将采取等电位的连接及安装新型的电源防雷装置和浪涌电压的保护等方法，从而保证处在不同层次的电力设备可以达到良好的防雷能力。
参考文献：
[1]袁志鑫《变电所防雷接地》[J].科技情报开发与经济.2008（2）
[2]陈伟，李小萍，胡旭红，吴雪玲《变电所的防雷措施》[J].科技信息.2008（3）
[3]靳萍.变电站的防雷接地与应对方法[J].山西师范大学学：自然科学版.2008（S1）.
[4]高玉波.浅谈变电站接地设计及防雷技术[J].中小企业管理与科技（上旬刊）.2009（4）.
[5]张小青.《建筑防雷与接地技术》编著.中国电力出版社.2003（6）
论文作者:赵泓楷
论文发表刊物:《基层建设》2018年第34期
论文发表时间:2019/1/15
标签：变电站论文; 防雷论文; 过电压论文; 雷电论文; 避雷针论文; 变压器论文; 电压论文; 《基层建设》2018年第34期论文;