雷電侵入波對變電站安全運行的影響及防護技術研究

陳星宇 黃利天

（國網義烏市供電公司，浙江 金華322000）

0 引言

近年來，因雷電波侵入造成的變電站電力設施、電氣設備損壞的事件時有發生，嚴重威脅了變電站的安全運行。變電站作為供電系統的一個重要樞紐，一旦發生雷害事故，就會給社會生產和人們生活造成很大的不便，因此必須將其作為防雷保護重點。隨著社會的不斷進步，變電站中應用了大量的電子設備，這在一定程度上增加了變電站遭受雷害事故的幾率，因此必須足夠重視變電站防雷技術。

1 雷電侵入波的概念

雷電以直擊、靜電感應和電磁感應等方式通過高壓輸電線路、配電線路、電纜線、通信線路、金屬設備等途徑侵入到變電站中，對變電站的安全運行造成威脅。由于管線一般都比較長，且上面分布的電感和電容削減了雷電的傳播速度，因此以波傳輸的理論來對這種現象進行定義，稱作雷電波。

2 雷電侵入波對變電站安全運行的影響分析

雷電波一旦侵入，若侵入點較遠，侵入電壓不高，可能會造成電子設備損壞，引起大面積停電事故；若侵入點較近，雷電波沿著輸電線路傳遞到變電站，而在站內設備上產生雷擊過電壓，就會引起絕緣損壞，造成短路，極容易導致設備損壞和起火，使整個變電站發生漏電甚至火災，嚴重性可想而知。另外，雷電侵入波在傳輸過程中會通過很多不同參數的線路端點，這些點的波阻抗都不同，雷電波會發生反射和折射，使電壓有所升高，加大對設備的危害。要研究雷電侵入波的防護技術，必須掌握雷電波的侵入途徑和影響因素。

雷電對變電站的危害可通過雷電直擊、雷電繞擊、雷電反擊和感應過電壓來實現。雖然雷電直接擊中關鍵設備對變電站造成的危害最為直接和嚴重，但變電站關鍵設備一般都設置有避雷針，直接造成傷害的可能性較小，且不是本文探討的內容，不再贅述。值得注意的是，雷電通過直擊或繞擊擊中的是金屬導線，這時，金屬導線可獲得達200～300kA的超大電流，這種電流通過極高的速度以雷電波的形式向著線路延伸方向移動時，會對變電站設備產生嚴重危害，這就是雷電波產生和侵入的方式之一。例如下雨前的干燥土壤，電阻率相對較高，而地下所埋電纜的電阻率是非常低的，這塊土壤就非常容易受到雷電直擊或繞擊，產生的雷電波再沿導線入侵變電站，就會造成事故。

另外就是雷電反擊產生的雷電波，這種雷電波不是直接產生，而是當雷電擊中了地表的一些突出物時，這個區域地網電位急劇上升，而假設附近有電纜線，因其延伸較遠所以電位較低，因此這個區域與電纜線就會產生非常大的電位差。當這個電位差足夠大時，就能擊穿土壤和電纜絕緣層，引起的雷電波超過容許值時，就很容易導致與輸電線路相連的電氣設備受損。

還有就是感應雷。感應雷的破壞原理是電能通過電磁感應或靜電感應方式輻射，使電子設備產生了感應過電壓放電，造成電子設備大面積受損。靜電感應如雷云與導體之間普遍存在著異號電位，導體存在與雷云相反的等量電荷，這部分電荷是相當大的。而當雷擊發生后（假設雷擊點為地表），這個雷擊點相對其他的位置為空穴電位，周圍的電荷則集體向該點涌過來，就會造成設備起火，絕緣層燒損，且極易導致電子設備失效。

3 雷電侵入波的防護技術

3．1 戶外防雷措施要到位且具有針對性

避雷針或避雷線是很好的防直擊雷的避雷設備，但避雷針不能盲目架設，假設避雷針距離變電站過近，就很容易造成雷電反擊，也會引發事故。同時，不同的變電站應有針對性地設置不同特性的避雷線，一則減少投資，二則達到更好的防雷效果。如35kV變電站只需在進出線段架設1～2km的避雷線，而750kV超高壓線路絕緣水平較高，避雷線發生反擊的可能性較低，但因線路桿塔較高，易發生繞擊，還是會形成侵入波，必須另增加防雷設備，確保雷電侵入時過電壓不超過絕緣水平，高壓輸電變電站需采用架構避雷針，并裝設集中接地裝置。除此之外，當地的氣候條件也應納入考慮范圍。對于受雷擊較少的地域或雷云形成機會不大的地域，應結合地域特性設置不同的避雷方法。假定一個地區本身受雷擊概率很小，但因增加避雷針后，受雷擊概率大大增加了，這樣不但增加了投資成本，且對預防雷擊反倒產生了副作用，這就需要結合具體情況另作考慮，或酌情采用其他方式避雷，或設置多條引下線分流來緩解雷擊帶來的損害。

避雷器是防止感應雷和輸電線路雷電侵入波的有效設備。現代的避雷器已經取得了長足的發展，如金屬氧化物避雷器便是性能較好的品種。變電站周圍的各種輸電線路中，以35kV以下的輸電線路最容易發生雷電侵入，因此對變電站外圍輸電線路增加保護設施變得非常重要，避雷器就能夠起到這種作用，其可結合架空避雷線使用，避雷線兩端配管型避雷器。而對于低壓如10kV輸電線路，則應于每條進線采用一組閥型或氧化鋅型避雷器來防護。

3．2 變電站內要有防雷措施

高壓室、主控室、通訊室等是組成一個變電站的主要職能室，當然這些建筑是處于戶外防護措施保護范圍內的，設計施工時就應考慮它的女兒墻、防雷網、鋼筋布置等特殊性，形成如法拉第籠等類型的屏蔽系統。另外，這些建筑物內的照明、設備用電、通訊用電電纜一般是通過地下電纜溝或豎井引入的，而整個建筑包括門窗、幕墻、燈線、管道等都應是接地良好的，接入的電纜兩端一般也要進行屏蔽接地處理，將地網與站內的主接地網相連，以避免各地網在內外過電壓時產生的電位差造成對耐受水平低的電子設備的反擊。

3．3 加強進出所有管線的管理

以導體為材質的水管、氣管、油管、電源線、通訊線等管線是引發雷電波入侵的主要途徑，因此所有管類應直埋進站，增加與地網的連接點。通訊線路應穿管直埋入站，同時經避雷器后才能引入機房。直接與配電屏相連的控制電纜必須采用屏蔽電纜，且其金屬保護層和備用芯都要接地。配電屏、端子箱、匯控柜等都不應安裝在避雷器或避雷針的主要散流接地區域附近。

3．4 特殊設備特殊處理

對于微電子設備，它的工作電壓低、擊穿功率小，因此需要進行特殊處理。首先在采購該套設備之前，應和供應商仔細商榷設備使用地點和要求等。其次，通過增加屏蔽層數，利用建筑物的鋼筋屏蔽籠和配電屏金屬外殼及設備自帶金屬外殼多重屏蔽增加效果。另外，采取三級過壓保護，這三級指的是供配電系統內低壓出口一級保護、配電柜分路出口二級保護、設備UPS電源出口三級保護。

4 結語

雷電侵入波不僅會對設備造成巨大傷害，也會大大影響到整個區域的供電效果和人們的工作、生活。變電系統的復雜性決定了雷電侵入波產生和影響的多樣性，僅憑只言片語是無法全面解決這方面問題的，我們仍需不斷研究雷電侵入波的特性，充分掌握各個變電站的具體情況，才能制定出更為合理的防護措施。

［1］施圍，郭潔．電力系統過電壓計算［M］．北京：高等教育出版社，2006

［2］張小青．建筑物內電子設備的防雷保護［M］．北京：電子工業出版社，2000

［3］王秉鈞．金屬氧化物避雷器［M］．北京：水利電力出版社，1993