變電站雷電沖擊短路接地系統優化研究

王仁俊+張鑫

摘要：本文針對變電站雷電沖擊短路對二次電纜和防雷設備的危害問題，提出了使用一種新型二次電纜與等電位聯結保護裝置，以及采取加強防雷設備如避雷線、避雷針、避雷器的集中接地、地面及特殊位置均壓、利用鋼構架作避雷器的接地引線等優化措施。

關鍵詞：雷電流；接地系統；沖擊短路

隨著現代電力電子技術的迅速發展，電力電子產品不可避免大量地采用了超大規模及大規模的電力電子集成電路工藝技術，內部接線之間的距離越來越小，且集成度越來越高，使電子元器件的耐高壓程度越來越低，因此由雷電引起的變電站局部電位升高所造成的電位差極易將室內二次系統擊毀擊穿；另一方面，局部地位升高引起的電磁感應過電壓所產生雷電沖擊波或浪涌電壓，這種沖擊波會沿著線路侵入到與之相連的二次系統，造成系統運行錯誤或者損壞，再者產生的電磁輻射可以使電子開關或繼電器工作失常；使測量儀器性能變低；使無線電接收設備出現噪音，如電視圖像、聲音變差，收音機信號不好等。尤其高壓變電站的電暈放電和絕緣子放電會對周圍的無線電產生嚴重干擾。

1雷電流入地時造成的局部電位升高問題分析

當變電站內及附近發生雷擊事故時，變電站接地系統可能注入高頻的大沖擊電流，使得變電站接地網呈現復雜的暫態特性，造成局部電位升高等問題，可能危害變電站內工作人員的人身安全及各種電氣設備的安全運行。

接地裝置在雷電沖擊電流作用下的暫態性能與工頻短路時有很大不同，這主要是由于沖擊電流頻率很高，由 可知接地體本身的電感作用與電阻相比將非常明顯，電感作用阻礙沖擊電流向接地體遠端流動，而不像工頻時，電流沿導線均勻分布。因此，接地體各點散流極不均衡，各點電位相差很大，因此火花放電的程度亦不相同，即各點的等值半徑不同。在接地體周圍，被擊穿的土壤的形狀呈錐形，而不是一般認為的圓柱形。另外，沖擊接地阻抗明顯不同于工頻接地阻抗。在沖擊電流作用下，在靠近接地導體的區域的土壤中產生的火花放電相當于增大了接地裝置的導體的直徑，從而降低了沖擊接地阻抗。

2變電站雷電沖擊短路接地系統優化

在防雷設備，如構架避雷針、避雷線和避雷器的接地處，加強集中接地。獨立避雷針不應設在人經常通行的地方，避雷針及其接地裝置與道路湖哦出入口等的距離不宜小于3m，否則應采取均壓措施，或鋪設礫石或瀝青地面。

對于裝設在變電所屋外配電裝置構架上的避雷針，如果已經按照工頻接地的要求采取了均壓或高電阻率的路面構層等安全措施時，就可以認為在沖擊的情況下也能保證安全，不必另加措施。否則，當運行人員有可能進入3m的范圍內時，就應采取均壓或高電阻率的地面結構層等措施。

針對前述的避雷器易被打壞的問題，應對避雷器的接地進行優化。對于無間隙的6-10kV金屬氧化物避雷器，雷電流入地時，地電位升加在避雷器的接地端，則作用在避雷器上的電壓為到線上的電壓U與地電位升之差。根據金屬氧化物避雷器的工頻電壓耐受時間特性，避雷器能夠耐受其額定電壓Ur10S，而一般工頻短路時間遠小于1s，因此，從保守的角度出發，我們可以要求：

（1）

考慮最不利的情況下，運行電位恰好和接地網電位的極性相反到極端情況，即導線上的電壓取負的相電壓的峰值，則式（1）變為

（2）

式中Ue為系統的標稱電壓。

對于6kV避雷器，其額定電壓有效值為12kV，則

（3）

對于10kV避雷器，其額定電壓有效值為17kV，則

（4）

因此，對于6kV和10kV金屬氧化物避雷器，其允許的地電位升至少為8.5kV和11.2kV。該分析結果是以避雷器可以耐受10s的額定電壓來分析的，如果以避雷器工頻1s的耐受值來分析，則允許的地電位升可以明顯增加。

就常規要求來說，避雷器必須采用可靠的低電阻接地連接，避雷器與被保護設備的接地端應盡可能緊密的連接，所有避雷器的接地連接線應以最短的可能路徑直接連接到接地網上，在沖擊引起的大電流或沖擊后大的續流情況下應有足夠的短時容量。短時電流沖擊可以對控制系統引起顯著的干擾，因此這些導體不應該靠近控制電路或控制電纜布置。經多方面的研究表明，安裝在金屬構架上的避雷器可利用鋼構架作接地引線，鋼構架的橫截面大，要比通常采用的一個銅絞線具有更高的通流容量，但應保證從鋼構架與避雷器以及接地網具有可靠的電氣連接。與此同時，保證鋼構架的橫截面具有足夠的導電率并使其連接處不至于因油漆涂層、鐵銹等導致高接觸電阻。當然，采用鋁構架，無疑會提供一條導電率高與載流量大的接地通路。

參考文獻：

[1]秦晶晶，李景祿，宋萍.變電站地電位干擾及抗干擾措施研究.電磁避雷器，2009（2）：40-43.

[2]彭岳林，王堅強.均勻地質水平接地網參數計算.電工技術學報，1995（2）：75～77.

[3]李增.復雜土壤地區接地網電氣特性的研究.成都：西南交通大學，2007.

[4]姜彤，白雪峰，郭志忠，等.基于對稱分量模型的電力系統短路故障計算方法.中國電機工程學報，2003，23（2）：50-53.endprint