極端天氣變化對變電站的影響及防止對策

黃 德 建

(四川水利職業(yè)技術學院 ，四川 都江堰 611830)

1 概 述

極端天氣是指天氣狀態(tài)嚴重偏離其平均態(tài)，在統(tǒng)計意義上屬于不易發(fā)生的事件，一般系指50 a及以上一遇的小概率事件，如強臺風、強降水、高溫干旱、低溫冷害、強雷電、強對流災害性天氣等。近年來，這些極端天氣發(fā)生的頻率和強度、持續(xù)時間、地點和范圍都呈現(xiàn)不斷增多、增強的趨勢，預計今后這種極端事件的出現(xiàn)將更加頻繁。目前極端天氣頻繁發(fā)生的主要原因是：由于全球變暖后蒸發(fā)量加大、水循環(huán)速率加快等，大氣中能量分布會發(fā)生變化，從而造成極端事件偏多。據(jù)物理學家組織網(wǎng)近日報道，以色列特拉維夫大學的研究人員預測，地球平均每升溫1 ℃，雷電活動將會增加約10%。因此，研究極端天氣變化下雷電對變電站的影響、加強對變電站的防雷保護，提高變電站防雷措施標準是我們目前必須面臨的問題。據(jù)了解，全國某些地區(qū)的某些變電站已經(jīng)遭受到強雷電的危害，嚴重影響到這些變電站的正常運行，造成了很大的損失。

2 正常防雷保護措施已經(jīng)不能防護的案例及原因分析

(1)四川省攀枝花市YB縣SY110 kV變電站地處雅礱江邊，在二灘水電站未建成之前，幾乎沒有發(fā)生過雷擊事故；當二灘水電站建成之后，水庫蓄水使水位大大抬高，該變電站周圍的水域面積加大，加之攀枝花市氣溫很高，周圍為高山，從而造成變電站周圍氣溫高、濕度大，為強雷電創(chuàng)造了條件，其結(jié)果是該變電站經(jīng)常遭到強雷電的損壞，自從二灘水電站建成之后發(fā)生過多起雷擊事故，嚴重的一次是當線路上落雷時，雷電侵入波沿著線路向變電站襲來，首先將母線避雷器擊穿、碎裂，雷電再繼續(xù)將變壓器的絕緣擊穿，導致主變壓器嚴重損壞而造成該變電站停電時間很長，損失很大；另外，該變電站還多次發(fā)生過這種形式的雷擊事故——在避雷針保護范圍內(nèi)，雷電擊穿保護范圍到地面的現(xiàn)象。經(jīng)檢查，該變電站的防雷設施及防雷接地電阻等均符合標準，其主要原因是局部的雷電太強大，按照正常的防雷保護標準已經(jīng)保護不了變電站的設備，因此，必須要改進防護設施，提高防雷保護標準。

(2)近年來，寧波電網(wǎng)也發(fā)生過多起雷擊高壓開關事故，如2004年8月寧波凇浦變鎮(zhèn)松2304開關C相被擊穿,2005年8月寧波潘橋變天橋4478開關C相被擊穿。兩起雷擊均引起開關失靈保護動作，跳開所連母線上的其它220 kV開關。其原因是開關遭連續(xù)雷擊。開關第一次雷擊跳閘，線路側(cè)與母線避雷器失去連接，在開關自動重合之前，線路再次遭受雷擊，雷電波侵入變電站，由于此時開關線路側(cè)失去了避雷器的保護，侵入雷電波在開關斷口處發(fā)生全反射，雷電幅值加倍，大大超出開關設備的雷電沖擊耐受水平標準，從而導致開關斷口擊穿。這些事例說明，受強雷電的影響，對于按正常的防雷保護標準已經(jīng)不能完善的保護設備，應該考慮改進防雷防護措施，提高防雷保護標準。

據(jù)了解，近年來重慶市夏天的雷電非常強，雷電流幅值超過200 kA的情況發(fā)生過多次。而我們在正常分析計算時，一般取雷電流幅值為150 kA，這顯然是不夠的。隨著全球氣候變暖，氣溫繼續(xù)提高，局部地區(qū)的雷電必然會繼續(xù)加大。因此，應該考慮改進防雷保護設施，提高防雷保護標準，加強對變電站的防雷保護，提高變電站的防雷標準。

3 在強雷電作用下變電站防雷保護措施存在不足

3.1 避雷針的高度和防止反擊距離存在不足

為了防止雷直擊于變電站，一般采用避雷針或避雷線進行保護，并且避雷針(線)與被保護物(包括各種電氣設備、高大建筑、貯油罐等)之間的距離應滿足以下兩個基本原則：

(1)應將發(fā)電廠、變電站內(nèi)的所有被保護設備置于避雷針(線)的保護范圍以內(nèi)，以免其遭受直接雷擊。從上述案例1雷電擊穿保護范圍到地面的現(xiàn)象可以看出：在強雷電作用下，正常的保護范圍還需要擴大，以抵抗強雷電的擊穿。

(2)防止雷擊避雷針引起的反擊事故。避雷針與附近金屬導體間必須有一定距離，從而使絕緣介質(zhì)閃絡電壓大于反擊電壓。但是，在強雷電的作用下其反擊距離應該加大。具體分析如下：圖 1中避雷針上距該設施最近的A點的電位uk：

uk=150Rch+1.3h×57.7 =150Rch+75h

圖1 獨立避雷針與附近設施的最小距離示意圖

正常情況下，當防雷接地電阻Rch取10 Ω時，Sk≥0.3×10+0.1h=3+0.1h

一般情況下，Sk不應小于 5 m，亦可以算出Sd不應小于3 m。在條件許可時，該距離還可以適當增大。

當極端天氣出現(xiàn)時，雷電流值iL的幅值不是150 kA，而是超過了200 kA，空氣的耐壓強度亦受周圍電場分布、海拔、氣壓、濕度、溫度等各種因素的影響，可能不再是750 kV /m和500 kV /m，亦有可能減小。

按雷電流值iL的幅值為200 kA，其他因素不變，對其進行計算：

強雷電情況下，當防雷接地電阻Rch取10 Ω時，Sk≥0.4×10+0.13h=4+0.13h

Sk要比原來雷電流情況下大1 m多。

因此，在強雷電作用下，為了降低避雷針承受雷電流時所造成的感應過電壓的影響，對于避雷針(線)與被保護設備的距離若仍采用原標準：Sk不應小于 5 m，Sd不應小于 3 m，顯然是不夠的。

3.2 裝設避雷器

利用避雷器限制雷電侵入波過電壓的數(shù)值是變電站采取的防雷保護的基本措施之一。變電站有很多電氣設備，一般將避雷器裝在母線上，對有可能分段運行的母線在每個母線分段上均應裝設避雷器，并希望母線上的避雷器能保護接到母線上所有的電氣設備。在強雷電的影響下，變電站的一些設備經(jīng)常遭到破壞。因此，是否可以增加設置避雷器的地點和數(shù)量呢？

3.3 進線段保護存在不足

除了直擊雷防護以外，當線路上落雷時，雷電進行波會沿著線路向變電站襲來。由于線路的絕緣水平很高，侵入變電站的侵入波幅值往往很高，極有可能使主變壓器和其它電器設備發(fā)生絕緣損壞事故。如果是終端變電站，則雷電波到達變電站時其電壓還會因反射而升高，其危險性更大。此外，由于變電站和線路直接相連，線路分布廣，長度大，遭到雷擊的機會很多，而進線段保護的作用就是為了限制沿線路侵入變電站的雷電流幅值不超過5 kA，陡度不超過允許值。進線段保護的接線情況見圖2。在強雷電的影響下，進線段是否還能夠達到限制沿線路侵入變電站的雷電流幅值不超過5 kA、陡度不超過允許值就不一定了。從案例1可以看出，侵入波過電壓經(jīng)過進線段后仍將避雷器和主變壓器損壞，其侵入變電站的雷電流很大。

(a)未裝設避雷線的變電站進線保護接線

(b)全線有避雷線的變電站進線保護接線圖2 35 kV及以上變電站進線段保護接線示意圖

目前變電所 (站) 進線段的標準保護接線為： 在木桿或鋼筋混凝土桿木橫擔線路進線保護段首端應裝設一組管式避雷器 F3(圖2)，其工頻接地電阻一般不大于 10 Ω；鐵塔和鋼筋混凝土桿鐵橫擔線路以及全線以避雷線保護的線路，其進線保護段首端不需裝設管式避雷器 F3 。35 ～ 110 kV 變電所 (站) 進出線的隔離開關或斷路器在雷雨季中可能經(jīng)常斷開，其線路側(cè)帶有電壓時，必須在變電所(站)進口處裝設一組避雷器 F2，并應盡量靠近被保護設備。 對于避雷器F2的設置，目前常常采用管型避雷器，設置的原則是：只有在斷路器或隔離開關處于開路狀態(tài)、線路側(cè)又有工頻電源時才需裝設；F2的外間隙整定值應使其在斷路器開路時能可靠地動作，以保護斷路器或隔離開關；而在斷路器閉合時不應動作，即此時應在變電站閥型避雷器保護范圍之內(nèi)。在強雷電的影響下，如前述寧波電網(wǎng)發(fā)生多起雷擊高壓開關事故，避雷器F2是必須設置的。

4 改進后的變電站防雷保護措施

在強雷電的影響下，目前變電站的防雷保護措施是不完善的，應該考慮改進防雷防護設施并提高防雷保護標準，加強對變電站的防雷保護，提高變電站的防雷措施。筆者建議：

(1) 適當增加避雷針的高度，擴大避雷針的保護范圍。

適當增加避雷針的高度，擴大避雷針的保護范圍，使被保護設備或物體的邊緣距離避雷針的保護范圍邊緣要有適當?shù)木嚯x，嚴重的地區(qū)可以讓避雷針的保護范圍邊緣高出被保護設備邊緣5 m以上，雷擊保護范圍的可能性就會大大降低。

另外，為了防止反擊事故，通過前面的分析可知： 建于強雷電地區(qū)的變電站，建議Sk不應小于 6 m，Sd不應小于 4 m。在條件許可時，該距離還可以根據(jù)具體情況適當增加一些。

(2)采用在進線段加電纜進出線、再加避雷器的方式進行保護。

在強雷電的影響下，為了限制沿線路侵入變電站侵入波過電壓的危害，采用在進線段加電纜、進出線再加避雷器的保護方式(圖3)。圖3(a)為采用進線段加三芯電纜進出線、再加避雷器的保護接線。圖3(b)為單芯電纜，將架空線與電纜連接處的金屬護套接地，另一端的金屬護套需經(jīng)保護器或間隙[圖 3(b)中的 FV]接地。

首先，利用進線段的保護作用限制沿線路侵入變電站侵入波過電壓的幅值和陡度，盡量減小其危害，當雷電波入侵時，避雷器F4或F3動作，電纜芯線和電纜外皮經(jīng)避雷器F3短接在一起，雷電流流過避雷器F3和接地電阻R(F3處)所形成的電壓降同時作用在電纜芯線和電纜外皮上，沿電纜芯和電纜外皮分兩路流向變壓器側(cè)，由于流過電纜外皮所產(chǎn)生的磁通全部與電纜芯交鏈(由于電纜芯被電纜外皮所包圍)，在芯線上感應出接近等量的反電勢阻止芯線中電流流向變壓器側(cè)，進而大大地減小了流向變壓器側(cè)的雷電流，亦減小了流過避雷器F1的雷電流。由上述分析可以看出，這段電纜的限流作用完全依靠避雷器F3動作。由于電纜的對地電容比架空線的電容大得多，從架空線入侵的雷電波遇到電纜時的電壓立即降低，可以使避雷器F3難以動作。為了保證避雷器F3可靠動作，發(fā)揮電纜外皮的作用，在距離避雷器F3前70 m的地方安裝避雷器F4，避雷器F4的接地線平行架設在導線下方，并與電纜首端的金屬外皮和裝設避雷器F3的接地線連接在一起后接地。由于避雷器F4距電纜有一段距離，不至于因電纜的電容作用而影響其動作，所以，當雷電波到達避雷器F4時其已經(jīng)動作，而雷電流經(jīng)過伸長地線產(chǎn)生了很大的壓降，該壓降加在避雷器F3兩端迫使避雷器F3動作。F2的作用與前面類似。

圖3 采用在進線段加電纜、進出線再加避雷器的保護措施示意圖

5 結(jié) 語

隨著全球氣候的變暖，極端天氣必然增加，雷電活動必然增強，強雷電對變電站的影響越來越大，為此，我們應當考慮改進防雷保護設施，提高防雷保護標準，加強對變電站的防雷保護。雷電現(xiàn)象是一種長期的自然現(xiàn)象，在長期的防治雷電過程中，我們應當不斷研究總結(jié)出更好的防雷方法，不斷創(chuàng)新更好的防雷技術。筆者提出了具體的看法，其中一些細節(jié)還需要不斷進行研究，不足之處望指正。謝謝！