農村變電站雷電防護技術

趙仲茂 梁靜宇

摘 要：變電站是電力系統中對電壓和電流進行變換、接受電能和分配電能的場所，對農村供電具有重要作用。雷電是影響變電站平穩可靠運行的重要因素之一。本文以農村變電站為例，介紹雷電防護技術的應用，分析現有防雷措施的不足，并提出相應解決措施，以降低雷電致損的概率，保證農村生產生活正常開展。

關鍵詞：農村變電站;雷擊風險;防護技術

中圖分類號：TM862;TM63 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2021）18-0147-03

Abstract： Substation is the place where the voltage and current in the power system are transformed， accepted and distributed. It plays an important role in rural power supply. Lightning is one of the important factors affecting the stable and reliable operation of substations. Taking rural substations as an example， this paper introduced the application of lightning protection technology， analyzed the shortage of existing lightning protection measures and put forward corresponding solutions to reduce the probability of lightning damage and ensure the normal development of rural production and life.

Keywords： rural substation;lightning risk;protection technology

目前，我國農村電網覆蓋率不斷提高，變電站數量不斷增多，隨之而來的是，雷擊的概率也不斷提高。輸電線長期暴露于室外，一旦遭受雷擊，就會導致跳閘，從而使變電站相應設備出現運行故障[1]。根據雷電的不同形狀，可將其大致分為片狀、線狀和球狀三種形式。雷電流放電電流大，幅值高達數十至數百千安;放電時間極短，只有50～100 μs;波頭陡度高，可達50 kA/s，屬于高頻沖擊波。線狀雷電是變電站發生雷擊事故的主要形式[2]。目前，廣東省徐聞縣的農村變電站經過改造，逐漸規范化、標準化，但變電站自動化設備多為微電子元器件，極易受到雷擊等外界環境的影響，因此要加強變電站雷電防護管理，強化防雷技術設計。

1 變電站主要雷擊來源

變電站遭受的雷擊主要來源有兩個：一是雷電直接擊中變電站內的設備，站內設備多為金屬外殼，導電性強;二是室外架空輸電線路的雷電感應過電壓和直擊雷過電壓形成的雷電波沿線路侵入變電站（見圖1），其是導致變電站雷害的主要原因[3]。雷擊會對配電變壓器造成傷害。因此，針對直擊雷和雷電波入侵，需要采取必要的防雷措施。

2 配電變壓器的防雷技術

2.1 確定避雷器防護距離

變壓器是變電站的重要設備，其可承受的過電壓能力較其他電力設備低，因此常將變壓器作為變電站電氣設備的雷電防護的核心。變電站母線避雷器安裝位置要與主變壓器距離最近，以應對在長期運行過程中因設備老化而導致其過電壓承受能力及耐雷水平不斷下降的現象。也就是說，當雷電產生的雷電波沿著變電站進線入侵內部后，避雷器連接點距離變壓器連接點的最大允許電氣距離要最小，盡可能安裝在與主變壓器側開關同一間隔內。以35 kV電壓等級為例，變電站1 km進線段安裝有避雷線，取侵入波空間陡度[a0]為1.0 kV/m，當避雷器與變壓器之間的距離控制在5 m及以下時，變壓器受到的沖擊電壓會減少10 kV，有利于對變壓器的絕緣保護。

2.2 三點共同接地

三點共同接地意味著防雷接地（高壓避雷器）、保護接地（外殼）和工作接地（低壓中性點）共用一個接地裝置，其接地電阻應滿足三者之中的最小值，其中防雷接地電阻一般規定小于10 Ω，但要有垂直接地極，以利散流;低壓工作接地電阻一般應小于4 Ω。因而接地電阻主要取決于高壓側對地擊穿時的保護接地，一般情況下配電變壓器都是向B類建筑物供電的，相關標準規定，只有當保護接地的接地電阻[R≤50/I]時，高壓側防雷及保護接地才能與低壓側工作接地共用同一個接地裝置;如果采取三點共同接地，則[R≤50/I]時，[I]為高壓系統的單相接地電流。分段對于不接地系統，[I]代表系統電容電流;對于消弧線圈接地系統，[I]是故障點殘流。公式中的50是低系統的安全電壓，即高壓側對外殼單相接地時，接地電流流過接地裝置的壓降不得超過50 V。變電站系統中的電容電流差別較大，在數十至數百安之間不等，所以配電變壓器三點共同接地時，要根據所在高壓系統的情況來確定接地裝置的接地電阻，不能籠統地規定4 Ω或10 Ω。分段采用三點共地后，高壓側避雷器放電電流較大，接地電阻壓降也很高。該壓降加在低壓線圈上，通過低壓線路電容接地，在低壓線圈中就中擊電流使線圈勵磁，通過電磁感應使高壓線圈感應出很高的電壓。高壓側電壓受高壓側避雷器殘壓限制，其線圈中性點電位較高，容易在中性點附近，導致對地擊穿或匝間短路而損壞變壓器，因此，需要在低壓側加設避雷器，限制低壓線圈承受的電壓。當地電位升高時，通過避雷器放電，使低壓線圈則只承受低壓避雷器的殘壓，這樣高壓中性點附近的過電壓便被限制在可接受的范圍內，從而防止逆變換損壞變壓器[4]。同理，當低壓線路感應雷傳導配電變壓器時，低壓側避雷器也會動作，使雷電流泄放入地，低壓線圈電壓也被限制在低壓避雷器殘壓之內，防止配電變壓器高壓側被按變比感應的電壓所損壞。

2.3 引下線連接方式

配電變壓器區域的接地裝置應設置為閉合環形，加設垂直地極。這是因為環形內的接觸電壓較低，而沿環形接地體走路的行人，其跨步電壓也較小，城區的配電變壓器大多安裝在路邊，因常有人走動，為行人安全著想，必須敷設為環形。閉合環的直徑一般為5 cm，這是因為要發揮水平接地極和垂直接地極的散流效果，減少相互屏蔽，降低接地電阻。當變電站內安裝地點較為狹窄時，可變換為橢圓形，短軸距不應小于3 cm，兩垂直接地極應打在短軸兩端點附近，高壓避雷器、外殼接地、中性點的接地應分別置于垂直接地極附近，以利于散流。當土壤電阻率高時，做一個環后要立即測試電阻值是否符合標準，若不符合標準，需要在環外再做一個大環，兩環相距4～5 cm，埋地深度需比第一環深，兩環有相接處。

下線及接地裝置都應使用焊接，但為安裝方便，通常在電桿下的1.8～2.0 m處有一個斷接卡，也以螺栓相接。引下線材質一般為扁鋼或鋼絞線，此兩種材質制作接線板宜用雙螺栓相連。但在實際操作中，高壓避雷器接地端分別用鋼絞線接線，三根線絞合連接，大多數情況是鋼絞線材質，配電變壓器外殼的接地線也用鋼絞線與避雷器接地線絞合，再與接地裝置的引上線用螺栓連接，未壓制接線鼻，這些連接都不符合標準的做法。正確做法是將三個高壓避雷器的接地端以30 mm×4 mm的扁鋼連為一體，從中間引下和外殼的接地扁鋼相連，均采用焊接。中間不設置斷連卡，直接入地和接地裝置焊接。

2.4 地下水平接地極設置

接地裝置地下水平接地極采用40 mm×4 mm的扁鋼，垂直接地極用40 mm×4 mm的角鋼，埋地深度在60 cm以上，填埋時務必用干凈的原土并夯實。條件允許的情況下，擴大環形水平接地極面積，或在環外再做一環，兩處相連，以降低電阻。地下相連處用焊接，扁鋼搭接長度和自身寬之比為2∶1，且三面或四面均應焊接，三面焊接時盡量二短邊一長邊，利于電流通過。圓鋼焊接長度和直徑之比應為6∶1，兩面焊接且為實焊。焊接處要采取防腐措施。

2.5 柱上開關防雷接地

高壓柱上開關及隔離開關一般作為聯絡開關用，標準規定要在一側或雙側加裝避雷器，且避雷器引下接地線應與開關外殼連接，以確保開關對地絕緣只承受殘壓，使其得到有力保護。但實際上，不少柱上開關的高壓側避雷器接地線是直接入地的，沒有按規定連接外殼。此時開關對地絕緣所承受的除避雷器殘壓外，還包括引線和接地裝置電阻上的壓降[5]。如接地線電感為2.67 μH/m，引線長為11 m，雷電波波頭為3.5 μs，幅值為5 kA，加上接地電阻壓降值，避雷器殘壓假設為50 kV，則開關承受的電壓超過開關的沖擊絕緣水平，避雷器就無法發揮效用。一些開關外殼雖具有引下接地線，但是單獨入地，即使共用一個接地裝置，開關絕緣承受的電壓也高于殘壓。通常情況下，單獨柱上開關的接地裝置，其接地電阻應在10 Ω以下，柱上開關的外殼、隔離開關閘刀坐臺、附近的絕緣子橫擔，應連在一起與避雷器接地引下線相接，這樣就使隔離開關支持絕緣子都能得到保護，防止雷擊閃絡，充分發揮避雷器的作用。線路中加設的高壓無功補償電容器應加裝金屬裝氧化物避雷器，接地引下線應與電容器外殼相連。

2.6 增強線路絕緣性

配電網線纜的絕緣水平越高，防雷效果越好。當感應雷擊中配電網線路時，導致固體絕緣子周圍的氣體或液體電介質被雷電流擊穿，沿固體絕緣子表面產生放電現象，從而降低整個線路的防雷程度。為了減少線纜通道數，實踐中采取同桿多回線技術，雖然可降低安裝成本，減少線路回廊數目，但遭受雷擊后，由于線纜之間的距離不足，會引發接地事故，嚴重情況下多回線同時跳閘會導致更多損失。因此，必須增強配電網絡的絕緣程度，可增加絕緣控件的個數，將裸導線更換為絕緣導線，選擇合適絕緣子型號，在絕緣子和線纜之間增加絕緣皮等。

3 結語

開展防雷保護是做好事前預防的重要措施。為保證農村變電站的平穩運行，有必要進行全面的防雷保護。本文分析了易遭受雷擊的原因，并提出了相關解決措施，以減輕雷電對農村變電站配電設備的影響。

參考文獻：

[1]童慶山，馬飛.高壓輸電線路和變電站雷電防護的現狀與發展[J].商品與質量，2018（13）：268.

[2]陳文.淺談雷電災害與配電網的防雷措施[J].農村電氣化，2008（增刊1）：244-247.

[3]姚書航，唐慎佳，劉松杰，等.淺議高壓輸電線路與變電站雷電防護的現狀及發展[J].中國高新區，2017（19）：104.

[4]劉青松.農村小型變電所弱電設備雷電防護措施[J].現代農業科技，2017（15）：199，202.

[5]郝星亮.淺談變電站防雷設計[J].科技情報開發與經濟，2009（21）：230-232.