220kV變電站一次系統及防雷保護研究

內蒙古電力（集團）有限責任公司巴彥淖爾供電分公司變電管理一處 候 敏

隨著社會經濟不斷發展，各地對求供電穩定可靠性要求越來越高。電力在全世界扮演著重要的角色，因此采取什么方法來保障電力的穩定供應，是我國電力企業需要考慮的核心問題。變電站的一次設備作為電網的聯絡點，如何對其進行調控，影響著電力能否安全穩定地輸送。本文就220kV變電站的一次系統，重心要放在整個一次系統的硬件設計方面，尤其是工程選址與設備配裝等，要做到設計充分合理，為整個電力系統提供保障。

1 220kV變電站一次系統的重要性分析

就整個電力系統來說，其所有環節大概有以下幾個方面，分別是發電與變電以及輸電和配電等。而變電站在電力系統中主要對電壓進行變壓，并且集中產生的電能并進行輸送電能等[1]。其中，一次系統設計較為重要，在一次系統設計不足的情況下，整個電力系統的安全性和穩定性都得不到保障。因此，220kV變電站必須重視該方面的設計模式。

220kV變電站的設計必須以現實情況為標準，要滿足整個電力系統的需求，要做到最大效率、全面協調以及可持續發展等方面。而要滿足這些方面，對變電站一次系統的要求較高，所以其設計方案必須經過不斷完善，最后得出好的方案來滿足各個方面的需求，適應整個電力系統所處的環境。

2 220kV變電站遭受雷擊的危害及原因

2.1 雷擊的危害

雷擊對整個變電站的危害較大，有研究統計過，變電站的事故接近一半是由于雷擊造成[2]。當雷電打在變電站的設備上時，會將設備進行擊穿，導致整個絕緣子損壞嚴重，嚴重影響了變電站的正常運行，并且雷云下的感應過電壓等也會影響到電力設備的正常運行，由此可見對于雷擊的危害整個電力系統企業應該著重關心。

2.2 受雷擊的原因

2.2.1 感應過電壓

感應過電壓是導致變電站受雷擊的重要原因之一。其具體原理是靜電感應，在雷云聚集下的架空導線會受到靜電感應，其上方會聚集很多異性電荷，這些異性電荷依附于架空導線，這就導致了當發生打雷時，整個架空線路上的異性電荷得以釋放，進而形成自由電荷，導致過電壓的產生[3]。

2.2.2 直擊雷過電壓

雷云放電中，雷電直擊電力設備就叫做直擊雷過電壓，當雷電直擊設備后，整個電力設備會受到巨大的打擊，大量的電流進入設備從而形成巨大電壓。并且這些雷電形成的電流通過熱效應，對于整個變電站的安全運行威脅較大。

2.2.3 雷電波

雷電波是由于以上兩種雷擊電壓而產生的，這種雷電波會以架空線路為路線進入變電站內部，當整個變電站對于雷電的防護不達標時，也會造成整個變電站的部分電氣設備損壞，導致電力事故的發生，造成企業經濟損失。

3 220kV變電站一次系統的設計要點

3.1 加強系統設計論證

整個一次系統設計重心要放到整體結構上來，對于整個變電站的環境要調查清楚，尤其是水文與氣象環境等，充分調研后才能確定變電站的選址。整個變電系統的各項數值要進行范圍確定，如負荷水平與功率因數等，并且變電站的整體結構設計完成后，要不斷進行討論完善，該部分探討必須包括變電站的地理位置、發展規模以及系統設備等方面，只有經過充分論證，才能確保整個變電站的安全可靠[4]。

3.2 重視變壓器的選擇

變壓器作為變換電壓的設備，可以改變不相等電壓之間的功率互換以及輸送，因此變壓器的選擇較為重要，從而做出合適的選用，如一個220kV變電站選用了1臺180MVA變壓器，并且同時預期將為3臺該容量的變壓器當成主要改變規模，而這個180MVA則是通過計算得到的（見表1）。

表1 220kV變電站中主變壓器的主要參數

為了保障220kV變電站的安全性和可靠性，需要嚴格規范接地工作，采用中性點接地方法，能夠在發生故障時使變電站啟動保護跳閘，將故障在第一時間隔離，減少單相短路情況發生，從而避免由于變電站設備損壞而造成的經濟損失。

3.3 優化電氣接線形式

目前，主要有兩種接線形式，一是單母線分段接線，操作簡單，但不能夠做到及時調整，可靠性較低；二是雙母線分段接線，可變性強，其可靠性較高，但是對接線水平要求極高，整個接線工作難度加強，維護起來也較為煩瑣。因此，在進行電氣接線形式的設計時，要從各方面（如靈活性或經濟效益等）進行考量。如某地接線形式通過早期預測，結合各方面因素，最終認為雙母線接線方式投入資金少，并且空間占用低，但是其安全可靠性與單母線雙分段方式相比略差，并且單母線接線方式不利于后續擴建等，根據綜合考慮最終以雙母線接線方式進行接線。圖1為主線接線形式的表達。

圖1 220kV變電站側電氣主接線形式

3.3.1 科學計算短路電流

在變電站實際運行中，故障的發生是不可避免的。而其中的短路故障是較為嚴重的一種，這種短路故障對整個系統的破壞力大，并且短路故障的形成原因很難確定，短路故障不單單只是造成停電，更嚴重的是對整個系統的設備進行損毀甚至破壞，必須有針對性的做出短路預測。

三相短路的發生率比較低，因此三相短路電流在整個接線形式、設備校驗中都是重中之重的參考標準，只有滿足了三相短路電流的必要條件，才能對發生此短路的電路運行提供保證。

3.3.2 優化電氣設備選擇

當進行科學計算后，能夠得到一個計算結果，根據這個計算結果來選用電氣設備。在這個計算結果下，電氣設備的整個工作電壓與額定電流等都能滿足實際需要，尤其是在發生故障時也能得到保障，并且優化電氣設備選擇對整體經濟效益以及系統的可靠性也是一次提高。

3.4 完善配電裝置設計

配電裝置的功能就是對整個系統進行保護的設備，當電力系統某處發生故障時，可以立刻檢測出故障發生并且就故障發生處進行故障源的切斷，通過這種切斷的方式來維持整個系統的正常工作。這種配電裝置的設計必須要滿足可靠性、靈活性以及安全性等方面的要求，對于配電裝置的選取，也要結合具體情況。

4 220kV變電站一次系統防雷保護要點及保護措施

4.1 防雷保護要點

4.1.1 避雷器種類

要對變電站的防雷工作進行詳細要求，目前防雷方案有以下兩方面：一是針對直擊雷直擊變電站；二是雷電波的入侵。就直擊雷直擊變電站來說，經常設立避雷針和避雷線。110kV以上的避雷針假設以房頂上作為架構避雷針。避雷針種類可分為以下幾點：

第一，保護間隙：這種保護間隙與自動重合閘結合，其啟動時間很久，殘壓高，又因為其斷流能力不具備，所以經常殘生續流。

第二，管式避雷器：即保護間隙的一次升級版本，不足之處是其本身也會產生截波，影響設備絕緣。保護間隙和管式避雷器僅僅使用在線路保護方面。

第三，閥式避雷器：只用于220kV以下電力系統。

第四，金屬氧化物避雷器（MOA）：目前，全球范圍風評最好的避雷器，各個方面性能優異，多數變電站采用MOA作為防雷保護。

4.1.2 避雷器的選擇

避雷器選擇技術條件：一是額定電壓Un：與系統額定電壓相等。二是滅弧電壓Umh：與避雷器產生的過電壓作比較的參數。三是工頻放電電壓Ugf：中性點不接地電網中，Ugf要大于運行相電壓最大值的3.5倍。中性點直接接地電網中，Ugf運行相電壓最大值的3倍。Ugf要大于1.8倍Umh。四是沖擊放電電壓Ucf：沖放電在1.5～20us內的最小放電電壓值。該值一般已經做好適配工作。五是殘壓Ure：Ure是沖擊電流流過閥片上產生的電壓降。

安裝原則：220kV與110kV的全線設置避雷線，而不足35kV的不架設避雷線，使用避雷針做防雷措施。110kV以上的避雷針假設以房頂上作為架構避雷針。

4.2 保護措施

4.2.1 進線保護

在220kV變電站的防雷措施中，經常運用到進線保護技術。進線保護對通過避雷器的雷擊電流幅值與雷電波做調整，通過這種進線保護來對整個電氣設備做保護。一般來說，在這種規模的變電站進出線處添加避雷線就可以做到一定的保護，而這種避雷線的實際安裝位置也要結合實際情況來確定，通常情況下安裝位置選在出線1000～2000m處的進線上。

4.2.2 內加裝避雷針

避雷針的安裝也是一種高效的保護手段，通過安裝避雷針，可以把雷電產生的電流傳入地面，這樣就能防范這些電流滲入設備而造成過高電壓從而導致設備的損壞。內加裝避雷針對于整個變電站的防雷措施很有成效。同時，變電站的避雷針安裝要特別注意，其與各個電力設備或電力電路的距離必須在5m以上，并且避雷針引下線的接地電阻不能超過10Ω，從而減少雷擊以及其后果對變電站帶來的危害。

4.2.3 變壓器保護

變壓器是整個變電站的重要一環，而能夠對變壓器造成危害的因素主要來源于雷電產生的雷電波，如果沒有任何保護措施，雷電波進入變壓器后，不僅影響了變壓器的工作效率，還會使變電站的安全性以及可靠性大大降低。同時，變電站需要在每一組分段母線以及主母線上加裝閥式避雷器，通過這些避雷設備的安裝來滿足電氣設備與變壓設備的保護要求，并且這些避雷器必須聯結到變電裝置中的接地總網上，每一個連線必須滿足最短接線長度的標準要求。

5 結語

變電站防雷工作至關重要，變電站的防雷水平如果不達標，造成大范圍的停電現象發生，影響供電系統可靠穩定性。本文所提到的觀點在各個電力企業進行防雷設計時希望起到一定的參考價值，從而提高220kV變電站整體的防雷水平。