110 kV 變電站的電氣設計與防雷保護分析

賈德剛

（中油（新疆）石油工程有限公司，新疆 克拉瑪依 834000）

1 引言

變電站因在電力系統中的核心地位和重要作用，在各區域電網架構升級和發展的同時，也相應進行了調整，現階段工業生產力度和居民用電需求的增加，對供電系統負荷的安全性以及電力輸出運行的穩定性的要求也隨之提高，原本建設的變電站已經無法滿足當下的發展需求，需要從電氣主接線方式、接地網設計等方面進行技術升級和優化，通過合理設計提高供電質量和效率。

2 110 kV 變電站電氣設計與防雷保護的研究目的及相關內容

2.1 研究目的

目前，電力電子設備的普及和廣泛應用，在很大程度上對電力能源有很大的依賴性，一旦出現供電中斷，會造成工廠生產停止，居民日常飲食以及出行受阻。因此，要極力確保電力供應正常，從而促使整個社會正常運轉。圍繞社會需求，需要加快完善110 kV 變電站建設，一方面，認識和明確變電站在電網系統中的重要性，以提升變電站工作的穩定性和安全性為前提，合理設計，細化變電站設計內容。另一方面，借助高科技手段，優化電氣設計和防雷保護設施裝置設計，按照長足發展的原則，根據實際需求更新變電站電氣設備，提高變電站抗風險能力。

2.2 設計的基本內容

首先，需要進行短路電流的計算。目的在于了解各個斷路點的短路電流，經過比較得出短路電流的最大值，以此作為短路電流的最大允許值。通常短路點不止一個，一般會選擇2～3個點進行計算，并將計算結果放在一起進行比較。再者，需要做好直擊雷保護裝置設計，其中，需要著重圍繞避雷針安裝、避雷針高度、防雷保護范圍、防雷保護措施、接地網設計等進行合理安排和細化。

3 110 kV 變電站電氣設計要點分析

3.1 電氣主接線設計

變電站接線設計過程中，接線方式相對煩瑣，其中，關鍵設備是變壓器，通常情況下，變壓器負責線路升壓和減壓，電氣主接線設計時，應以良好的接線設計方式使變壓器各項指標在合理使用范圍內。選擇變壓器時，應根據電量及負荷等的具體需求以及使用情況綜合考量，發電量較少時，需要配置一臺主變壓器以及兩臺配套的發電機，如果情況相反，還要結合實際情況增加變壓器和發電機的數量[1]。所以，在設計變電站的全過程中，要重點設計主接線，一方面需要設計好電器位置的主接線，按照平面圖進行整體布局。另一方面，要不斷調整和優化模塊的主要接線位置，降低后期維修和保養變電設備的壓力，減少維修設備過程中的消耗，并且要對擴建、重新改造部分加強維護與管理。

3.2 信號整理

進行110 kV 線路的光纖通道設計時，需要保障通信通道在信號整理過程中保持雙向延時，并且將電子互感器與合并單元模式統籌運用，提高保護的疊加效果。此外，為加強信號整理效率和質量，要利用雙A/D 系統接入合并單元的方法，全面收集和整理各個電子式互感器搜集的信號，并進行信號的檢測，針對異常信號診斷根源，以此更科學、更有針對性地進行電氣設計，實現設計與實際需求的平衡。

3.3 智能運行管理

現階段，智能變電站設計和定義并不明確。一些歐美發達國家已經開始著手對智能電氣設備進行研究，但是各國國情和電力發展現狀都不盡相同，因此，很多生產廠商對智能變電站的設計與發展的理念也存在差異。比如，在西門子公司看來，智能變電站設計的重點應集中在高度自動化方面，以自動化技術作為變電站自愈功能的支撐點。但是ABB 公司有不同的看法，認為西門子公司提出的智能化設計觀念只是智能化建設中比較基礎的內容，真正的設計重心應放在對電力設備的數據采集以及運行狀態的監測上。由于設計理念和實際電力情況以及需求的差異化，需要根據電網設計統一管理標準，以智能化、自動化技術進行電網系統的運行管理，建設智能電網也是當下電力工業面臨的重要挑戰以及未來共同發展的趨勢。以物理電網為基礎，采用先進的通信技術、高級傳感器、電力電子裝置、自動化設備等，對電力設備運行狀態進行自動化分析和監控，排除隱患，控制運行風險。

4 防雷保護設計及相關措施

4.1 避雷針和避雷線

安裝避雷裝置是進行防雷保護設計最為實用和便捷的方法。但同時為合理利用防雷裝置，控制避雷裝置相關配套設施的使用成本，應將避雷針設置在變電站的鐵塔塔桿、照明塔以及各處建筑物的高部位。避雷針和避雷線的作用是從被保護物體上方引導雷電通過，并安全泄入大地，防止雷電直擊，減小在其保護范圍內的電器設備和建筑物遭受雷擊的概率。其作用原理是將避雷線與避雷針相連，避雷針會有所感應聚集大量電荷，雷電從天空中順著避雷針進入避雷線直至埋地的避雷網，形成回路，以此消除雷擊。隨著時代發展，可以利用攝像機立桿避雷針防雷設計，將避雷針架設在攝像機的支撐桿上，引下線可直接利用金屬桿本身或選用φ8 mm 的鍍鋅圓鋼。為防止電磁感應，沿電線桿引上的攝像機電源線和信號線應穿在金屬管內以達到屏蔽作用，屏蔽金屬管的兩端均應接地。為此，結合避雷針原理和圖1 所示系統進行防雷保護設計。

圖1 避雷針與系統設計原理圖

安裝避雷裝置需要以安裝接地線設備為前提，并且接地電阻值要控制在10 Ω 以內，確保變電站和接地連接的終端線路能夠在可承載范圍內，而線路應采用連接避雷針的避雷線，加強對線路的保護作用。比較小型的變電站會采用獨立的避雷針，大型變電站會將避雷針和避雷線結合使用，這樣可以在很大程度上提高變電站的抗雷擊能力，避免因為雷擊造成電力系統運行中斷而停電。所以，這就對接地設施、避雷針以及避雷線提出了更嚴格的要求。同時，還要根據當地天氣變化、土壤情況等做好及時的維護工作，提高電力系統的抗雷擊能力，并且要定期做好檢查，提前做好預防，保障避雷針和地下的接地網在接地電阻允許范圍內，還要加固塔桿的連接位置[2]。

4.2 直擊雷的保護設計

不同的變電站以及不同的地域有不同的防雷設計要求，差異性要求的接地裝置設計也不同。例如，對于小型變電站會設置獨立避雷針，適合設計獨立的接地裝置。而且在非高土壤電阻率地區，其工頻接地電阻要控制在100 Ω 以內。當出現阻礙時，接地裝置和主接地網連接，使其接地電阻全面降低。所以，要選擇適合的避雷器，結合不同變電器安裝區域的電網額定電壓的差異特點，選擇適合的避雷裝置。比如，氧化鋅避雷器適用于110 kV 的電網，其他適合的安裝地點以及相應的參考數值見表1。

表1 氧化鋅避雷器安裝地點及參考數值

與此同時，獨立避雷針的位置不應靠近人行通道，避雷針以及接地裝置與人行道、出入口等地方的距離應超過3 m，如果沒有按照這個距離進行安裝設計，需要采取均壓措施，或鋪設礫石或瀝青地面。電壓在110 kV 及以上的配電裝置，需要將避雷針安裝在配電裝置的架構或者屋頂上。對于土壤電阻率大于1 000 Ω·m 的地區，除了需要設計獨立避雷針，還可以進行相應計算，通過降低接地電阻、提高絕緣屬性等方式，防止雷擊事故發生[3]。

4.3 照明設計

要確保110 kV 變電站安全運行，除了需要在適合的位置上安裝避雷針和接地裝置以外，還需要做好科學的照明設計，在安全通道以及關鍵位置安裝照明設計，并且電氣設備中需要設計照明系統，采用現代化技術，結合電氣設備的功能需求，完善照明系統的設計，當出現危險或者遇到緊急情況時，可以減少維修人員的時間成本，有便利的照明系統為維修工作提供照明條件，讓維修人員快速找到發生危機的位置，并進行相應的檢查和維修。

5 結語

綜合上述分析，現代化發展推進了供電系統的變革，結合人們生活用電和工業生產用電的雙重需求，對變電站的合理設計需要以實際需求為依據，加強電氣設計，完善相關工作，提高110 kV 變電站安全和保護功能，運用智能化、自動化技術，立足于國情，積極研究智能變電站，并進一步提高安全性能，加強防雷保護裝置設計，安裝避雷針和接地裝置，維護國內變電站電力系統穩定運行。