變電站的防雷接地技術研究

重慶恩力吉投資有限責任公司 嚴佳玕

1 提出問題

西南地區每年的暴風雨增幅很大，因此變電站設計過程中，要保護變電站設備的安全，提高供電可靠性，優化防雷設計，加強變電站的防雷措施，盡量減少雷電事故的發生率。

2 雷電對變電站的危害

2.1 雷的直擊和繞擊危害

天空中的風暴云攜帶與地球表面相反的電荷。當風暴云穿過變電站的避雷針或其他突出的物體時，物體上方的電場變形。在閃電期間，風暴云底部的電荷在地表上逐漸發展。如果地面高度小于100m，當變形的局部電荷開始向上移動時，電場將從突出物體的頂部產生。當兩個電荷合并時，這表明閃電開始進入放電的主要階段，如果安裝了單獨的避雷針，可能會有大量雷擊分散在旁邊，同時能夠直接擊中避雷針或繞過避雷針保護區內的物體。雷電的主放電釋放大量能量，雷電電流通常在數萬到數十萬安培之間。這種能量沖擊可能導致建筑物倒塌，電氣設備損壞，甚至可能導致重大爆炸，造成人員傷亡。

2.2 雷電侵入波危害

雷電通常以線性或感應雷的形式沿線路或管道進入變電站，對變電站的電氣設備造成損壞，由于線路或管道的電容和電感的存在，以及在雷電沖擊電壓的作用下出現的電暈對波的傳輸呈波幅降低陡度減小的作用，當線路或管道長度較長時，雷電的傳輸速度會降低，當雷波通過材料的不同參數時，會發生折射，將反射閃電波并引起電涌。電阻突然變化，導致電壓波動，增加變電站設備的風險系數。

3 接地裝置

3.1 接地體

接地物體可分為自然物體和人工物體，在設計中，常采用人工接地來達到要求的接地電阻，防止其他外部因素的影響，人工接地可分為水平和垂直接地，接地電阻包括接合區，取決于接縫的狀態和土壤與土壤之間土壤性質。垂直之間的距離約為5cm，上部深度為0.5～0.8m，主場地與道路或運河的距離≥3m。當土壤尺寸＜3m 時，覆蓋1m 以上或2m 以上的瀝青礫石應埋在地頂。接地裝置的連接部分為電氣連接，應按照說明書中規定的板長度進行焊接，焊接區域必須進行防腐處理。

在某些情況下，接地裝置本身的電阻相對較小，接地電阻主要指擴散電阻，當通過接地體的脈沖電流到達地面時，此時接地電阻稱為脈沖接地電阻。接地電阻通常小于電源頻率的接地電阻，電流密度較高，局部火花放電發生在地球上的太空中，這相當于增加接地物體的大小并降低地球的電阻。

3.2 接地線

接地是連接受保護或受保護物體的外部接地線。可以安裝主接地線、等距接線板和分接地線。防雷裝置接地線是防雷裝置的導線，可以是圓鋼或扁鋼，兩端可根據規定的層長度焊接，以實現電氣連接。用于抗靜電和抗干擾保護的主接地線通常使用多層銅纜，分接地線采用多股銅芯軟線。接地以防止機械損壞和化學腐蝕，如防腐漆或鍍鋅。接地部分應進行熱穩定性檢查。

變電站電氣設備接地導體的鋪設應滿足幾點要求。一是接地線應焊接。在裝配焊接中，鋼板的長度應為板寬的兩倍或圓鋼直徑的六倍。二是使用鋼管接地時，以確保鋼管電氣連接的可靠性。使用螺紋鋼管接地時，導電單元的鋼管與電氣單元之間需要可靠的電氣連接。三是延長接地線（如管道和接地電極）之間的連接應焊接。當管道因維修而斷裂時，連接點必須靠近，接地裝置的接地電阻也必須符合規定要求，接地導體與接地極之間的連接必須采用焊接。地線與電氣設備的連接可采用螺釘或焊接。連接螺栓時必須提供螺母或安全墊。每個接地的電氣設備應通過單獨的接地導體連接到接地排。不能將多個連續接地元件連接到單個接地線。

4 防雷保護措施

防雷措施可避免雷電波，使用保護裝置將雷波引入接地網絡。排雷行動保護措施應包括根據受保護物體的一般形狀、頻率、雷電強度、重要性和特點建立適當的保護裝置。

4.1 避雷針或避雷線

閃電只能通過阻擋和引導來改變接地路徑。避雷針有避雷針和避雷線，大多數小型變電站使用單個避雷針，但大多數大型變電站在變電站結構上使用避雷針或避雷線或兩者的組合，同時也對電纜和接地設備有嚴格要求。

4.2 避雷器

避雷器可將進入變電站的避雷針減少至電氣設備絕緣強度的允許值。我國主要使用金屬氧化物避雷器。此外，故障后所有電氣設備的備用保護會造成漏洞。

4.3 浪涌抑制器

浪涌保護端子用于提高對電氣設備的保護，防止電氣設備和電子部件損壞。重要設備的電源輸入和輸出必須配備防雷裝置。所選電源防雷裝置連接到遠程通信并連接到管理器背景，如果由于電源防雷模塊故障引起雷擊，可以在監控器上顯示其狀態，在控制、通訊接口處加裝浪涌抑制器。

4.4 接地裝置

獨立避雷器必須單獨接地；建筑物防雷網的水下線路應焊接到建筑物全長的主桿和建筑物的環形主桿上，并連接到外部人造土形成接地和工作土，形成這種潛在效果，確保防雷系統的安全可靠，跳閘線應至少有兩條。多條下降線可用于降低接地沖擊強度，海底線路應機械牢固，電接觸良好，變電站防雷接地強度不超過1Ω。

4.5 積極使用預防電棒和負角保護針

為了提高變電站的接地能力，應積極使用避雷針和負角保護桿進行接地工作。在檢查防雷接地時，在達到防雷接地標準后，設計師應采取合理的控制措施，縮短電線接地距離，縮短電線接地距離以減少電線桿之間的距離，在保證系統正常運行的基礎上，合理調整保護桿和負角保護銷，將接地電流的臨界頻率降低到雷電頻率。

4.6 合理設置引下線

在安裝避雷針的基礎上，為了提高安裝的安全性和可靠性，應根據實際情況確定跳閘線的數量，以此為重要參考基礎，適當增加引下線，以降低接地沖擊強度。下水道用于將避雷針連接到地面。配置用于提高排雷行動的有效性。為了使下水道能夠承受過多的電流輸入，建筑商將提前分析地下導體的強度和耐腐蝕性，防雷線路的位置應在設計和施工圖紙上注明。在隨后的施工中，為了嚴格遵循施工的基本點，地下建筑的鋼筋必須科學地固定，在用戶連接到接地極后，需要做好各個弱電箱的跨接工作，避免設備暴露在外。

4.7 采用等電位連接方式

變電站施工接地時，制造商可以通過等電位接頭實現接地保護的目標，在整個變電站緊急運行的情況下，采取電位連接措施，防止接電部分接觸電壓，從而形成用于保護電氣設備并盡可能避免電氣設備故障的機構。對于電位差問題，變電站人員可以消除潛在連接的潛在差異，從而確保電氣設備的安全。

5 防雷電感應

現代變電站具有相對完整的直接沖擊保護系統，直接沖擊損壞外部設備的可能性很小，然而，雷電放電和防雷系統的電磁脈沖，以及金屬管道和電纜的雷電過載，會對控制室中的各種小功率設備造成嚴重的電磁干擾，影響整個系統的正常運行。

雷電電流主要通過集中接地通過反向接地網絡返回地面；連接網絡產生一定的沖擊潛力，在嚴重情況下，現場某些部分會發生反擊甚至局部放電，危及電氣設備的絕緣；當雷電流通過地線流向避雷器時，在周圍產生強烈的瞬態電磁場，引出通信、測量、保護、控制電纜、電線甚至設備脆弱導致內部部件過壓，影響設備的正確功能。

5.1 雷擊時暫態感應電壓分析

雷擊場站有兩種情況，一是雷擊站框架或單獨的防雷裝置，二是站內建筑物的防雷系統，雷電放電會對環境（包括控制室）造成導電或輻射電磁干擾。對于相同頻率范圍內的腦電圖，這些干擾大多是電感耦合的。大多數電纜和電線從外部設備進入控制室，由雷電放電電磁場形成的宇宙線對線纜幾乎沒有影響，主要原因是導線垂直于避雷針走線，因此很容易在導線穿透建筑物的地方形成感應電路，其中一端連接到輸入高電阻電子設備，這相當于電磁電路和脈沖穿透建筑物的鋼筋混凝土墻；該電路產生高振幅過電壓。

當閃電擊中控制室附近變電站的避雷針時，情況相當復雜。因為必須考慮整個建筑的所有導電元件的影響。這些包括用于水泥墻和地板的防雷系統、鋼筋和金屬梁。除避雷針外，建筑物的防雷系統還包括接地觸發器，包括由水平連接總線和觸發器下方的接地裝置組成的電流釋放系統。在雷電期間，雷電電流通過非常靠近內部電路的接地線傳輸到地網，在每個電路周圍的空間中產生強烈的轉換電磁場。由于接地線靠近墻壁，墻壁上的鋼筋，甚至墻壁上專門布置的屏蔽網幾乎沒有保護作用。預期的保護效果只能在非磁性飽和材料中獲得，因為強輻射源非常靠近屏蔽層，如果屏蔽層不是由高飽和磁性材料制成，保護將非常差。磁通量可以通過附近的大開口直接連接到電路。

5.2 防護措施

確保現有節能設備功能的措施：通過使用多條接地斷開線，可以顯著降低通過接地的雷電電流，改善保護放電系統的結構，如使用特殊的保護材料，甚至具有適當磁性的雙屏蔽，以減少弱器件上的導線感應，并使現有的保護網絡更好地工作。除了設置在電源輸入端的電抗器等過電壓限制裝置之外，信號線饋電點應使用配置合理的光耦或限壓裝置。所有通向控制室的電纜均有屏蔽電纜共用接地網，在控制室和通信室等電位聯結，所有電氣設備的外殼均與等電位匯流排連接。

6 微機保護防干擾屏蔽措施

變電站小型機器保護器可防止電磁干擾，測量信號由于電磁感應而受到串聯模式的干擾，靜電感應和地電位差的作用會導致信號線與地輸入之間產生超模干擾，抗干擾措施通常包括屏蔽和接地。所有屏蔽電纜均單獨保護，接地導體通過多芯銅連接段導體和接地總線連接，母線通過屏蔽絕緣接地，通過單芯屏蔽電纜連接到外部接地。

7 變電站對雷擊次生災害的預防技術

一方面，變電站和主要設備為了避免雷電引起的二次損壞，有必要設置過電壓限制器。在變電站系統中，在開關運行期間，由于雷電放電后產生靜電和瞬態波。這種過電壓可能會對變電站設備造成一些損壞，有必要定義過電壓保護。為此，必須迅速將過電壓電流引入地面，提高電氣設備的保護能力，防止電氣和電子設備被雷電損壞。

另一方面，變電站和主要設備的安全避雷針或避雷針可由攔截和移交措施取代。避雷器主要由避雷器和獨立避雷器組成。避雷器主要用于小型變電站。大多數大型變電站在設計中使用避雷器，一些變電站將避雷設施結合起來。對接地設備和受保護線路的避雷針和避雷針有相對嚴格的要求。安全避雷針應減少進入變電站的雷波，使電氣設備的絕緣電阻達到允許值。

除了在西方國家使用MOA 之外，所有電氣設備也有間隙。MOA 可在發生故障時用作備用保護。最后將變電站接地，切斷設備，保護設備。接地為等電接線板，可采用接地分離和主接地裝置；避雷器裝置接地也是避雷器的釋放；可采用扁鋼或圓鋼，兩端可根據規定的層長焊接，實現電氣連接；一般多芯銅纜為主要接地，用于干擾和靜電保護；多芯柔性銅導體是二次接地，變電站避雷器的最大接地電阻不應超過1Ω，變電站接地技術是變電站防雷系統的組成部分，其合理性與變電站的安全運行密切相關，變電站接地技術已成為多學科和綜合技術，必須在實踐中不斷學習和改進。

8 結語

根據防雷設計的完整性、結構、層次和目標，以及變電站的環境、地理位置、地形、設備運行和一般用途，采取保護措施以確保適當的雷電防護措施，以確保不同等級設備系統在變電站、電磁波塔等設計過程中具有統一的防雷效果。防雷建筑盡量遠離控制室和通信室，如果周圍沒有更好的保護，這一點更為重要。建筑物防雷系統的設計；特別是，泄流系統的設計對感應電壓的水平有顯著影響，并采取額外的措施來保護敏感設備免受能量脆弱性的影響，有必要采用滿足實際條件的最佳方案。