变电站的侵入雷电波保护设计

    郭步阳 余宬志 谢骏明

    

    

    

    摘?要：变电站的主要作用是对电能进行升压或降压操作，使其满足人类社会生产和日常生活的需求。当变电站因雷击或过电压而发生故障时，会造成电力系统的大范围瘫痪，进而带来严重的经济损失。因此，变电站的防雷保护尤为重要。为防止侵入雷电波对变电站内的设备带来严重危害，介绍了变电站防雷保护措施，设计了避雷器的选择与校验方案。研究结果表明，本方案在变电站防雷保护方面具有很高的参考价值。

    关键词：变电站;雷电防护;避雷器

    防雷保护主要是防止直击雷和过电压对变电站的破坏。通常情况下，过电压被系统中的限流限压装置排除，我们主要采取一些措施来避免外部的过电压。而外部的过电压主要是雷电过电压，因此，我们需要采用一些有效的防雷措施，以避免这种系统故障的产生，降低这些故障所造成的危害。在电力系统中，防雷一般分为两部分，一是供电线路的防雷，二是变电站的防雷[1]。在我们的日常生活中，避雷针和避雷器是应用最广泛的两种防雷装置，当雷落在变电站时，我们主要采取避雷针来解决，当雷落在输电线上时，我们主要采取避雷器来解决。

    1 防雷保护原理

    1.1 供电线路的防雷

    为了保护供电线路不受雷击，或是受到雷击后不会断电，我们需要对供电线路进行防雷保护。主要是针对35kV及以下的用户供电系统，因此，一般采取以下措施来进行防雷保护：（1）选择较高等级的绝缘子，并且增加架空线路上的绝缘子的数量，从而提高反击电压的水平。（2）改进杆塔的结构，在条件允许的情况下采用绝缘能力更强的材料。（3）在架空线路上增设避雷针等防雷装置。（4）经济条件允许的情况下，可以采用电缆进行供电。

    1.2 变电站的防雷

    由于变电站的特殊作用，尤其是本设计中这类的枢纽变电站的特殊地位，导致变电站自身的防雷显得尤其的重要，根据国内外的运行经验表明，按照规定进行避雷装置的安装，用来对直击雷和线路入侵波进行防护，是极为有效的举措[2]。（1）对直击雷的防护。一般情况下，对直击雷进行防护时，我们选择独立避雷器或者避雷线，但是，在使用避雷针进行避雷时，容易产生一种名为反击的不良反应，那么，反击是如何产生的呢？独立避雷针受到雷击的时候，其附近一定范围会产生较高的电位，当避雷针距离附近的建筑物较近时，就会发生放电现象，这种放电现象称为反击现象。反击会造成一系列的严重后果，轻则电气设备遭到损毁，重则造成人身伤亡等，为了避免反击的发生，必须保证避雷针与附近的导体间有足够的距离。（2）对线路入侵波的防护。直击雷对输电线路造成伤害的时候，导线上会产生一种雷电冲击波，又称线路入侵波，从而传到变电站内，对变电站造成伤害，所以，要对线路入侵波进行防护，通常采用装设避雷器来避免这种危害。与避雷针相反的是，避雷器应装设在距离被保护装置的附近，因为避雷器有一定的保护距离，超出了保护距离就无法有效地对被保护装置产生保护。

    2 变电站的侵入雷电波保护设计

    对于雷电入侵波的防护，应采用不同的避雷器来对不同电压等级的线路进行全面的保护，避雷器大致分为三种：管式避雷器、阀式避雷器以及氧化锌避雷器。阀式避雷器成本相对较低，保护性能出色等众多优点，所以本次设计中的防雷保护装置采用阀式避雷器。

    2.1 避雷器的选型原则

    （1）样式选择：在考虑使用何种避雷器时，应该根据保护对象的绝缘水平和特点来进行选择，具体可参考表1。

    （2）确定额定电压Un：在选择额定电压时，要与系统额定电压匹配。

    （3）校验参数内容有：①确定额定电压UBC：现场系统的电压决定避雷器额定电压的等级，两者要相一致。②选择灭弧电压Umf：对中性点不接地系统（特指35kV以下），灭弧电压通常取为工作线电压的100%～110%;对110kV及以上的中性点直接接地系统，灭弧电压取为系统最大工作线电压的80%。③残压Ube：按Ubc=2×2.35×Umi计算来确定。④冲击放电电压Uchfs：我国国内生产的避雷器，其冲击放电电压大小范围与5KA的残压基本一致。

    不同的保护对象避雷器配置则不相同，避雷器的主要安装对象主要有：配电装置的相应母线上，带有中性点接地的变压器。其中在35kV等级以上的线路侧不安装避雷器，变压器安装避雷器应其与断路器之间的位置上。

    2.2 避雷器的选择案例

    2.2.1 10kV母线避雷器选型

    （1）选择样式：根据选型原则，选用电站用普通阀型FZ系列。

    （3）灭弧电压校验：

    （4）工频放电电压校验：

    上、下限值均满足要求。

    因此，避雷器選择FZ-10型能够满足要求。

    2.2.2 35kV母线避雷器选型

    （1）选择样式：根据选型原则，选用电站用普通阀型FZ系列。

    根据上述数据，选择避雷器型号为FZ-35，具体参数见表3：

    （3）灭弧电压校验：

    （4）工频放电电压校验：

    上限值、下限值均满足选型要求。

    因此，避雷器选择FZ-35型能够满足要求。

    2.2.3 220kV母线避雷器选型

    （1）选择样式：根据选型原则，选用电站用普通阀型FCZ系列。

    （2）确定额定电压：

    根据上述数据，选择避雷器型号为FCZ-220，具体参数见表4：

    （3）灭弧电压校验：

    （4）工频放电电压校验：

    上、下限值均满足要求。

    综上所述，选用的FCZ-220型避雷器满足条件。

    3 结语

    本文介绍了变电站和输电线路防雷保护的主要措施，对变电站侵入雷电波防护进行了设计，并对避雷器的选型进行了介绍，通过三种不同电压等级介绍了避雷器的选型与校验，包括样式选择、参数计算（额定电压、灭弧电压、工频放电电压、残压、冲击放电电压等）。试验研究表明，选取的FC系列磁吹阀式避雷器符合条件，本方案在变电站的侵入雷电波防护方向具有很高的参考价值。

    参考文献：

    [1]乔丽丽.110kV变电站的电气设计与防雷保护[J].黑龙江科学，2020，11（16）：92-93.

    [2]徐泽运.输电线路及变电站防雷保护措施浅析[J].石化技术，2020，27（07）：161+160.

    [3]王玉彬，姜涛，王磊，郭丽娟.变电站防雷方法研究[J].国网技术学院学报，2019，22（06）：17-20.