摘 要
變電站是電力系統(tǒng)重要組成部分，是電網(wǎng)傳輸電能的核心。一旦變電站遭受雷擊，可能直接會(huì)造成電網(wǎng)的瓦解，城市大面積停電，給社會(huì)的安全和諧穩(wěn)定帶來極大的負(fù)面影響。因此，要求變電站必須配置安全可靠的防雷保護(hù)。
本文針對(duì)110kv變電站防雷系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行研究，提出并解決一些相關(guān)問題，主要內(nèi)容包括變電站直擊雷防護(hù)、感應(yīng)雷防護(hù)、變配電設(shè)備的防護(hù)、110kv變電站變電站電源系統(tǒng)防雷保護(hù)及避雷器的選用、變電所弱電系統(tǒng)防雷保護(hù)、SPD的安裝方法、綜合自動(dòng)化變電站二次系統(tǒng)防雷措施、電解離子接地系統(tǒng)在變電站接地網(wǎng)改造中的設(shè)計(jì)計(jì)算、二次系統(tǒng)的防護(hù)、建筑物的防護(hù)、接地技術(shù)等，如何應(yīng)用在工程中以及在應(yīng)用中需要注意哪些事項(xiàng)。
關(guān)鍵詞：變電站,雷電波,防雷保護(hù)
Abstract
The substation is an important part of power system is the core of power transmission grid. Once the substation being struck by lightning, may directly cause the collapse of the grid, the city blackout, the security of social harmony and stability to the tremendous negative impact. Therefore, the requirements must be configured to secure substation lightning protection.
This 110kv substation lightning protection system design for conducting research and resolve a number of related issues, including the substation Zhiji main content protection, lightning protection, power distribution equipment protection, 110kv substation substation breaker selection of lightning protection and surge arresters substation to increase after the lightning protection measures microwave towers, power plants, substations and weak systems of lightning protection, substation building steel doors and windows, curtain wall of the mine technology, the main transformer neutral grounding protection device technology, integrated automation substation II lightning protection subsystem, electrolytic ion ground system transformation in the substation grounding grid design and calculation of the secondary system of protection, building protection, grounding technology, how to apply in engineering and in the application need to pay attention to what matters.
Keywords：substation ,lightning wave,lightning protection
II
目錄
目錄
摘要 I
Abstract II
目錄 1
第1章 緒論 1
1.1課題研究的重要意義 1
1.2國內(nèi)外防雷保護(hù)發(fā)展及研究現(xiàn)狀 2
1.2.1防雷保護(hù)發(fā)展 2
1.2.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 3
1.3本文完成的工作 5
第2章 雷電的基本理論 6
2.1對(duì)雷電的認(rèn)識(shí) 6
2.2雷電危害的實(shí)例 6
2.3變電站的防雷方案 8
第3章 直擊雷防護(hù) 11
3.1直擊雷保護(hù)措施的選用 11
3.2避雷針的選擇 11
3.3避雷針的安裝 13
第4章 雷電侵入波保護(hù) 14
4.1雷電波的侵入原因 14
4.2雷電侵入波的保護(hù)措施 14
4.3MOA與設(shè)備間的最大保護(hù)距離 15
4.4選用的其它注意問題 16
第5章 感應(yīng)過電壓的入侵和防護(hù) 17
5.1感應(yīng)過電壓產(chǎn)生的不同形式 17
5.1.1地電位反擊產(chǎn)生的感應(yīng)過電壓 17
5.1.2線路遭受雷擊產(chǎn)生的感應(yīng)過電壓 17
5.1.3雷云靜電感應(yīng)形成的感應(yīng)過電壓 18
5.2感應(yīng)過電壓的防護(hù)措施 19
5.2.1電源線路感應(yīng)過電壓的防護(hù) 19
5.2.2信號(hào)線路感應(yīng)過電壓的防護(hù) 19
5.2.3選擇避雷器應(yīng)注意的問題 19
第6章 變電站接地系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及施工 20
6.1變電站接地的各種形式和接地方法 20
6.1.1防雷接地 20
6.1.2工作接地 20
6.1.3保護(hù)接地 20
6.1.4屏蔽接地 21
6.1.5邏輯信號(hào)接地 21
6.2主接地網(wǎng)的具體設(shè)計(jì)施工 22
6.2.1地電阻計(jì)算 22
6.2.2電阻分析 23
6.2.3接地降阻方案 23
6.3接地材料的選擇 24
第7章 變電站電源系統(tǒng)防雷保護(hù)措施 25
7. 1電源系統(tǒng)防雷中存在的不足 25
7.2電源系統(tǒng)防雷保護(hù)措施 26
7.2.1變壓器低壓側(cè)裝設(shè)避雷器 26
7.2.2電源入口端加裝浪涌保護(hù)器 27
7.3浪涌保護(hù)器的安裝 27
7.3.1安裝方法 28
7.3.2安裝要求 29
總結(jié) 31
致 謝 32
參考文獻(xiàn) 33
6
緒論
第1章 緒論
1.1課題研究的重要意義
雷電災(zāi)害是十種最嚴(yán)重的災(zāi)害之一。全球每天約發(fā)生800萬次雷電，每年因雷擊造成的人員傷亡、財(cái)產(chǎn)損失不計(jì)其數(shù)。據(jù)美國國家雷電安全研究所關(guān)于雷電造成的經(jīng)濟(jì)損失影響的一份調(diào)查報(bào)告表明，美國每年因雷擊造成的損失約50～60億美元，每年因雷擊造成的火災(zāi)3萬多起，50﹪野外火災(zāi)與雷電有關(guān)；30%的電力事故與雷電有關(guān)；4∕5石油產(chǎn)品儲(chǔ)存和儲(chǔ)藏罐事故是由雷擊引起的；由于雷電和操作過電壓造成電力裝置的損失約占80% 。據(jù)德國一家重要的電子保險(xiǎn)公司1996年到1997年對(duì)8722件案例損壞原因的分析，雷電浪涌造成的理賠1996年占26.6%，1997年占31.68%。
我國是雷電活動(dòng)十分頻繁的國家，全國有21個(gè)省會(huì)城市雷暴日都在50天以上，最多可達(dá)134天。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，我國每年因雷擊造成人員傷亡達(dá)3000～4000人，損失財(cái)產(chǎn)50～100億元人民幣。近年來，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和現(xiàn)代化水平的提高，特別是信息技術(shù)的快速發(fā)展，雷電災(zāi)害程度和造成的經(jīng)濟(jì)損失及社會(huì)影響也越來越大。如1990年7月30日鄭州、三門峽微波干線大溝口微波站因雷擊而損壞38塊盤，損失十分嚴(yán)重。據(jù)廣東省統(tǒng)計(jì)，在1996～1999年的四年間，全省發(fā)生雷擊事故6143起，傷亡699人，直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)15億元。在1998和1999年的兩年中，全國造成直接經(jīng)濟(jì)損失在百萬元以上的雷電災(zāi)害就有38起。
雷電也是一直危害電力系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行的重要因素之一。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，避雷器制造水平的提高以及金屬氧化物避雷器的推廣使用，使變電站一次高壓部分的雷電過電壓的保護(hù)得到了保證。但另一方面，隨著電力系統(tǒng)自動(dòng)化程度的提高，以微電子為主要元件的控制、保護(hù)、信號(hào)、通信、監(jiān)控等設(shè)備得到普遍應(yīng)用，在一些大型發(fā)變電站中，即使在采樣和計(jì)量系統(tǒng)中也普遍采用。由于常規(guī)電磁保護(hù)的裝置單元多為單元件的電阻、電感和電容等，耐熱容量大，對(duì)尖峰脈沖的耐受能力也比較強(qiáng)，所以能承受高能的雷電暫態(tài)沖擊，而對(duì)于運(yùn)行電壓只有幾伏，信號(hào)電流只有微安級(jí)的這些電子設(shè)備來說，就不一定經(jīng)受的住。電氣和電子技術(shù)是現(xiàn)代物質(zhì)文明的基礎(chǔ)，雖然其迅猛發(fā)展促進(jìn)了生產(chǎn)力的發(fā)展，加速了社會(huì)繁榮與進(jìn)步的進(jìn)程，但同時(shí)也帶來了麻煩問題:一方面，電氣和電子設(shè)備的廣泛應(yīng)用造成了嚴(yán)重的環(huán)境電磁噪聲干擾；另一方面，電子技術(shù)正向高頻率、高速度、微型化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化方向發(fā)展，電磁干擾、特別是雷電干擾對(duì)這些設(shè)
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緒論
備和系統(tǒng)的影響越來越突出，對(duì)這些設(shè)備造成的損壞事故的發(fā)生率逐年增高。電子信息系統(tǒng)受損后，除直接損失外，間接損失往往很難估量，這是90年代以來雷電災(zāi)害最顯著的特征。
1.2國內(nèi)外防雷保護(hù)發(fā)展及研究現(xiàn)狀
1.2.1防雷保護(hù)發(fā)展
19世紀(jì)70～80年代是電力網(wǎng)發(fā)展的初期階段，幾乎無任何過電壓保護(hù)裝置。80年代末期，在電力網(wǎng)中才采用了電話的保護(hù)裝置--導(dǎo)雷器，實(shí)際就是保護(hù)間隙串聯(lián)一個(gè)熔斷器，或只裝間隙。后來在20世紀(jì)30年代初，發(fā)展成去游離避雷器，即由纖維管制成的管型避雷器，可以說，現(xiàn)代避雷器、MOA﹑ SPD的“老祖母”是在電報(bào)、電話上首先應(yīng)用的。由于電力系統(tǒng)迅速發(fā)展，它才在高電壓電力系統(tǒng)上不斷發(fā)展和完善?，F(xiàn)在20多萬元一組(5m多高)500kV的MOA，正在制造即將安裝運(yùn)行的30萬元一組的750kV(高8m左右)MOA，以及保護(hù)電子回路的各型SPD都是它的后代。
19世紀(jì)90年代初期，E. Tomson制出了磁吹間隙，用來保護(hù)直流電力設(shè)備，可以說，這是現(xiàn)代磁吹避雷器的前身。20世紀(jì)初，開始注意限制工頻續(xù)流問題。1901年德國制成用串聯(lián)線性電阻限流的角形間隙，這是現(xiàn)代閥型避雷器的前身。上述保護(hù)裝置，實(shí)際上主要是用來防止感應(yīng)雷造成的事故。如果是直擊雷，或是擊于線路上的近區(qū)雷擊，電氣設(shè)備多數(shù)還會(huì)被擊毀。值得注意的是，近年德國一公司自稱造出吸收能量最大的MOA過電壓保護(hù)器（多數(shù)是40kA﹑60kA ），而且可通過10/350μs長波通流試驗(yàn)，其特點(diǎn)就是MOA串聯(lián)一個(gè)磁吹角型間隙，其基本原理是早已有之的。因?yàn)樗c避雷器的IEC所用8/20μs波形不符，目前國際上除德國外，很少應(yīng)用。美國近年來只采用幾百安和最大1.5kA，10/350μs波形，那是防感應(yīng)雷的標(biāo)準(zhǔn)，美國軍隊(duì)電子計(jì)算機(jī)等信號(hào)回路的電纜進(jìn)線，其保護(hù)器試驗(yàn)波形曾采用10/1000μs波形。
1908年瑞士Moscick提出利用高壓電容器作防雷元件的方案，通常是與電抗線圈配合使用，構(gòu)成防雷吸波器。30年代初，前蘇聯(lián)莫斯科電力系統(tǒng)曾用電感線圈保護(hù)幾個(gè)33kV變電所，但因閥型避雷器裝于電感線圈外側(cè)，電感與變壓器入口電容諧振，使變壓器損壞，可惜未很好總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，后來多數(shù)電感元件沒有繼續(xù)使用。只是到了60年代，波蘭才在35～110kV變電所，利用裝于進(jìn)線入口的電感元件取得良好的防雷效果(閥型避雷器裝于變壓器與電感元件之間，防止了L-C諧振)。直到現(xiàn)在，電容電感元件還是我國和國外保護(hù)旋轉(zhuǎn)電機(jī)的有效保護(hù)裝置。
1907年在美國出現(xiàn)了鋁電解避雷器，它曾用于100kV高壓電網(wǎng)。1922年美國西屋公司（WH）制出了自動(dòng)閥型避雷器。1929年美國通用電力公司（GE）制出契得特閥型避雷器，使系統(tǒng)雷擊損壞率下降，包括它的危害程度，但因工程規(guī)模小而未引人注目。例如，Singer.Holmyard，Hall& Williams主編著名的科技史宏篇巨著“A History of Technology ”， “Oxford At the Clearendon Press”，以及國內(nèi)電工史專著，對(duì)于電工發(fā)展前期的防雷也是或不涉及，或語焉不詳。從避雷針到出現(xiàn)簡(jiǎn)單間隙、電容、線圈，經(jīng)過了漫長的158年，到制出原始型避雷器，又經(jīng)過了10年。這絕非因?yàn)槿祟愔腔圬毨?，而是電力工業(yè)的發(fā)展，才有了防雷的需要。直到出現(xiàn)幾千萬和上億千瓦的聯(lián)合電力系統(tǒng)(如華北500kV網(wǎng)架連接的系統(tǒng)裝機(jī)容量已近4000萬千瓦，與華東、東北聯(lián)網(wǎng)后超過1億千瓦)，其一次雷擊足以導(dǎo)致大面積的災(zāi)難，如美國有名的雷擊35kV線路引起的紐約大停電和芝加哥大停電，才迫使人們利用幾千萬元的高壓試驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行不斷的研究，使防雷系統(tǒng)日臻完善。與此相似，正是由于早期室內(nèi)只有電燈和馬達(dá)這類電器，其防雷要求不高，建筑物獨(dú)特之處不多。近年電子設(shè)備的廣泛應(yīng)用，而且多數(shù)裝在戶內(nèi)，才使防雷逐漸引起人們的重視，其防雷理論和防雷手段才與日俱增。
1.2.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀
對(duì)變電站的防雷保護(hù)的研究最早是從電磁兼容角度出發(fā)的，上世紀(jì)60年代美國電力工程技術(shù)人員對(duì)變電站的電磁干擾問題主要從電子電路到電纜的電磁干擾禍合過程進(jìn)行研究，其成果后來形成了美國國家標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)（ANSI-American National Standards Institute）的ANSI C37.90標(biāo)準(zhǔn)的一部分。1978年美國電力科學(xué)研究啟動(dòng)了編號(hào)為RP1359的研究項(xiàng)目，建立了一套新的變電站開關(guān)柜的電磁干擾進(jìn)行了研究。全部工作歷時(shí)十余年，分為兩個(gè)階段完成。
第一階段的研究工作于1983年結(jié)束，并提出了研究報(bào)告。該報(bào)告介紹了測(cè)量系統(tǒng)的研制、變電站電磁環(huán)境的測(cè)量和數(shù)據(jù)分析方法以及初步結(jié)果，其中的測(cè)量數(shù)據(jù)包括一個(gè)345kV變電站、一個(gè)500kV變電站的實(shí)測(cè)結(jié)果和一個(gè)高壓實(shí)驗(yàn)室的模擬測(cè)量結(jié)果。基于此項(xiàng)工作，發(fā)表了一系列的論文。文獻(xiàn)介紹了瞬態(tài)測(cè)量系統(tǒng)的組成及其技術(shù)指標(biāo)，描述了在一個(gè)115kV變電站進(jìn)行的實(shí)際測(cè)量工作，給出了典型的電雷電干擾波形。文獻(xiàn)論述了通過模擬變電站的雷電瞬態(tài)干擾對(duì)二次設(shè)備進(jìn)行抗擾度測(cè)試的問題，比較了時(shí)域和頻域測(cè)試的特點(diǎn)，給出了在變電站實(shí)測(cè)的典型雷電干擾波形，總結(jié)了高壓實(shí)驗(yàn)室模擬測(cè)試的優(yōu)缺點(diǎn)。文獻(xiàn)提出了一種分析變電站雷電瞬態(tài)電磁干擾問題的時(shí)域模型，利用斜坡函數(shù)對(duì)時(shí)域雷電干擾波形進(jìn)行分解，并計(jì)算空間的時(shí)域電場(chǎng)和磁場(chǎng)，將預(yù)測(cè)分析的結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)做了對(duì)比。
第二階段的研究工作從1986年至1993年。測(cè)量工作涉及7個(gè)空氣絕緣變電站和2個(gè)氣體絕緣變電站，共組織了13次集中現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，測(cè)得近800多次事件的3000多個(gè)雷電電磁干擾波形，數(shù)據(jù)量約500MB。基于此項(xiàng)工作，提出了完整的研究報(bào)告，發(fā)表了一系列的論文。文獻(xiàn)介紹了變電站的瞬態(tài)電磁場(chǎng)的測(cè)量工作，總結(jié)了微脈沖的特點(diǎn)，給出了部分測(cè)量結(jié)果，并對(duì)不同頻率和不同場(chǎng)強(qiáng)產(chǎn)生的原因進(jìn)行了定性分析。文獻(xiàn)給出了變電站雷電產(chǎn)生的瞬態(tài)電磁干擾對(duì)幾種變電站電纜和內(nèi)部電纜線影響的測(cè)量結(jié)果，介紹了通過CT的場(chǎng)禍合和直接禍合的模型。將預(yù)測(cè)分析的結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比。文獻(xiàn)總結(jié)了變電站瞬態(tài)電磁干擾的建模方法和測(cè)量技術(shù)，并將預(yù)測(cè)分析的結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比。分析比較了開關(guān)操作、雷擊和故障二種瞬態(tài)電磁干擾波形的特點(diǎn)，少與現(xiàn)有抗擾度試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)中的限值進(jìn)行了對(duì)比。但是上述工作并未對(duì)二次設(shè)備所處的電磁環(huán)境進(jìn)行研究。
在分析雷擊效應(yīng)和對(duì)GIS變電站的瞬態(tài)電磁干擾研究方面，瑞士科學(xué)家的工作較為突出，瑞士洛桑聯(lián)邦土業(yè)大學(xué)的M.Ianoz教授在文獻(xiàn)中介紹了分析雷擊效應(yīng)的建模方法，以及分析GIS變電站和AIS變電站電磁干擾問題時(shí)建模的考慮因素。J.Meppelink在文獻(xiàn)中對(duì)GIS變電站內(nèi)、外過電壓現(xiàn)象作了概述，提出了利用球形電場(chǎng)傳感器測(cè)量實(shí)際GIS外殼過電壓的方法，給出了部分實(shí)測(cè)結(jié)果。ABB公司的P.Knapp在文獻(xiàn)劉中介紹了對(duì)工業(yè)設(shè)備電磁兼容性的技術(shù)要求，提出把電磁干擾問題按界面劃分處理的方法。
其他國家的研究工作也各具特色。德國的W.A.Heib在文獻(xiàn)中介紹了針對(duì)一座GIS變電站開關(guān)操作產(chǎn)生的雷電干擾所采取的屏蔽設(shè)計(jì)工程，并給出了屏蔽效能的部分實(shí)測(cè)結(jié)果。南非的P. H. Pertorus在文獻(xiàn)中給出了在132kV，275kV和400kV二個(gè)電壓等級(jí)的變電站測(cè)量的雷電瞬態(tài)電磁干擾的初步結(jié)果。英國的C. S.Barrack在文獻(xiàn)中對(duì)現(xiàn)有變電站瞬態(tài)電磁干擾測(cè)量方法進(jìn)行了綜述，特別是對(duì)不同測(cè)量系統(tǒng)的特性進(jìn)行了分析比較。日本和意大利等國科學(xué)家也在該領(lǐng)域開展了研究工作。
我國的廣播、郵電、交通、船舶、航大和軍工等行業(yè)在電磁兼容研究方面起步較早，結(jié)合各自的行業(yè)特點(diǎn)開展了許多很有成效的研究工作。20世紀(jì)80年代，隨著基于微電子技術(shù)的繼電保護(hù)裝置的應(yīng)用與推廣，變電站的電磁兼容問題在電力部門開始得到關(guān)注。由于歐共體從1996年1月1口起執(zhí)行“89/336/EEC!電磁兼容性指令”，使得我國各行業(yè)加大了對(duì)電磁兼容問題的研究力度。改革開放以來我國電力工業(yè)迅猛發(fā)展的趨勢(shì)也迫切要求盡快解決電力系統(tǒng)的電磁兼容問題。在此背景下，國家電力公司所屬的中國電力科學(xué)研究院、南京自動(dòng)化研究院、武漢高壓研究所和華北電力大學(xué)等單位，以及四方公司、清華大學(xué)和武漢大學(xué)等單位相繼開展了有關(guān)的研究工作。其中，中國電力科學(xué)研究院對(duì)高壓線路的電磁環(huán)境進(jìn)行了深入研究巨，還組織出版了《發(fā)電廠和變電站電磁兼容導(dǎo)則》。清華大學(xué)則針對(duì)電力線路干擾臨近通信線路或金屬管線的問題在數(shù)學(xué)建模和計(jì)算方法方面開展了深入研究。南京自動(dòng)化研究院和四方公司的研究工作則主要側(cè)重在二次弱電設(shè)備的抗干擾問題研究方面。
由于我國在建的變電站在電壓等級(jí)和主接線結(jié)構(gòu)等方面的技術(shù)特點(diǎn)與國外不同，因此，國外的測(cè)量與分析結(jié)果僅能作為參考。要想搞清我國變電站雷電瞬態(tài)電磁環(huán)境的實(shí)際情況，必須進(jìn)行獨(dú)立的測(cè)量和分析工作。
1.3本文完成的工作
針對(duì)以上問題，本文的主要任務(wù)有以下幾個(gè)方面：
1、對(duì)雷電對(duì)變電站的設(shè)備的影響進(jìn)行分析,通過雷電侵入設(shè)備的途徑，說明雷電對(duì)設(shè)備的危害。
2、根據(jù)變電站對(duì)直擊雷的防護(hù)要求，設(shè)計(jì)防護(hù)措施。
3、對(duì)接地的不同形式設(shè)計(jì)出符合要求的接地措施。并對(duì)接地網(wǎng)進(jìn)行設(shè)計(jì)安裝。
4、根據(jù)電源系統(tǒng)對(duì)防雷性能的要求，設(shè)計(jì)電源系統(tǒng)的防雷方案。
雷電的基本理論
第2章 雷電的基本理論
2.1對(duì)雷電的認(rèn)識(shí)
雷電的破壞主要是直擊雷和感應(yīng)雷。直擊雷是雷云直接對(duì)物體放電，它對(duì)孤立突出的物體如高層的建筑物以及建筑物頂部的傳呼臺(tái)天線、衛(wèi)星天線等危害較大。感應(yīng)雷是由于雷云對(duì)大地的放電或雷云之間的迅速放電形成靜電感應(yīng)和電磁感應(yīng)，研究表明:靜電感應(yīng)方式引起的浪涌數(shù)倍于電磁感應(yīng)引起的浪涌。感應(yīng)雷主要通過電源線和信號(hào)線侵入二次設(shè)備并對(duì)其造成損壞。它們?cè)诙喾N導(dǎo)線中感生幾kV到幾十kV的高電位，并以波的式沿導(dǎo)線傳播，由導(dǎo)線引入室內(nèi)，從而危害二次設(shè)備。
其主要的雷電形式及雷害情況有以下幾種:
1、直擊雷是指雷電直接擊在建筑物構(gòu)架、動(dòng)植物上，因電效應(yīng)、熱效應(yīng)和機(jī)械效應(yīng)等造成建筑物等損壞以及人員的傷亡。
2、感應(yīng)雷是雷電在雷云之間或雷云對(duì)地放電時(shí)，在附近的戶外傳輸信號(hào)線路、埋地電力線、設(shè)備間連接線產(chǎn)生電磁感應(yīng)并侵入設(shè)備，使串聯(lián)在線路中間或終端的二次設(shè)備遭到損害。感應(yīng)雷雖然沒有直擊雷猛烈，但其發(fā)生的機(jī)率比直擊雷高得多。
3、雷電浪涌是近年來由于二次設(shè)備的不斷使用引起人們極大重視的一種雷電危害形式，同時(shí)其防護(hù)方式也在不斷完善。最常見的二次設(shè)備危害不是由于直接雷擊引起的，而是由于雷擊發(fā)生時(shí)在電源和通訊線路中感應(yīng)的雷電浪涌引起的。
2.2雷電危害的實(shí)例
1981年8月27日，江蘇省常州市某微波站遭到雷擊，電力載波204﹑102電路終端機(jī)報(bào)警整流器的3只整流二極管被擊穿；鉛皮電纜外皮與地網(wǎng)接觸處燒出凹坑；微波設(shè)備回路機(jī)的4線收發(fā)信號(hào)衰耗器燒壞，致使南京方向的7﹑8﹑11路電話中斷，上海方向的第7路不通。
1983年9月西南某工程遭受一次雷擊，使配套的一批電子設(shè)備損壞，系統(tǒng)工作無法進(jìn)行，損壞的電子設(shè)備和元件有：
數(shù)字傳輸機(jī)一一損壞集成電路芯片20多塊；
通信系統(tǒng)一一8臺(tái)機(jī)中有6臺(tái)受到不同程度的損壞；
時(shí)控單元一一脈沖處理回路和脈沖變換電路4塊芯片損壞；
遙測(cè)系統(tǒng)一一由十連接電纜較長，損壞電路板3塊。
華中大電網(wǎng)有微波站近百個(gè)，其中進(jìn)口設(shè)備站65個(gè)。事故統(tǒng)計(jì)表明，造成設(shè)備損壞、導(dǎo)致長時(shí)間通信中斷的主要原因就是雷害。武一一衡線段的15個(gè)微波站有12個(gè)曾遭受雷擊影響正常通信，甚至損壞多臺(tái)設(shè)備。
1987年8月1日三門峽站受雷擊損壞16臺(tái)裝置柜。
1990年9月27日黑龍江省電力局調(diào)度大樓遭受雷擊，使調(diào)度自動(dòng)化的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和程控交換設(shè)備損壞停止運(yùn)行27小時(shí)。其中，程控交換機(jī)損壞電路板8塊，VAX計(jì)算機(jī)接口板損壞，遠(yuǎn)動(dòng)室調(diào)度模擬盤43塊顯示消失，PDP一11 /24型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的PMA接口板損壞，內(nèi)存損壞8塊。
1992年6月22日傍晚，北京城區(qū)下了一陣中雨。8時(shí)左右，雷電擊中國國家氣象中心大樓樓頂，樓內(nèi)的大型計(jì)算機(jī)與小型計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)癱瘓，6條同步線路和1條國際同步線路被中斷。整個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)停止工作46小時(shí)，氣象業(yè)務(wù)受到嚴(yán)重影響，損失數(shù)十萬元，次日中央電視臺(tái)氣象預(yù)報(bào)空白。因?yàn)榇髽茄b有避雷針，使閃電由避雷針引入大地，所以大樓、人員及普通設(shè)備安然無恙，但是雷電流在四周產(chǎn)生的巨大脈沖電磁場(chǎng)，卻損壞了具有極為敏感的微電子器件及計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。
1993年5月17日和6月3日，雷擊廣西人民銀行證券中心，擊壞計(jì)算機(jī)16臺(tái)，損失11萬元。廣西南寧市兩個(gè)專業(yè)銀行的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)及電信局程控機(jī)也同時(shí)損壞。
1995年9月3日19時(shí)55分到4日21時(shí)26分，河南省三門峽市出現(xiàn)強(qiáng)雷雨天氣，致使中國工行三門峽市湖濱支行遭受嚴(yán)重雷擊，當(dāng)即擊毀計(jì)算機(jī)16部、內(nèi)部電話總機(jī)1臺(tái)，直接經(jīng)濟(jì)損失15萬元。
1996年8月31日，華夏證券公司廣州分公司遭雷擊，損壞彩色及單色LBE大屏幕設(shè)備、交換式集成器、四塊電話語音卡、微機(jī)設(shè)備等，經(jīng)濟(jì)損失約28多萬元。1996年6月22日晚9時(shí)前后，天空鳥云密布，雷聲隆隆，忽遠(yuǎn)忽近。一聲巨響之后，北京東直門附近一座居民樓2至6層的20戶居民中，15臺(tái)電視機(jī)被強(qiáng)大的雷電擊毀;一層辦公室中的視招機(jī)、一臺(tái)觸摸式臺(tái)燈和小型程控電話交換機(jī)也被雷擊損壞；鄰近的一棟樓上，也有數(shù)臺(tái)電話機(jī)遭到破壞。據(jù)報(bào)道，同日西城區(qū)展覽路也有居民的電視機(jī)和單位的電話機(jī)遭到雷擊。
1999年8月9日，吉林省蛟河發(fā)生雷害，天崗地區(qū)某單位的通訊設(shè)備被雷擊毀，當(dāng)?shù)?000余臺(tái)電視機(jī)和300余部電話出現(xiàn)故障。雷害發(fā)生后的36小時(shí)內(nèi)，遠(yuǎn)離百里的蛟河市區(qū)，市話、手機(jī)全停，銀行專線無法正常運(yùn)行，損失嚴(yán)重。相當(dāng)多的公安機(jī)關(guān)的專線和軍事機(jī)關(guān)的雷達(dá)也受到雷擊。
2001年2月21日凌晨，由于大霧閃絡(luò)造成外部電網(wǎng)對(duì)邯鄲鋼鐵股份有限公司電力供應(yīng)中斷，使煉鐵、煉鋼、軋鋼二大系統(tǒng)全面停產(chǎn)，這是公司歷史上從未有過的特大事故。由于停電影響，煉鐵廠全部高爐斷水、斷電、斷氣，不同程度發(fā)生灌渣、燒壞冷卻設(shè)備等事故；煉鋼系統(tǒng)導(dǎo)致鐵水、鋼水落地，部分鐵包、鋼包損壞；軋鋼系統(tǒng)造成部分設(shè)備損壞。本次停電事故，給公司生產(chǎn)帶來嚴(yán)重影響，初步估計(jì)直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)數(shù)千萬元。
2.3變電站的防雷方案
雷云對(duì)地放電的主通道通過被保護(hù)物，就稱被保護(hù)物被直擊雷擊中。直擊雷發(fā)生的概率雖然很小，但其危害十分大，所以不能掉以輕心。有不少專家學(xué)者在努力研究有效防止直擊雷的方法。但直到今天還是無法完全阻止直擊雷的發(fā)生。直擊雷的防護(hù)可以采取以下三個(gè)部分進(jìn)行泄流。
1、接閃器，避雷針及其變形產(chǎn)品避雷線、避雷帶、避雷網(wǎng)等統(tǒng)稱為接閃器。歷史上對(duì)接閃器防雷原理的認(rèn)識(shí)產(chǎn)生過誤解。當(dāng)時(shí)認(rèn)為:避雷針防雷是因?yàn)槠浼舛朔烹娭泻土死自齐姾蓮亩苊饬死讚舭l(fā)生。所以當(dāng)時(shí)要求避雷針頂部一定要是尖端，以加強(qiáng)放電能力。后來研究表明:一定高度的金屬導(dǎo)體會(huì)使大氣電場(chǎng)畸變。這樣，雷云就容易向該導(dǎo)體放電，并且能量越大的雷就越易被金屬導(dǎo)體吸引。這樣接閃器的防雷是因?yàn)閷⒗纂娨蜃陨矶乐沽吮槐Ｗo(hù)物被雷電擊中。現(xiàn)在認(rèn)為任何良好接地的導(dǎo)體都可能成為有效的接閃器，而與它的形狀沒有關(guān)系。
2、引下線，引下線的作用是將接閃器的雷電流安全的導(dǎo)引入地。引下線應(yīng)與各層均壓環(huán)焊接，采用10mm的圓鋼或相同面積的扁鋼。對(duì)于框架結(jié)構(gòu)的建筑物，引下線應(yīng)利用建筑物內(nèi)的鋼筋作為防雷引下線。采用多根引下線不但提高了防雷裝置的可靠性，而多根引下線的分流作用可大大降低每根引下線的沿線壓降，讓雷電流均勻入地，便于地網(wǎng)散流，以均衡電位，減少側(cè)擊的危險(xiǎn)。同時(shí)，均勻?qū)ΨQ布置可使引下線瀉流時(shí)產(chǎn)生的強(qiáng)電磁場(chǎng)在引下線所包圍的建筑物內(nèi)相互抵消，減小雷擊感應(yīng)的危險(xiǎn)。
3、接地體，接地體是指埋在土壤中起散流作用的導(dǎo)體，接地體應(yīng)采用鋼管(直徑大于50mm,壁厚大于3.5mm)、角鋼(不小于50mm X 50mm X 5mm)、扁鋼(不小于40mm X 4mm)，并應(yīng)將多根接地體連接成地網(wǎng)。地網(wǎng)的布置應(yīng)優(yōu)先采用環(huán)型地網(wǎng)。引下線應(yīng)連接在環(huán)型地網(wǎng)的四周，這樣有利于雷電流的散流和內(nèi)部電位的均衡。垂直接地體一般長為1.5～2.5m,埋深0.8m，地極間隔5m，水平接地體應(yīng)埋深1m，其向建筑物外引出的長度一般不大于50m 。
感應(yīng)雷是因?yàn)橹睋衾追烹姸袘?yīng)到附近的金屬導(dǎo)體中的，它可以通過兩種不同的感應(yīng)方式侵入導(dǎo)體，一是靜電感應(yīng)：在雷云中的電荷積聚時(shí)，附近的導(dǎo)體也會(huì)感應(yīng)上相反的電荷。當(dāng)雷擊放電時(shí)，雷云中的電荷迅速釋放，而導(dǎo)體中原來被雷云電場(chǎng)束縛的靜電荷也會(huì)沿導(dǎo)體流動(dòng)尋找釋放通道，這樣就在電路中形成電脈沖。二是電磁感應(yīng)：在雷云放電時(shí)，迅速變化的雷電流在其周圍產(chǎn)生強(qiáng)大的瞬變電磁場(chǎng)，在其附近的導(dǎo)體中產(chǎn)生很高的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。研究表明：靜電感應(yīng)方式引起的浪涌數(shù)倍于電磁感應(yīng)引起的浪涌。感應(yīng)雷的引入通道很多，可以通過電源線、天饋線、信號(hào)線的禍合進(jìn)入二次設(shè)備。也可以通過其人工金屬管引入，如水管、風(fēng)管、煤氣管，電纜金屬外皮等都可以是感應(yīng)和禍合途徑。所以感應(yīng)雷對(duì)二次設(shè)備的危害最大。
1、電源部分防護(hù)，雷電主要通過線路進(jìn)入二次設(shè)備。高壓部分電力局有專用的高壓避雷裝置，電力傳輸線把對(duì)地的電壓限制到小于6000V （IEEEC62.41) ，而線對(duì)線則無法控制。所以對(duì)380V低壓線路應(yīng)進(jìn)行過電壓保護(hù)。按照國家規(guī)范應(yīng)分二部分:在高壓變壓器后端到建筑物總配電房間的電纜內(nèi)芯線兩端應(yīng)對(duì)地加裝避雷器，作為一級(jí)保護(hù);在樓層配電箱間電纜內(nèi)芯線兩端應(yīng)對(duì)地加裝避雷器作為二級(jí)保護(hù);在所有重要的，精密的設(shè)備及UPS的前端應(yīng)對(duì)地加裝避雷器，作為二級(jí)保護(hù)。多級(jí)保護(hù)的目的是用分流限幅技術(shù)將雷電過電壓(脈沖)能量分流泄入大地，能有效地提高敏感設(shè)備抵御雷電電磁脈沖的能力。
2、信號(hào)部分保護(hù)，由于雷電波在線路上能感應(yīng)出較高的瞬時(shí)沖擊能量。因此要求網(wǎng)絡(luò)設(shè)備能夠承受較高能量的瞬時(shí)沖擊，而目前大部分設(shè)備由于電子元器件的高度集成化而使耐過電壓、耐過電流水平下降，必須在網(wǎng)絡(luò)通信接口處加裝必要的防雷保護(hù)裝置以確保網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)的安全運(yùn)行。對(duì)于信息系統(tǒng)的保護(hù)一般應(yīng)分為粗保護(hù)和精細(xì)保護(hù)。粗保護(hù)根據(jù)所屬保護(hù)區(qū)的級(jí)別分別確定，精細(xì)保護(hù)要根據(jù)設(shè)備的敏感度來進(jìn)行確定。如光纖的防雷主要是針對(duì)其金屬護(hù)皮和金屬芯線。同軸電纜天饋線應(yīng)加裝相應(yīng)的高頻避雷器，避雷器的地線應(yīng)就近與機(jī)房的接地匯接排相連。監(jiān)控信號(hào)的數(shù)據(jù)傳輸線可加裝相應(yīng)的數(shù)據(jù)避雷器。
3、等電位聯(lián)結(jié)及設(shè)備接地，對(duì)二次設(shè)備及系統(tǒng)的各導(dǎo)電部分建立電位基本相等的電氣連接，以減少各金屬物和系統(tǒng)之間的電位差是等電位聯(lián)結(jié)的目的。實(shí)行等電位聯(lián)結(jié)的主體應(yīng)包括：設(shè)備所在建筑物的主要金屬構(gòu)件和進(jìn)入建筑物的金屬管道、供電線路(含其外露可導(dǎo)電部分)、防雷裝置、由二次設(shè)備構(gòu)成的信息系統(tǒng)。將機(jī)房、變電房、鐵塔的接地極連接起來，組成聯(lián)合地網(wǎng)。如果是框架結(jié)構(gòu)的機(jī)房，建筑物的基礎(chǔ)鋼筋是優(yōu)良的環(huán)型接地網(wǎng)。聯(lián)合地網(wǎng)通過合理的布置接地線可以實(shí)現(xiàn)各設(shè)備間的等電位。接地有單點(diǎn)接地、多點(diǎn)接地和混合接地3種方式。從抗干擾的角度講：低頻設(shè)備宜用單點(diǎn)接地;高頻宜用多點(diǎn)接地;高、低頻混合設(shè)備宜采用混合接地。接地線要求是粗、短、直，要兼顧到泄放設(shè)備短路電流和泄放雷電流的能力。
在對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行浪涌防護(hù)時(shí)，必須在浪涌輸入通道的端口上將其有效的抑制。抑制浪涌的主要手段是采用SPD(浪涌保護(hù)器件)。為實(shí)現(xiàn)多級(jí)配合，要計(jì)算各級(jí)SPD之間的能量配合，可串入電阻或電感元件。根據(jù)二次設(shè)備的結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)，把二次設(shè)備的浪涌保護(hù)分為三個(gè)部分：
1、電源系統(tǒng)的保護(hù)。二次設(shè)備的電源雷電侵害主要是通過線路侵入。對(duì)380V低壓線路應(yīng)進(jìn)行過電壓保護(hù)，按國家規(guī)范應(yīng)采取多級(jí)保護(hù)。
2、信號(hào)電路的保護(hù)。信號(hào)電路是電子系統(tǒng)的重要組成部分，對(duì)于信息系統(tǒng)，信號(hào)線路的保護(hù)應(yīng)分為粗保護(hù)和精細(xì)保護(hù)。
3、二次設(shè)備的綜合防護(hù)。浪涌對(duì)二次設(shè)備的危害除了通過前面兩種主要途徑侵入設(shè)備外，還會(huì)通過其他途徑危及二次設(shè)備的安全運(yùn)行。因此為了保證二次設(shè)備的萬無一失，還需要對(duì)二次設(shè)備進(jìn)行綜合防護(hù)。
為了防止浪涌電壓對(duì)二次設(shè)備的干擾和破壞，國際上通常采用浪涌保護(hù)技術(shù)。所謂浪涌保護(hù)技術(shù)就是采用浪涌保護(hù)器在最短時(shí)間( ns級(jí))內(nèi)將被保護(hù)線路接入等電位系統(tǒng)中，使設(shè)備各端口等電位，同時(shí)釋放電路上因雷擊或其它原因而產(chǎn)生的大量脈沖能量，將其短路泄放到大地，降低設(shè)備各接口端的電位差，從而保護(hù)線路上用戶的設(shè)備。
現(xiàn)在市場(chǎng)上比較好的浪涌保護(hù)器基本上是從國外進(jìn)口的如德國DEHN， OBO，英國Furse，其產(chǎn)品結(jié)構(gòu)模塊化，更換簡(jiǎn)單方便;還有配套的后備保護(hù)措施，使產(chǎn)品的工作更可靠，但價(jià)格一般比較貴。我國二次設(shè)備浪涌保護(hù)器的發(fā)展相對(duì)國外還較落后。但也有不少的企業(yè)正在從事浪涌保護(hù)器的研發(fā)和生產(chǎn)。例如廣州雷迅的ASP安世杰系列浪涌保護(hù)器在二次設(shè)備防雷保護(hù)中得到廣泛應(yīng)用。
雷電波入侵保護(hù)
第3章 直擊雷防護(hù)
3.1直擊雷保護(hù)措施的選用
變電站直擊雷的防雷措施有：
1 、防止反擊：設(shè)備的接地點(diǎn)盡量遠(yuǎn)離避雷針接地引線的入地點(diǎn)，避雷針接地引下線盡量遠(yuǎn)離電氣設(shè)備。
2 、裝設(shè)集中接地裝置：上述接地應(yīng)與總線地網(wǎng)連接，并在連接下加裝集中接地裝置，其工頻接地電阻不得大于10Ω。
3 、主控室（樓）或網(wǎng)絡(luò)控制樓及屋內(nèi)配電裝置直擊雷的保護(hù)措施。①若有金屬屋頂或屋頂有金屬結(jié)構(gòu)時(shí)，將金屬部分接地。②若屋頂為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，應(yīng)將其鋼筋焊接成網(wǎng)接地。③若結(jié)構(gòu)為非導(dǎo)電的屋頂時(shí)，采用避雷帶保護(hù)，該避雷帶的網(wǎng)絡(luò)為8～10m設(shè)引下線接地。
而架構(gòu)避雷針是變電站防直擊雷的常用措施，避雷針是防護(hù)電氣設(shè)備、建筑物不受直接雷擊的雷電接收器，其作用是把雷電吸引到避雷針身上并安全地將雷電流引入大地中，從而起到保護(hù)設(shè)備效果；雷擊避雷針后，不出現(xiàn)反擊。變電站裝設(shè)避雷針時(shí)應(yīng)使所有被保護(hù)設(shè)備都處于避雷針保護(hù)范圍之內(nèi)，此外，還應(yīng)采取措施，防止雷擊避雷針時(shí)的反擊事故。對(duì)于35kV變電站，保護(hù)室外設(shè)備及架構(gòu)安全，必須裝有獨(dú)立的避雷針。獨(dú)立避雷針及其接地裝置與被保護(hù)建筑物及電纜等金屬物之間的距離不應(yīng)小于五米，主接地網(wǎng)與獨(dú)立避雷針的地下距離不能小于三米，獨(dú)立避雷針的獨(dú)立接地裝置的引下線接地電阻不可大于10Ω，并需滿足不發(fā)生反擊事故的要求；對(duì)于110kV及以上的變電站，架構(gòu)避雷針是直擊雷防護(hù)的主要措施。由于110KV及以上電壓等級(jí)配電裝置的絕緣水平較高，因此，雷擊避雷針時(shí)在其架構(gòu)上出現(xiàn)的高電位不會(huì)造成反擊事故。架構(gòu)避雷針應(yīng)與接地網(wǎng)連接，并增設(shè)鋪助接地裝置，同時(shí)避雷針與主接地網(wǎng)的地下連接點(diǎn)，沿接地體的長度應(yīng)大于十五米。因此，雷擊避雷針在變電站產(chǎn)生的高電位不會(huì)造成電氣設(shè)備的反擊事故。
3.2避雷針的選擇
避雷針一般采用鍍鋅圓鋼（針長1m以下時(shí)直徑不小于12mm，針長1～2m時(shí)直徑不小于16mm）或鍍鋅鋼管（針長1m以下時(shí)直徑不小于20mm，針長1～2m時(shí)直徑不小于25mm）制成。它的下端要經(jīng)過引下線與接地裝置連接。避雷針的保護(hù)范圍，以它能防護(hù)直擊雷的空間來表示。1994年的《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》則規(guī)定采用IEC推薦的“滾球法”來確定。
所謂“滾球法”，就是選擇一個(gè)半徑為hr（滾球半徑）的球體，沿需要直擊雷的部位滾動(dòng)，如果球體直接觸到避雷針與地面，而不觸及需要保護(hù)的部位，則該部位就在避雷針的保護(hù)范圍之內(nèi)。
按實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)校驗(yàn)后，我國標(biāo)準(zhǔn) 目前推薦和應(yīng)滿足下式要求:
≥0.2＋0.1h, ≥0.3
≥0.2×4.5＋0.1×h
≥0.3×4.5
在對(duì)較大面積的變電所進(jìn)行保護(hù)時(shí),采用等高避雷針聯(lián)合保護(hù)要比單針保護(hù)范圍大。因此，為了對(duì)本站覆蓋,采用四支避雷針。被保護(hù)變電所總長108.5m,寬79.5m,查手冊(cè)，門型架構(gòu)高15m。避雷針的擺放如圖3.1所示。
圖3.1 避雷針裝置
；
（式3.1）
（式3.2）
所以,需要避雷針的高度為: ＝15＋＝34.3m （式3.3）
四只避雷針分成兩個(gè)三只避雷針選擇.
驗(yàn)算:首先驗(yàn)算1﹑2﹑3號(hào)避雷針
對(duì)保護(hù)的高度:
1﹑2號(hào)針之間的高度：＝34.3－＝23m＞15m
2﹑3號(hào)針之間的高度：＝34.3－＝18.8＞15m
1﹑3號(hào)針之間的高度: ＝34.3－ ＝34.3－19＝15.1m＞15m
由上可見,對(duì)保護(hù)物的高度是能滿足要求的。
對(duì)保護(hù)寬度:
1﹑2號(hào)針的保護(hù)寬度:＝1.5 (－)＝1.5(23－15) ＝12＞0
2﹑3號(hào)針之間的寬度:＝1.5 (－)＝1.5(18.8－15) ＝5.7＞0
由此可見,對(duì)保護(hù)物的寬度是能滿足要求的。
所以,1﹑2﹑3針是滿足要求的。
由于4針的擺放是長方形,所以，134針也是滿足要求的。即,四只高度選為35m的避雷針能保護(hù)整個(gè)變電所。
3.3避雷針的安裝
避雷針安裝時(shí)應(yīng)注意：
1、基礎(chǔ)填搗混凝土為C15，施工安裝避雷針時(shí)，需在基礎(chǔ)強(qiáng)度達(dá)到80％以后可拆去固定纜風(fēng)。
2、構(gòu)件焊接和安裝要求與桿塔施工相同，外露金屬除鍍鋅者外需用紅丹打底，表面刷灰漆防銹。
3、基礎(chǔ)施工開挖基坑時(shí)須注意勿擾動(dòng)基坑四周的土壤，最好使其保持原狀，并要防止雨水侵入，在不能保證基礎(chǔ)周圍土壤原狀情況時(shí)，回填土?xí)r必須分層夯實(shí)，且在澆灌混凝土?xí)r應(yīng)用模板。
4、避雷針組裝后要求一次完成豎立吊裝，當(dāng)起吊中因故重新放倒桿身時(shí)，應(yīng)橫放方式在地面支撐。
第4章 雷電侵入波保護(hù)
4.1雷電波的侵入原因
當(dāng)雷電波入侵時(shí)，被保護(hù)設(shè)備上的電壓具有振蕩性質(zhì)，其振蕩軸為避雷器的殘壓Ur主要原因是由于避雷器動(dòng)作后產(chǎn)生的電壓波在避雷器和被保護(hù)設(shè)備之間多次反射引起，因此，只要設(shè)備離避雷器有一段距離，設(shè)備上所受沖擊電壓的最大值必然要超過避雷器的殘壓Ur，有時(shí)會(huì)對(duì)設(shè)備絕緣造成威脅，因此變電站設(shè)備與避雷器之間的安裝距離L要進(jìn)行限制，該距離不能太遠(yuǎn)。
近年來我國電網(wǎng)發(fā)展迅速，110kV輸電線路回?cái)?shù)、長度和變電所數(shù)量急劇增加，在南方多雷地區(qū)相繼發(fā)生了多起雷電侵入波過電壓引起SF6斷路器或電流互感器（CT）內(nèi)部絕緣擊穿爆炸的事故。多數(shù)是在運(yùn)行方式變化或故障情況下，進(jìn)線斷路器處于暫時(shí)分閘狀態(tài)，斷路器和CT等設(shè)備脫離母線避雷器的保護(hù)時(shí)，雷電侵入波沿進(jìn)線侵入并經(jīng)分閘的斷路器末端反射產(chǎn)生很高的過電壓，使斷路器或CT內(nèi)部絕緣擊穿，短路電流注入的能量引起斷路器爆炸或在斷路器合閘時(shí)引起CT爆炸。究其深層原因，一是雷電活動(dòng)強(qiáng)烈，架空線路遭受雷擊的概率大；二是電網(wǎng)的發(fā)展增加了進(jìn)線斷路器出現(xiàn)暫時(shí)分閘狀態(tài)的機(jī)會(huì)，兩種情況的疊加已使上述事故的發(fā)生頻度不容忽視。
4.2雷電侵入波的保護(hù)措施
變電所的雷電侵入波保護(hù)靠?jī)傻婪谰€：一是設(shè)置進(jìn)線保護(hù)段，以減少危險(xiǎn)雷電侵入波產(chǎn)生的機(jī)會(huì)；要限制流經(jīng)避雷器的雷電 電流幅值和雷電波的波度，就必須對(duì)變電站進(jìn)線實(shí)施保護(hù)。當(dāng)線路上出現(xiàn)過電壓時(shí)，將有行波導(dǎo)線向變電站運(yùn)動(dòng)，起幅值為線路絕緣的50%沖擊閃絡(luò)電壓，線路的沖擊耐壓比變電站設(shè)備的沖擊耐壓要高很多。因此，在接近變電站的進(jìn)出線上加裝避雷線是防雷的主要措施。如不架設(shè)避雷線，當(dāng)遭受雷擊時(shí)，勢(shì)必會(huì)對(duì)線路造成破壞。變電站進(jìn)線保護(hù)是在靠近變電站出線架1～2km線路上所采取的可靠的防雷保護(hù)措施，變電站進(jìn)線保護(hù)具體措施視變電站的線路情況而定。二是在變電所內(nèi)裝設(shè)避雷器，以限制雷電侵入波過電壓的幅值。變電站對(duì)侵入波的防護(hù)的主要措施是在其進(jìn)出線上裝設(shè)閥型避雷器，避雷器裝設(shè)在被保護(hù)物的引入端，其上端接在線路上，下端接地，一般安裝在變電站母線上。閥型避雷器的基本元件為火花間隙和非線性電阻。目前，SFZ系列閥型避雷器，主要用來保護(hù)中等及大容量變電站的電氣設(shè)備。FS系列閥型避雷器，主要用來保護(hù)小容量的配電裝置。
對(duì)于110kV敞開式變電所，按照文獻(xiàn)[1]的規(guī)定，應(yīng)設(shè)置1～2km 的進(jìn)線保護(hù)段，即采用雙避雷線，避雷線的保護(hù)角宜小于200，并盡可能降低桿塔接地電阻，使進(jìn)線保護(hù)段具有較高的耐雷水平；另外應(yīng)在變電所母線上裝設(shè)無間隙金屬氧化物避雷器（MOA），MOA與電氣設(shè)備之間的最大距離不超過文獻(xiàn)[1]中規(guī)定的數(shù)值，否則應(yīng)在變壓器回路增設(shè)MOA。以往的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明，110kV敞開式變電所采用上述保護(hù)方式，耐受雷電侵入波過電壓的可靠性是相當(dāng)高的。
基于上述情況，本文提出在多雷地區(qū)新設(shè)計(jì)110kV敞開式變電所時(shí)MOA宜裝設(shè)在每回進(jìn)線的斷路器線路側(cè)。并通過對(duì)110kV 敞開式變電所雷電侵入波過電壓的計(jì)算分析，給出了MOA的最大保護(hù)距離。
4.3MOA與設(shè)備間的最大保護(hù)距離
對(duì)于新設(shè)計(jì)的變電所宜在每回進(jìn)線的斷路器線路側(cè)裝設(shè)MOA，MOA至變壓器之間的電氣距離最遠(yuǎn)，其值超過最大保護(hù)距離時(shí)應(yīng)適當(dāng)考慮在母線上或變壓器支路上增設(shè)MOA。
在文獻(xiàn)[1]標(biāo)準(zhǔn)的制訂過程中，曾對(duì)35～220kV 敞開式變電所采用MOA后的保護(hù)距離進(jìn)行過大量的計(jì)算研究[3]，研究中采用“耐雷可靠性相對(duì)比較法”確定最大保護(hù)距離，即以采用普通閥式避雷器（FZ）保護(hù)時(shí)變電所的耐雷可靠性指標(biāo)作為“基準(zhǔn)”，以采用MOA保護(hù)時(shí)變電所的耐雷可靠性指標(biāo)為“目標(biāo)”，調(diào)整MOA至變壓器間的距離，“目標(biāo)”接近或優(yōu)于“基準(zhǔn)”時(shí)的距離為MOA的最大保護(hù)距離。
表4.1 變電所一次設(shè)備的等值參數(shù)和MOA額定值
系統(tǒng)標(biāo)稱
電壓(KV,
rms)
一次設(shè)備的等值入口電容值（pF）
避雷器額定電壓（KV，rms）
隔離開關(guān)
斷路器
電流
互感器
電壓
互感器
變壓器
DS
CB
CT
PT
TR
110
60
500
100
300
1000
100
110kV敞開式變電所在單進(jìn)線、兩種布置方式時(shí)。將MOA裝在進(jìn)線和母線上兩種位置進(jìn)行比較，MOA至變壓器間的最大保護(hù)距離均取文獻(xiàn)[1]中規(guī)定的數(shù)值，對(duì)于110kV變電所進(jìn)線保護(hù)段長度為1km時(shí)為55m，進(jìn)線保護(hù)段長度為2km時(shí)為125m；斜線兩側(cè)的數(shù)據(jù)分別為BIL為950kV和850kV時(shí)的最大保護(hù)距離。
110kV敞開式變電所在兩回進(jìn)線、兩種布置方式時(shí)，將MOA裝在進(jìn)線和母線兩種位置時(shí)進(jìn)行比較，MOA至變壓器間的最大保護(hù)距離暫取文獻(xiàn)[1]中規(guī)定的數(shù)值，對(duì)于110kV變電所，進(jìn)線保護(hù)段長度為1km時(shí)為85m，進(jìn)線保護(hù)段長度為2km時(shí)為170m。
顯而易見，在3回、4回進(jìn)線情況下，裝在進(jìn)線上MOA的數(shù)量隨之增加，與MOA裝在母線上相比，保護(hù)效果將更加優(yōu)越。從理論上講，2回及以上進(jìn)線情況下，MOA裝在進(jìn)線上與MOA裝在母線上相比較，MOA至變壓器間的最大保護(hù)距離會(huì)逐漸擴(kuò)大，但考慮到實(shí)際變電所中MOA至變壓器間的距離不會(huì)太長，現(xiàn)行過電壓標(biāo)準(zhǔn)[1]規(guī)定的數(shù)值已經(jīng)較大，因此未進(jìn)行擴(kuò)大距離的詳細(xì)計(jì)算，可取現(xiàn)行過電壓標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的數(shù)值。當(dāng)有超過最大保護(hù)距離規(guī)定值的情況時(shí)，可按照本節(jié)采用的方法進(jìn)行裝設(shè)，一般不必再增設(shè)MOA。
4.4選用的其它注意問題
多雷地區(qū)雷電活動(dòng)強(qiáng)烈，架空線路遭受雷擊的概率大，電網(wǎng)的發(fā)展增加了進(jìn)線斷路器出現(xiàn)暫時(shí)性分閘狀態(tài)的機(jī)會(huì)，兩種情況的疊加使得雷電侵入波引起110kV敞開式變電所進(jìn)線斷路器及CT等設(shè)備事故的發(fā)生頻度不容忽視。
在多雷地區(qū)新設(shè)計(jì)110kV敞開式變電所時(shí)，宜在每回進(jìn)線的斷路器線路側(cè)裝設(shè)MOA，MOA至變壓器之間的最大保護(hù)距離取文獻(xiàn)[1]中規(guī)定的MOA裝在母線上的數(shù)據(jù)。
已運(yùn)行的110kV敞開式變電所，確需考慮進(jìn)線斷路器的暫時(shí)性分閘狀態(tài)又要加以保護(hù)時(shí)，可視安裝位置的方便在進(jìn)線斷路器線路側(cè)附近或進(jìn)線終端塔上增設(shè)一組MOA。MOA至分閘斷路器之間的最大保護(hù)距離按本文推薦的數(shù)據(jù)取值。MOA安裝在進(jìn)線終端塔上，桿塔接地裝置的沖擊接地電阻應(yīng)小于7Ω。
感應(yīng)過電壓的入侵和保護(hù)
第5章 感應(yīng)過電壓的入侵和防護(hù)
隨著電子設(shè)備的大量使用，感應(yīng)過電壓對(duì)設(shè)備的安全運(yùn)行所造成的危害也越來越大，常常造成設(shè)備芯片或接日的損壞，甚至影響工作人員的安全。感應(yīng)過電壓產(chǎn)生的原因主要有兩個(gè)方面：雷電的入侵；大型用電設(shè)備的開、關(guān)動(dòng)作或者大型電網(wǎng)的閉合。另外非線性電器設(shè)備工作時(shí)產(chǎn)生的多次諧波、太陽黑子的爆發(fā)等也可能形成感應(yīng)過電壓。
5.1感應(yīng)過電壓產(chǎn)生的不同形式
5.1.1地電位反擊產(chǎn)生的感應(yīng)過電壓
雷擊建筑物時(shí)，由于電源與電子系統(tǒng)或電子系統(tǒng)之間的連接電纜與建筑物共用接地系統(tǒng)，雷電流經(jīng)引下線疏散到大地時(shí)，將在接地網(wǎng)、引下線上形成很高的電位，這使建筑物內(nèi)不同位置上的微電子設(shè)備所處電位不同，將有一部分雷電流通過電纜到達(dá)電子設(shè)備形成感應(yīng)過電壓，使電子設(shè)備損壞，如圖5.1所示。
圖5.1雷擊建筑物時(shí)可能在用電系統(tǒng)中產(chǎn)生的感應(yīng)過電壓
5.1.2線路遭受雷擊產(chǎn)生的感應(yīng)過電壓
雷電襲擊遠(yuǎn)離建筑物的架空輸電線路、通信線、各種金屬管道或天線等，在線路上產(chǎn)生的高電位、大電流的雷電沖擊波沿著這些導(dǎo)體侵入建筑物內(nèi)，稱為雷電侵入波。雖然配電系統(tǒng)采用架空避雷線和避雷器等防宙措施，但并不能完全消除雷擊引起的感應(yīng)過電壓，仍會(huì)有一部分幅值較低的過電壓對(duì)低壓系統(tǒng)的用電設(shè)備，特別是對(duì)計(jì)算機(jī)、電子系統(tǒng)以及家用電器等存在較大的威脅，如圖5.2所示。
圖5.2雷電傳入用電系統(tǒng)
5.1.3雷云靜電感應(yīng)形成的感應(yīng)過電壓
雷擊線路附近的地面時(shí)，先導(dǎo)通道充滿負(fù)電荷，由于靜電感應(yīng)，導(dǎo)線上的正電荷被吸引到最靠近先導(dǎo)通道的導(dǎo)線上，成為束縛電荷。主放電階段，通道中的負(fù)電荷被迅速中和，相應(yīng)電場(chǎng)強(qiáng)度迅速減弱并消失，正電荷脫離電場(chǎng)的束縛成為自由電荷，形成電壓波向兩側(cè)傳播，產(chǎn)生幅值很高的過電壓，如圖5.3所示。
(a)先導(dǎo)階段；(a)主放電階段
圖5.3感應(yīng)過電壓的形成
雷擊時(shí)電磁場(chǎng)變化產(chǎn)生的感應(yīng)過電壓
雷擊避雷針時(shí)，附近導(dǎo)線的感應(yīng)過電壓如圖5.4所示。
圖5.4雷擊避雷陣產(chǎn)生的感應(yīng)過電壓
5.2感應(yīng)過電壓的防護(hù)措施
5.2.1電源線路感應(yīng)過電壓的防護(hù)
在輸送電線路的架設(shè)中，變壓器的高壓側(cè)安裝有高壓電源避雷器，但它只能有效的預(yù)防6000V以上感應(yīng)浪涌，對(duì)小于6000V的感應(yīng)過電壓，高壓電源避雷器沒有反應(yīng)。為有效保護(hù)機(jī)房?jī)?nèi)的電了設(shè)備，還應(yīng)在進(jìn)入建筑物內(nèi)的電源線路進(jìn)線處到需保護(hù)的電了設(shè)備這一段電源線路上安裝低壓電源避雷器。安裝設(shè)計(jì)應(yīng)實(shí)行多級(jí)保護(hù)，一般情況下設(shè)計(jì)2～3級(jí)即可。具體安裝時(shí)參照產(chǎn)品說明書并根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)具體情況進(jìn)行施工。
5.2.2信號(hào)線路感應(yīng)過電壓的防護(hù)
對(duì)通訊系統(tǒng)而言，信號(hào)線路一般有天饋線、DDN數(shù)據(jù)線路、音頻電話線路、普通網(wǎng)線、光纜及一般的通訊電纜。在這些信號(hào)線路的接口應(yīng)安裝相應(yīng)的信號(hào)避雷器。另外光纜和通訊電纜的屏蔽層還應(yīng)做良好的接地處理。
5.2.3選擇避雷器應(yīng)注意的問題
選擇避雷器時(shí)應(yīng)詳細(xì)了解避雷器的有關(guān)參數(shù)，主要參數(shù)有：接入方式、工作電壓、啟動(dòng)電壓、雷電通量、工作頻率、插入損耗、接口型號(hào)。具體安裝時(shí)還應(yīng)注意，避雷器上的連接線不能太細(xì)，連接線的規(guī)格不小于2. 5 mm2。還有避雷器的接地線不能太長最好不要超過1 m。
變電站接地系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及施工
第6章 變電站接地系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及施工
變電站的接地與施工者自身以及設(shè)備安全密切相關(guān)，只有正確處理兩者關(guān)系才能減少安全隱患。110kV變電站的安全隱患在于接地短路電流大、涉及面積小、危險(xiǎn)裝置多等，設(shè)計(jì)時(shí)必須將這些隱患因素考慮到。
6.1變電站接地的各種形式和接地方法
6.1.1防雷接地
接地過程中保持防雷接地與電氣設(shè)備的距離應(yīng)當(dāng)以遠(yuǎn)為佳，并目按照就地原則進(jìn)行。防雷接地方法主要為把防雷電保護(hù)裝置(避雷線、避雷針、避雷帶、避雷器等)向大地泄放雷電流，然后直接防雷裝置。戶內(nèi)變電站則需要將避雷、防雷的裝置安放在房屋頂部，這種方法十分常見。避雷帶引下線常常會(huì)和其它接地體、房屋建筑物的金屬體相碰，這種現(xiàn)象目前不可避免。其原因是因?yàn)閳?chǎng)地空間因素所造成的。因而采用等電位是唯一的接地方法，可把各個(gè)層樓面以及墻體的金屬件聯(lián)合為一個(gè)大的整體。
6.1.2工作接地
電氣裝置在使用過程中常常需要其它輔助要素才能正常工作，這就需要借助于工作接地的作用了，該接地在目前實(shí)際的施工中得到了極為廣泛的運(yùn)用。例如以下接地就經(jīng)常運(yùn)用到工作接地：直流絕緣監(jiān)測(cè)接地、交流中性點(diǎn)接地、通信電源正極接地等等，這些接地能夠堅(jiān)持就近原則后直接和主接地網(wǎng)連接，還可以經(jīng)過部分阻抗后再接地。
6.1.3保護(hù)接地
1、高壓系統(tǒng)設(shè)備接地：一個(gè)設(shè)備或一組連在一起的設(shè)備利用一根引下線獨(dú)立接地是高壓系統(tǒng)設(shè)備接地的原則。有時(shí)需要用兩根接地線進(jìn)行分別接地，特別是對(duì)于具有一次元件的一次設(shè)備。采取這類措施對(duì)于一些不良現(xiàn)象有著很好的預(yù)防作用，如：高壓電穿入一次回路、一根接地線斷裂、出現(xiàn)一次設(shè)備毀壞等。
2、低壓系統(tǒng)設(shè)備接地：TN2S系統(tǒng)、TN2C2S系統(tǒng)、TN2C系統(tǒng)、TT系統(tǒng)、IT系統(tǒng)是低壓系統(tǒng)設(shè)備接地的五種形式。其中，變電站中運(yùn)用TT系統(tǒng)最為科學(xué)，這是因?yàn)門T系統(tǒng)的PE線屬于直接接地，變電站基本都保留著完整的接地網(wǎng)，給PE線與接地網(wǎng)的連接帶來了方便。另外，裝置的外露導(dǎo)電部分也能與至PE線直接接地，而電源零線與PE線隔離后對(duì)觸電保護(hù)器的準(zhǔn)確動(dòng)作有著較大的保護(hù)意義。
6.1.4屏蔽接地
屏蔽接地能夠把電氣干擾轉(zhuǎn)入大地，這是它的主要作用，能夠降低外來電磁干擾對(duì)弱電設(shè)備的負(fù)面作用，減少弱電設(shè)備所帶來的阻礙，避免其他弱電設(shè)備遭到影響。以下三種是屏蔽接地的主要形式：
1、建筑屏蔽接地：在距離范圍為5m～8m的地方安裝1根接地引下線，可堅(jiān)持就近原則接地，屏蔽接地可作為強(qiáng)電接地，主要接地方法也要按照建筑物的詳細(xì)情況來定。
2、弱電設(shè)備的相關(guān)接地：主要部位是外殼、屏、柜、箱的屏蔽接地，需按照就近接地原則接地且為弱電接地，在很多的設(shè)備廠家中，常常將設(shè)備外殼和屏柜采用專用的接地端子。
3、低壓電纜屏蔽層接地：電纜屏蔽層包括外屏蔽和內(nèi)屏蔽，外屏蔽作為一切電纜芯外設(shè)置屏蔽層；內(nèi)屏蔽屬于弱電接地，作為電纜內(nèi)部的電纜芯設(shè)置屏蔽。這是由于流入接地網(wǎng)的短路電流存在分流時(shí)，會(huì)破壞電纜并對(duì)電子設(shè)備的功能造成影響，而低壓電纜屏蔽層承受大電流的能力弱，基本無法承受，因此只能一端接地。高壓配電裝置是很多控制電纜的來源，因出現(xiàn)故障把高壓電傳入控制電纜后將對(duì)一次設(shè)備構(gòu)成損壞。由此可知，控制電纜的屏蔽層需和一次設(shè)備室的環(huán)形接地網(wǎng)相連，自動(dòng)化通信的電纜與接地銅排處相接。
6.1.5邏輯信號(hào)接地
邏輯信號(hào)接地作為微機(jī)系統(tǒng)的參考電位，還能稱為信號(hào)接地及數(shù)據(jù)線接地。3V ﹑5V工作電壓就可滿足微機(jī)系