从雷击事故看农村变电站防雷设计的误区 |
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摘 要]
本文从农村变电站发生的一些雷击事故谈起，对当前农村小型化变电站防雷设计中存在的问题进行了详细分析，文章着重从防雷设计中存在的重直击雷轻感应雷、重高压设备轻弱电系统、重防雷轻接地、忽略变电站进线段导线防雷、忽视雷电波侵入破坏开关设备等几种情况所造成的事故进行了阐述分析，并提出了完善措施。
[关键词] 事故；变电站；防雷；设计
引言
由于农村变电站大多建于旷野开阔的偏僻地区，附近高层建筑较少，是雷电的多发区，加之农村变电站一般是110kV以下的小型变电站，对变电站设计重视不够，考虑问题不尽全面，造成农村变电站成为易受雷击的“重灾区”。近年来在农村变电站中多次发生因雷电而造成设备烧坏、爆炸甚至引起“火烧连营”的事故，因此很有必要对农村变电站防雷设计中存在的问题进行分析，通过研究找出其中的不足并制定切实可行的措施。
1 误区一：重直击雷轻感应雷
1.1 事故过程
2004年8月6日，某35kV变电站在雷电活动时造成该站综合自动化插件损坏，并使35kV开关误动。
1.2 原因分析
很多人以为只要安装足够数量的避雷针，变电站的防雷就万事大吉了。其实雷击分直击雷和感应雷两种形式，安装避雷针也仅能防止直击雷危害设备，对感应雷却无能为力，而室内的通讯、自动化控制系统的损坏大都是由于感应雷造成的。当雷电活动时其周围的磁场会发生强烈的变化，雷电所形成的强电场会以静电感应的方式在附近导电体上感应出很高的感应电压，而计算机等电子器件又是对干扰非常敏感的元件，因此极易造成微机保护和综合自动化系统模块损环，或者导致微机保护误动或拒动。
1.3 防范措施
1.3.1降低感应电压
由于雷电感应电压的高低与被感应导体的长度、截面、位置等有关，因此电气设备二次装置连线应尽可能的短，而且也可以采用有屏蔽的导线来降低感应电压。
1.3.2采用绝缘隔离
一些保护装置模块的外壳或固定支架可以采用绝缘材料，信号的传输可采用光缆、光电耦合器，对RS-232、485以及CAN等数据通讯接口加装光电隔离器等措施都可以大大削弱雷电感应电压。
1.3.2加装浪涌抑制器
在保护、通讯、自动控制系统的设计中考虑使用瞬变电压抑制二极管（TVS）、气体放电管（GDT）、压敏电阻（MOV）、齐纳二极管（ZENA）等浪涌抑制器，都能对电路中出现的瞬间浪涌电压脉冲起到分流和箝位的作用，可以有效地防止过电压对设备的损害。
2 误区二：重高压设备轻弱电系统
2.1 事故过程
2002年7月20日，某110kV变电站遭受雷击，高压设备安然无恙，该站保护装置电源模块损坏。
2.2 原因分析
雷电活动时, 雷电波沿10kV线路侵入到10kV母线，再经过10kV所用变的电磁耦合，闯入到低压出线。由于雷电波的电压、能量极高，虽然经过10kV线路避雷器、母线避雷器和所用变避雷器3级削峰和所用变低压出线的平波作用，电压幅值大为降低，但雷电波仍以高幅值、尖脉冲的形式，瞬间加到低压电源系统，由于大多数农村变电站在低压电源系统没有过电压保护措施,雷电过电压得不到有效限制，就会在低压电源系统中的绝缘薄弱处造成击穿。
2.3 防范措施
可以在低压电源系统中采用电源防雷器，当雷电入侵时，电源防雷器能在极短的时间将雷电产生的大量脉冲能量释放到安全地线上，从而达到保护电路上设备的目的。正常情况下，防雷器处于高阻状态，当电源由于雷击或开关操作出现瞬时脉冲电压时，防雷器立即在纳秒级的时间内导通，将该脉冲电压短路到大地进行泄放。
3 误区三：重防雷轻接地
3.1 事故过程
1998年 7月11日，某35kV变电站#1避雷针遭雷击后，其附近电缆沟内的二次电缆着火，导致保护装置完全失灵，造成灾难性的事故。
3.2 原因分析
我们通常所说的避雷针并不能起到躲避雷击的作用，相反称之为引雷针或接闪器似乎更为恰当，它只是把周围强大的雷电能量泄放到大地，起到引雷入地的作用，从而避免周围被保护设备受到危害。当避雷针遭雷击后，强大的雷电流沿避雷针和接地引下线进入变电站的接地网，再经接地网流入大地时，造成接地网的局部电位迅速升高，如果该接地网的接地电阻太大，局部电位升高超过一定数值时，就会对附近电缆沟内的电缆产生反击或旁侧闪击，引起电缆着火，造成灾难性的事故。
3.3 防范措施
3.3.1提高对变电站接地装置重要性的认识，严格按照有关标准要求进行防雷接地的设计，定期对变电站进行接地电阻测量，当接地电阻达不到规定要求时，要及时采取有效的措施加以改进。
3.3.2我们目前农村变电站中长期使用的金属接地体因具有易腐蚀、寿命短、不稳定、效果差、高阻抗等缺陷，近年来已受到很大的挑战，因此推荐使用新型“高效长寿接地极”，它是由金属极芯和稳定性较好的非金属导电材料组成，克服了传统金属接地体的弊端。
3.3.3在设计接地网时应尽量采用方孔地网，以改善地面电位分布，合格分布网格大小，防止局部电位升高。同时在电缆沟内要设置接地带、在电缆沟附近要设置与电缆沟平行的水平均压带以改善电缆沟的电位均匀。
4 误区四：忽略变电站进线终端塔至架构间导线的防雷
4.1 事故过程
2001年8月2日，某山区35kV变电站遭雷击，导致35kV母线避雷器爆炸，进线也有多处放电痕迹。
4.2 原因分析
该站设避雷针3基，站内设备全部在保护范围之内，35kV进线段2公里内加装了避雷线，也完全符合设计要求。经认真检查发现，由于变电站进线架构至终端塔之间为变电部分和线路部分的分界点，因双方设计疏忽，导致终端杆至站内进线架构间线路不在变电站避雷针的保护范围之内。雷击进线后直接侵入变电站，由于雷击点就在变电站附近，雷电未得到任何衰减直接进入35kV母线，致使35kV母线避雷器损坏爆炸。
4.3 防范措施
4.3.1设置专用避雷针与变电站避雷针联合对进线段进行保护；
4.3.2采用避雷线保护，将避雷线一端接在终端杆上，另一端接在进线架构或附近独立的杆柱上做成一端绝缘的避雷线，对终端杆至进线架构导线进行防雷保护。
5 误区五：忽视雷电波入侵对开关设备的破坏
5.1 事故过程
2005年7月12日雷雨过后，35kV某变电站312进线SF6开关绝缘表面电弧烧损严重，经仔细查看，发现SF6开关外绝缘三相断口间及A、C相对地都有短路现象，进线也有多处放电痕迹。该站35kV双回进线，当时变电站由311进线供电，312进线处于热备用状态。
5.2 原因分析
考虑到雷电波沿导线入侵变电站，所以变电站设计时一般都在断路器或隔离开关后面、主变附近的母线上装设避雷器，来限制雷电过电压。但当开关处于备用状态或者因故障处于短时分闸状态时，进线断路器等设备就脱离了母线避雷器的保护，这时强大的雷电波沿线路到达开关后，雷电的泄放通路中出现断口，根据波的折射理论且因阻抗不配，波的振荡会形成很高幅值的过电压，从而对断口处开关等设备的绝缘构成重大危害。
5.3 防范措施
为了避免以上事故的发生，我们除了在变电站内设计避雷针，在母线上装设避雷器外，还要考虑在进线断路器的线路侧增设避雷设备，来限制从线路上侵入雷电波过电压的幅值。可选择在变电站内进线架构上或出线的第一杆塔上装设无间隙避雷器，同时为了防止相间过电压，可采用三相组合式避雷器。
6 结束语
变电站的防雷设计已远远超出传统的概念和范畴，是一项系统工程，忽视任何一个细小的环节，都会为以后变电站的安全运行造成隐患。因此,变电站的防雷应从工程设计阶段就认真加以考虑，走出防雷设计的误区，根据各地的实际情况，采取切实可行的防雷方案。
参考文献：
[1]中华人民共和国电力行业标准，DL/T 5078—1997农村小型化变电所设计规程，中国电力出版社，1997
[2]中华人民共和国国家标准，GB 50057-94建筑物防雷设计规范，中国计划出版社，1994
[3]江日洪等，发、变电站防雷保护与应用实例，中国电力出版社，2004
[4]张纬䥽等，过电压保护及绝缘配合，清华大学出版社2002年第一版，257-282
作者简介：张建利（1976-），男，助理工程师，从事电力生产技术管理工作。
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