刍议电力系统防雷技术

随着我国经济的高速发展,国内电力系统送变电行业的防雷减灾工作日显突出,显示了它的重要和迫切性,特别是电力行业中的电力、设备及计算机控制等部门都要协调配合。根据电力等级、不同地区都有雷暴情况,不同设备及其建筑物等,因地制宜地进行综合防护,加强总体协调,才能完成电力供电生产与安全,达到保护人身与设备的正常运营,以及设备正常要求。
　　防雷减灾是以电力、计算机控制网络等系统防雷及接地工程技术为整体内容的防雷保护工作。
　　
　　1 电力供电系统防雷设计
　　
　　1)变电所、配电所、设备接地网、架空线路、电缆线路应采取防止直接雷击和雷电感应过电压保护措施。
　　2)220kV及以上变电所、开闭所、分区所和自耦变压器所的室外配电装置(包括母线廊道)采用避雷针或避雷线防护应满足以下要求:
　　(1)避雷针不宜装设在220kV变压器屋顶、配电装置架构上和变压器的门型架构上,可安装在采用钢结构或钢筋混凝土结构等由屏蔽作用的建筑物的附属变电所的上述位置。
　　(2)110kV及以上的送变电装置,可将避雷针装在送变电装置的架构上,但在土壤电阻率大于1000Ω·m的地区,宜装设独立避雷针。35kV及110kV配电装置,避雷针可装在送变电装置的架构上,但土壤电阻率大于500Ω·m时,宜装设独立避雷针。
　　(3)装在架构上的避雷针应与接地网连接,并应在其附近装设集中接地装置。装有避雷针的架构上,接地部分与带电部分间的空气中距离不得小于非污染地区标准绝缘子串的长度。但在空气污秽地区,如有困难,空气中距离可按非污秽区标准绝缘子串的长度确定。
　　(4)强雷区的电力主控设备和高压送变电装置,宜设独立避雷针。
　　(5)220kV、110kV,35kV室外送变电装置,在土壤电阻率不大于500Ω·m时,避雷线应架设到线路终端杆塔位置,从线路终端杆到送变电装置的一档线路的保护,可采用独立避雷针,也可在线路终端塔上装设避雷针。
　　(6)变电所、开闭所、分区所和自耦变压器所,宜采用避雷针防护。
　　3)电力区段防雷方法
　　(1)经常发生雷害地段的220kV~110kV及以下线路可架设空地线。杆塔上架空地线对边导线的保护角,宜采用20℃~30℃。杆塔上两根架空地线的距离,不应超过导线与架空地线间垂直距离的5倍。档距中央导线与架空地线间的距离,应符合防止雷击档距中央反击导线的要求。
　　(2)除少雷地区外,对110~35kV钢筋混凝土电杆铁横担线路,应提高绝缘子的绝缘爬距等级,并应以较短时间切除故障;绝缘导线铁横担线路,可不提高绝缘子爬距等级。
　　(3)110kV、35kV及以上架空线路中电缆长度大于50m时应在两端设避雷器,小于50m时,可在任一端装设。其接地端与电缆金属外皮连接。
　　(4)110~35kV及以上架空、电缆闭塞及贯通回路应设一次重合痼装置。
　　(5)110~35kV柱上断路器、负荷开关、电容器,应在电源侧装设避雷保护,其接地线应与柱上断路器等的金属外壳连接。
　　(6)同级电压电力线路相互交叉或与较低电压线路或弱电线路交叉时,交叉档两端的钢筋混凝土杆或铁塔均应接地。
　　4)变电所、送变所防雷设计应满足以下要求:
　　(1)110kV~35kV及以上变电所应在架空进线段1~2km内装设架空地线。当采用电缆引入时应在电缆与架空线连接处设避雷器。
　　(2)110kV~35kV送变电所的每段母线上和每路架空进、出线上,都应装设避雷器。当采用电缆引入(出)应在电缆与架空连接出装设避雷器。
　　5)杆架式或落地式送变电台防雷设计应满足以下要求:
　　(1)220kV或110kV送电变压器,进线段可不架设架空地线,其高、低压侧均应装设避雷器保护。
　　(2)35kV送电变压器,应在高压侧装设一组避雷器保护。多雷区亦在低压侧亦装设一组避雷器保护。强雷区和对供电的送电变压器低压侧应装设一组避雷器保护。
(3)避雷器应靠近变压器装设,其接地线应变压器低压侧中性点及金属外壳连在一起接地。
　　6)供电线路防雷设计应满足以下要求:
　　(1)35kV交流送变电线路和分支线路应采用TN-S系统的接地型式。
　　(2)进出建筑物的电源线路应采用电缆线路埋地敷设引入控制设备机房。当采用架空线路转换为电缆埋地引入时,其电缆长度就不小于25m。
　　(3)低压送变电线路的始端,应在电力总送变控制内装设第一级电源保护器防护,可将防雷件装在低压断路器后的相线上。
　　7)变电所、开闭所、分区所和自耦变压器所的每组母线上都宜装设金属氧化物避雷器,高雷区及以上地区,宜在馈电线首端加设雷圈或采用进线段保护。避雷器应以最短的接地线与配电装置的主接地网连接,同时应在其附近装设集中接地装置。
　　8)自耦变压器必须在两条出线上装金属氧化物避雷器,作为过电压保护装置。
　　9)在高雷区、强雷区,接触网在下列地点应采用避雷器防护:
　　(1)分相和战场端部的绝缘区段关节。
　　(2)长度大于200m的供电线或自耦变压器供电线连接到接触网上的接线处。
　　10)共用接地系统的接地干线的材质宜采用钢材耐腐长效降阻剂包封(等电位接地子板的进、出线除外)改善土壤的电阻阻率,导体截面积应满足热稳定和机构强度的要求,并符合下列规定:与接地网连接的接地干线,可用铜排或热度(渗)锌扁钢,铜排的截面积不小于50mm2,热镀(渗)锌扁钢的截面积不小于200mm2。厚度均不小于4mm,用降阻剂包封。
　　11)应在建筑物地网四周及垂直接地体处设置相关标志。
　　2 供电系统接地
　　1)供电系统的设计应采取以下措施,改善电源回流的分配、降低变压器电位接触电压和跨步电压。
　　(1)选用有利于改善牵引回流分配、降低变压器电位的供电制式。
　　(2)利用接触网支柱单引活性电极等自然接地体。
　　(3)pW线或NF线的连接必须通过扼流变压器芯线圈中性连接贯通地线与完全向连接连接点、pW线或NF线的引下线与扼流电压器或空芯线圈中性点连接宜在同一里程。
　　(4)为平衡回流、降低变电变压器电位,更具需要也可间隔300~500m将上、下行pW线或NF线并联。
　　(5)变电所应采用不少于两回独立的回流绝缘电缆(线)的截面应满足另一回电缆(线)故障情况下的最大载流量需要。
　　2)地网中的防雷接地装置在贯通地线上的接入点与其它设备在贯通地线的接入点间距不应小于15m。
　　3)在送变电所、开闭所、AT所和分区所内,所用供电设备应与接地系统相连接,以实现等电位和保护,等电位母线不应通过回流。
　　4)变电所围墙内外的管道附属设备的金属外皮应与送变电所地线网相连。
　　3 等电位与等电位连接
　　等电位的完成是靠等电位连接来实现的。在做等电位连接时,如方法不当,则有可能导致雷电防护的失败。图1所示即为典型的等电位错误连接示意图。
　　
　　图1中,a点和b点之间,c点和d点之间,e点和f点之间均通过导线连接均压等电位铜带,则Ub=Ud=Uf。由于Icd=0,Ief=0,则Uc=Ud,Ue=Uf。现场的防雷器件安装在柜中,ab之间线长度大约1m,防雷器件在8/20μs雷电电磁脉冲感应过电压的额定通过容量为100kA。假设发生雷击时防雷器件全部将雷电吸收,时雷电高压转变成电流形式入地,电流也假设额定通过容量100kA,则ab线路上的电位差为:
Uab=Iab×Rab+Lab×dI/dt=1m×1μH×40kA/8μs=100kV(假设每米电缆线长度电感1μH,Rab=0),即Uab电位差可以到达50~100kV,由于Ub=Ud=Uf,此时Uab电位全部递给控制电源和计算机设备,就会造成机房损坏。
　　图2所示为另一例典型的等电位错误连接示意图。电源防雷器件并联在配电柜电源进线与地排上,其中a到b和c到d是防雷器件的安装连线。防雷器件在8/20μs雷电电磁脉冲感应雷电压的额定通过容量为40kA,且此时的最大残余电压为1 400kV,a到b总长为0.5m。发生雷击时,假设电流为额定通过容量100kA,则ab线路上的电位差为:
　　Uab=Iad×Rad+Uc+Lad×d I/d t=140kV+0.5 m×1μh×40k A/8μs=390kV(假设每米电力线长度电感为1μs
　　
　　H,Ra b=0,Uc为防雷器件的残余电压1 400kV)
　　即Uad
　　电位差可以到达3 900kV,且全部传递给计算机控制设备,造成机房设备损坏。
图3为正确的等电位连接方式示意图。将a点和b点重合,使之成为防雷器件火线(或零线)接点,将c点和d点重合,使之成为防雷器件地线接点,那么,不论雷击大小,在防雷器件线长上下会产生电位毁控制设备。这是最理想的等电位防雷保护系统安装方法。
　　如果改变一下接线方式,实施绝对的等电位连接,也可以有效避免雷电防护失败。将a点作为一个基础接地点。从a点水平接到c点和e点(设备外壳接点),再从a点竖直接到b点(接大地),那么,不论雷击大小,在ab线上产生的电位不能影响到后续的计算机控制设备。
　　
　　4 等电位与地线
　　
　　地线很重要,但许多送变电所周围只有石头没有土,根本无法做地线,即便把地钎打在岩石缝内,接地电阻也远大于10Ω。因此,必须严谨地依照国标IEC标准,实施等电位防护,才能达到雷电防护的目的。接地是为设备提供人身安全保障和设备运行的基本环境,与雷电防护成功与否无根本关系,雷电防护的成败主要是等电问题。
　　
　　5 等电位与凯文接线
　　
　　过去防雷都是简单的并联安装SPD,从接线的角度造成雷电防护失败的几乎占到50%。凯文接线是建立在抵御雷电的相对保护上,是全面彻底的等电位。只有坚持凯文接线才可以彻底抵御雷电,最大限度地保护设备安全。
　　电力防雷技术涉及方方面面,理解并掌握等电位及等电位连接技术有利于更好地指导和实施电力技术、防雷技术。
　　
　　参考文献