雷电过电压对于电气设备的危害及其防护策略研究

【摘要】对于电气设备而言，恶劣的天气，尤其是雷电将会对其造成极为严重的影响。对于雷电而言，其可以造成大气过电压，因此，对于电气设备的正常运行会带来严重的危害。为确保电气设备的正常运行，必须采取有效的雷电过电压防护策略。鉴于此，本文重点针对雷电过电压对电器设备的危害及其相应的防护策略进行了研究，希望能为电气设备的安全运行提供借鉴。

【关键词】雷电过电压；电气设备；危害；防护策略

雷电过电压现象主要指的是因大气中的雷云和雷云之间以及雷云同地面物体之间所产生的放电现象，雷云可以直接对地面的电气设备及其建筑物进行放电，或产生雷电感应，因而导致过电压的形成，此即所谓的雷电过电压现象。由于雷电过电压对于电气设备的危害极大，因此必须采取有效的防护策略，以避免雷电过电压的形成，通常而言，雷电过电压防护时多从如下两个方面进行：一方面应尽可能地减少雷电过电压的产生；另一方面是一旦有雷电过电压产生，应当立即采取有效措施将其危害程度降至最低。目前，现行的防护措施主要是使用避雷针及并联电容器等来对直击雷以及感应雷所带来的过电压幅值及陡度进行限制。

一、雷电过电压的形成

对于雷电而言，其对大地的放电过程会由先导放电快速发展为主放电阶段，同时会伴随着雷鸣及闪电。而主放电阶段的电流可高达数百千安培，虽然持续时间相当短，但是危害仍相当大，其所具有的冲击特性会在微秒之内迅速上升至最大幅值，其幅值同雷云中所具有的电荷量密切相关，此外，还与雷电频繁程度相关。雷电过电压主要包括如下两种类型：

1.直击雷过电压，此种类型将会直击导线，雷电将在导线上产生巨大的电流及过电压，但是，此电压并非完全施加在电气设备绝缘上，因此，在对雷电过电压危险程度以及防雷设备的防雷保护作用进行估计时，主要以雷电流的幅值及其坡头的陡度为依据进行确定。

2.感应过电压，对于输电线路而言，除直击雷过电压类型以外，还会存在感应过电压类型，一旦出现雷电天气，即时雷电未直接击中输电线路，但是，输电导线仍会感应出大量的束缚电荷，一旦雷云放电结束，此束缚电荷将会以光速飞速朝着导线的两侧进行传播，进而产生极高的感应过电压。因此，此种类型的过电压对于低于35kV的输电线路而言危害性极大。因此，为了避免此种类型的过电压现象，应在建筑物周围进行环形接地网的设置，并且，还应在室内靠近地面的墙面进行公共接地母线的设置。

二、雷电过电压对电气设备的危害

由于雷电也是一种电流，因此，其具有电流有关的一切效应，其特点在于其可在短时间之内以脉冲形式通过极大的电流，特别是直击雷，其峰值可达几十千安，甚至几百千安。因而雷电流具有极其特殊和强大的破坏作用。具体而言，主要体现在如下方面：

1.雷电流所具有的热效应可使被击物体瞬间产生大量的热量，雷电流通过时被击物体的温度可超过10000℃，因此十分容易导致火灾的形成；

2.雷电所形成的激波可在空气中传播，并对建筑物及电气设备带来极大的破坏；

3.由于雷电流的点动力效应因而使得金属导线发生折断，对电力输电线路造成极大的危害；

4.雷电电磁及静电感应又被称为二次雷，对于电气设备的危害虽没有直击雷如此猛烈，但是发生几率很大，可使大范围内的小局部同时产生雷电感应，并通过输电线路传输至较远的地方，因此会扩大雷灾的范围。对于电磁感应而言，其会导致导体产生极大的感应电动势，若此导体存在接触不良的情况，将会直接导致此处过热而着火。而对于静电感应而言，其将会在局部地区形成感应过电压，此种感应过电压将会导致高、低压线路以及建筑物电气设备均产生极高的危险电压，因此危害很大。

三、电气设备中雷电过电压的防护对策研究

（一）采用有效的防雷保护装置

1.避雷针

作为最为熟悉的避雷装置之一，避雷针主要是由金属制成的，其对电气设备及建筑物的防雷效果较高，且接地装置良好。其主要是通过将雷吸引到自身装置中，然后再将其安全有效的导入地下实现防雷避雷的效果的，因此，可确保其周围比他更矮的电气设备及建筑物免受雷电的攻击。避雷针主要包括了接闪器、引下线以及接地体三个组成部分，其具有引雷作用，因而能够对周围物体产生保护作用。对于避雷针而言，其下一定高度内为一个有效的安全区域，此区域中的任何物体基本都不会受到雷电的危害，因而此区域又被称为避雷针保护范围。根据支数的差异，避雷针可分为单支、双支以及多支避雷针。

2.避雷线

避雷线即所谓的架空地线，其是有高空中悬挂的水平接地导线、接地体以及接地引下线等构成。避雷线主要负责对线路进行保护，因此，其保护长度同线路的长度相同。为了提高避雷线的保护作用，必须将避雷线悬挂高一些。作为送电线路中最为基础的一种防雷保护措施，避雷线不仅可以有效避免雷电对导线的直击，还可以借助于避雷线以及接地引下线将雷电安全送至大地中，因此有效避免了雷电所造成的危害。因此，避雷线通常用来对较大规模的发电厂室外配电装置、电气设备以及建筑物等进行避雷保护。

3.阀式避雷器

阀式避雷器是电气设备的其中一种主要的避雷保护装置，其主要是由密封瓷套中所包含的火花间隙同非线性电阻共同构成的。由于阀型避雷器中的火花间隙是多个平板电极之间的单间隙串联。因此，若电气设备中无过电压存在时，火花间隙的对地绝缘强度足够大，当然也不会受到正常电压的影响而被击穿。然而，一旦系统中有过电压情况出现，此时，火花间隙将迅速被击穿，导致电流迅速通过阀片并流入大地中。对于国内的普通阀式避雷器而言，其主要包括FS及FZ两种系列。其中，FZ主要负责进行大容量及中等容量变电所电气设备的防雷保护，而FS主要负责对小容量配电装置中的电气设备进行保护。阀式避雷器的避雷保护原则即对雷电过电压进行限制，并相应地减少阀片的数量和串联单间隙的数量，以实现放电电压的大幅降低。此外，还应从确保系统顺利运行的原则入手，增加阀片以及串联单间隙的数目，以便切实提高避雷器的灭弧电压与放电电压。

4.金属氧化物避雷器

金属氧化物避雷器的特点是流通的容量大、反应动作快、体积小巧、结构简单，而且保护作用特别好，是良好的避雷器。通常金属氧化物避雷器是由氧化锌和压敏电阻构成的。

5.保护间隙

在众多的避雷防护措施中，保护间隙结构最为简单的避雷装置，而且成本较低、维修和养护简单，但是保护设备的性能不高。角型保护间隙是在10kv以下电网中常用的避雷装置，当电气设备出现过电压时，保护间隙会自动放电来保护电气设备。但过电压有可能击穿保护间隙造成工频短路，造成相间短路电弧不能熄灭，必须重合闸装置才可以保护电路和电气设备的安全。

（二）对输电线路的雷电过电压防护策略

输电线路在电力的传输中起着承上启下的作用，如果输电线路遭到了雷电过电压的破坏，过电压会通过输电线路传入到变电设备，甚至传入发电设备，对所有绝缘产生威胁。地下输电线路遭受到雷电过电压的危害较小，而地上输电线路一旦遭到雷电过电压的打击，会发生高温闪络现象。闪络会在电路中形成低阻抗，使电路通道中产生工频电弧，造成断电或者短路。对输电线路的雷电过电压的具体保护措施大致分为以下几类：

1.安装避雷线。避雷线可以避免杆塔、导线等遭到雷电直击，将雷电电流分流并降低塔顶电位对导线的反击概率。此外，避雷线还有耦合作用，使导线耦合，从而减小杆塔与导线的电位差，降低绝缘子过电压。

2.为了防止反击导线的发生，可以通过降低杆塔的接地电阻来降低塔顶在雷击时的点位。

3.增加输电线路的绝缘部分，提升抗雷击能力。

4.使用采用经消弧线圈接地或中性点不接地方式运行，提高线路的耐雷能力。

5.安装管式避雷器。避免线路中绝缘子上的闪络，使绝缘子的冲击放电电压高于管式避雷器的冲击放电电压，从而限制过电压。管式避雷器还有灭弧的作用，降低跳闸率。

6.安装自动重合闸。

（三）对变配电站的雷电过电压防护策略

在变配电站中，通常安装有大量的变电和配电设备，如果雷电侵入到变配电站，雷电过电压会破坏变、配电设备。雷电过电压在输电线路中会发生特性改变，通常会使输电线路的波阻抗不同于电气设备的波阻抗，改变波的行为。因此，变配电站的雷电过电压防护工作特别复杂。为了保证电气设备的安全可以安装阀式避雷器等避雷装置，避雷装置所承受的电压与电气设备电压一致，时刻保护着电气设备的安全，但在实际的变配电站中，不可能做到一个电气设备一个避雷装置，通常是多个设备共用一个避雷装置。

在变配电站，金属氧化物避雷器和阀式避雷器是最常用避雷装置，将避雷设备装到线路中靠近变压器的母线上，对变配电站的电气设备进行过电压保护。在架空输电线路上安装避雷设施可以完成进线段保护措施，降低雷电的电波陡度和电流幅值。由于阀式避雷器通流容量的限制，必须降低雷电电流幅值，从而使电气设备超过避雷装置的电压与雷电波陡度成正比关系。

（四）对建筑物雷电过电压的防护策略

在雷电过程中，雷电电波会通过金属等介质进入建筑物，造成感应过电压。对建筑物内的电气设备造成影响，甚至损害这些电气设备。而且如果这些电气设备正在被使用，雷电过电压还会危害使用者的人身安全，甚至引起火灾的发生。因此，对建筑物的雷电过电压保护应当尽量把建筑物内的金属等导电装置和介质接地，并限制接地的电阻。

1.保护建筑物内电气设备的安全。第一，在建筑物电力线路的进出口处设置避雷装置，降低建筑物内电气设备所承受的雷电过电压。第二，在雷电发生时，避免雷电电流在进入建筑物后产生过电压并对其他物体造成反击放电，所以，在安装电位连接保持各个相邻部位的电位一致。

2.对建筑物内人的保护措施。当雷电通过介质侵入到建筑物时，过电压可能会对人危害，因此，在建筑物安装电位连接等可以较好的避免人受到电击危险。

3.为了避免建筑物内各种电气设备的安全，可以采取接地法保护电气设备的安全。在建筑物内安装不同用途的接地设施，要注意保持接地设施的距离，防止反击现象的出现。通常情况下，建筑物使用基础钢筋作为接地装置，为了保证接地装置之间的距离安全，还要使用共同接地方法。此外，如果采用公共接地的方式，要严格的控制接地电阻的大小，并采取同一套的接地设备。等电位连接的方式主要有局部等电位连接和总等电位连接。局部等电位连接中，应保持某一区域或范围内电位基本一致；总等电位连接中，连接外接导线和建筑物内的电气设备导电部位。

四、结语

在大自然中，雷电的发生通常会形成超高的电压和极大的电流，过电压会对电气设备造成非常大的威胁，破坏电气设备，甚至形成灾害。因此，当雷电过电压产生时，要对电气设备进行防护，安装防雷设施，保证电气设备的正常运行，将雷电过电压对电气设备的危害降到最低。

参考文献

[1]姜祥生，江洪业.电气设备接地装置及其运行维护[J].江苏电机工程，2010（5）：32-36.

[2]周文俊.电气设备使用手册（上、下册）[M].北京：水利电力出版社，2008.

[3]李彦哲，胡彦奎，王果，等.电气化铁道供电系统与设计[M].兰州：兰州大学出版社，2006.

[4]贺威俊，高仕斌，张淑琴.电力牵引供变电技术[M].成都：西南交通大学出版社，2008.

[5]简克良.电力系统分析[M].成都：西南交通大学出版社，2003.