变电站雷电防护与雷击事故分析

摘要：本文分析了雷击效应及其危害，目前变电站雷电防护主要措施。在此基础上重点分析了防雷接地，并提出了变电站统一采用一个接地体，雷电防护接地不再单独设计接地体的优点。

关键词：雷击变电站放电避雷针接地

大气中出现云块后，云块中快速流动的雾状水颗粒通过互相摩擦会感应出静电，形成带电云层。带电云层之间以及带电云层与地面之间通过摩擦也会产生静电。当他们之间的电位差、距离等达到相应的数值，就会发生放电现象，也就是我们这么文章将要探讨的雷电现象。雷电的形式包括线状、片状和球状三种。雷电电流幅值可达数十至数百kA，但是持续时间极短，只有十到一百毫秒，但是其破坏性极大。线状雷电是变电站发生的雷击事故的主要形式，由于变电站对雷击的防护措施还不健全，一旦发生雷击事故，造成的危害后果就难以挽救。

1 雷击效应及其危害

雷击发生之后，数十至数百kA的雷电电流瞬间侵入大地，静电感应过电压因为地面上的导体和输电线路以及变配电设备与金属管线无法迅速流散感应到的电荷而高达数百千伏。

雷击第一次放电后，后续放电会沿着首次放电的通道以三到四次的频率出现，有时可高达二十余次。之所以这样是由于大气云块以阶跃式方式向大地放电，先驱放电于主放电之前出现。因此，雷击电流幅值极高陡度极大，并且形成系列性的闪电雷电流脉冲，附近金属导体感应到的电磁感应过电压在强大瞬变脉冲磁场的影响下瞬间很高。

导体的热稳定由于高达数百迁安的雷电电流持续时间过长会被破坏，机械强度也会降低。并且静电感应过电压和电磁感应过电压都会造成输电设备绝缘闪络，损坏电气设备的绝缘功能。这些都是诱发二次事故的原因。另外，瞬变脉冲电磁场还会干扰电子和通讯系统，引发微机保护误动和电力调度通信中断事件。

2 变电站雷电防护措施

安装架空地线、避雷器和避雷针是变电站防护雷击的三种主要办法。在架空输电线的上部架设架空地线，并做好接地，是有效防止架空输电线遭受雷击的手段之一。35kV以上的架空输电线都必须架设的架空地线，防止雷击事件发生。避雷器可以吸收雷击后产生的静电感应过电压和电磁感应过电压，安装在变电站的进出线和各段子母线上，可以减少雷击后二次事故的发生。避雷针是有效防护直接雷击的手段，在户外变电站上均应安装避雷针预防直接雷击。在安装之前，必须调研变电站的占地面积、地形地貌以及周围建筑物的高度和分布情况，在此基础上，通过雷电防护设计来计算避雷针的安装数量和位置。户外变电站的避雷针一般都安装在专用铁塔上，避雷针针长为1～2m，采用圆钢时直径应大于20mm。现在市场上出现了许多非常规避雷针，目前还没有通过实践证明其效果和经济性优于常规避雷针，我国及IEC国际防雷标准都没有推荐使用。这一点在雷电防护设计中认真考虑，在变电站雷电防护中更应该引起注意。

避雷针不仅是最有效的防雷击手段，也是最广为人知的防雷手段。早在1752年，富兰克林就通过风筝实验提出避雷针的预想。在此之后，经过长期的实践考验，避雷针得到了很好的应用。避雷针的原理很简单，即有带电云块出现在避雷针上空时，地面上因大气中出现带电云块而感应到的电荷积累到避雷针上，由此形成尖端放电。此时，避雷针是保护范围的最高点，其他物体受避雷针保护则不会受到直接电击。只要设计合理，静电感应过电压和电磁感应过电就会在安全范围以内。由此可以看出，避雷针实际上是通过自身尖端放电引发直接雷击，牺牲自己来达到保护周边物体的目的。所以就不难理解为什么有人要把避雷针更名为引雷针了。但是避雷针的名字已经成为既定事实，并且已成为习惯，改变也有一定问题，只要知道避雷针通过把直接雷击引向自己来保护其保护范围内的物体避免遭受直接雷击就可以了。

3 变电站雷电防护接地

雷电防护接地是指为防止雷击事故，通过一定的技术手段，将直接雷击后产生的数十至数百kA的电流通过引下线接入大地。只有能够在发生直接雷击后，防止产生的静电感应过电压与电磁感应过电压引起危害，才能算是合格的接地。目前国际上通用的接地电阻值设计规范规定为不大于10Ω。接地电阻值越小，直接雷击诱发的静电感应过电压和电磁感应过电压危害越小。比如，雷电电流幅值和接地电阻值分别为60Ω和30Ω时，对地面的电压可达1800kV；当接地电阻值变为10Ω时，对地面的电压则只有600kV。前者产生的跨步电压比后者多了三分之二。由此可见，接地措施的重要性。为了防止雷击的威化扩大，必须做好接地措施并改善不合理的设计，所以变电站的雷电防护接地设计一定要和相关设计规范的要求保持一致。

根据相关机构的统计数据表明，为有效防护变电站雷击发生，可以采取两种有效的方式，一是等电位连接，二是联合接地。等电位联结是指将变电站内的所有非带电的金属导电物体全部连接起来后引向接地体。联合接地则是指变配电站统一采用一个接地体，接地电阻值按照不同接地系统的最小要求进行设计。依照国际惯例，变电站接地电阻值电气设计规范规定为4Ω，这样可以有效减少雷击伤害。

目前，变电站统一采用一个接地体，雷电防护接地不再单独设计接地体，看起来好象很可怕，实际上是有一定科学道理的。假如雷电电流幅值为50千安，采用联合接地后，接地电阻值为4Ω，对地面的电压为200kV。此时通过等电位联结，变电站内的所有非带电的金属导电物体对地电位全部同时升高200kV，各种电源的中性点也接在同一个接地体上，对地电位也同时升高200kV。彼此之间仍然保持原来的电位差。没有产生新的电位差，就不会产生静电感应过电压与电磁感应过电压。

通过上述分析，我们发现采用一个接地体，可以平衡各个位置的电压，遏制新的电位差的形成，从而就遏制了静电感应过电压和电磁感应过电压的形成，最终有效防止了雷击事故损害的出现。

4 变电站雷击事故分析

河北省保定市安新县供电局现有的10座35kV变电站，两座110 kV变电站，均为户外变电站。雷电防护措施主要采用避雷针与避雷器，户外照明采用探照灯。2000年7月西地35kV变电站一只避雷针遭受直接雷击，变电站内所有变配电站综合自动化（微机保护）装置电源板全部被损坏。变电站处于无保护运行。这是安新县供电局有史以来最大的一次自然灾害造成的重大事故。

经过调查分析后发现，探照灯除安装在附近建筑物上以外，其他都安装在避雷针铁塔上。安装在避雷针铁塔上的户外照明探照灯的电源容易引起户内交流电源屏。避雷针在遭受直接雷击后，强大的雷电电流在探照灯的电源电缆上引起非常高的电磁感应过电压。电磁感应过电压由探照灯的电源电缆进入户内交流电源屏，变电站综合自动化（微机保护）装置电源也引入此户内交流电源屏，从而造成变电站综合自动化（微机保护）装置电源置电源板全部被损坏的严重事故。

5 结束语

众所周知，雷击事故是一种不可抗拒的自然灾害，我们没有能力让它不发生，但是我们可以减少它对我们的伤害。通过安装架空地线、避雷器和避雷针等有效防雷击设备，可以在很大程度上预防和减少雷击事件的发生，保护生命和财产安全。但是因为雷击事故一旦发生就会造成极大的危害，所以首先要从设计和施工安装上做好雷电防护，并且要认真的进行日常维护。做到早发现早处理，预防为主。尽量减少事故发生。