【文章內(nèi)容簡介】 電纜的屏蔽層接地自始至終都只有一個點(diǎn)。這是因?yàn)樵谧冸娬局?，電力裝置里既有模擬的電路還有數(shù)字的電路，所以，數(shù)字設(shè)備和模擬設(shè)備必須應(yīng)該分開，最后它們只能夠具有一個連接點(diǎn)，假如兩者不分開，將會 互相地干擾，嚴(yán)重時甚至可能損壞設(shè)備。 加裝浪涌的二次保護(hù)器 變電站開關(guān)的操作、靜電放電現(xiàn)象及閃電放電時產(chǎn)生的瞬時過電壓可能會對電力設(shè)備造成毀滅性的傷害或者加快它的老化過程。 對于浪涌現(xiàn)象的保護(hù)方法主要是在變電站系統(tǒng)內(nèi)加裝浪涌的二次保護(hù)器。浪涌的二次保護(hù)器是采用同等電位的原理，及時把浪涌電流導(dǎo)入接地系統(tǒng)。當(dāng)系統(tǒng)的過電壓現(xiàn)象發(fā)生時，瞬時的高電壓將會抑制電力二極管 (Rm)作為反應(yīng)速度最快的電力元件首先動作，同時開始泄放巨大的雷電電流，并且把輸出的電壓鉗位控制在它的截止電壓之上，從而十分有效 地防止了巨大的過電壓對于電力設(shè)備的損傷。當(dāng)加在 TVS 里的放電的電流隨著電壓幅值的上升進(jìn)而使得充氣式的放電器 (HFB)兩端放電電壓超過了它的點(diǎn)火電壓 UM 時， GDT 將會瞬時動作，并且也會開始泄放雷電電流。這時， GDT 呈現(xiàn)低阻的狀態(tài)，它的兩端僅僅只有 20~40V 的電弧電壓，所以可以避免因?yàn)檫^電壓的持續(xù)時間長進(jìn)而把 TVS 燒毀。 變電所接閃器 在變電站發(fā)生雷擊之后，防雷系統(tǒng)可以通過直接攔截的方法，引導(dǎo)雷電流進(jìn)入接地網(wǎng)。接閃器有避雷針和避雷線兩種。小型的變電所多數(shù)裝備獨(dú)立的避雷針，大型的變電所通常在變電 所的架構(gòu)上采取避雷針和避雷線，或者把兩者相結(jié)合，并且大型變電所對于引流的線路和接地的裝置都有十分嚴(yán)格的要求。 變電所避雷器 避雷器能夠把侵入變電所中的雷電流降低至電氣裝置的絕緣強(qiáng)度允許范圍以內(nèi)。 我國的變電所避雷器主要采用的是金屬氧化物的避雷路器 (ROA)，西方的國家除了使用 ROA 之外，還在所有的電氣裝置內(nèi)安裝空氣的間隙，并作為 ROA 失效之后的備用設(shè)備。 合理布置避雷裝置的安裝位置 目前，大多數(shù)的 RTU 子站 (或者一體化的微機(jī)二次保護(hù)裝置等 )，大部分安裝在了高壓室的配電開關(guān)柜上，電力 的量測信息通過從高壓配電室接到主控臺的變電站防雷接地技術(shù) 8 通信電纜來傳輸，以 MS525 等接口的方式與 RTU(或這通信 管理 機(jī)器等 )進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送。所以，通信電纜非常容易受到來自于開關(guān)的誤操作、電力負(fù)荷的波動和強(qiáng)電的電纜所產(chǎn)生的巨大電磁場干擾，這些巨大的干擾輕則會增大電力量測信息的誤碼率，重則可能使得 MS525 等數(shù)據(jù)接口發(fā)生損壞。此外，夏天時高壓室里的溫度比較高， RTU 的子站 (或者一體化的微機(jī)二次保護(hù)裝置等 )內(nèi)部因?yàn)闊崃?過高而產(chǎn)生的干擾噪聲現(xiàn)象不容忽視。 針對上面分析的問題，我們可以把 RTU 的子站 (或者一體化的微機(jī)二次保護(hù)裝置等 )在主控臺里集中組屏，這樣做不僅能夠減少物理干擾源 (包括室內(nèi)溫度 )對于電力裝置的影響，還可以改善電力設(shè)備運(yùn)行的環(huán)境，并且能夠方便檢修和試驗(yàn)人員對電力裝置年檢的預(yù)試工作。 二、 變電站接地方式 目前，變電站的接地方式有許多種，比如單點(diǎn)的接地、多點(diǎn)的接地和混合類型的接地等。單點(diǎn)的接地還分為串聯(lián)單點(diǎn)的接地及并聯(lián)單點(diǎn)的接地。一般來講，單點(diǎn)的接地常常用于簡單線路，、以及頻率較低 (f2MHz)的電子 線路。而當(dāng)涉及到高頻 (f20MHz)的電路時，我們應(yīng)該采用多點(diǎn)的接地或者多層板的方式。 雷電保護(hù)接地指為雷電保護(hù)裝置 (避雷針、避雷線和避雷器等 )向大地泄放雷電流而設(shè)的接地。因此，變電站構(gòu)架避雷針（帶 )和避雷器不僅應(yīng)采用雙引下接地方式，還須敷設(shè) 2～ 3 根放射狀垂直接地極與主網(wǎng)相連，以達(dá)到加強(qiáng)對雷電流的分流作用。對于全站接地網(wǎng)， 影響其工頻接地電阻值大小的主要取決于水平接地體，而垂直接地能有效地加強(qiáng)沖擊電流的擴(kuò)散，為避免其相互之間的屏蔽作用，在接地網(wǎng)的邊緣設(shè)置垂直接地極，且垂直接地極相互間的間距應(yīng)大于垂直接 地體長度的 2 倍。 在進(jìn)線構(gòu)架接地引下線地面上方 米處設(shè)置可開斷點(diǎn)， 當(dāng)測量全站接地電阻值時與線路地線將其斷開，保證測量的準(zhǔn)確性。當(dāng)采用 110kV 和 220kV 構(gòu)架避雷針時，該接地裝置與主接地網(wǎng)連接，但地下連接點(diǎn)至主變、 35kV 及以下設(shè)備與主接地網(wǎng)的地下連接點(diǎn)之間，沿接地體的長度不得小于 15m。如因場地狹小，直線距離有困難時可考慮地下接地線彎成蛇形狀。 變電站的直擊雷保護(hù) 直擊雷的影響 直擊雷是指雷雨云對大地和建筑物放電的現(xiàn)象 。 它以強(qiáng)大的沖擊電流、熾熱的溫度、猛烈的沖擊波以及強(qiáng)烈的電磁輻射損壞放電 通道，其最高電流達(dá)200~300kA，一般在 20~40kA，其時間甚短，一般僅為 10~100μs。直接擊在建筑物變電站防雷接地技術(shù) 9 構(gòu)架上，因電效應(yīng)、熱效應(yīng)和雷電沖擊波等作用而造成電力線路、電力系統(tǒng)弱電設(shè)備等損壞。其對弱電設(shè)備的影響主要表現(xiàn)在以下幾個方面： 電效應(yīng)的破壞作用 根據(jù)安培定律，當(dāng) A、 B 平行導(dǎo)體上分別通以電流 1i 、2i （ kA）， A、 B 的距離為 d(m)時 ，每米導(dǎo)線所受的作用力按下式計(jì)算 1021 ?????? iidlF o （ 21） 式中，平行導(dǎo)體的長度 0l 為 1m。 假定雷擊的瞬間兩導(dǎo)體的電流 1i 和 2i 都等于 100kA，兩導(dǎo)體的距離 d 為 50cm，計(jì)算結(jié)果表明，這兩根導(dǎo)體每米都受到 408kg 的力。因此雷擊的時候，由于電動力的作用，也有可能使弱電設(shè)備導(dǎo)線折斷。 同樣對拐彎的導(dǎo)體或金屬構(gòu)件，在拐彎部分也將受到電動力作用，它們之間的夾角越小，受到的電動力越大。當(dāng)拐角的夾角為銳角時受到的作用力最大，鈍角最小。 所以接閃器及其引下線不應(yīng)出現(xiàn)銳角的拐彎，在不得已采用直角拐彎時應(yīng)加強(qiáng)構(gòu)件強(qiáng)度。 熱效應(yīng)的破壞作用 根據(jù)焦耳定律，一次閃擊的雷電流發(fā)出的熱量 Q ?? t dtiRQ 0 2 （ 22） 式中 Q— 發(fā)熱量 ， J； i— 雷電流， A； R— 雷電流通道的電阻，Ω； t— 雷電流持續(xù)的時間， s。 實(shí)際上，雷電流作用的時間很短，散熱影響可以忽略，在電流通路上引起的溫升Δ T 為 mcQT?? （ 23） 式中 Δ T — 溫升， K； m— 雷電流通過的物體質(zhì)量 ， kg； c— 通過雷電流的物體的比熱容， J/kg K。 如果雷電擊在電弱電設(shè)備上，由于雷電流很大，通過的時間極短，被擊得物體瞬間產(chǎn)生巨大熱量，又來不及散發(fā)，將產(chǎn)生巨大的爆炸力。當(dāng)雷電流通過金屬體時，如果金屬體的截面積不夠大時，甚至可使其熔化。因?yàn)橥ǖ赖臏囟瓤筛哌_(dá) 6000℃ ~10000℃ ，甚至更高。因此在雷電流通道上遇到易燃物質(zhì)，可能引起火災(zāi)。 雷電流沖擊波的破壞作用 雷電通道的溫度高達(dá)幾千度至幾萬度，空氣受熱急劇膨脹，并以超聲速度向四周擴(kuò)散，其外圍附近的空氣被強(qiáng)烈壓縮，形成“激波”。被壓縮空氣層 的外界稱變電站防雷接地技術(shù) 10 為“激波波前”?！凹げúㄇ啊钡竭_(dá)的地方，空氣的密度、壓力和溫度都會突然增加?！凹げúㄇ啊边^去后，該區(qū)壓力下降，直到低于大氣壓力。這種“激波”在空氣中傳播，會使其附近的電力線路、電氣設(shè)備受到破壞。 感應(yīng)雷的影響 感應(yīng)雷對弱電設(shè)備的影響主要是指在雷云之間放電或雷云對地之間放電時，在附近的戶外傳輸信號線路、埋地電纜線路、設(shè)備連接線上產(chǎn)生電磁感應(yīng)并侵入設(shè)備，使串聯(lián)在線路之間或線路末端的電子設(shè)備受到損壞。感應(yīng)雷雖不如直擊雷猛烈，但其發(fā)生的概率比直擊雷高得多。 當(dāng)雷云層與層之間以及雷云與大地之間放電時，在放 電通道周圍產(chǎn)生的電磁感應(yīng)、雷電電磁脈沖的輻射以及雷云電場的靜電感應(yīng)，使建筑物上的金屬部件、管道、鋼筋和由室外進(jìn)入室內(nèi)的電源線、信號傳輸線、天線饋線等感應(yīng)出雷電高電壓，并通過這些線路以及進(jìn)入室內(nèi)的管道、電纜等引入室內(nèi)造成電子設(shè)備損壞。顯然感應(yīng)雷危害是大面積的，是危害電子設(shè)備的主要干擾源。 例如，當(dāng)雷擊大地時，在線路產(chǎn)生感應(yīng)過電壓的值可以按下述經(jīng)驗(yàn)公式估算 IbhU cp ??? )/(25 （ 24） 式中 U — 感應(yīng)過電壓， kV； I — 雷電流幅值， kA； b — 雷擊點(diǎn)與導(dǎo)線間的水平距離， m； cph —— 導(dǎo)線平均高度， m。 當(dāng)雷擊電流為 30kA 斜角波，雷云高度為 3km，導(dǎo)線高度為 10m，雷電擊中距 500m 長架空線路中點(diǎn) 100m 處的地面時，則線路上會產(chǎn)生感應(yīng)電壓幅值為 75kV的振蕩波。此振蕩波為電磁感應(yīng)和靜電感應(yīng)共同作用的結(jié)果。雷電感應(yīng)是雷電流的強(qiáng)大電場以及磁場變化時產(chǎn)生的靜電感應(yīng)和電磁感應(yīng)造成的。 靜電感應(yīng) 當(dāng)建筑物頂部或其他導(dǎo)體處于雷云與大地間所形成的電場中時，建筑物頂部或?qū)w上就會聚集極性與雷云下部電荷極性相反的大量電荷。當(dāng)雷云與放電體間的電場強(qiáng) 度超過兩者之間空氣的擊穿強(qiáng)度時，雷云對放電體放電，正、負(fù)電荷在電路中猛烈地中和。雷云放電后，云與大地間的電場突然消失，建筑物頂部或?qū)w上的電荷來不及立即流散，因而產(chǎn)生很高的對地電位差。這個對地電位差稱為靜電感應(yīng)電壓。如果樓頂不采取良好的接地措施，室內(nèi)的設(shè)備即有可能因靜電感應(yīng)電壓而受損。 雷擊時，除建筑物產(chǎn)生很高的感應(yīng)電壓外，在輸電線路和通信線路上同樣會發(fā)生這種現(xiàn)象。由于感應(yīng)電壓極性與雷云極性相反的電荷聚積到一段線路上成為變電站防雷接地技術(shù) 11 束縛電荷。當(dāng)雷云對放電體放電時，雷電通道中的電荷猛烈中和，線路上的束縛電荷變?yōu)樽杂呻姾?并向?qū)Ь€兩邊流動，形成感應(yīng)過電壓波。高壓輸電線路上的感應(yīng)過電壓可達(dá) 300~400kV；一般配電線路和通信線路雖然懸掛高度較低，但雷電流大，感應(yīng)過電壓仍可達(dá)幾十千伏。 電磁感應(yīng) 由于雷電流具有極大的幅值和陡度，在放電通道周圍的空間里會產(chǎn)生強(qiáng)大的變化電磁場。處在這一電磁場中的導(dǎo)體會感應(yīng)出較大的電動勢。如果回路中有些地方接觸不良，就會產(chǎn)生局部發(fā)熱或放電現(xiàn)象。電磁感應(yīng)現(xiàn)象還可以使構(gòu)成閉合回路的金屬物體產(chǎn)生感應(yīng)電流，對設(shè)備或建筑物造成損害。 事實(shí)上，在生產(chǎn)實(shí)踐中雷擊的靜電感應(yīng)破壞力數(shù)倍于電磁感應(yīng)。靜電感應(yīng)還可用雷擊的二次效應(yīng)理論來解釋。帶電雷云飄浮在地表上空，地表帶上極性與雷云極性相反的等量電荷。當(dāng)雷擊過后，雷擊點(diǎn)地表變?yōu)殡姾傻南鄬昭?，周圍高電荷區(qū)域與地電位相對絕緣的導(dǎo)體上的電荷，將導(dǎo)致設(shè)備打火、絕緣受損和電子設(shè)備失效。 避雷針 (線 )是接地的導(dǎo)電物 ， 一般高于被保護(hù)物體 ， 它們的作用就是將雷電吸引到自己身上 ， 安全并迅速地導(dǎo)入地中。避雷針通過自身的高度 ， 在其尖端的高突處形成電場的畸變 ， 在雷云電場的作用下 ， 當(dāng)尖端的電場強(qiáng)度大于空氣電離場強(qiáng)時 ， 開始電離空氣 ， 形成迎面先導(dǎo) ， 并與雷云的雷電先驅(qū)相遇 ， 完成雷擊過程。 為了使 雷電流能夠順利下泄 ， 必須有良好的導(dǎo)電通道。因此 ， 避雷針 (線 )的基本組成部分是接閃器 (引發(fā)雷擊的部位 )、引下線和接地體。 首先介紹相關(guān)方面的知識。 變電站的侵入波保護(hù) 變電站對侵入波的防護(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。 變電站中限制侵入波的主要設(shè)備是 避雷器，它接在變電站的母線上，與被保護(hù)設(shè)備相并聯(lián)，并使所有設(shè)備受到可靠保護(hù)。 避雷器實(shí)質(zhì)上是一種放電器 (或稱限壓器 )， 并聯(lián)在被保護(hù)設(shè)備附近。避雷器 的變電站防雷接地技術(shù) 12 擊穿電壓要比被保護(hù)設(shè)備的低。當(dāng)線路上傳來的過電壓超過避雷器的放電電壓時 ，避雷器會先行放電 ， 把入侵波導(dǎo)入大地 ， 限制設(shè)備上的過電壓 ， 避免電氣設(shè)備絕緣遭擊穿損壞。當(dāng)入侵波消失后 ， 避雷器又能夠自行恢復(fù)絕緣能力 ， 防止工頻接地短路事故的發(fā)生。 目前使用的避雷器主要有四種類型 ， 即保護(hù)間隙、管型避雷器、閥型避雷器和氧化鋅避雷器。前兩種主要用于變電站進(jìn)線段的保護(hù) ， 以限制入侵的大氣 過電壓 ； 后兩者主要用于保護(hù)變壓器或其他電氣設(shè)備 ， 其保護(hù)特性是選擇高壓電力設(shè)備絕緣水平的基礎(chǔ)。為了使避雷器達(dá)到預(yù)期的保護(hù)效果 ， 必須正確選擇和使用避雷器。避雷器的基本要求 ： 避雷器與被保護(hù)設(shè)備之間應(yīng)有合理的伏秒特性的配合 ， 在被保護(hù)物可能擊穿以前 ， 避雷器就已發(fā)生動作 ， 將過電壓波截?cái)?， 從而起到可靠的保護(hù)作用。工程上常用沖擊系數(shù)。來反映伏秒特性的形狀。沖擊系數(shù) a 是指沖 擊放電電壓與工頻放電電壓的比值 ， 其比值越小 ， 伏秒特性越平直 ， 一般希望它接近于 1。因此 ，應(yīng)選用沖擊系數(shù)小的避雷器作為電氣設(shè)備的保護(hù)裝置 ； 當(dāng)瞬間的 雷電過電壓消失后 ， 避雷器能自行截?cái)喙ゎl續(xù)流、恢復(fù)絕緣強(qiáng)度 ，保證電力系統(tǒng)能夠繼續(xù)正常運(yùn)行 ； 具有一定通流容量 ， 且其殘壓應(yīng)低于被保護(hù)設(shè)備的沖擊耐壓值。 變電站的進(jìn)線段保護(hù) 要限制流經(jīng)避雷器的雷電電流幅值和雷電波的波度，就必須對變電站進(jìn)線實(shí)施保護(hù)。當(dāng)線路上出現(xiàn)過電壓時，將有行波導(dǎo)線向變電站運(yùn)動，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，勢必會對線路造成破壞。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。 為了限制流經(jīng)避雷器的雷電流和限制入侵波的陡度，變電所需采用進(jìn)線保護(hù)接線。 一、 35kV 及以上變電所的進(jìn)線段保護(hù) 對于 35~110kV 無避雷線的線路，當(dāng)雷擊于變電所附近線路的導(dǎo)線上時，沿線入侵流經(jīng)避雷器的雷電流可能超過 5kA，而且陡度也可能超過允許值，因此對對于 35~110kV 無避雷線的線路，在靠近變電所的一段進(jìn)線上，必須架設(shè)避雷線，在變電站防雷接地技術(shù) 13 進(jìn)線段內(nèi)出現(xiàn)雷電波的概率大大減小，保證雷電波只能在進(jìn)線段以外出現(xiàn)。 架設(shè)避雷線的這段進(jìn)線稱為變電所進(jìn)線保護(hù)段 未沿全線架設(shè)避雷線的進(jìn)線段保護(hù) 圖 進(jìn)段保護(hù)示意圖 （ 1）閥型避雷器的作用：保護(hù)全所設(shè)備 ； （ 2）避雷線作用：避雷線保護(hù)角很小，在進(jìn)線段內(nèi)不發(fā)生繞擊，雷擊于進(jìn)線段以外的導(dǎo)線上時，導(dǎo)線自身電阻將消耗入侵波能量，來限制入侵波幅值 ； （ 3）管型避雷器 1：限流 ； （ 4）管型避雷器 2：保護(hù)開關(guān)。 二、全線架設(shè)避雷線的變電所進(jìn)線段保護(hù) 圖 全線架設(shè)避雷線的變電所進(jìn)線段保護(hù) 三、 35kV 小容量變電所的簡化進(jìn)線保護(hù) 圖 35kV 小容量變電所的簡化進(jìn)線 保護(hù) 四、用電抗線圈代替進(jìn)線段的保護(hù)接線 圖 用電抗線圈代替進(jìn)線段的保護(hù)接線 變電站防雷接地技術(shù) 14 避雷針與避雷線的保護(hù)范圍的計(jì)算 雷擊只能通過攔截導(dǎo)引措施改變其入地路徑。接閃器有避雷針、避雷線。小變電所大多采用獨(dú)立避雷針，大變電所大多在變電所架構(gòu)上采用避雷針或避雷線，或兩者結(jié)合，對引流線和接地裝置都有嚴(yán)格的要求。 一、避雷針保護(hù)范圍確定 在一定高度的避雷針下面有一個安全區(qū)域 ， 在這個區(qū)域