夏珺 张博 郭建伟
华能沁北发电有限责任公司，河南 济源459000
摘 要：雷电一直是危害电力系统安全稳定运行的重要因素之一，雷电侵入波过电压是引发变电站雷害事故的主要原因。变电站内主要电气设备的内绝缘大多没有恢复能力，万一遭雷害损坏，修复起来十分困难，势必造成严重的后果，因此有必要对变电站进行雷击相关的研究，进行防雷保护。本文介绍了变电站的各种防雷措施及其优缺点，并在此基础上对今后变电站防雷技术的研究方向和重难点技术攻克进行了展望。
关键词：过电压；变电站；防雷保护
0 引言
我国社会经济的发展，电能的需求量日益增大，大型火电站、核电站的建设和发展大大加快。处于保护环境的需要，同时考虑到一次能源的地理位置限制，这些大型发电站的建设往往远离负荷中心，从而促使了电力系统向远距离、大容量、超高压方向发展。随着电网容量的增加，电压等级不断提高，变电站作为当前和以后我国电力系统的枢纽站，一旦遭受雷电灾害而被迫停电，将会对用户的生产、生活造成巨大损失，所以变电站在电网中具有极其重要的地位，对变电站雷电过电压的保护研究也是具有特别重要的实践价值。本文根据变电站雷击过电压的主要来源，系统介绍了变电站侵入雷电波防护措施,并分析了避雷器的保护原理和避雷器装设的原则。
1 变电站内避雷器的保护作用
合理配置避雷器的数量和位置，将侵入变电站的雷电波降低到电气装置绝缘强度允许值以内。根据《电力设备过电压保护设计技术规程》的要求，变电站的每组母线上都应安装避雷器。避雷器的安装位置要尽可能靠近变压器，也要兼顾其他的设备。如果一组避雷器不能满足要求，建议增设避雷器[4]。
只要设备离避雷器有一段距离，则设备上所受冲击电压的最大值必然要高于避雷器的残压。冲击电压的最大值Us可表示，Us=Ub.5+2aL×L×k，式中，L为设备与避雷器之间的电气距离；aL为雷电波空间陡度，kV/m；Ub.5为当流经避雷器电流为5 kA时对应的避雷器残压，kV；K为考虑设备电容而引入的系数。变电站内设备距避雷器的最大允许电气距离Lm就是根据进线段以外落雷的条件下求得的，这样就可保证进线外落雷时变电所不会发生事故。
2 变电站防护措施
2.2 变电站的进线段防护
进线段保护是指在临近变电站1～2 km的一段线路架设避雷线，限制流经变电站内避雷器的雷电流的幅值和陡度，保护电气设备不受损坏。变电所的主要危险是进线段内的架空线路遭雷击，反击或绕击，引起雷电侵入波。如果没有架设避雷线，当线路上出现过电压时，将有行波沿线路向变电站运动，其幅值不超过线路的冲击放电电压，但变电站的冲击耐压要比线路的冲击耐受电压要低很多，流经避雷器的雷电流幅值和陡度可能会超过允许值，使得避雷器上的残压超过电气设备的绝缘耐受，对变电站造成破坏。
对于35 kV的小容量变电所：可根据其重要性和雷电活动强度等情况采取简化的进线保护。对35 kV变电站，若进线段装设避雷线有困难，或进线杆塔接地电阻很难降低，满足不了耐雷水平的要求，可在进线段的终端杆上安装一组1000μH左右的电抗线圈来代替进线保护段，此电感线圈既能减小流过避雷器的雷电流，又能降低侵人波的陡度。
35 kV及以上电缆段的变电所进线段保护：变电所进出线都有采用电缆的，应在电缆与架空线的连接处应装避雷器。因为电缆首端的架空线终端杆塔反击时，电缆末端电压升高，导致变电站内较高的过电压水平。当电缆长度超过50m，且断路器在雨季可能经常断路运行，为了抑制断路器断口过电压，应在电缆末端也装设避雷器。此外，靠近电缆段的1 km架空线路上还应架设避雷线保护[5]。
变电站内所有电气设备距避雷器的最大允许电气距离都按进线保护段外落雷进行设计的，一旦进线段落雷将可能导致变电站内断路器、互感器等重要设备损坏。所以建议在雷电频繁地区。减小进线段避雷线的保护角，使之为0o或负，以减少进线段的绕击概率。
2.3 进线断路器的防护
在雷雨季节，进线断路器或隔离开关可能经常开断。当断路器跳闸后重合前雷电波沿线路入侵，会在断口产生过电压引起断路器绝缘闪络甚至爆炸。2005年线路热备用期间断路器断口受雷电波人侵引起断路器爆炸事故在广西曾发生两起。建议在变电站内所有线路进线端加装线路避雷器或间隙保护断路器。间隙放电分散性大。动作时相当于线路短路对系统有一定冲击．保护效果不如线路避雷器，但间隙较廉价而且维护方便。据了解欧洲大部分国家新建变电站时在所有线路进线端加装线路避雷器。
2.4 变压器的防护
变压器是变电站的重要设备，其防雷除了在各侧绕组装设避雷器保护，还必须考虑其中性点的保护。DL/T 620—1997规定，35～60 kV变压器中性点一般不需保护，但对110kV且为单进线的变电站，宜在中性点上加装避雷器。对于中性点直接接地系统，如110kV及以上系统，其中一部分变压器的中性点是不接地的，这些变压器往往是分级绝缘，即变压器中性点绝缘水平要比相线首端低得多，所以需在中性点上加装无间隙金属氧化物避雷器、间隙或无间隙金属氧化物与间隙配合保护。有关研究资料表明，变压器入口处加装避雷器对限制中性点过电压没有明显效果；提高变压器中性点避雷的通流容量对限制中性点过电压效果较好。
2.5 电抗器的防护
对敞开式500kV以上变电站，因为站内各设备相距较远，进线避雷器、主变避雷器仅能保护其附近的电气设备，其它设备不能得到它们的保护，所以在进线母线上加装电站型避雷器；但是电抗器入口电容较大，过电压水平仍大大超过电抗器的绝缘耐受电压，所以对电抗器要有特别的保护。有研究资料计算结果表明，效果最好的是进线、电抗器均装设避雷器；其次是在电抗器侧装设避雷器，而进线不装设避雷器；而仅在进线装设避雷器则很难保护到电抗器。
2.6 利用空心电抗器进行变电站防雷
空心电抗器实质为一电感，根据电磁感应定律U=Ldi/dt，电感起阻碍电流变化的作用。故快速瞬变雷电流在流过空心电抗器时，幅值和陡度就会被削减。因此，可以考虑利用空心电抗器进行变电站防雷，将空心电抗器安装在变电站输电线路的出口处的出线龙门架上，根据实际情况装三相或只装两边相。
长期运行和测试证明对变电站防雷具有很好的作用，在变电站雷害严重的地区和对防雷要求较高的场所，如矿井、油库等线路可以考虑采用该方法。
3 总结与展望
由于雷电活动的随机性、分散性而使落雷地点和雷电参数等难以掌握，因而难以全面而科学地分析雷击线路跳闸事故，并提出相应的解决方法。在确定高压输电线路和变电站的防雷方案时，应全面考虑输电线路和变电站的重要程度和系统运行方式，以及所处地区雷电活动的强弱，地形地貌的特点及土壤电阻率的高低等条件。根据技术经济比较的结果，因地制宜，采取合理的综合防雷保护措施，是今后防雷保护的一个主要研究方向。对于很多地理位置特殊的输电线路，如山区、农村旷野、高原地区，地形地势复杂，雷电活动频繁，易于发生雷击。为了充分发挥变电站中防雷设备的保护作用，变电站应有良好的接地系统。变电站的接地系统集防雷接地、工作接地、保护接地于一身，故有一系列技术要求，在设计和安装时应予以充分注意，运行中也要十分重视接地系统的完好性。所以进一步研究和完善适合于特殊地理环境的防雷新技术是防雷保护的又一主要研究方向。
参考文献
[1] 胡常洲．变电站元件保护配置设计与整定计算研究[D]，武汉：华中科技大学，2008，06.
[2] 胡劲松．贝杰龙算法在墨江500k V变电站雷击过电压计算中的应用[D]．[硕士学位论文]．成都：四川大学，2005．
[3] 邱毓昌，施围，张文元．高电压工程[M]．西安：西安交通大学出版社，1995.
[4] ROY B，CARPENTER R，Auer A．Lightning and Surge Protection of Substations[J]．IEEE，199h Ch3002—3 B6.
[5] 贺体龙．变电所防雷保护的探讨[J]．电力电气专刊，2007(2)：49—50.
[6] 罗真海，何金良．爆破接地技术在降低杆接地装置接地电阻中的应用[J]．中国电力，1999，32(6)：51.