黃 德 建

(四川水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院 ，四川 都江堰 611830)

1 概 述

極端天氣是指天氣狀態(tài)嚴(yán)重偏離其平均態(tài)，在統(tǒng)計(jì)意義上屬于不易發(fā)生的事件，一般系指50 a及以上一遇的小概率事件，如強(qiáng)臺(tái)風(fēng)、強(qiáng)降水、高溫干旱、低溫冷害、強(qiáng)雷電、強(qiáng)對(duì)流災(zāi)害性天氣等。近年來，這些極端天氣發(fā)生的頻率和強(qiáng)度、持續(xù)時(shí)間、地點(diǎn)和范圍都呈現(xiàn)不斷增多、增強(qiáng)的趨勢(shì)，預(yù)計(jì)今后這種極端事件的出現(xiàn)將更加頻繁。目前極端天氣頻繁發(fā)生的主要原因是：由于全球變暖后蒸發(fā)量加大、水循環(huán)速率加快等，大氣中能量分布會(huì)發(fā)生變化，從而造成極端事件偏多。據(jù)物理學(xué)家組織網(wǎng)近日?qǐng)?bào)道，以色列特拉維夫大學(xué)的研究人員預(yù)測，地球平均每升溫1 ℃，雷電活動(dòng)將會(huì)增加約10%。因此，研究極端天氣變化下雷電對(duì)變電站的影響、加強(qiáng)對(duì)變電站的防雷保護(hù)，提高變電站防雷措施標(biāo)準(zhǔn)是我們目前必須面臨的問題。據(jù)了解，全國某些地區(qū)的某些變電站已經(jīng)遭受到強(qiáng)雷電的危害，嚴(yán)重影響到這些變電站的正常運(yùn)行，造成了很大的損失。

2 正常防雷保護(hù)措施已經(jīng)不能防護(hù)的案例及原因分析

(1)四川省攀枝花市YB縣SY110 kV變電站地處雅礱江邊，在二灘水電站未建成之前，幾乎沒有發(fā)生過雷擊事故；當(dāng)二灘水電站建成之后，水庫蓄水使水位大大抬高，該變電站周圍的水域面積加大，加之攀枝花市氣溫很高，周圍為高山，從而造成變電站周圍氣溫高、濕度大，為強(qiáng)雷電創(chuàng)造了條件，其結(jié)果是該變電站經(jīng)常遭到強(qiáng)雷電的損壞，自從二灘水電站建成之后發(fā)生過多起雷擊事故，嚴(yán)重的一次是當(dāng)線路上落雷時(shí)，雷電侵入波沿著線路向變電站襲來，首先將母線避雷器擊穿、碎裂，雷電再繼續(xù)將變壓器的絕緣擊穿，導(dǎo)致主變壓器嚴(yán)重?fù)p壞而造成該變電站停電時(shí)間很長，損失很大；另外，該變電站還多次發(fā)生過這種形式的雷擊事故——在避雷針保護(hù)范圍內(nèi)，雷電擊穿保護(hù)范圍到地面的現(xiàn)象。經(jīng)檢查，該變電站的防雷設(shè)施及防雷接地電阻等均符合標(biāo)準(zhǔn)，其主要原因是局部的雷電太強(qiáng)大，按照正常的防雷保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)保護(hù)不了變電站的設(shè)備，因此，必須要改進(jìn)防護(hù)設(shè)施，提高防雷保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)。

(2)近年來，寧波電網(wǎng)也發(fā)生過多起雷擊高壓開關(guān)事故，如2004年8月寧波凇浦變鎮(zhèn)松2304開關(guān)C相被擊穿,2005年8月寧波潘橋變天橋4478開關(guān)C相被擊穿。兩起雷擊均引起開關(guān)失靈保護(hù)動(dòng)作，跳開所連母線上的其它220 kV開關(guān)。其原因是開關(guān)遭連續(xù)雷擊。開關(guān)第一次雷擊跳閘，線路側(cè)與母線避雷器失去連接，在開關(guān)自動(dòng)重合之前，線路再次遭受雷擊，雷電波侵入變電站，由于此時(shí)開關(guān)線路側(cè)失去了避雷器的保護(hù)，侵入雷電波在開關(guān)斷口處發(fā)生全反射，雷電幅值加倍，大大超出開關(guān)設(shè)備的雷電沖擊耐受水平標(biāo)準(zhǔn)，從而導(dǎo)致開關(guān)斷口擊穿。這些事例說明，受強(qiáng)雷電的影響，對(duì)于按正常的防雷保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)不能完善的保護(hù)設(shè)備，應(yīng)該考慮改進(jìn)防雷防護(hù)措施，提高防雷保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)。

據(jù)了解，近年來重慶市夏天的雷電非常強(qiáng)，雷電流幅值超過200 kA的情況發(fā)生過多次。而我們?cè)谡７治鲇?jì)算時(shí)，一般取雷電流幅值為150 kA，這顯然是不夠的。隨著全球氣候變暖，氣溫繼續(xù)提高，局部地區(qū)的雷電必然會(huì)繼續(xù)加大。因此，應(yīng)該考慮改進(jìn)防雷保護(hù)設(shè)施，提高防雷保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)，加強(qiáng)對(duì)變電站的防雷保護(hù)，提高變電站的防雷標(biāo)準(zhǔn)。

3 在強(qiáng)雷電作用下變電站防雷保護(hù)措施存在不足

3.1 避雷針的高度和防止反擊距離存在不足

為了防止雷直擊于變電站，一般采用避雷針或避雷線進(jìn)行保護(hù)，并且避雷針(線)與被保護(hù)物(包括各種電氣設(shè)備、高大建筑、貯油罐等)之間的距離應(yīng)滿足以下兩個(gè)基本原則：

(1)應(yīng)將發(fā)電廠、變電站內(nèi)的所有被保護(hù)設(shè)備置于避雷針(線)的保護(hù)范圍以內(nèi)，以免其遭受直接雷擊。從上述案例1雷電擊穿保護(hù)范圍到地面的現(xiàn)象可以看出：在強(qiáng)雷電作用下，正常的保護(hù)范圍還需要擴(kuò)大，以抵抗強(qiáng)雷電的擊穿。

(2)防止雷擊避雷針引起的反擊事故。避雷針與附近金屬導(dǎo)體間必須有一定距離，從而使絕緣介質(zhì)閃絡(luò)電壓大于反擊電壓。但是，在強(qiáng)雷電的作用下其反擊距離應(yīng)該加大。具體分析如下：圖 1中避雷針上距該設(shè)施最近的A點(diǎn)的電位uk：

uk=150Rch+1.3h×57.7 =150Rch+75h

圖1 獨(dú)立避雷針與附近設(shè)施的最小距離示意圖

正常情況下，當(dāng)防雷接地電阻Rch取10 Ω時(shí)，Sk≥0.3×10+0.1h=3+0.1h

一般情況下，Sk不應(yīng)小于 5 m，亦可以算出Sd不應(yīng)小于3 m。在條件許可時(shí)，該距離還可以適當(dāng)增大。

當(dāng)極端天氣出現(xiàn)時(shí)，雷電流值iL的幅值不是150 kA，而是超過了200 kA，空氣的耐壓強(qiáng)度亦受周圍電場分布、海拔、氣壓、濕度、溫度等各種因素的影響，可能不再是750 kV /m和500 kV /m，亦有可能減小。

按雷電流值iL的幅值為200 kA，其他因素不變，對(duì)其進(jìn)行計(jì)算：

強(qiáng)雷電情況下，當(dāng)防雷接地電阻Rch取10 Ω時(shí)，Sk≥0.4×10+0.13h=4+0.13h

Sk要比原來雷電流情況下大1 m多。

因此，在強(qiáng)雷電作用下，為了降低避雷針承受雷電流時(shí)所造成的感應(yīng)過電壓的影響，對(duì)于避雷針(線)與被保護(hù)設(shè)備的距離若仍采用原標(biāo)準(zhǔn)：Sk不應(yīng)小于 5 m，Sd不應(yīng)小于 3 m，顯然是不夠的。

3.2 裝設(shè)避雷器

利用避雷器限制雷電侵入波過電壓的數(shù)值是變電站采取的防雷保護(hù)的基本措施之一。變電站有很多電氣設(shè)備，一般將避雷器裝在母線上，對(duì)有可能分段運(yùn)行的母線在每個(gè)母線分段上均應(yīng)裝設(shè)避雷器，并希望母線上的避雷器能保護(hù)接到母線上所有的電氣設(shè)備。在強(qiáng)雷電的影響下，變電站的一些設(shè)備經(jīng)常遭到破壞。因此，是否可以增加設(shè)置避雷器的地點(diǎn)和數(shù)量呢？

3.3 進(jìn)線段保護(hù)存在不足

除了直擊雷防護(hù)以外，當(dāng)線路上落雷時(shí)，雷電進(jìn)行波會(huì)沿著線路向變電站襲來。由于線路的絕緣水平很高，侵入變電站的侵入波幅值往往很高，極有可能使主變壓器和其它電器設(shè)備發(fā)生絕緣損壞事故。如果是終端變電站，則雷電波到達(dá)變電站時(shí)其電壓還會(huì)因反射而升高，其危險(xiǎn)性更大。此外，由于變電站和線路直接相連，線路分布廣，長度大，遭到雷擊的機(jī)會(huì)很多，而進(jìn)線段保護(hù)的作用就是為了限制沿線路侵入變電站的雷電流幅值不超過5 kA，陡度不超過允許值。進(jìn)線段保護(hù)的接線情況見圖2。在強(qiáng)雷電的影響下，進(jìn)線段是否還能夠達(dá)到限制沿線路侵入變電站的雷電流幅值不超過5 kA、陡度不超過允許值就不一定了。從案例1可以看出，侵入波過電壓經(jīng)過進(jìn)線段后仍將避雷器和主變壓器損壞，其侵入變電站的雷電流很大。

(a)未裝設(shè)避雷線的變電站進(jìn)線保護(hù)接線

(b)全線有避雷線的變電站進(jìn)線保護(hù)接線圖2 35 kV及以上變電站進(jìn)線段保護(hù)接線示意圖

目前變電所 (站) 進(jìn)線段的標(biāo)準(zhǔn)保護(hù)接線為： 在木桿或鋼筋混凝土桿木橫擔(dān)線路進(jìn)線保護(hù)段首端應(yīng)裝設(shè)一組管式避雷器 F3(圖2)，其工頻接地電阻一般不大于 10 Ω；鐵塔和鋼筋混凝土桿鐵橫擔(dān)線路以及全線以避雷線保護(hù)的線路，其進(jìn)線保護(hù)段首端不需裝設(shè)管式避雷器 F3 。35 ～ 110 kV 變電所 (站) 進(jìn)出線的隔離開關(guān)或斷路器在雷雨季中可能經(jīng)常斷開，其線路側(cè)帶有電壓時(shí)，必須在變電所(站)進(jìn)口處裝設(shè)一組避雷器 F2，并應(yīng)盡量靠近被保護(hù)設(shè)備。 對(duì)于避雷器F2的設(shè)置，目前常常采用管型避雷器，設(shè)置的原則是：只有在斷路器或隔離開關(guān)處于開路狀態(tài)、線路側(cè)又有工頻電源時(shí)才需裝設(shè)；F2的外間隙整定值應(yīng)使其在斷路器開路時(shí)能可靠地動(dòng)作，以保護(hù)斷路器或隔離開關(guān)；而在斷路器閉合時(shí)不應(yīng)動(dòng)作，即此時(shí)應(yīng)在變電站閥型避雷器保護(hù)范圍之內(nèi)。在強(qiáng)雷電的影響下，如前述寧波電網(wǎng)發(fā)生多起雷擊高壓開關(guān)事故，避雷器F2是必須設(shè)置的。

4 改進(jìn)后的變電站防雷保護(hù)措施

在強(qiáng)雷電的影響下，目前變電站的防雷保護(hù)措施是不完善的，應(yīng)該考慮改進(jìn)防雷防護(hù)設(shè)施并提高防雷保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)，加強(qiáng)對(duì)變電站的防雷保護(hù)，提高變電站的防雷措施。筆者建議：

(1) 適當(dāng)增加避雷針的高度，擴(kuò)大避雷針的保護(hù)范圍。

適當(dāng)增加避雷針的高度，擴(kuò)大避雷針的保護(hù)范圍，使被保護(hù)設(shè)備或物體的邊緣距離避雷針的保護(hù)范圍邊緣要有適當(dāng)?shù)木嚯x，嚴(yán)重的地區(qū)可以讓避雷針的保護(hù)范圍邊緣高出被保護(hù)設(shè)備邊緣5 m以上，雷擊保護(hù)范圍的可能性就會(huì)大大降低。

另外，為了防止反擊事故，通過前面的分析可知： 建于強(qiáng)雷電地區(qū)的變電站，建議Sk不應(yīng)小于 6 m，Sd不應(yīng)小于 4 m。在條件許可時(shí)，該距離還可以根據(jù)具體情況適當(dāng)增加一些。

(2)采用在進(jìn)線段加電纜進(jìn)出線、再加避雷器的方式進(jìn)行保護(hù)。

在強(qiáng)雷電的影響下，為了限制沿線路侵入變電站侵入波過電壓的危害，采用在進(jìn)線段加電纜、進(jìn)出線再加避雷器的保護(hù)方式(圖3)。圖3(a)為采用進(jìn)線段加三芯電纜進(jìn)出線、再加避雷器的保護(hù)接線。圖3(b)為單芯電纜，將架空線與電纜連接處的金屬護(hù)套接地，另一端的金屬護(hù)套需經(jīng)保護(hù)器或間隙[圖 3(b)中的 FV]接地。

首先，利用進(jìn)線段的保護(hù)作用限制沿線路侵入變電站侵入波過電壓的幅值和陡度，盡量減小其危害，當(dāng)雷電波入侵時(shí)，避雷器F4或F3動(dòng)作，電纜芯線和電纜外皮經(jīng)避雷器F3短接在一起，雷電流流過避雷器F3和接地電阻R(F3處)所形成的電壓降同時(shí)作用在電纜芯線和電纜外皮上，沿電纜芯和電纜外皮分兩路流向變壓器側(cè)，由于流過電纜外皮所產(chǎn)生的磁通全部與電纜芯交鏈(由于電纜芯被電纜外皮所包圍)，在芯線上感應(yīng)出接近等量的反電勢(shì)阻止芯線中電流流向變壓器側(cè)，進(jìn)而大大地減小了流向變壓器側(cè)的雷電流，亦減小了流過避雷器F1的雷電流。由上述分析可以看出，這段電纜的限流作用完全依靠避雷器F3動(dòng)作。由于電纜的對(duì)地電容比架空線的電容大得多，從架空線入侵的雷電波遇到電纜時(shí)的電壓立即降低，可以使避雷器F3難以動(dòng)作。為了保證避雷器F3可靠動(dòng)作，發(fā)揮電纜外皮的作用，在距離避雷器F3前70 m的地方安裝避雷器F4，避雷器F4的接地線平行架設(shè)在導(dǎo)線下方，并與電纜首端的金屬外皮和裝設(shè)避雷器F3的接地線連接在一起后接地。由于避雷器F4距電纜有一段距離，不至于因電纜的電容作用而影響其動(dòng)作，所以，當(dāng)雷電波到達(dá)避雷器F4時(shí)其已經(jīng)動(dòng)作，而雷電流經(jīng)過伸長地線產(chǎn)生了很大的壓降，該壓降加在避雷器F3兩端迫使避雷器F3動(dòng)作。F2的作用與前面類似。

圖3 采用在進(jìn)線段加電纜、進(jìn)出線再加避雷器的保護(hù)措施示意圖

5 結(jié) 語

隨著全球氣候的變暖，極端天氣必然增加，雷電活動(dòng)必然增強(qiáng)，強(qiáng)雷電對(duì)變電站的影響越來越大，為此，我們應(yīng)當(dāng)考慮改進(jìn)防雷保護(hù)設(shè)施，提高防雷保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)，加強(qiáng)對(duì)變電站的防雷保護(hù)。雷電現(xiàn)象是一種長期的自然現(xiàn)象，在長期的防治雷電過程中，我們應(yīng)當(dāng)不斷研究總結(jié)出更好的防雷方法，不斷創(chuàng)新更好的防雷技術(shù)。筆者提出了具體的看法，其中一些細(xì)節(jié)還需要不斷進(jìn)行研究，不足之處望指正。謝謝！