基于變電站自身特點(diǎn)的防雷接地設(shè)計(jì)思路
摘 要：作為現(xiàn)代電力系統(tǒng)的主要組成部分，變電站是多條線路、電力系統(tǒng)的中間環(huán)節(jié)和樞紐，一旦變電站遭到雷擊，則可能會(huì)導(dǎo)致大面積的嚴(yán)重停電現(xiàn)象，甚至?xí)䦟?duì)整個(gè)電網(wǎng)形產(chǎn)生致命性的危害。對(duì)于變電站接地系統(tǒng)而言，其設(shè)計(jì)的合理與否關(guān)系著人們的生命和財(cái)產(chǎn)安全，尤其是近年來(lái)國(guó)內(nèi)電力系統(tǒng)發(fā)展規(guī)模在不斷的擴(kuò)大，變電站防雷接地系統(tǒng)設(shè)計(jì)變得更為復(fù)雜。本文將以某變電站雷擊事件為例，對(duì)變電站防雷接地設(shè)計(jì)方法、原則等進(jìn)行分析，以供參考。
關(guān)鍵詞：變電站,雷擊事故,防雷接地設(shè)計(jì),研究
對(duì)于變電站來(lái)說(shuō)，而且基于其自身特點(diǎn)的考慮，接地設(shè)計(jì)過(guò)程中主要包括工作、保護(hù)以及雷電保護(hù)等幾種接地類型。其中，工作接地就是電力系統(tǒng)中的相關(guān)電氣設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中，所需要的接地防護(hù)設(shè)計(jì);對(duì)于保護(hù)接地設(shè)計(jì)而言，其主要是電氣設(shè)備金屬外殼、線路桿塔以及配電裝置構(gòu)架等，因絕緣損壞一般會(huì)帶電，所以為有效防范危及人身財(cái)產(chǎn)安全而進(jìn)行接地設(shè)計(jì);對(duì)于雷電保護(hù)接地設(shè)計(jì)過(guò)程中，其主要是為雷電保護(hù)設(shè)備向大地有效泄放過(guò)電流、電壓而設(shè)計(jì)的接地。實(shí)踐中可以看到，變電站接地網(wǎng)安全與否，除對(duì)接地阻抗提出了較高的要求外，同時(shí)還對(duì)地網(wǎng)自身的結(jié)構(gòu)、應(yīng)用壽命以及接觸電位差和跨步電位差等提出了新的要求。變電站防雷接地設(shè)計(jì)，關(guān)系著整個(gè)電網(wǎng)系統(tǒng)的正常運(yùn)行，同時(shí)也關(guān)系著人們的生產(chǎn)生活，因此加強(qiáng)對(duì)該問(wèn)題的研究，具有非常重大的現(xiàn)實(shí)意義。
1變電站雷擊事件
近年來(lái)，隨著變電站及電網(wǎng)系統(tǒng)建設(shè)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，國(guó)內(nèi)變電站數(shù)量不斷增多，實(shí)踐中會(huì)看到一些變電站遭雷擊事件。比如，2011年8月18日5時(shí)30分，110kV四川某變電站35kV線路因受雷擊線路造成保護(hù)裝置動(dòng)作跳閘，同時(shí)跳閘的還有502、530開(kāi)關(guān)，#547間隔內(nèi)出現(xiàn)燒損現(xiàn)象。檢查#547開(kāi)關(guān)柜后發(fā)現(xiàn)，斷路器燒毀嚴(yán)重，三相斷路器支柱絕緣子、絕緣拉桿均被燒黑，滅弧室上端接線處已被弧光燒融。 一次雷電襲擊事故中， 35kV的變電站避雷針遭直擊，該變電站中的全部變配電站綜合自動(dòng)化，保護(hù)微機(jī)保護(hù)設(shè)備裝置電源板等，全部被雷電擊壞;此時(shí)，整個(gè)變電站系統(tǒng)處于無(wú)保護(hù)狀態(tài)。
事后調(diào)查發(fā)現(xiàn)，該變電站內(nèi)的探照燈除少量安了附近的建筑結(jié)構(gòu)上，其余多數(shù)均安在了設(shè)有避雷針的鐵塔結(jié)構(gòu)之上。避雷針鐵塔上安裝的戶外照明探照燈電源，很容易導(dǎo)致戶內(nèi)交流電源屏。當(dāng)避雷針遭雷電直擊時(shí)，強(qiáng)大的雷電流會(huì)通過(guò)探照燈電源以及電纜，進(jìn)而形成較強(qiáng)的電磁感應(yīng)過(guò)電壓;這些電磁感應(yīng)產(chǎn)生的電壓經(jīng)過(guò)探照燈電源電纜等，直接進(jìn)入到戶內(nèi)的交流電源屏，同時(shí)變電站綜合 自動(dòng)化裝置電源隨之引入到交流電源屏，進(jìn)而導(dǎo)致變電站綜合自動(dòng)化裝置電源置電源板完全受損。該起事故，造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失，同時(shí)也影響用戶的生產(chǎn)生活。諸如此類的雷電事屢見(jiàn)不鮮，同時(shí)也為我們敲響了警鐘，要求在變電站防雷接地設(shè)計(jì)上多下功夫。
2變電站雷擊原因分析
基于以上分析，筆者認(rèn)為各類型的防雷裝置均需可靠的接地措施才能充分發(fā)揮自身的作用和價(jià)值，因此接地設(shè)備自身的不可靠性，可能成為雷擊事故產(chǎn)生的最主要原因之一。同時(shí)，影響變電站接地網(wǎng)、裝置的因素也表現(xiàn)出多樣化的特點(diǎn)，具體可從以下幾個(gè)方面認(rèn)知。
首先，變電站防雷接地設(shè)計(jì)方面，嚴(yán)重忽視了變電站地網(wǎng)電位的均衡性考慮。在變電站接地系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中，重點(diǎn)需要考慮的是如何才能有效的將接地電阻降下來(lái)，最大限度的減輕或避免接地電壓、以及跨步電壓等對(duì)人身造成的傷害。從實(shí)踐來(lái)看，由于變電站地網(wǎng)電流密度存在著分布不均、變電站所在地點(diǎn)電阻率不等以及設(shè)備地線過(guò)長(zhǎng)等問(wèn)題，因此在地網(wǎng)中還存在著一些局部電位差問(wèn)題。通過(guò)均衡實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，變電站接地故障位置的電位通常比地網(wǎng)邊緣電位要高一些。近年來(lái)，隨著電網(wǎng)系統(tǒng)的容量不斷增大，變電站故障電流也隨之增大，這將導(dǎo)致故障位置、主地網(wǎng)電位差增高，嚴(yán)重時(shí)可能會(huì)達(dá)到數(shù)千伏。該種現(xiàn)象的存在，可能會(huì)對(duì)直流系統(tǒng)、二次回路等產(chǎn)生非常嚴(yán)重的危害。
其次，變電站接地裝置施工建設(shè)過(guò)程中，可能會(huì)出現(xiàn)機(jī)械性的損傷問(wèn)題，或者因電氣設(shè)備出現(xiàn)斷開(kāi)現(xiàn)象而導(dǎo)致設(shè)備難以正常運(yùn)行，加之防腐措施不到位，或者因沒(méi)有采取及時(shí)有效的防腐措施而導(dǎo)致主網(wǎng)受到嚴(yán)重的腐蝕，最終導(dǎo)致其分割和斷裂。同時(shí)，變電站施工過(guò)程中，可能存在著施工質(zhì)量不合格問(wèn)題，比如接地裝置敷設(shè)過(guò)程中的回填、埋設(shè)作業(yè)不到位，垂直接地體間距太小以及搭接面積明顯不足等問(wèn)題，都可能導(dǎo)致變電站遭遇雷擊事故。
最后，變電站防雷接地體連接存在著問(wèn)題，實(shí)行串接、或者經(jīng)設(shè)備進(jìn)行過(guò)渡連接，或者存在著的故障電流難以正常通過(guò)等問(wèn)題。對(duì)于獨(dú)立的避雷針而言，由于設(shè)計(jì)集中接地設(shè)備、主網(wǎng)以及獨(dú)立避雷針網(wǎng)之間的安全距離明顯不足，而可能會(huì)導(dǎo)致雷擊事故。此外，中性點(diǎn)位置的引下線出現(xiàn)了不可靠接地問(wèn)題，比如很多的110kV變電站中性點(diǎn)位置接地引下線均接在了一個(gè)點(diǎn)上，或者彼此距離太近。此時(shí)，如果連接線位置發(fā)生了雷擊故障問(wèn)題，則變電站設(shè)備將會(huì)出現(xiàn)失地運(yùn)行現(xiàn)象。
3變電站防雷接地設(shè)計(jì)原則和接地方法
基于以上對(duì)當(dāng)前變電站防雷接地設(shè)計(jì)中存在著的主要問(wèn)題及其成因分析，筆者認(rèn)為實(shí)踐中若想有效避免或減少雷擊事件對(duì)變電站及電網(wǎng)系統(tǒng)產(chǎn)生的影響，應(yīng)當(dāng)堅(jiān)持合理的接地設(shè)計(jì)原則和正確的接地方式和方法。
3.1變電站風(fēng)雷接地設(shè)計(jì)原則
變電站風(fēng)雷接地設(shè)計(jì)過(guò)程中，應(yīng)當(dāng)盡可能的考慮到防止轉(zhuǎn)移電位引發(fā)的危害問(wèn)題，應(yīng)當(dāng)及時(shí)采取有效的隔離防范措施;同時(shí)，還要充分考慮短路現(xiàn)象發(fā)生時(shí)的非周期性影響等問(wèn)題。接地網(wǎng)電位出現(xiàn)明顯升高時(shí)，要確保避雷器不能產(chǎn)生動(dòng)作，而是應(yīng)當(dāng)采取有效的均壓措施和方法，對(duì)接觸電位差、以及跨步電位差要求進(jìn)行計(jì)算，待施工完成后應(yīng)當(dāng)對(duì)其進(jìn)行準(zhǔn)確的測(cè)量、并在此基礎(chǔ)上繪制出準(zhǔn)確的電位分布曲線圖。變電站防雷接地網(wǎng)設(shè)計(jì)過(guò)程中，應(yīng)當(dāng)盡可能的采用建筑地基鋼筋、金屬接地物進(jìn)行統(tǒng)一連接地操作，并將其作為接地網(wǎng)。同時(shí)，應(yīng)當(dāng)盡可能的以自然接地物作為基礎(chǔ)，并且輔以人工接地體對(duì)其進(jìn)行補(bǔ)充，以彌補(bǔ)其不足之處，而且要確保外形的閉合、或者呈環(huán)形狀。在此過(guò)程中，還要采用有效的統(tǒng)一接地網(wǎng)模式，采用一點(diǎn)接地模式進(jìn)行接地設(shè)計(jì)。 3.2變電站防雷接地方法
對(duì)于變電站而言，除設(shè)計(jì)獨(dú)立的避雷針以外，整個(gè)變電站及電網(wǎng)系統(tǒng)的接地，比如工作、保護(hù)以及避雷器等接地，實(shí)際上共用主接地網(wǎng)。實(shí)踐中，如果變電站極限入地電流非常大，則接地電阻很難滿足計(jì)算值，此時(shí)接地設(shè)備在跨步電勢(shì)、以及接觸電勢(shì)等不超過(guò)允許范圍要求時(shí)，變電站的實(shí)際接地電阻應(yīng)當(dāng)嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)要求布設(shè)。接地網(wǎng)接地電阻滿足要求以后，在變電站道路、地面位置進(jìn)行高阻處理，敷設(shè)適當(dāng)?shù)臑r青底、或者碎石墊層，對(duì)混凝土地面進(jìn)行硬化操作，可有效滿足接觸電勢(shì)、以及跨步電壓防雷之要求。
據(jù)調(diào)查顯示，當(dāng)前國(guó)內(nèi)變電站接地網(wǎng)采用的多是常規(guī)性的水平、垂直接地有機(jī)結(jié)合的復(fù)合型地網(wǎng)，而且接地網(wǎng)設(shè)在變電站之中。當(dāng)變電站所在區(qū)域的土壤電阻率偏高時(shí)，采用常規(guī)性的水平與垂直接地有機(jī)結(jié)合的方式，接地電阻有可能會(huì)難以滿足實(shí)際要求，此時(shí)應(yīng)充分考慮如果采用電解接地極以及填埋降阻劑等方式來(lái)實(shí)現(xiàn)降阻之目的。比如，采用降阻劑降租過(guò)程中，于水平接地網(wǎng)上有效的填埋適量的降阻劑，并在站內(nèi)加打適量的10～30m左右的深井接地極，在其內(nèi)部填上適量的降阻劑;在此過(guò)程中，深井的數(shù)量應(yīng)當(dāng)視實(shí)際情況具體確定，其主要優(yōu)點(diǎn)在于接地網(wǎng)施工完成后，應(yīng)用性能會(huì)非常的安全可靠。實(shí)踐中，變電站所處位置的土壤電阻率非常高時(shí)，如果利用鋼材布設(shè)復(fù)合地網(wǎng)的實(shí)際接地電阻仍不達(dá)標(biāo)，則建議采用銅導(dǎo)體進(jìn)行接地施工，雖然造價(jià)會(huì)高一些，但是在防雷害方面比較安全可靠。實(shí)踐中可以看到，為有效防范變電站遭受雷電的襲擊，目前常用的兩種方法是等電位連接和聯(lián)合接地。對(duì)于等電位聯(lián)結(jié)而言，其主要是指將變電站中的全部非帶電金屬導(dǎo)電物體連接在一起，將其有效的引向接地體;對(duì)于聯(lián)合接地而言，即變配電站統(tǒng)一采用了接地體，接地電阻值根據(jù)不同接地系統(tǒng)最小要求設(shè)計(jì)，以此來(lái)有效減少雷電的襲擊和傷害。當(dāng)變電站采用統(tǒng)一接地體以后，防雷接地不再單獨(dú)的對(duì)接地體進(jìn)行設(shè)計(jì)，表面來(lái)看好像非常的不安全，實(shí)際上是有科學(xué)根據(jù)的。比如，某次雷電發(fā)生時(shí)所產(chǎn)生的電流幅值是50kA，此時(shí)采用的是聯(lián)合接地，則阻值為4Ω，而且對(duì)地電壓應(yīng)當(dāng)在200kV作用。等電位聯(lián)結(jié)后， 變電站中的非帶電金屬導(dǎo)電物體對(duì)地電位同時(shí)升高200kV，各電源中性點(diǎn)會(huì)同時(shí)接在一個(gè)接地體之上，此時(shí)對(duì)地電位統(tǒng)一升高200kV。由此可見(jiàn)，彼此之間仍或保持原電位差不變，因沒(méi)有新電位差產(chǎn)生，所以也不會(huì)有靜電感應(yīng)過(guò)電壓、電磁感應(yīng)過(guò)電壓產(chǎn)生。
結(jié)語(yǔ)
變電站作為整個(gè)電網(wǎng)系統(tǒng)的樞紐，一旦遭到雷擊，則后果不堪設(shè)想。因此，實(shí)踐中應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)思想重視和防雷接地設(shè)計(jì)創(chuàng)新，只有這樣才能確保變電站運(yùn)行的安全可靠性。
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