变电站雷电冲击短路接地系统优化研究

王仁俊+张鑫

摘要：本文针对变电站雷电冲击短路对二次电缆和防雷设备的危害问题，提出了使用一种新型二次电缆与等电位联结保护装置，以及采取加强防雷设备如避雷线、避雷针、避雷器的集中接地、地面及特殊位置均压、利用钢构架作避雷器的接地引线等优化措施。

关键词：雷电流；接地系统；冲击短路

随着现代电力电子技术的迅速发展，电力电子产品不可避免大量地采用了超大规模及大规模的电力电子集成电路工艺技术，内部接线之间的距离越来越小，且集成度越来越高，使电子元器件的耐高压程度越来越低，因此由雷电引起的变电站局部电位升高所造成的電位差极易将室内二次系统击毁击穿；另一方面，局部地位升高引起的电磁感应过电压所产生雷电冲击波或浪涌电压，这种冲击波会沿着线路侵入到与之相连的二次系统，造成系统运行错误或者损坏，再者产生的电磁辐射可以使电子开关或继电器工作失常；使测量仪器性能变低；使无线电接收设备出现噪音，如电视图像、声音变差，收音机信号不好等。尤其高压变电站的电晕放电和绝缘子放电会对周围的无线电产生严重干扰。

1雷电流入地时造成的局部电位升高问题分析

当变电站内及附近发生雷击事故时，变电站接地系统可能注入高频的大冲击电流，使得变电站接地网呈现复杂的暂态特性，造成局部电位升高等问题，可能危害变电站内工作人员的人身安全及各种电气设备的安全运行。

接地装置在雷电冲击电流作用下的暂态性能与工频短路时有很大不同，这主要是由于冲击电流频率很高，由 可知接地体本身的电感作用与电阻相比将非常明显，电感作用阻碍冲击电流向接地体远端流动，而不像工频时，电流沿导线均匀分布。因此，接地体各点散流极不均衡，各点电位相差很大，因此火花放电的程度亦不相同，即各点的等值半径不同。在接地体周围，被击穿的土壤的形状呈锥形，而不是一般认为的圆柱形。另外，冲击接地阻抗明显不同于工频接地阻抗。在冲击电流作用下，在靠近接地导体的区域的土壤中产生的火花放电相当于增大了接地装置的导体的直径，从而降低了冲击接地阻抗。

2变电站雷电冲击短路接地系统优化

在防雷设备，如构架避雷针、避雷线和避雷器的接地处，加强集中接地。独立避雷针不应设在人经常通行的地方，避雷针及其接地装置与道路湖哦出入口等的距离不宜小于3m，否则应采取均压措施，或铺设砾石或沥青地面。

对于装设在变电所屋外配电装置构架上的避雷针，如果已经按照工频接地的要求采取了均压或高电阻率的路面构层等安全措施时，就可以认为在冲击的情况下也能保证安全，不必另加措施。否则，当运行人员有可能进入3m的范围内时，就应采取均压或高电阻率的地面结构层等措施。

针对前述的避雷器易被打坏的问题，应对避雷器的接地进行优化。对于无间隙的6-10kV金属氧化物避雷器，雷电流入地时，地电位升加在避雷器的接地端，则作用在避雷器上的电压为到线上的电压U与地电位升之差。根据金属氧化物避雷器的工频电压耐受时间特性，避雷器能够耐受其额定电压Ur10S，而一般工频短路时间远小于1s，因此，从保守的角度出发，我们可以要求：

（1）

考虑最不利的情况下，运行电位恰好和接地网电位的极性相反到极端情况，即导线上的电压取负的相电压的峰值，则式（1）变为

（2）

式中Ue为系统的标称电压。

对于6kV避雷器，其额定电压有效值为12kV，则

（3）

对于10kV避雷器，其额定电压有效值为17kV，则

（4）

因此，对于6kV和10kV金属氧化物避雷器，其允许的地电位升至少为8.5kV和11.2kV。该分析结果是以避雷器可以耐受10s的额定电压来分析的，如果以避雷器工频1s的耐受值来分析，则允许的地电位升可以明显增加。

就常规要求来说，避雷器必须采用可靠的低电阻接地连接，避雷器与被保护设备的接地端应尽可能紧密的连接，所有避雷器的接地连接线应以最短的可能路径直接连接到接地网上，在冲击引起的大电流或冲击后大的续流情况下应有足够的短时容量。短时电流冲击可以对控制系统引起显著的干扰，因此这些导体不应该靠近控制电路或控制电缆布置。经多方面的研究表明，安装在金属构架上的避雷器可利用钢构架作接地引线，钢构架的横截面大，要比通常采用的一个铜绞线具有更高的通流容量，但应保证从钢构架与避雷器以及接地网具有可靠的电气连接。与此同时，保证钢构架的横截面具有足够的导电率并使其连接处不至于因油漆涂层、铁锈等导致高接触电阻。当然，采用铝构架，无疑会提供一条导电率高与载流量大的接地通路。

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