避雷器在牵引变电所的应用与探讨

摘　要

在电力系统当中变电所是核心的节点，当出现有雷击情况发生时，就会导致大部分断电，并且电气装置的内绝缘会遭到破坏，同时绝大部分是不可以得到自我复原的。所以，要有效得使用避雷装置设施，从而能够保障电气设备可以安全正常运行。防雷和接地是很关键的工程，在此策划设计中，依据每个地方的具体现实状况，并同时将防雷和接地整体考虑，做好避雷方法实施，以防变电所出现雷击情况，从而保障变电所可以正常安全运行。

雷击情况在电力系统整体事故中占据了百分之五十以上，瑞典和日本具有百分之五十以上的上述事故都是由雷击而引发的：根据相关部门的全面统计说明：X和加拿大等一系列十二个国家，当使用电压为275至500千伏的输电线时，雷击引发的事故占所有事故总合的百分之六十。输电线电压级别越高，越有可能受到相应事故的发生，从而增加事发概率。全国变电所，若受到雷击，将会出现频发停电、设施损坏，致使运输的停滞、交通事故、更甚出现人员伤亡情况。

关键词：变电所；防雷；接地；避雷器

1 绪论

雷电现象是雷云中伴有闪电和雷鸣的一种放电现象。电荷在雷云中的布局方位都是不均衡的，是积累并开成级性，所以不同位置的情况下所发生的电力强度就是不一样的。当电荷的汇集的紧密度强度在25至30千伏/厘米时，就会出现去放电至地面的过程，正式进到放电进程，在剧烈的电荷中和情况下伴随着电闪和打雷。在此过程结束后，雷去中剩下的电荷会延续通道向地面方向流淌，此状况叫做余光阶段。因为在云中也许会一起存有多个电荷中心，所以雷电的发生通常是多样性的。

在此文中详细叙述了经常使用的避雷针在变电所的使用，描述了避雷器的品种，阐述了避雷器是为了在供电系统中让其它电气设施不受到电压损害而起到保护作用的电气产物。从一九八五年开始，我国应用的避雷器是碳华硅开式的；自一九八五年以后，为了让避雷器的功能大幅提高，在此产品中采用了氧化锌阀片。可以运用于牵引变电的避雷器种类有多样，每一种类的数据基数都存在着许多不一样的地方。在为避雷器进行系统设置时，不但要依附于工作电压、相对的条件，还需要将防雷保护设施、放电电流配置、距离、通过的流量容量以及绝缘匹配等相关方面的因素都参考于内。

1.1 常见避雷器的应用

　　1.1.1 氧化锌避雷器的应用

氧化锌避雷器的特性

随着社会科技的发展，人类为了避免建筑物等受到雷电的破坏，在上世纪70年代已经开始使用氧化锌避雷针。这种避雷针是通过氧化锌材质为阀片为主体的避雷设施，表面具有少量的金属氧化物质，经过高温处理之后，氧化锌就形成了能够长期用于避雷效果的避雷针。使用氧化锌材质是因为这种材质的特殊性，比如具有较高的非线性伏安特性等。还有的避雷针是使用金刚砂材质生产的，经过实践证明，使用ZnO、SiC为阀片的情况下在10KA电流情况下的残压一样，但是如果是定量电压的情况下，ZnO的对应电流大小不超过10A，但是SiC却具有很高的电流情况，约为100A，这就是两种材质的不同点。使用氧化锌实际上相当于是一种绝缘体物质，这种材质具有体积小、易于使用等特性；通流容量大；降低电气设备所受到的过电压；便于设备的维护和保养，使用方便；生产成本低，能够适合大规模的装备。氧化锌避雷设备具有优秀的安全性，用于电气设备的用电安全保护非常合适。本次研究以甘肃电力系统为研究样本，分析该系统建设中使用氧化锌材质的避雷针设备的使用现状，通过研究和分析得出这种避雷设施的优劣性。但是因为这种避雷设备安装在山区等环境中，因此使用这种避雷设施并不适合性能检测。为此经过调查和分析能够最终确定使用甘肃电力系统避雷设备中的影响现状为研究样本，通过选取近期两年时间内的避雷设备工作情况展开分析。研究中进行了各种实验，通过实验数据分析了线路避雷器的使用规律，得出了外环境和避雷器的性能作用效果关系，并且得出这种避雷器的使用缺陷。这种避雷器中的氧化锌阀片随着温度变化会产生一定的损耗变化，两者之间具有明显的函数关系。要想分析避雷器的性能需要分析阀片特性。通常情况下对这种阀片的性能参数很难确定，为此本次研究对分析氧化锌阀片的损耗情况提供了新的方法。

现有情况调查：

甘肃省有10至50天的雷暴日，处在雷少区域。依据长年对雷电流幅值的统计，每年大致平均值为12.31千安，在靠东和南的一部分地方，由于雷击而导致跳闸的情况发生的频率较多。在甘肃省南方一个供电局目前已投入作业的35千和金属氧化物避雷器共计228相，其中包括18相330千伏、68相110千伏、142相35千伏，防雷器的使用成效很是明显，特别是在这些年中有部分输电线配装了氧化锌式避雷针后，相应的事故以及跳闸的频率就开始出现下降趋势。

　1.1.2线路氧化锌避雷器

当雷电电击杆塔的时候，雷电中的能量随着避雷器的连接线路进入相邻的杆塔中，实现了雷电能量的分流，还有部分雷电的能量随着接地线进入土地。

当雷电电击杆塔时导致塔顶点位快速升高，这时电位值的计算表达式为

Ut=iRd+Ldi/d

表达式中i表示雷电流；

Rd表示冲击接地电阻；

Ldi//dt表示暂态分量

如果上述式子当中的Ut同U1之间相差的电压值在U50之上时，就可能会直接导致杆塔塔顶至导线这一部分的线路发生闪络。这个时候的表达式可以表示成U-Ut>U50。当我们将工频电压的最大值综合到式子当中，那么这个表达式就会转变成 Ut-U1+Um>U50。因此,能够使得线路上耐雷指数发生变化的指标通常有这3种,一是对于线路绝缘子百分之五十防电强度的指数,二个就是雷电电流i的指数,第三个是冲击性接地电阻的阻值大小。通常情况下，百分之五十的放电电压是正常水平，然而实际的雷电放电电压强度并不止于此，其大小还会和放电的位置以及其所处的气候环境有联系。在不需要加装避雷器的地方,一般都会选择通过降低塔体的接地电阻等方法来改善输电线路的耐雷性能,因为在一些山区通过减少接地电阻等方法来改善输电线的耐雷性能水平一般是难度较高的,这就是为什么在偏远地区的输电线路上常常会出现雷电击中事故。

由于氧化锌避雷器的使用，输电线路进行二次电流经过的时候，雷电的分流情况发生着改变，其中部分雷电的能量顺着杆塔进入相邻的杆塔内，还有一部分雷电能量顺着接地线导入大地。如果雷电的能量超出了设定范围的时候，避雷器的相邻杆塔分流比例增加，提升了避雷设备的使用安全性。雷电电流经过的时候因为电磁感应的原理使得导线和接地线之间具有偶合分量。

　1.1.3故障案例分析

2013年7月29日德州临杆塔牵引变电，由于当时的天气状况是大风雷雨天气，在下午1点07分发生主变电低压侧201高压开关柜的断路器跳闸，下午1点52分主变低电压侧202高压开关柜的断路器跳闸。

1第一次主变电201高压开关柜的断路器跳闸的动作情况

1)13时07分，a相过流元件动作，201断路器跳闸。

IA=1008A,IB=971A,Ic=41A,I=8288A,I=358A,Ua=8.60KV,UB=27.83KV;

当天下午1点23分，运动导致212高压开关柜的断路器超时拒动而断开；当天下午1点27分，值班人员手动断开212高压开关柜的断路器；当天下午1点41分，变电所由原来的1、3主变电系统变成2、4主变系统运行。2第二次变电202高压开关柜的断路器跳闸的动作情况

1)13时52分36秒，a相过流元件动作，202断路器跳闸，IA=1005A,IB=988A,Ic=19A,I2=8272 A,I=164 A,Ua=8.67kv,UB=27.76kv;

当天下午1点59分,通过检查发现K313+800km上行22支柱AF线处的肩架悬式绝缘子出现了中断的异常情况。3)当天下午2点06分,工作人员发现能够实现远程控制的网隔开关出现了失灵现象。

4)当天下午2点36分,开启W02F网上隔离开关,退出F线;

5)当天下午2点37分，变电所F线退出运行，212T线恢复工作可以正常供应电量。

3故障出现分析

2013年7月29日下午1点07分201高压开关柜的断路器出现跳闸是因为雷电电击德州东站临杆塔导致编号22的正馈线出现绝缘子破裂，22号正馈线的F线瞬间在线路上形成接地短路点，22正馈线212高压开关柜的断路器拒绝运行，导致211高压开关柜的断路器没有启动越级跳闸保护;当天下午1点52分因为开关柜的绝缘子在被强烈的雷电击碎后没有立即进行接地,所以导致202高压开关柜的断路器再次发生了越级跳闸，并且当天天气为雷电大风天气,正馈线F线和 PW线因为距离的不足而无法防止供电,因此就形成了一个短路的故障点,又因为212高压开关柜的断路器拒绝运行，211高压开关柜的断路器就不能开启越级跳闸保护，所以越级跳闸再次出现。

4得出调查结论

2013年7月29日下午1点07分德州东站临杆塔因为受到雷电的电击导致W02F电机跳闸，编号22的正馈线绝缘子破裂，因为地电位的升高使雷电电流通过浪涌保护器流到控制回路中，从而导致正馈线烧毁212高压开关柜的断路器拒绝运行，无法对线路进行保护，最后造成201高压开关柜的断路器和202高压开关柜的断路器越级跳闸。

1.2 管型避雷器

　　1.2.1 管型避雷器的保护

管型避雷器的保护效果主要体现在以下方面：

直配发动机保护方面：由于进线保护不完善导致10个厂发生5次发电机损坏事故和5次其他进线保护不完善所出现的事故，一共出现10次事故，因此事故率为每一年0.116次；发电机损坏的事故率为每一厂年0.06次。

进线保护完善的三十六个变电站发生2次主变中改事故，总

法师事故10次，所以每一所的主变事故率为0.056次，事故率为每一所0.28次。

这两者事故率相差五倍，主变事故率相差四倍。上诉的十次事故中有一次是因为传型建设备用引线烧断，一次是因为管型避雷器的接地电阳蜂鸣器太高，他的数值是八十五款；另一次情况则是因为管型避雷器没有起到保护作用由于管型液告签运与保护设备相距三十米超出了保护范围，所以实际事故为每一所0.19次，相较于没有进线进行保护的机器两者的事故率相差七倍多。在上世纪九十年代末期到本世纪初，我国使用管型避雷器保护线路有十三条线路一共五十二组CB，发生过CB爆炸一次，事故率为每条线路4次，爆炸率是百分之一；没有管型避雷器进行保护的十条线路，一共发生过19次事故，其事故率高达每一条线路1.9次；这两者的事故率相差二十多倍；

综合以上国家网路内外的六十个发电局、发电厂、发电所，和一百零七个发电变电展及线路，在这当中：有惯性避雷器保护的五十八个发电变电站及线路一共发生九次事故，事故率在每一单位0.155次；没有进线保护的五十九个发电变电站一共发生八次事故，事故率在每单位1.41次，这两者的事故率相差九倍，所以在防止雷电伤害事故中管型避雷器的效果非常显著；

　1.2.2故障案例分析

1事故整体过程

二零零八年八月十六日，我国的一个变换压电所变电站十千伏母线过电压保护器发生爆炸毁坏。过电压保护器型号为HY5WR-五十分之十七。L1相基极指示器在十千伏平房线上的作用，至于别的设施则显示一切正常无故障。系统的初始操作模式为：六十六千伏设施和十千伏设施全是在室外运行的设施；六十六千伏设施以单母线的方式操作，一号主要的变压器操作，它的存储量是三千一百二十千伏·A,二号主要的变压器以防后用；十千伏母线以单母线来操作，携带有十千伏电压互感器、十千伏变换电压器操作；十千伏在特殊情况下冷备用电容器；接在十千伏所用变换电压器熔断器的母线侧安装十千伏母线的过电压保护器。

2具体分析了解意外发生的原因

根据调查得知那时的区域有打雷下雨的现象，据猜测是十千伏平方线被雷打击中了，然后由于十千伏线路波联结着变电压站，所以雷电电流会顺着线路打击到变电站，

雷电流的强大性要远远高于过电压保护器的既定电流，过电压保护器在短期内通过大量电流，达到它的限额，导致快速产生热量，进而发生急剧性的爆炸性毁坏。

(2)由于恶劣的打雷阴雨天气的不利因素，过电压保护器是以单一的方式互相连接大地，再加上电弧熄没有及时熄灭最终会发生意外，产生爆炸。因为过电压保护器单相接地

因为过电压保护器是以单一方式连接大地的所以电力系统中的电磁式电压互感器受到单相接地的影响出现磁饱和，如果这时候在出现工频谐振现象之后就很可能引发高频次的谐振问题，这个时候雷电经过避雷器的时候过电压可能超出了3Um值，进而会造成避雷器设备被电压击穿，形成不安全因素。如果在雷电电压超过，已经能够达到击穿效果的时候避雷器动作，那么电弧不容易熄灭，同时过电压的持续时间延长，最终能够引发爆炸。另一种情况，如果分频谐振情况出现，在电压不高，或者是约为2Um的时候，这个时候谐振频次低，阻抗小，又因为铁心元件具有非线性问题，因此在互感情况下电流增加、过大的电流很容易总称电压互感器中的线路四熔断，使得局部温度升高，最终也会引起爆炸。通过上述分析能够最终得出，在避雷器设计中应当尽可能的避免出现单相接地情况。

3解决方法

在经过同一个类型的测验后，更换合格的浪涌保护器三次，。并确保它的连接地面的一端已安装。检测过电压保护器的连接地面电磁螺线圈，检测的报告结果要达到规格标准。在变电站能够正常运作时，对过电压保护器进行了为期四小时的监视，结果显示一切正常。

4意见建议

(1)对十千伏出线端的过电压保护器要进行多次检查测验，特别是当恶劣天气比如说多雷雨的天气即将来临时要做好防护性测试，要确保过电压保护器能够十分平稳的传输电流。

(2) 在具有很多雷电的区域十千伏线路的其他线路上设置过电压保护器，避免在遭受雷电打击的十千伏线路分支的时候，运送到变换电压场所的被雷击过的电流经过线路，导致变电所过电压保护器操作。

(3)如果预知在大量空白地域会经过十千伏线路，可以安装过电压保护器来保护线路。

2 牵引变电所的防雷保护

　2.1 变电所防雷保护

　　2.1.1牵引变电所防护雷电直击

通过分析以往牵引变电器受到雷电影响的事故分析得出，雷电引起的牵引变电器受损大多是因为以下原因造成的：其一，雷电直接电击到变电器中，造成了变电器元件损坏；其二，雷电的出现使得输电线路产生感应，造成了过电压现象，或者是雷电直接电击输电线路，造成了牵引变电器损坏。针对前者现象，一般采用的防护措施是通过加装避雷器等方法实现的，这样当雷电临近的时候会因为避雷器的限制流使得雷电的电能不影响牵引变电器，降低了雷电对变电器的影响，提升了用电安全性。

为了防止雷电直接击穿牵引变电所，通常是在牵引变电所的楼顶位置安装避雷器，或者是环型避雷器。这种安装避雷器的方法能够有效的降低雷电对变电所的影响，有效的保护用电系统安全。为了规范安装避雷器，规定了避雷器、变电所接地位置、构架接地位置等之间的距离应当大于5m，这样当雷电通过接地线进入大地之后不会引起通过接地线和土地的导线性能影响其他系统的正常工作。独立避雷器的接地应当和主要的电网接地大于3m的距离。对于35kV及以下牵引变电所，因为配电装置的绝缘较弱，所以应在110kV及以上牵引变电所装设独立的避雷针，在土壤电阻率ρ≤1000Ω·m时，为了有效的防止雷电的影响可以将避雷器安装在构架中，因为变压器的绝缘效果使得主变压器更加安全，提升了设备的使用安全性。对于避雷针的保护范围如下；

R=(1.5h-2hx)p

式中，R为保护半径，h为避雷针的高度；hx为被保护物高度；p为影响系数｡

2.1.2 防雷电线路入侵

牵引变电所针对雷电造成的影响是通过假装避雷器实现的，这样能够有效的防止雷电侵入波对牵引变电所的影响。因为现代避雷器多采用氧化锌阀片装置，因此当电压过高的时候，避雷器的避雷原理是通过先放电，降低雷电能量，有效的降低雷电对设备造成的影响，进而实现了安全防护作用。还有的牵引变电所通过避雷器进线保护段的方式实现设备的安全防护作用。

（1）对于架空进线的防护过程中，如果是超出了110KV的线路保护应当采用全部安装避雷器的方式实现；如果是35KV的线路保护措施并非全部通过安装避雷器实现，仅仅在变电所相邻的1-2KM范围内安装避雷器，并且避雷器的保护角在20°-30°之间。

（2）针对35KV以上的进线段防护过程中，通过安装避雷器在电缆位置和架空线连接位置实现。

（3）牵引变电所的附近应当安装避雷器设施，并且一同保护配电装置的防护变压器，变电所的主线和分母线都应当安装避雷装置，以便于更好的保护配电变压器。对于35-60KV的中性点防护中不需要特别的设置避雷设施，这是因为中性点具有绝缘性，不会引起雷电的电击影响。

（4）为了防备雷电的二次破坏，特别是雷电对建筑物的破坏情况，牵引变电所应当对二次设备安装全面的防护系统。雷击的破坏性因其所蕴含的能量在极短的时间内就迅速的释放出来，所以从瞬间功率来讲，是非常巨大的。

　2.2变电所的接地

　　2.2.1防雷接地方式

通过接地方式能够有效的防止雷电造成的设备损坏，对建筑物的防护效果也非常高。这种防雷的原理就是通过将雷电引入大地的方式降低雷电对建筑物等设备的影响力。将电能引入大地也能够有效的提升对人体防护效果。如果因为意外情况造成了相线碰触设备外表面，有些设备的外壳采用了导电材质制作，这个时候人体碰触设备外壳的时候就会产生触电。如果做好了接地措施之后就会应为电能顺着接地线流走避免了人体触电问题。

牵引变电所的工况特殊，受到了强电磁场等影响，该系统容易造成运行状态不稳，影响正常的使用。因此变电所附近应当根据实际的情况设置合适的抗干扰措施，提升设备的防护能力。

连接地面有很多种方式，比如说单一、多种或者综合混合连接地面。单一点连接地面包括串联单一点接地和并联单一点连接地面。通常意义上讲，单一点连接地面更加适用于简单单一的地面，随着连接地面的不同区分方式也不同，和低频小于十赫兹电子线路。当遇到高频大于十赫兹电路时更适合运用多种方式连接地面。

　　2.2.2技术防雷及设施保护

防雷方法大致可以分为两类：一是阻止一些雷电波的打击，而是采用保护设施

把雷电波进入连接地面的电网，要针对不同的地区经常出现的雷电的种类、大小、频度以及保护设备的特殊性，实施不同的合理的处理方案。

合理连接地面和有效屏蔽使用两根双保护电缆可以有效地保护计算机设备，确保电缆保护级别只有一个支撑点。这种方法保证了器件不受复杂的负内部结构的影响。

设置有效的电泳保护器由开关、静电放电和雷击引起的瞬时过电压会破坏或者是造成设备的老化甚至是毁坏。保护最大压力的主要方法是设置电压保护区，当出现过高的电压时，临时电压（TVS）的压力作为最快的元件，首先使能量失活，其输出将其调节为关断电压，有效防止能量损失以防对设备过度紧张。

（3）避雷针、避雷线

当出现雷击事故时通常会使用避雷针等工具将雷电引流至大地。避雷针、避雷线等装置是承接雷击的常用工具。一般情况下，规模较小的变电所会使用单独的避雷针进行引雷操作。而规模较大的变电所一般会同时使用避雷针和避雷线。

（4）避雷器

在避雷器正常工作时，会将承接的雷电电压降低至符合正常电器能够接受的强度范围里。我国大部分使用的是MOA，而西方的国家除了使用MOA以外，并在全部的电气设备上装置了空气间距，成为金属氧化物避雷路器没有效用后的后备选择设施。

（5）恰当部署有关自动化设施安置位置

目前大部分远程终端单元子站都是被装配在高压室的可开关柜子上的，所以当开关操纵、电力负荷出现动荡、强电电缆出现的电磁场干预很轻松会将电缆影响。这部分干预虽轻则会增大的电力数据信息的错误码率，严重的话会破坏到RS-485的接口。此外，在夏天时，由于高压室内的气温偏高，远程终端单元子站的内部会因为产生大量热度噪音干预不可小觑。

针对上述情况，为了可以降低多种干扰源对设备的影响率，革新设施的运营环境，也为了使检测修理、实验人员对设备的每年预检可以越来越方便，可以将远程终端单元子站在终控集中组屏。

结论

随着电力系统的快速发展，目前电气化牵引变电所已经取得了飞速发展，运营里程也在不断增加，逐渐向高速发展，牵引变电所的安全运行需要来保持供电的持续性和可靠性。

变电所成为电力系统的关键性组装部分，所以，它成为了防雷的焦点保护对象。雷电在日常生活中是具有一定性的危害的，因此，重点要做好牵引变电所雷电的保护与防备。假若变电所出现了雷击事故，不但会带来停电，还会给社会与公民的日常生活带来很多不便之处，这便是需要防雷设施务必绝对可信变电所是此系统防雷的重点保护。经过研究可以将变电所发生雷击状况的情景以及雷电处理办法总结为这几点：（1）雷电直接击中变电所的内部器械上（2）雷电通过空架线路输入变电所。一般情况下变电所处理上述两种状况的办法是使用避雷针。当变电所之外的架空线路上出现了雷击而产生电压超负荷的情况，或者由于雷电直击产生电压超负荷现象时，会导致变电所遭受雷电伤害。如果不尽快采用相应方法进行对其防护，很有可能会致使变电所内部的电气装备绝缘层受到损伤，从而便会出现事故的发生。当变电所内部装置避雷器的主要目标是用于约束入侵雷电波的幅度数值，让冲击耐压数据远远高于电气装备的过电压。然而变电所内在进线段上装配防护段的关键性目的是在于约束避雷器产生的雷电流幅值以及侵犯电波的陡度值。若想避免受到雷击影响，变电所装置的避雷针的基本原则就是全部的被防备保护的设施都应该放置在避雷针或线的防护力度范围之内。

致谢

这篇论文的完成，也标志着我在学院学习生涯的结束。四年的时光转瞬即逝，但在这四年时光中学到的知识注定使我终身受益。

首先，我要感谢我的指导老师的悉心指导。在他百忙之中的教学工作中挤出时间来审查、修改我的论文，在过程中给予我鼓励，在他的精心指导下，使我慢慢了解并逐步完成。他循循善诱的教导和不拘一格的思路给予我无尽的启迪。

在论文完成之际，我还要感谢每一位老师的辛勤教育，是你们在课堂中的精心指导，使我逐步理解了这门学科的知识。为我在以后的阶段以及在这次论文的写作上打下了良好的基础。使我对避雷器以及牵引变电所有了更进一步的理解。

由于本理论水平比较有限，论文中的有些观点以及对企业示例的归纳和阐述难免有疏漏和不足的地方，欢迎老师们指正！

在此，我再一次真诚地向帮忙过我的老师和同学表示感谢!感谢我的每一位同学，四年来，我们朝夕相处，共同进步，感谢你们给予我的所有关心和帮忙。同窗之谊，我将终生难忘!感谢为我们默默地无私奉献自己的各位老师，正是因为有了你们严格、无私、高质量的教导，我才能在这几年的学习过程中汲取专业知识和迅速提升潜力。各位老师，你们辛苦了！

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