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因此,必须加强发电所、变电所雷电防护问题的认识与研究。
经调查，珠三角地区的年雷最高暴日达到90d以上，平均落雷密度高。
根据广东省气候公报及东莞、深圳市气候公报，东莞市年平均雷暴日为81.6d，最多的年份1975年，为113d，最少年份1989年，为43d;
深圳市年平均雷暴日为69d，2007、2008、2009年雷暴日分别为69d、69d、65d，属于强雷区。
根据闪电定位网监测，广东2008年全年雷电日数255天，落雷总258万余次，平均落雷密度14.5次/m2出现雷电区域以珠江三角洲及西南部地区较多，粤北和粤东较少。
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变电所和发电厂是电力系统的枢纽和心脏,一旦发生雷害事故,往往导致变压器、发电机等重要电气设备的损坏,并造成大面积停电,严重影响经济建设和人民生活.特别是近些年来,随着高压和超高压输电线路的发展,变电所和发电厂的防雷问题显得更为重要。
本篇高电压技术课程论文主要探讨发电厂和变电所的防雷保护领域，从雷击的特性，再引申到设备端的防雷保护的原则及各项措施，并以旋转电机的防雷保护为侧重点，重点介绍其特性。
2发电厂、变电所遭受雷击的主要原因
2.1雷电的形成及特点
雷电是带有电荷的雷云之间或雷云对大地（或物体）之间产生急剧放电的一种自然现象。
当雷电发生时，放电电流使空气燃烧出一道强烈的火花，并使空气迅速猛烈膨胀，发出巨大响声。
雷电的特点是：
时间短，电流强，频率高，感应或冲击电压大。
雷电出现的地方，可能对电气设备、建筑物、构筑物造成破坏，对人畜造成伤害，甚至可能造成爆炸、火灾等事故。
雷电的入侵途径，主要为直击雷和感应雷。
2.2入侵过电压的主要形式
供电系统在正常运行时,电气设备的绝缘处于电网的额定电压作用之下,但是由于雷击的原因,供配电系统中某些部分的电压会大大超过正常状态下的数值,通常情况下变电所雷击有两种情况:
一是雷直击于变电所的设备上;
二是架空线路的雷电感应过电压和直击雷过电压形成的雷电波沿线路侵入变电所。
其具体表现形式如下:
2.2.1击雷过电压
雷云直接击中电力装置时,形成强大的雷电流,雷电流在电力装置上产生较高的电压,雷电流通过物体时,将产生有破坏作用的热效应和机械效应。
2.2.2感应过电压
当雷云在架空导线上方,由于静电感应,在架空导线上积聚了大量的异性束缚电荷,在雷云对大地放电时,线路上的电荷被释放,形成的自由电荷流向线路的两端,产生很高的过电压,此过电压会对电力网络造成危害。
3发电所、变电所防雷保护的必要性
变电所是电力系统的枢纽，担负着电网供电的重要任务。
由于变电所和架空线直接相连接，而线路的绝缘水平又比变电所内的电气设备高，因此沿着线路侵入到变电所的雷电波的幅值很高。
如果没有相应的保护措施，就有可能使变电所内的主变压器或其它电气设备的绝缘损坏。
而变电所一旦发生雷击事故，将使设备损坏，造成大面积停电，给工农业生产和人们的日常生活带来重大损失和严重影响。
所以，对于变电所而言，必须采取有效的措施，防止雷电的危害。
4发电所、变电所防雷的原则
针对变电所的特点,其总的防雷原则是将绝大部分雷电流直接接闪引入地下泄散（外部保护）;
阻塞沿电源线或数据、信号线引入的过电压波（内部保护及过电压保护）;
限制被保护设备上浪涌过压幅值（过电压保护）。
这三道防线,相互配合,各行其责,缺一不可。
应从单纯一维防护（避雷针引雷入地—无源保护）转为三维防护（有源和无源防护）,包括:
防直击雷,防感应雷电波侵入,防雷电电磁感应等多方面系统加以分析。
4.1外部防雷和内部防雷
避雷针或避雷带、避雷网引下线和接地系统构成外部防雷系统,主要是为了保护建筑物免受雷击引起火灾事故及人身安全事故;
而内部防雷系统则是防止雷电和其它形式的过电压侵人设备中造成损坏,这是外部防雷系统无法保证的。
为了实现内部防雷,需要对进出保护区的电缆,金属管道等都要连接防雷、及过压保护器,并实行等电位连接。
4.2防雷等电位连接
为了彻底消除雷电引起的毁坏性的电位差,就特别需要实行等电位连接,电源线、信号线、金属管道等都要通过过电压保护器进行等电位连接,各个内层保护区的界面处同样要依此进行局部等电位连接,各个局部等电位连接棒互相连接,并最后与主等电位连接棒相连。
5发电厂、变电所防雷保护的各项措施
发电所遭受的雷击是下行雷，主要雷直击在变电所的电气设备上，或架空线路的感应雷过电压和直雷过电压形成的雷电波沿线路侵入变电所。
因此，避免直击雷和雷电波对变电所进线及变压器产生破坏就成为变电所雷电防护的关键。
主要采取的各项防雷保护的措施有：
5.1变电所装设避雷针对直击雷进行防护
架设避雷针是变电所防直击雷的常用措施，避雷针是防护电气设备、建筑物不受直接雷击的雷电接收器，其作用是把雷电吸引到避雷针身上并安全地将雷电流引人大地中,从而起到保护设备效果。
变电所装设避雷针时应使所有设备都处于避雷针保护范围之内,此外,还应采取措施,防止雷击避雷针时的反击事故。
对于35kv变电所,保护室外设备及架构安全,必须装有独立的避雷针。
独立避雷针及其接地装置与被保护建筑物及电缆等金属物之间的距离不应小于五米,主接地网与独立避雷针的地下距离不能小于三米,独立避雷针的独立接地装置的引下线接地电阻不可大于10n,并需满足不发生反击事故的要求;
对于110kv及以上的变电所,装设避雷针是直击雷防护的主要措施。
由于此类电压等级配电装置的绝缘水平较高,可将避雷针直接装设在配电装置的架构上,同时避雷针与主接地网的地下连接点,沿接地体的长度应大于十五米。
因此,雷击避雷针所产生的高电位不会造成电气设备的反击事故。
5.2变电所的进线防护
要限制流经避雷器的雷电电流幅值和雷电波的破度就必须对变电所进线实施保护。
当线路上出现过电压时,将有行波导线向变电所运动,起幅值为线路绝缘的50%冲击闪络电压,线路的冲击耐压比变电所设备的冲击耐压要高很多。
因此,在接近变电所的进线上加装避雷线是防雷的主要措施。
如不架设避雷线,当遭受雷击时,势必会对线路造成破坏。
架设避雷线的这段进线称为变电所进线保护段
5.3变压器的防护
变压器的基本保护措施是在接近变压器处安装避雷器,这样可以防止线路侵人的雷电波损坏绝缘。
装设避雷器时,要尽量接近变压器,并尽量减少连线的长度,以便减少雷电电流在连接线上的压降。
同时,避雷器的连线应与变压器的金属外壳及低压侧中性点连接在一起,这样就有效减少了雷电对变压器破坏的机会。
变电站的每一组主母线和分段母线上都应装设阀式避雷器,用来保护变压器和电气设备。
各组避雷器应用最短的连线接到变电装置的总接地网上。
避雷器的安装应尽可能处于保护设备的中间位置。
5.4变电所的防雷接地
变电所防雷保护满足要求以后,还要根据安全和工作接地的要求敷设一个统一的接地网,然后避雷针和避雷器下面增加接地体以满足防雷的要求,或者在防雷装置下敷设单独的接地体。
小变电所用独立避雷针,大变电大多在独立避雷针与配电装置带电部分的空气中最短途径不得小于五米。
避雷针接地引下线埋在地中部分与配电装置构架的接地导体埋在地中部分在土壤中的距离必须大于三米,变电所电气装置的接地装置采用水平接地极为主的人工接地网,水平接地极采用扁钢50mmxsmm,垂直接地极采用角钢50mmxsmm,垂直接地极间距sm一6m,主接地网接地装置电阻不大于4n,主接地网埋于冻土层lm以下。
人工接地网的外缘应闭合,外缘各角应做成圆弧形。
大变电所安装在架构上的避雷针,与主接地网应在其附近装设集中接地装置。
避雷针与主接地网的地下连接点至变压器的接地线主接地网的地下连接点,沿接地体的长度不得小于15m,同时变压器门形架构上不得装避雷针。
5.5变电所防雷感应
随着电力技术的发展,变电所均有完善的直击雷防护系统,户外设备直接遭受雷击损坏的可能很小。
但雷击防护系统时所产生的雷击放电及电磁脉冲,以及雷电过电压通过金属管道电缆对变电所控制等各种弱电设备产生严重的电磁干扰,这就可能影响到变电设备的正常运行。
采取防雷感应保护的措施主要有:
多分支接地引线,减少引线雷电流;
改善汇流系统的结构,减少引下线对弱电设备的感应;
除了在电源人口装设处压敏电阻等限制过压装置外,还可在信号线接入处使用光藕元件;
所有进出控制室的电缆均采用屏蔽电缆,屏蔽层共用一个接地极;
在控制室和通信室铺设等电位,所有电气设备的外壳均与等电位汇流牌连接。
[2][3][4]
6旋转电机的防雷保护
直配电机就是指与架空线路直接相连的旋转电机（包括发电机、调相机、大型电动机等）。
这些电机是电力系统中重要而且昂贵的设备，由于它们与架空线直接相连,线路上的雷电波可直接侵人电机,故其防雷保护显得特别突出。
如若这些重要设备遭受雷害，将损失重大,且影响面广，因此要求其保护特别可靠。
6.1旋转电机的防雷保护具有以下几个特点：
（1）由于结构和工艺上的特点，在相同电压等级的电气设备中，旋转电机的绝缘水平是最低的。
（2）电机在运行中受到发热、机械振动、臭氧、空气中的潮气、污秽、电气应力等因素的联合作用，使绝缘容易老化。
（3）保护旋转电机用的是磁吹避雷器，其保护性能与电机的绝缘水平配合裕度很小。
采用现代氧化锌避雷器后，情况有所改善，但仍不够可靠，还必须与电容器组、电抗器、电缆段等配合使用，以提高保护效果。
（4）电机绕组中性点一般不接地，三相进波时在直角波头情况下，中性点电压可达进波电压的两倍，因此必须对中性点采取保护措施。
[5][6]
由此可知，单靠磁吹避雷器来保护直配电机是不够完善的，还必须因地制宜地加装防雷电容器、电缆进线段和管形避雷器等联合进行保护（1500一6000kw的直配电机还需在进线处增设防雷电抗器），筑成好几道防线,才能保证电机绝缘与避雷器特性的合理配合，确保安全运行。
6.2各种防雷保护的作用：
6.2.1进线段保护
包括架空进线上的管形避雷器、GB1、GB2和首端电缆。
GB1、GB2的作用是将进线上侵入的雷电波大部分引入大地，减轻配电所内避雷器的负担。
其中GB2可用FS系列避雷器代替。
电缆的作用如同电容器，可以降低从架空线上侵入的过电压波的陡度。
当雷电波使GB2击穿时,电缆首端的外皮就通过GB2与芯线发生短路。
由于雷电流的等值频率很高，强烈的趋肤效应使大部分雷电流沿电缆外皮分流并进入大地，而流过电缆芯线的雷电流就较小。
同时,在电缆芯线上还感应出反电动势,阻止高电位的侵入，产生“电磁封锁”作用。
这样,室内母线上的过电压就比较低了。
接地引下线应尽可能短些，以限制设备主绝缘承受的过电压幅值尽可能接近避雷器的残压。
6.2.2FS系列阀式避雷器
该避雷器是由火花间隙和非线性电阻阀片呈单柱叠装在瓷套内组成。
当其上出现过电压时，火花间隙即时放电。
由于非线性电阻的作用，避雷器上的残压被限制在对设备没有危险的数值以下。
当过电压过去之后，依靠阀片和间隙的作用，能够在半个周波时间自动地将工频续流切断，从而对变配电设备起保护作用。
普通阀式避雷器火花间隙的消弧能力较低。
6.2.3FCD系列磁吹避雷器
由于采用磁吹灭弧间隙，这种避雷器增强了灭弧能力。
其火花间隙旁并联分路电阻，改善了冲击系数，降低了避雷器的冲击放电电压，使其有较好的保护特性。
与FS系列避雷器相比，可以使电机的绝缘水平降低一些。
6.2.4防雷电容器
此电容器C与并联电容器在构造上是一致的，但它在这里却起防雷作用。
C的数值一般取0.5一1召F。
由于电容器两端的电压不能突变，有如下作用：
◆在雷电波起始瞬间，电容两端等于短路，然后逐步充电，这就限制了电压上
升的速度，即降低雷电侵入波的陡度,有利于保护直配电机的匝间绝缘。
◆使安装点的电位变化比较平缓，改善磁吹避雷器的冲击放电特性，降低侵入
波的幅值。
◆在无电容器的情况下，电机中性点可能出现两倍于来波幅值的电压,有了电容
器后，则可降低直配电机中性点的电压,从而保持该处的绝缘。
防雷电容器的三相按星形连接，其中性点接地。
应选择与电机同一额定电压的电容器。
6.3直配电机的防雷保护接线
《交流电气装置的过电压保护和绝缘配合》按三档分别规定三类防雷保护接
线方式：
25000～60000kW；
6000～25000kW；
1500kW～6000kW
60000kW以上的电机，不应与架空线路直接连接；
6.3.125000～60000kW大容量直配电机防雷保护
◆进线电缆段应直接埋设在土壤中，以充分利用其金属外皮的分流作用。
◆FE1和FE2的接地端应用钢绞线连接。
钢绞线架设在导线下方，距导线应小于3m但大于2m，并应与电缆首端的金属外皮在装设FE2杆塔处连在一起接地。
◆工频接地电阻R不应大于5Ω。
◆电缆首端的短路电流较大，按上图所示的保护接线无适当参数的排气式避雷器可用时，可改用下图所示的保护接接；
◆进线段上的阀式避雷器的接地端，应与电缆的金属外皮和避雷线连在一起接地，接地电阻R不应大于3Ω。
6.3.26000kW～25000kW的直配电机的防雷保护
如电缆首端的短路电流较大，按上图所示的保护接线无适当参数的排气式避雷器可用时，如图所示的保护接线。
6.3.36000kW以下小容量电机的防雷保护
在进线保护段长度l0内，应装设避雷针或避雷线。
6.4其他防雷注意事项
（1）各地区都有“雷季”的规定。
例如,华东地区将每年的3月1日至10月31日定为雷季。
运行的实际情况表明，并不是只有雷季才打雷，非雷季亦会有雷电活动，只是次数不如雷季多。
因此,避雷器等过电压保护设施在非雷季（冰冻季节）离开系统检修校验合格后，应尽早恢复运行。
[6]
（2）接地电阻应经常处于合格状态，以限制落雷时的过电压,有利于防止反击。
（3）及时检查,及时检修，定期进行预防性试验，及时处理设备绝缘缺陷，既可防止工频放电，也是反雷害斗争的一项重要内容。
据有关资料统计，我国直配电机平均每80台每年才有一次雷害事故，其中防雷保护完善和绝缘正常的雷害事故是零。
由此可知，直配龟机雷害事故的主要原因，一是防雷设施不完善，二是电机绝缘不合格。
因此，只要加强运行管理，做好防雷技术工作，减少雷害事故是完全可能的。
参考文献：
[1]朱江.珠三角重雷区牵引变电所防雷工程技术研究[J].铁道工程学报,2013,01:
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[2]秦海山,缪江豫.浅谈变电所的防雷保护措施[A].河南省建筑专业委员会,2011:
3.
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[4]李景禄.中小型水力发电厂直配线路防雷保护研究[J].电瓷避雷器,2004,01:
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[5]王永杰,孔德泉,李芹.变压器和电机防雷[J].中国电力企业管理,2009,02:
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[6]杨琳.发电机过电压及其对绝缘老化的影响分析[D].西南交通大学,2008.
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