220kV变电站防雷接地设计研究

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摘要：为解决220kV变电站防雷接地设计缺陷，文章从实践角度出发，分析防雷接地设计应用现状，并提出了优化控制要点与实际设计策略。结果表明，防雷接地设备需结合变电站所处的土壤环境、资金条件以及技术规范要求，来强化设计效果。

关键词：220kV变电站；防雷接地；装置；设计

引言：

经济水平的快速发展，使得各行各业对电力系统建设使用需求增加。怎样以安全可靠的状态服务于各类基础设施对电能使用的需求，成为了亟需解决的问题。然而，不同地区变电站所处的雷电气候条件存在差异，建设过程存在未充分结合实际情况的问题，这就导致防雷接地设计效果达不到预期。为改善这一现状，相关人员以220kV变电站防雷接地设计为例，通过分析其缺陷问题的产生原因，来明确优化设计方向与重点。这是强化电力系统运行使用安全稳定性的关键，科研人员需将其作为重点课题，以服务于所处地区的现代化经济建设。

1研究220kV变电站防雷接地设计的现实意义

科技水平不断提升，各地现代化经济建设步伐加快，驱使电力系统规模呈现出不断扩大趋势。此背景下，接地系统建设设计面临难度大、复杂度高的问题。对于变电站接地来说，其由工作接地、保护接地以及防雷接地组成。工作接地主要作用于电力系统的电气装置环境，服务对象为运行接地；保护接地，是指电气装置的配电装置构架、金属外壳以及线路杆塔等。因设施绝缘损坏会导致其带电，保护接地主要作用于防止对工作人员人身安全与设备安全造成影响。防雷接地，则是雷电向大地泄放雷电流的接地保护装置。由此可见，接地是电力系统避雷技术的关键，无论是直击雷、感应雷还是其他形式的雷，均可通过接地装置以安装状态导入大地。然而，电力系统建设者并未充分认识雷电所带来的影响，存在防雷意识薄弱问题，这就导致雷击跳闸事故频发。为此，研究人员可从常用的220kV变电站防雷接地入手，通过分析设计应用现状，来提高设计优化效果。这是满足电力行业健康稳定发展需求的重要课题，应引起更多重视。

2  220kV变电站防雷接地的设计应用现状

当前阶段，从避雷层面分析，接地装置的运行目的在于将雷电接闪器闪击电荷尽可能快的泄放至大地，以实现与大地异种电荷中和目标。对于 220kV变电站来说，其接地网连接有全站高低压电气设备的接地线、电缆屏蔽接地、低压用电系统接地、通信、计算机监控系统设备接地。还包含维护检修变电站的临时接地。一旦接地电阻过大，电力系统出现接地故障，或是其他大电流入地，就会导致地电位异常状态升高。此情况下，接地网网格设计缺乏合理性，就会导致接地系统电位分布不均，局部点位会超出既定的安全值。这不仅会威胁运行维护人员的人身安全，还会因反击对低压、二次设备和电缆绝缘带来损坏。这里的损害是指，高压窜入控制保护系统、变电站保护设备与监控设备发生拒动、误动，引发安全事故。严重的还会进一步扩大事故影响。由此造成的经济损失和社会影响难以估量。

3  220kV变电站防雷接地的设计要点

3.1明确防雷接地设计原则

根据变电站接地设计相关规范要求，接地电阻值应不大于2000/Ig。由于 220kV变电站内部各级电压母线接地故障所产生的的电流Ig较大，因此，无法达到规范标准中提出的要求。故而，可通过技术经济比较适当增加接地电阻，满足当前规范标准设置的既定条件，许可电阻值可设置在不大于5000/Ig。此外，变电站接地规范标准中明确要求，应结合实际情况采取必要的隔离措施，以避免转移点位操作带来的危害影响。值得注意的是，因短路电流非周期分量会影响接地网作用效果，所以，当电位处于升高状态下，3-10 kV的变压器不得做出动作，即使动作也不可受到损害影响。接地应遵循均压原则，并对跨步电位差、接触电位差进行验算，以确保其满足规范要求。此过程，如接地故障产生的电流较大，应尽量降低接地电阻值[1]。

3.2接地网间距设置

在以往 220kV变电站接地设计中的接地网均压导体，是按照5m、7m、10m间距布置的。但其端部效应与邻近效应影响，边角网孔电势会高于中中心网孔电势。且当地网面积与网孔数量增加，差值会不断增加。为此，在不等距布置基础上，可将中部导体充分利用起来，以避免其泄露电流密度不断增大。

3.3地网垂直接地极布置

因水平接地极屏蔽效果影响，垂直接地极改善对地网接地电阻效果不佳。所以，变电站垂直接地极的作用，仅作用于部分设备增强散流效果。故而，除了因避雷器、避雷针、变压器中性点以及除消弧线圈中性点设置垂直接地极外，还应对一次设备位置进行安装设置。此外，还可将垂直接地极设置在地网边沿一圈，除了增强散流效果，还能扩大地网面积，降低接地电阻影响。

3.4校验接地极的热稳定性

通常情况下，校验热稳定要结合流经接地线短路电流稳定值来确定。但于地网主干线截面不同，设备接地引下线截面面积增加，才能实现主干线短路电流向两侧分流目的。此过程，设计人员应考虑地下主干线容易出现腐蚀问题，应控制采购的钢材规格。即地下主干线与接地引下线，应选用同一规格钢材[2]。

3.5接地引下线设计

由于变压器中性点应设置两根接地引下线，且需要与不同干线主地网连接，因此，应保证接地引下线与热稳定校核一致。对于重要的设备构架，应设置两根和连接主接地网不同地点的接地引下线。此过程，需确保两根接地引下线与热稳定校核要求一致。在设计接地引下线过程中，还要为定期测试与检查提供便利条件。

3.6防雷接地装置

防雷接地装置可以降低接地电阻，从而减少雷电电流通过避雷针（线）或避雷器时产生的过电压。这是保障电力系统正常运行与维护人员安全的关键。由于大气过电压主要包括直击雷过电压、感应雷过电压和侵入波过电压。为此，设计人员应结合实际采用对应的防雷设施。对于直击雷过电压，多通过设置避雷针、避雷带或避雷网等防护措施处理。避雷器用于防止雷电侵入波侵入沿线变电站对电气设备造成损坏。雷电侵入波仅限于避雷器的剩余电压值，以保护变压器和其他电气设备不受过电压问题影响。接地，作为防雷基础，采用设备材质多为圆钢、扁钢、钢管与角钢，通过埋在地下0.5-1m位置发挥作用。变电站设计采用的接地体有两种，即水平接地体和垂直接地体。前者材质多采用宽度为20-40mm的扁钢，其厚度在4mm以上。又或者采用直径超过6mm的圆钢。垂直接地体多选用长度在2.5m左右的钢管或是角钢。220kV变电站日常维护工作中应对接地体的腐蚀问题进行控制，通过防腐措施来避免接地电阻增加问题。如表1所示，为接地体技术指标要求。

4关于220kV变电站防雷接地设计实例

某地电网水电资源丰富，多数水电建设径流式电站。现以容量为2x180MVA的220kV变电站为例，旨在提升防雷接地设计效果。工程变电站内部设置有3台主变位置。防雷接地设计主要集中在两个方面，即防雷保护与降低接地电阻。

4.1防雷保护设计

对于直击雷防护，当雷云直接作用于变电站设备，强大的雷电电流流过设备，然后放电到地面，这将在设备上产生一个高电压降[3]。这种电压降称为直击雷过电压。直击雷对电气设备非常有害。设计采用的防护措施有：一方面，为防止室外直击雷，在框架上方安装独立避雷针或避雷针。尖端放电原理主要用于保护保护范围内的所有电气设备或建筑物免受直接雷击影响。为了防止雷击电流放电回来，避雷针接地引线应远离变电站。另一方面，将避雷带或避雷网设置在保护室、主控楼等建筑物上，在易受雷击部位周围沿建筑物屋顶设置避雷带进行防雷。在屋顶顶部安装避雷网，并沿外墙安装引下线与接地装置连接。如图1所示，为变电站防雷设施设置实际情况。

在进行变电站雷电侵入波的防护设计过程，应采用避雷器来实现控制。避雷器主要由主间隙、辅助间隙、针式绝缘子和横担安装组成的。当雷电波侵入，避雷器间隙会先被击穿并放电，使工作线路接地。这就有效控制了保护设备电压升高问题，优化了电力设备的运行安全环境。值得注意的是，避雷器虽然能够有效避免雷电侵入博影响，但其无法在间隙灭弧保护上发挥作用，无法可靠灭弧，就容易出现断路器跳闸问题。当避雷器间隙动作后，工作线直接接地会形成“斩波”，会对设备的纵向绝缘效果造成影响。因此，需要结合实际情况进行适当调整[4]。

4.2降低接地电阻设计

4.2.1 加大接地尺寸

降低接地电阻的目的是增加接地体的尺寸。该方法仅适用于输电线路杆塔的一些简单接地体和接地装置。由于场地和资金的限制，变电站无法实施，所以暂时无法在变电站防雷接地设置中大面积推广运用。

4.2.2 运用自然接地体

更多地发现和开采变电站资源，充分利用自然接地体，如变电站建筑物钢筋混凝土基础的钢骨架，因为它们已经具有低接地电阻。设计220kV变电站接地网时，应充分考虑使用自然接地体与主电网连接，以减少接地网的接地阳极。这种降阻方法易于实现，具有良好的技术经济效果。

4.2.3新材料运用

不锈钢多层复合材料的基层材料可以使用Q235B、Q345R、20R等各种普通碳素钢和专用钢。覆层材料可以使用304、316L、1Cr13和双相不锈钢等各种牌号的不锈钢。变电站建设采用最新的多层金属复合新工艺，材质和厚度可以自由组合，满足不同用户的需要。不锈钢多层复合材料的导电性和普通镀锌钢一致。经8/20us，50kA的电流冲击检测，确定冲击前后电阻率变化值满足要求。

YF-T离子缓释填料采用无机非金属导电材料和电解质组成，具有吸湿保湿的功效，并集离子缓释技术于一体的复合材料。由于土壤电阻率高的主要原因是缺乏水分和离子，潮湿的土壤比干燥的土壤电阻率相差数倍，例如砂土较湿和较于时土壤电阻率相差4倍。YF-T离子缓释填料为固体粉末，其多用于离子接地系统。也可应用于接地模块，能极大的提高主接地体的散流特性。铜接地极（或铜包钢接地极）虽然集优良导电性能和防腐双重优点广受欢迎，但是铜接地极替代传统的钢接地极对于提高降阻方面效果甚微。将铜接地极配合使用离子缓释填料，既防腐耐用，又能很好的降阻，是具有很高性价比的组合体，建议采用铜接地极的同时使用离子缓释填料。

4.2.4换土设计技术

某220 kV变电站地处山坡，周围建设有铁塔。工程项目要求接地电阻目标值为1Ω。经现场勘察场地地势较高、起伏较大，区域内浅部地基土主要为第四纪残坡积成因土层以及经人工翻填的填土层，下卧基层为凝灰岩。根据对不同电性层土壤电阻率进行测试，发现采用常规主接地网接地电阻无法达到要求。需采用换土设计技术进行优化处理。具体措施为，对水平接地地带进行换土处理；高土壤电阻率地质条件，可采用深钻式或是井式接地极方法，来填充处理电阻率较低物质或是降阻剂。又或者将其他类型土壤换填接地范围内的土壤。如此，就可促使接地电阻控制在目标范围[5]。

5结束语：

综上所述，220 kV变电站防雷接地设计问题关键，在于与实际工程建设条件进行结合，并严格按照既定规范标准强化设备参数指标的效果。如，水平接地体材质应采用宽度为20-40mm的扁钢，其厚度在4mm以上。垂直接地体多选用长度在2.5m左右的钢管或是角钢。即需根据设施情况进行针对性设置。事实证明，只有如此，才能保证变电站设备设施建设使用不受雷电问题的影响，进而以可靠性状态作用于所处的地区用电需求。

参考文献

[1]黄志庆. 220 kV变电站防雷设施设计探讨[J]. 科技与创新，2021，（20）：180-181.

[2]赵李源，程春健，刘碧. 某变电站220kV双层出线构架设计优化[J]. 科技创新与应用，2021，（06）：105-107.

[3]蒋春，先驰宇，丁唯. 阿里藏中联网220kV变电站站用电系统设计[J]. 电工电气，2021，（01）：69-70+73.

[4]裴超，郑建南，黄利波. 某220 kV半户内变电站消防设计浅析[J]. 江西电力，2020，44（06）：25-30.

[5]刘颖川. 220 kV变电站GIS室防雷接地网的合理布置分析[J]. 通讯世界，2020，27（05）：148-149.

作者简介：朱莎莎（1982.12-），女，汉族，本科，湖南浏阳，中级工程师，研究方向：电气工程及其自动化。