【直流高壓發(fā)生器】解釋變電所防雷保護(hù)幾個(gè)問(wèn)題
1 文章引言
我國(guó)變電所防雷保護(hù)1949年前基本上按西方國(guó)家規(guī)范設(shè)置，1949年后基本上套用前蘇聯(lián)規(guī)范設(shè)置。以下，前者簡(jiǎn)稱(chēng)西方，后者簡(jiǎn)稱(chēng)東方。東西方的變電所防雷保護(hù)設(shè)置不盡相同。西方的變電所防雷是以降低電氣裝置故障損壞率為主要目的，提高供電可靠性由網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)來(lái)保證。所以，至今變電所全部電氣裝置（包括絕緣子串）仍保持采用絕緣配合外放電間隙（實(shí)際是原型避雷器），一旦避雷器失效則全靠后備保護(hù)。東方的變電所全部電氣裝置不用絕緣配合外放電間隙，完全押在避雷器上，一旦避雷器失效，后果會(huì)比西方嚴(yán)重。
但當(dāng)時(shí)這樣的選擇是對(duì)的。因?yàn)楫?dāng)時(shí)西方國(guó)家對(duì)我國(guó)進(jìn)行封鎖和制裁，只有這一條路可走，而且這也促進(jìn)了我國(guó)交流電氣裝置過(guò)電壓技術(shù)的進(jìn)步，提高了電力系統(tǒng)運(yùn)行的安全性。問(wèn)題在于雖然根據(jù)我國(guó)實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，先后對(duì)這些“標(biāo)準(zhǔn)”（先后改名為“導(dǎo)則”、“規(guī)程”、“規(guī)范”、“標(biāo)準(zhǔn)”，以下統(tǒng)稱(chēng)“標(biāo)準(zhǔn)”）進(jìn)行過(guò)多次修訂，但編寫(xiě)的觀念、原則、規(guī)則、格式未變，條文規(guī)定得過(guò)細(xì)過(guò)死，全國(guó)“一刀切”，不能因地制宜，企業(yè)無(wú)競(jìng)爭(zhēng)意識(shí)，嚴(yán)重束縛了工程技術(shù)人員的積極性，不管浪費(fèi)多大，事故損失如何，設(shè)計(jì)者和業(yè)主都無(wú)責(zé)任，責(zé)任都由“標(biāo)準(zhǔn)”承擔(dān)。人們發(fā)出種種疑問(wèn)，迫使反思。本文試就變電所防雷保護(hù)的幾個(gè)問(wèn)題提出個(gè)人淺見(jiàn)，供討論。當(dāng)然這樣一些問(wèn)題的正確評(píng)判，還要靠實(shí)踐來(lái)檢驗(yàn)。多年來(lái)，這方面的事故分析、運(yùn)行統(tǒng)計(jì)分析及經(jīng)驗(yàn)總結(jié)太少，很是不足。
2 變電所防雷保護(hù)是一個(gè)系統(tǒng)工程
變電所防雷保護(hù)是一個(gè)系統(tǒng)工程，它由3個(gè)子系統(tǒng)即三道防線組成：
第一道防線，即第一子系統(tǒng)的作用是防止雷直擊變電所電力設(shè)備。
雷擊是無(wú)法阻止的，只能通過(guò)攔截導(dǎo)引改變其入地路徑。好的設(shè)計(jì)和建設(shè)，能避免破壞性后果。這道防線由攔截受雷（接閃）、引流、接地散流防護(hù)系統(tǒng)組成。接閃器有避雷針（線），小變電所大多采用獨(dú)立避雷針，大變電所大多在變電所架構(gòu)上采用避雷針或避雷線，或這兩者結(jié)合，對(duì)引流線和接地裝置都有嚴(yán)格的要求。
宣稱(chēng)××避雷針保護(hù)范圍大，或××計(jì)算方法準(zhǔn)確等都不符合實(shí)際情況。事實(shí)上，避雷針（線）的攔截雷效應(yīng)，即對(duì)被保護(hù)物的保護(hù)作用（保護(hù)范圍），與雷電極性、雷電通道電荷分布、空間電荷分布、先導(dǎo)頭部電位、放電定位高度、避雷針的數(shù)量和高度、被保護(hù)物的高度以及相互之間的位置、當(dāng)時(shí)的大氣條件和地理?xiàng)l件等因素有關(guān)。一般地說(shuō)，地理?xiàng)l件（包括地貌和地質(zhì)結(jié)構(gòu)）影響雷擊先導(dǎo)階段電場(chǎng)分布，從而影響到主放電的發(fā)展；大氣條件的影響是空氣濕度和溫度愈高，避雷針（線）保護(hù)效果就愈??；還有，雷電流幅值（或放電定位高度）愈大，避雷針（線）攔截雷范圍就愈大，也即是保護(hù)范圍愈大。攔截雷的避雷針保護(hù)范圍與這么多因素有關(guān)，而且這些因素中許多是隨機(jī)性的，能完全免遭雷擊的避雷針（線）絕對(duì)保護(hù)范圍是沒(méi)有的。所謂保護(hù)范圍是指被保護(hù)物在此空間范圍內(nèi)遭受雷擊的概率在可接受值之內(nèi)。各種文件規(guī)定的不同保護(hù)范圍只是允許遭受雷擊的概率不同而已。美國(guó)推薦性的IEEEstd 142－1991中第3．3．3．1節(jié)介紹：計(jì)算避雷針保護(hù)范圍時(shí)采用滾球半徑（即雷擊半徑）為30 m，大約保護(hù)范圍內(nèi)雷擊概率為0．1％，采用45 m，大約為0．5％。
企圖從一些很不夠的條件和參數(shù)開(kāi)發(fā)定量求出避雷針（線）不同保護(hù)范圍繞擊率的計(jì)算方法，如電氣幾何擊距法，滾球法，拋球法等，都是積極的、有益的。但迄今為止，這些方法算出的避雷針（線）在不同保護(hù)范圍時(shí)的繞擊率都是定性的，定量是不可信的。正如前述，避雷針（線）保護(hù)范圍受很多因素影響，其中一些因素的影響至今無(wú)法定量。這些方法中應(yīng)用的一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)，如電氣幾何擊距法中的擊距、滾球法和拋球法中的球半徑，定性上是隨著雷電流增大而增大，定量就難了。至今，人們還不知擊距或球半徑30～60 m的長(zhǎng)空氣隙擊穿電壓值，不討論實(shí)驗(yàn)室空氣間隙放電是否逼真自然雷擊放電。至今世界上最大實(shí)驗(yàn)室做的最長(zhǎng)的雷電沖擊波空氣間隙放電距離也只有10 m左右，將其向外延長(zhǎng)用到30～60 m或以上，有的按3 kV／cm，有的按5 kV／cm推算，得出了很多在同一雷電流下不同擊距或球半徑的計(jì)算公式，這是必然結(jié)果。同時(shí)，從實(shí)驗(yàn)室雷電沖擊波10 m左右空氣間障放電電壓值，外延用于確定30～60 m或以上的自然雷擊放電電壓值，令人難以置信。
此外電氣幾何擊距法、滾球法、拋球法的一個(gè)共同特點(diǎn)是誰(shuí)距離短就擊誰(shuí)，也與實(shí)驗(yàn)室獲得的放電現(xiàn)象不符合，放電有分散性和曲折多分支路，并不一定擊中距離短的物體。
鑒于上述理由，電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)DL／T 620－1997《交流電氣裝置的過(guò)電壓保護(hù)和絕緣配合》，關(guān)于避雷針（線）的保護(hù)范圍仍沿用過(guò)去方法。統(tǒng)計(jì)我國(guó)4 272變電所運(yùn)行年的經(jīng)驗(yàn)，表明按這種方法計(jì)算的保護(hù)范圍繞擊率為0．07次／100所·a［5］，這是可以接受的，沒(méi)有必要改變，否則會(huì)造成混亂和浪費(fèi)。變電所現(xiàn)行的直擊雷防護(hù)的可靠性，比沿架空輸電線路導(dǎo)線侵入的雷電防護(hù)高10倍以上。變電所的危險(xiǎn)主要來(lái)自沿架空輸電線路導(dǎo)線上的侵入波。
第二道防線，即第二子系統(tǒng)為進(jìn)線保護(hù)段。
雷擊進(jìn)線保護(hù)段首端及以外時(shí)，絕大部分雷電流被引入地中，只有很小部分的雷電流沿架空線路導(dǎo)線侵入變電所。雷電波沿架空線路導(dǎo)線傳播時(shí)，受沖擊電暈和大地效應(yīng)影響而衰減，能降到變電所電氣裝置絕緣強(qiáng)度的允許值。
變電所的主要危險(xiǎn)是來(lái)自進(jìn)線保護(hù)段之內(nèi)的架空線路遭雷擊，反擊導(dǎo)線或繞擊導(dǎo)線產(chǎn)生雷電侵入波，因此進(jìn)線段又稱(chēng)危險(xiǎn)段。加強(qiáng)進(jìn)線段防雷保護(hù)是十分重要的，要求避雷線具有很好的屏蔽和較高的耐雷水平。不管如何，反擊和繞擊仍是可能的。因此，變電所設(shè)防（第三道防線）要求的進(jìn)線保護(hù)段（危險(xiǎn)段）愈短愈好，這樣允許侵入波的陡度和幅值較大。
第三道防線，即第三子系統(tǒng)期望將侵入變電所的雷電波降低到電氣裝置絕緣強(qiáng)度允許值以內(nèi)。我國(guó)主要是采用金屬氧化物避雷器（MOA），西方國(guó)家除用MOA外，還在所有電氣裝置上安裝空氣間隙，在MOA失效后空氣間隙可作為后備保護(hù)。
由這三個(gè)子系統(tǒng)的三道防線構(gòu)成一個(gè)完整的變電所防雷保護(hù)系統(tǒng)。這三道防線各負(fù)其責(zé)，缺一不可，不存在誰(shuí)替代誰(shuí)的問(wèn)題。只是視具體情況不同，哪一道防線設(shè)置保護(hù)元件多少不同而已。現(xiàn)在市場(chǎng)上的各種防雷保護(hù)裝置，實(shí)際上只是整個(gè)防雷保護(hù)系統(tǒng)中的一個(gè)保護(hù)元件，只起某一方面的保護(hù)作用，那種把這三道防線割裂開(kāi)來(lái)，孤立設(shè)置的方法是錯(cuò)誤的。三道防線之間關(guān)系密切，互相影響，尤其是二、三道防線之間，若第三道防線能力強(qiáng)，可縮短第二道防線——危險(xiǎn)段的長(zhǎng)度，提高變電所耐雷可靠性；若第二道防線能力很強(qiáng)，可以減輕第三道防線負(fù)擔(dān)，變電所耐雷可靠性將得到提高。
3 電力變壓器繞組各側(cè)設(shè)防的耐雷可靠性應(yīng)一致
眾所周知，電力變壓器不論哪一側(cè)繞組損壞，變壓器都要停運(yùn)和修理。因此變壓器繞組各側(cè)設(shè)防的耐雷可靠性應(yīng)一致。
電力變壓器防雷保護(hù)的簡(jiǎn)繁應(yīng)根據(jù)容量大小、損壞影響程度及供電重要性決定。所以IEC99－4以交流無(wú)間隙金屬氧化物避雷器（TPMOA）的標(biāo)稱(chēng)放電電流值（In）來(lái)分類(lèi)，如20kA、10kA、5kA、2．5kA、1．5kA等，In等級(jí)不同，試驗(yàn)要求不同。用戶根據(jù)電力變壓器的不同重要性來(lái)選用WGMOA的In等級(jí)。西方制造企業(yè)TPMOA型錄中明確說(shuō)明：電站TPMOA的In分為10kA和20kA兩個(gè)等級(jí)；In＝10kA的，Ur為3～336kA；In＝20kA的，Ur為3～800kV；配電型WGMOA的In只有5kA。用戶可很方便地選用。例如大容量變壓器，保護(hù)高壓或超高壓一次側(cè)繞組絕緣選用TPMOA的In＝10kA或20kA，而二次中壓側(cè)TPMOA也應(yīng)選用In＝10kA或20kA。In等級(jí)實(shí)際上反映變壓器的耐雷可靠性，即風(fēng)險(xiǎn)程度。原則是要求電力變壓器繞組各側(cè)設(shè)防耐雷可靠性一致。各側(cè)TPMOA選用相同等級(jí)In是重要措施之一。
在我國(guó)一些標(biāo)準(zhǔn)中，TPMOA分類(lèi)和電力變壓器各側(cè)繞組的防雷保護(hù)，實(shí)際上是按電力系統(tǒng)標(biāo)稱(chēng)電壓等級(jí)來(lái)劃分和設(shè)防的，不論變壓器一次側(cè)繞組電壓等級(jí)多高，是高壓或超高壓，不論容量多大，是幾百M(fèi)VA或小容量，不論一次側(cè)繞組采用TP－MOA的In＝10kA還是20kA，例如二側(cè)繞組為35kA等級(jí)，一律規(guī)定TPMOA的In＝5kA，防雷保護(hù)一個(gè)模式——“一刀切”。這樣，電力變壓器一、二次側(cè)耐雷可靠性是不配合的，防雷薄弱環(huán)節(jié)在二次中壓側(cè)是顯而易見(jiàn)的。1990～1994年全國(guó)在役的110kV及以上等級(jí)電力變壓器類(lèi)設(shè)備（未包括農(nóng)口管理的設(shè)備）的運(yùn)行情況及事故統(tǒng)計(jì)分析完全證實(shí)了這點(diǎn)。
或許有人會(huì)說(shuō)，過(guò)去的碳化硅閥式避雷器（SiCA）的In就是5kA。請(qǐng)不要忘記，那時(shí)一、二次側(cè)SiCA的In都是5kA，耐雷可靠性一致。或許有人會(huì)說(shuō)，中壓閥式避雷器流過(guò)的雷電流沒(méi)有高壓或超高壓側(cè)大。但實(shí)測(cè)流過(guò)避雷器的雷電流恰好相反。1958年國(guó)際大電網(wǎng)會(huì)議（CIGRE）第33學(xué)術(shù)委員會(huì)（SC－33）第1工作組報(bào)告中指出：“通過(guò)閥式避雷器最大的雷電流是發(fā)生在中壓等級(jí)以下者”。
流過(guò)閥式避雷器的雷電流幅值和陡度是隨機(jī)變量，是非固定值，按概率分布。選用較高In等級(jí)的TPMOA，實(shí)質(zhì)上是加強(qiáng)了電力變壓器防雷保護(hù)的可靠性。而較高In等級(jí)TPMOA增加的造價(jià)，相對(duì)于大容量電力變壓器造價(jià)來(lái)說(shuō)是極小的 。TPMOA是積木式的，在技術(shù)上不存在任何困難。
4 選用沿架空輸電線路導(dǎo)線侵入到變電所的雷電陡度和幅值不應(yīng)“一刀切”
TPMOA至被保護(hù)物（如電力變壓器）之間允許的最大距離決定于沿架空輸電線路導(dǎo)線侵入到變電所雷電波的陡度和幅值。但影響該參數(shù)的因素很多，如直擊雷電參數(shù)（幅值、陡度和波的長(zhǎng)度等）、進(jìn)線段參數(shù)（避雷線根數(shù)和布置位置、桿塔高度和桿塔波阻、接地沖擊電阻等）和雷擊點(diǎn)位置（雷擊點(diǎn)至TPMOA距離等）。由此可見(jiàn)，侵入到變電所的雷電波陡度和幅值是隨機(jī)變量，非固定值，按概率分布。選用多大侵入波陡度和幅值實(shí)際上反映了被保護(hù)電氣裝置耐雷的可靠性程度。因此，應(yīng)視被保護(hù)物（如電力變壓器）的重要性不同，分別選用不同的侵入變電所雷電波的陡度和幅值，那種同一電壓等級(jí)，不管重要性（容量大小、事故影響程度）差異，一律“一刀切”，選用同一雷電波陡度和幅值的方法是不可取的。
確定侵入到變電所的雷電波需要進(jìn)行大量試驗(yàn)研究工作，特別是運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)總結(jié)和統(tǒng)計(jì)分析。
我國(guó)從1954年至今，是采用如表1所示前蘇聯(lián)的規(guī)定值，運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明，這些值一般是可接受的，但對(duì)氣體絕緣裝置（GIS）等新設(shè)備和大容量變壓器，技術(shù)經(jīng)濟(jì)是否最佳還有待實(shí)踐的檢驗(yàn)。
在美國(guó)IEEE規(guī)范中，66kV及以上變電所的防雷保護(hù)可以不設(shè)專(zhuān)門(mén)加強(qiáng)防雷保護(hù)進(jìn)線段，用進(jìn)線第一基桿塔雷擊侵入波來(lái)考核避雷器至被保護(hù)物（如變壓器）之間的最大允許距離。66kV以下變電所才設(shè)長(zhǎng)610m（2000ft）的加強(qiáng)防雷保護(hù)進(jìn)線段，以降低通過(guò)變電所避雷器的雷電流。
西方一些標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，對(duì)于110kV及以上電壓等級(jí)系統(tǒng)，選用侵入到變電所雷電波的陡度比我國(guó)高很多，分別為1200kV／μs、1500kV／μs和2000kV／μs三級(jí)。即TPMOA至電力變壓器之間的最大允許電氣距離比我國(guó)規(guī)定的短很多。他們規(guī)定保護(hù)電力變壓器的TPMOA盡量靠近被保護(hù)電力變壓器，用最短導(dǎo)體將TPMOA與變壓器連接。若因技術(shù)和布置原因不能靠近被保護(hù)變壓器時(shí)，必須在TPMOA保護(hù)范圍內(nèi)。每路進(jìn)出線路上安裝一組TPMOA。避雷器安裝在靠近被保護(hù)設(shè)備（如電力變壓器或旋轉(zhuǎn)電機(jī)）位置，最好是同被保護(hù)物共用接地引下線，這樣，作用于被保護(hù)物絕緣上的電壓僅是避雷器殘壓。否則，不僅要考慮避雷器與被保護(hù)物之間的電壓差，還要考慮避雷器殘壓上串聯(lián)避雷器接地引下線的電感壓降。作用于被保護(hù)設(shè)備絕緣上的電壓等于避雷器殘壓疊加這兩部分所增加的電壓。這增加的電壓正比于避雷器至被保護(hù)設(shè)備之間的距離和避雷器接地引下線長(zhǎng)度，以及侵入波的di/dt值 。美國(guó)推薦的IEEEstd 142－1991取di/dt=1OkA/μs。接地引下線L＝0．5～0．8μH ／m。若長(zhǎng)2m，則L＝1μH，接地引下線壓降10kV與避雷器殘壓串聯(lián)。此外，TPMOA標(biāo)稱(chēng)電流波形為8／20μs。試驗(yàn)證明，電流波頭愈陡（即波頭愈短）則TPMOA殘壓愈高。若標(biāo)稱(chēng)電流10kA，波形8／20μs，其陡度約1．25kA／μs，殘壓是偏低的。所以，在計(jì)算TPMOA至被保護(hù)設(shè)備距離時(shí)均應(yīng)考慮這些因素。
5 文章結(jié)論
?。?）變電所發(fā)生的雷電過(guò)電壓是隨機(jī)的，是具有統(tǒng)計(jì)性的概率分布的。因此，其防雷保護(hù)，不應(yīng)全國(guó)“一刀切”。業(yè)主和設(shè)計(jì)者應(yīng)因地制宜地對(duì)變電所設(shè)防，因設(shè)防不當(dāng)，造成不應(yīng)有的損失（包括設(shè)防浪費(fèi)和事故損失），應(yīng)由主事者負(fù)全責(zé)，“標(biāo)準(zhǔn)”不應(yīng)當(dāng)“替罪羊”。
?。?）變電所防雷保護(hù)是一個(gè)系統(tǒng)工程，由三個(gè)子系統(tǒng)即三道防線組成。這三道防線各負(fù)其責(zé)，缺一不可，不存在誰(shuí)替代誰(shuí)的問(wèn)題。三道防線之間，關(guān)系密切，互相影響，不應(yīng)割裂開(kāi)來(lái)，孤立設(shè)置。
?。?）電力變壓器繞組各側(cè)選用TPMOA的In等級(jí)應(yīng)相同，設(shè)防耐雷可靠性應(yīng)一致。
?。?）選用沿架空輸電線路導(dǎo)線侵入變電所的雷電波陡度和幅值，即TPMOA至被保護(hù)物之間的最大允許電氣距離，應(yīng)因地制宜，不應(yīng)全國(guó)“一刀切”。
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我國(guó)變電所防雷保護(hù)1949年前基本上按西方國(guó)家規(guī)范設(shè)置，1949年后基本上套用前蘇聯(lián)規(guī)范設(shè)置。以下，前者簡(jiǎn)稱(chēng)西方，后者簡(jiǎn)稱(chēng)東方。東西方的變電所防雷保護(hù)設(shè)置不盡相同。西方的變電所防雷是以降低電氣裝置故障損壞率為主要目的，提高供電可靠性由網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)來(lái)保證。所以，至今變電所全部電氣裝置（包括絕緣子串）仍保持采用絕緣配合外放電間隙（實(shí)際是原型避雷器），一旦避雷器失效則全靠后備保護(hù)。東方的變電所全部電氣裝置不用絕緣配合外放電間隙，完全押在避雷器上，一旦避雷器失效，后果會(huì)比西方嚴(yán)重。
但當(dāng)時(shí)這樣的選擇是對(duì)的。因?yàn)楫?dāng)時(shí)西方國(guó)家對(duì)我國(guó)進(jìn)行封鎖和制裁，只有這一條路可走，而且這也促進(jìn)了我國(guó)交流電氣裝置過(guò)電壓技術(shù)的進(jìn)步，提高了電力系統(tǒng)運(yùn)行的安全性。問(wèn)題在于雖然根據(jù)我國(guó)實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，先后對(duì)這些“標(biāo)準(zhǔn)”（先后改名為“導(dǎo)則”、“規(guī)程”、“規(guī)范”、“標(biāo)準(zhǔn)”，以下統(tǒng)稱(chēng)“標(biāo)準(zhǔn)”）進(jìn)行過(guò)多次修訂，但編寫(xiě)的觀念、原則、規(guī)則、格式未變，條文規(guī)定得過(guò)細(xì)過(guò)死，全國(guó)“一刀切”，不能因地制宜，企業(yè)無(wú)競(jìng)爭(zhēng)意識(shí)，嚴(yán)重束縛了工程技術(shù)人員的積極性，不管浪費(fèi)多大，事故損失如何，設(shè)計(jì)者和業(yè)主都無(wú)責(zé)任，責(zé)任都由“標(biāo)準(zhǔn)”承擔(dān)。人們發(fā)出種種疑問(wèn)，迫使反思。本文試就變電所防雷保護(hù)的幾個(gè)問(wèn)題提出個(gè)人淺見(jiàn)，供討論。當(dāng)然這樣一些問(wèn)題的正確評(píng)判，還要靠實(shí)踐來(lái)檢驗(yàn)。多年來(lái)，這方面的事故分析、運(yùn)行統(tǒng)計(jì)分析及經(jīng)驗(yàn)總結(jié)太少，很是不足。
2 變電所防雷保護(hù)是一個(gè)系統(tǒng)工程
變電所防雷保護(hù)是一個(gè)系統(tǒng)工程，它由3個(gè)子系統(tǒng)即三道防線組成：
第一道防線，即第一子系統(tǒng)的作用是防止雷直擊變電所電力設(shè)備。
雷擊是無(wú)法阻止的，只能通過(guò)攔截導(dǎo)引改變其入地路徑。好的設(shè)計(jì)和建設(shè)，能避免破壞性后果。這道防線由攔截受雷（接閃）、引流、接地散流防護(hù)系統(tǒng)組成。接閃器有避雷針（線），小變電所大多采用獨(dú)立避雷針，大變電所大多在變電所架構(gòu)上采用避雷針或避雷線，或這兩者結(jié)合，對(duì)引流線和接地裝置都有嚴(yán)格的要求。
宣稱(chēng)××避雷針保護(hù)范圍大，或××計(jì)算方法準(zhǔn)確等都不符合實(shí)際情況。事實(shí)上，避雷針（線）的攔截雷效應(yīng)，即對(duì)被保護(hù)物的保護(hù)作用（保護(hù)范圍），與雷電極性、雷電通道電荷分布、空間電荷分布、先導(dǎo)頭部電位、放電定位高度、避雷針的數(shù)量和高度、被保護(hù)物的高度以及相互之間的位置、當(dāng)時(shí)的大氣條件和地理?xiàng)l件等因素有關(guān)。一般地說(shuō)，地理?xiàng)l件（包括地貌和地質(zhì)結(jié)構(gòu)）影響雷擊先導(dǎo)階段電場(chǎng)分布，從而影響到主放電的發(fā)展；大氣條件的影響是空氣濕度和溫度愈高，避雷針（線）保護(hù)效果就愈??；還有，雷電流幅值（或放電定位高度）愈大，避雷針（線）攔截雷范圍就愈大，也即是保護(hù)范圍愈大。攔截雷的避雷針保護(hù)范圍與這么多因素有關(guān)，而且這些因素中許多是隨機(jī)性的，能完全免遭雷擊的避雷針（線）絕對(duì)保護(hù)范圍是沒(méi)有的。所謂保護(hù)范圍是指被保護(hù)物在此空間范圍內(nèi)遭受雷擊的概率在可接受值之內(nèi)。各種文件規(guī)定的不同保護(hù)范圍只是允許遭受雷擊的概率不同而已。美國(guó)推薦性的IEEEstd 142－1991中第3．3．3．1節(jié)介紹：計(jì)算避雷針保護(hù)范圍時(shí)采用滾球半徑（即雷擊半徑）為30 m，大約保護(hù)范圍內(nèi)雷擊概率為0．1％，采用45 m，大約為0．5％。
企圖從一些很不夠的條件和參數(shù)開(kāi)發(fā)定量求出避雷針（線）不同保護(hù)范圍繞擊率的計(jì)算方法，如電氣幾何擊距法，滾球法，拋球法等，都是積極的、有益的。但迄今為止，這些方法算出的避雷針（線）在不同保護(hù)范圍時(shí)的繞擊率都是定性的，定量是不可信的。正如前述，避雷針（線）保護(hù)范圍受很多因素影響，其中一些因素的影響至今無(wú)法定量。這些方法中應(yīng)用的一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)，如電氣幾何擊距法中的擊距、滾球法和拋球法中的球半徑，定性上是隨著雷電流增大而增大，定量就難了。至今，人們還不知擊距或球半徑30～60 m的長(zhǎng)空氣隙擊穿電壓值，不討論實(shí)驗(yàn)室空氣間隙放電是否逼真自然雷擊放電。至今世界上最大實(shí)驗(yàn)室做的最長(zhǎng)的雷電沖擊波空氣間隙放電距離也只有10 m左右，將其向外延長(zhǎng)用到30～60 m或以上，有的按3 kV／cm，有的按5 kV／cm推算，得出了很多在同一雷電流下不同擊距或球半徑的計(jì)算公式，這是必然結(jié)果。同時(shí)，從實(shí)驗(yàn)室雷電沖擊波10 m左右空氣間障放電電壓值，外延用于確定30～60 m或以上的自然雷擊放電電壓值，令人難以置信。
此外電氣幾何擊距法、滾球法、拋球法的一個(gè)共同特點(diǎn)是誰(shuí)距離短就擊誰(shuí)，也與實(shí)驗(yàn)室獲得的放電現(xiàn)象不符合，放電有分散性和曲折多分支路，并不一定擊中距離短的物體。
鑒于上述理由，電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)DL／T 620－1997《交流電氣裝置的過(guò)電壓保護(hù)和絕緣配合》，關(guān)于避雷針（線）的保護(hù)范圍仍沿用過(guò)去方法。統(tǒng)計(jì)我國(guó)4 272變電所運(yùn)行年的經(jīng)驗(yàn)，表明按這種方法計(jì)算的保護(hù)范圍繞擊率為0．07次／100所·a［5］，這是可以接受的，沒(méi)有必要改變，否則會(huì)造成混亂和浪費(fèi)。變電所現(xiàn)行的直擊雷防護(hù)的可靠性，比沿架空輸電線路導(dǎo)線侵入的雷電防護(hù)高10倍以上。變電所的危險(xiǎn)主要來(lái)自沿架空輸電線路導(dǎo)線上的侵入波。
第二道防線，即第二子系統(tǒng)為進(jìn)線保護(hù)段。
雷擊進(jìn)線保護(hù)段首端及以外時(shí)，絕大部分雷電流被引入地中，只有很小部分的雷電流沿架空線路導(dǎo)線侵入變電所。雷電波沿架空線路導(dǎo)線傳播時(shí)，受沖擊電暈和大地效應(yīng)影響而衰減，能降到變電所電氣裝置絕緣強(qiáng)度的允許值。
變電所的主要危險(xiǎn)是來(lái)自進(jìn)線保護(hù)段之內(nèi)的架空線路遭雷擊，反擊導(dǎo)線或繞擊導(dǎo)線產(chǎn)生雷電侵入波，因此進(jìn)線段又稱(chēng)危險(xiǎn)段。加強(qiáng)進(jìn)線段防雷保護(hù)是十分重要的，要求避雷線具有很好的屏蔽和較高的耐雷水平。不管如何，反擊和繞擊仍是可能的。因此，變電所設(shè)防（第三道防線）要求的進(jìn)線保護(hù)段（危險(xiǎn)段）愈短愈好，這樣允許侵入波的陡度和幅值較大。
第三道防線，即第三子系統(tǒng)期望將侵入變電所的雷電波降低到電氣裝置絕緣強(qiáng)度允許值以內(nèi)。我國(guó)主要是采用金屬氧化物避雷器（MOA），西方國(guó)家除用MOA外，還在所有電氣裝置上安裝空氣間隙，在MOA失效后空氣間隙可作為后備保護(hù)。
由這三個(gè)子系統(tǒng)的三道防線構(gòu)成一個(gè)完整的變電所防雷保護(hù)系統(tǒng)。這三道防線各負(fù)其責(zé)，缺一不可，不存在誰(shuí)替代誰(shuí)的問(wèn)題。只是視具體情況不同，哪一道防線設(shè)置保護(hù)元件多少不同而已。現(xiàn)在市場(chǎng)上的各種防雷保護(hù)裝置，實(shí)際上只是整個(gè)防雷保護(hù)系統(tǒng)中的一個(gè)保護(hù)元件，只起某一方面的保護(hù)作用，那種把這三道防線割裂開(kāi)來(lái)，孤立設(shè)置的方法是錯(cuò)誤的。三道防線之間關(guān)系密切，互相影響，尤其是二、三道防線之間，若第三道防線能力強(qiáng)，可縮短第二道防線——危險(xiǎn)段的長(zhǎng)度，提高變電所耐雷可靠性；若第二道防線能力很強(qiáng)，可以減輕第三道防線負(fù)擔(dān)，變電所耐雷可靠性將得到提高。
3 電力變壓器繞組各側(cè)設(shè)防的耐雷可靠性應(yīng)一致
眾所周知，電力變壓器不論哪一側(cè)繞組損壞，變壓器都要停運(yùn)和修理。因此變壓器繞組各側(cè)設(shè)防的耐雷可靠性應(yīng)一致。
電力變壓器防雷保護(hù)的簡(jiǎn)繁應(yīng)根據(jù)容量大小、損壞影響程度及供電重要性決定。所以IEC99－4以交流無(wú)間隙金屬氧化物避雷器（TPMOA）的標(biāo)稱(chēng)放電電流值（In）來(lái)分類(lèi)，如20kA、10kA、5kA、2．5kA、1．5kA等，In等級(jí)不同，試驗(yàn)要求不同。用戶根據(jù)電力變壓器的不同重要性來(lái)選用WGMOA的In等級(jí)。西方制造企業(yè)TPMOA型錄中明確說(shuō)明：電站TPMOA的In分為10kA和20kA兩個(gè)等級(jí)；In＝10kA的，Ur為3～336kA；In＝20kA的，Ur為3～800kV；配電型WGMOA的In只有5kA。用戶可很方便地選用。例如大容量變壓器，保護(hù)高壓或超高壓一次側(cè)繞組絕緣選用TPMOA的In＝10kA或20kA，而二次中壓側(cè)TPMOA也應(yīng)選用In＝10kA或20kA。In等級(jí)實(shí)際上反映變壓器的耐雷可靠性，即風(fēng)險(xiǎn)程度。原則是要求電力變壓器繞組各側(cè)設(shè)防耐雷可靠性一致。各側(cè)TPMOA選用相同等級(jí)In是重要措施之一。
在我國(guó)一些標(biāo)準(zhǔn)中，TPMOA分類(lèi)和電力變壓器各側(cè)繞組的防雷保護(hù)，實(shí)際上是按電力系統(tǒng)標(biāo)稱(chēng)電壓等級(jí)來(lái)劃分和設(shè)防的，不論變壓器一次側(cè)繞組電壓等級(jí)多高，是高壓或超高壓，不論容量多大，是幾百M(fèi)VA或小容量，不論一次側(cè)繞組采用TP－MOA的In＝10kA還是20kA，例如二側(cè)繞組為35kA等級(jí)，一律規(guī)定TPMOA的In＝5kA，防雷保護(hù)一個(gè)模式——“一刀切”。這樣，電力變壓器一、二次側(cè)耐雷可靠性是不配合的，防雷薄弱環(huán)節(jié)在二次中壓側(cè)是顯而易見(jiàn)的。1990～1994年全國(guó)在役的110kV及以上等級(jí)電力變壓器類(lèi)設(shè)備（未包括農(nóng)口管理的設(shè)備）的運(yùn)行情況及事故統(tǒng)計(jì)分析完全證實(shí)了這點(diǎn)。
或許有人會(huì)說(shuō)，過(guò)去的碳化硅閥式避雷器（SiCA）的In就是5kA。請(qǐng)不要忘記，那時(shí)一、二次側(cè)SiCA的In都是5kA，耐雷可靠性一致。或許有人會(huì)說(shuō)，中壓閥式避雷器流過(guò)的雷電流沒(méi)有高壓或超高壓側(cè)大。但實(shí)測(cè)流過(guò)避雷器的雷電流恰好相反。1958年國(guó)際大電網(wǎng)會(huì)議（CIGRE）第33學(xué)術(shù)委員會(huì)（SC－33）第1工作組報(bào)告中指出：“通過(guò)閥式避雷器最大的雷電流是發(fā)生在中壓等級(jí)以下者”。
流過(guò)閥式避雷器的雷電流幅值和陡度是隨機(jī)變量，是非固定值，按概率分布。選用較高In等級(jí)的TPMOA，實(shí)質(zhì)上是加強(qiáng)了電力變壓器防雷保護(hù)的可靠性。而較高In等級(jí)TPMOA增加的造價(jià)，相對(duì)于大容量電力變壓器造價(jià)來(lái)說(shuō)是極小的 。TPMOA是積木式的，在技術(shù)上不存在任何困難。
4 選用沿架空輸電線路導(dǎo)線侵入到變電所的雷電陡度和幅值不應(yīng)“一刀切”
TPMOA至被保護(hù)物（如電力變壓器）之間允許的最大距離決定于沿架空輸電線路導(dǎo)線侵入到變電所雷電波的陡度和幅值。但影響該參數(shù)的因素很多，如直擊雷電參數(shù)（幅值、陡度和波的長(zhǎng)度等）、進(jìn)線段參數(shù)（避雷線根數(shù)和布置位置、桿塔高度和桿塔波阻、接地沖擊電阻等）和雷擊點(diǎn)位置（雷擊點(diǎn)至TPMOA距離等）。由此可見(jiàn)，侵入到變電所的雷電波陡度和幅值是隨機(jī)變量，非固定值，按概率分布。選用多大侵入波陡度和幅值實(shí)際上反映了被保護(hù)電氣裝置耐雷的可靠性程度。因此，應(yīng)視被保護(hù)物（如電力變壓器）的重要性不同，分別選用不同的侵入變電所雷電波的陡度和幅值，那種同一電壓等級(jí)，不管重要性（容量大小、事故影響程度）差異，一律“一刀切”，選用同一雷電波陡度和幅值的方法是不可取的。
確定侵入到變電所的雷電波需要進(jìn)行大量試驗(yàn)研究工作，特別是運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)總結(jié)和統(tǒng)計(jì)分析。
我國(guó)從1954年至今，是采用如表1所示前蘇聯(lián)的規(guī)定值，運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明，這些值一般是可接受的，但對(duì)氣體絕緣裝置（GIS）等新設(shè)備和大容量變壓器，技術(shù)經(jīng)濟(jì)是否最佳還有待實(shí)踐的檢驗(yàn)。
在美國(guó)IEEE規(guī)范中，66kV及以上變電所的防雷保護(hù)可以不設(shè)專(zhuān)門(mén)加強(qiáng)防雷保護(hù)進(jìn)線段，用進(jìn)線第一基桿塔雷擊侵入波來(lái)考核避雷器至被保護(hù)物（如變壓器）之間的最大允許距離。66kV以下變電所才設(shè)長(zhǎng)610m（2000ft）的加強(qiáng)防雷保護(hù)進(jìn)線段，以降低通過(guò)變電所避雷器的雷電流。
西方一些標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，對(duì)于110kV及以上電壓等級(jí)系統(tǒng)，選用侵入到變電所雷電波的陡度比我國(guó)高很多，分別為1200kV／μs、1500kV／μs和2000kV／μs三級(jí)。即TPMOA至電力變壓器之間的最大允許電氣距離比我國(guó)規(guī)定的短很多。他們規(guī)定保護(hù)電力變壓器的TPMOA盡量靠近被保護(hù)電力變壓器，用最短導(dǎo)體將TPMOA與變壓器連接。若因技術(shù)和布置原因不能靠近被保護(hù)變壓器時(shí)，必須在TPMOA保護(hù)范圍內(nèi)。每路進(jìn)出線路上安裝一組TPMOA。避雷器安裝在靠近被保護(hù)設(shè)備（如電力變壓器或旋轉(zhuǎn)電機(jī)）位置，最好是同被保護(hù)物共用接地引下線，這樣，作用于被保護(hù)物絕緣上的電壓僅是避雷器殘壓。否則，不僅要考慮避雷器與被保護(hù)物之間的電壓差，還要考慮避雷器殘壓上串聯(lián)避雷器接地引下線的電感壓降。作用于被保護(hù)設(shè)備絕緣上的電壓等于避雷器殘壓疊加這兩部分所增加的電壓。這增加的電壓正比于避雷器至被保護(hù)設(shè)備之間的距離和避雷器接地引下線長(zhǎng)度，以及侵入波的di/dt值 。美國(guó)推薦的IEEEstd 142－1991取di/dt=1OkA/μs。接地引下線L＝0．5～0．8μH ／m。若長(zhǎng)2m，則L＝1μH，接地引下線壓降10kV與避雷器殘壓串聯(lián)。此外，TPMOA標(biāo)稱(chēng)電流波形為8／20μs。試驗(yàn)證明，電流波頭愈陡（即波頭愈短）則TPMOA殘壓愈高。若標(biāo)稱(chēng)電流10kA，波形8／20μs，其陡度約1．25kA／μs，殘壓是偏低的。所以，在計(jì)算TPMOA至被保護(hù)設(shè)備距離時(shí)均應(yīng)考慮這些因素。
5 文章結(jié)論
?。?）變電所發(fā)生的雷電過(guò)電壓是隨機(jī)的，是具有統(tǒng)計(jì)性的概率分布的。因此，其防雷保護(hù)，不應(yīng)全國(guó)“一刀切”。業(yè)主和設(shè)計(jì)者應(yīng)因地制宜地對(duì)變電所設(shè)防，因設(shè)防不當(dāng)，造成不應(yīng)有的損失（包括設(shè)防浪費(fèi)和事故損失），應(yīng)由主事者負(fù)全責(zé)，“標(biāo)準(zhǔn)”不應(yīng)當(dāng)“替罪羊”。
?。?）變電所防雷保護(hù)是一個(gè)系統(tǒng)工程，由三個(gè)子系統(tǒng)即三道防線組成。這三道防線各負(fù)其責(zé)，缺一不可，不存在誰(shuí)替代誰(shuí)的問(wèn)題。三道防線之間，關(guān)系密切，互相影響，不應(yīng)割裂開(kāi)來(lái)，孤立設(shè)置。
?。?）電力變壓器繞組各側(cè)選用TPMOA的In等級(jí)應(yīng)相同，設(shè)防耐雷可靠性應(yīng)一致。
?。?）選用沿架空輸電線路導(dǎo)線侵入變電所的雷電波陡度和幅值，即TPMOA至被保護(hù)物之間的最大允許電氣距離，應(yīng)因地制宜，不應(yīng)全國(guó)“一刀切”。
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