1　文章引言
　　我國變電所防雷保護1949年前基本上按西方國家規(guī)范設置，1949年后基本上套用前蘇聯(lián)規(guī)范設置。以下，前者簡稱西方，后者簡稱東方。東西方的變電所防雷保護設置不盡相同。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絡結構來保證。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（實際是原型避雷器），一旦避雷器失效則全靠后備保護。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，后果會比西方嚴重。
　　但當時這樣的選擇是對的。因為當時西方國家對我國進行封鎖和制裁，只有這一條路可走，而且這也促進了我國交流電氣裝置過電壓技術的進步，提高了電力系統(tǒng)運行的安全性。問題在于雖然根據(jù)我國實際運行經驗，先后對這些“標準”（先后改名為“導則”、“規(guī)程”、“規(guī)范”、“標準”，以下統(tǒng)稱“標準”）進行過多次修訂，但編寫的觀念、原則、規(guī)則、格式未變，條文規(guī)定得過細過死，全國“一刀切”，不能因地制宜，企業(yè)無競爭意識，嚴重束縛了工程技術人員的積極性，不管浪費多大，事故損失如何，設計者和業(yè)主都無責任，責任都由“標準”承擔。人們發(fā)出種種疑問，迫使反思。本文試就變電所防雷保護的幾個問題提出個人淺見，供討論。當然這樣一些問題的正確評判，還要靠實踐來檢驗。多年來，這方面的事故分析、運行統(tǒng)計分析及經驗總結太少，很是不足。
　　2　變電所防雷保護是一個系統(tǒng)工程
　　變電所防雷保護是一個系統(tǒng)工程，它由3個子系統(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備。
　　雷擊是無法阻止的，只能通過攔截導引改變其入地路徑。好的設計和建設，能避免破壞性后果。這道防線由攔截受雷（接閃）、引流、接地散流防護系統(tǒng)組成。接閃器有避雷針（線），小變電所大多采用獨立避雷針，大變電所大多在變電所架構上采用避雷針或避雷線，或這兩者結合，對引流線和接地裝置都有嚴格的要求。
　　宣稱××避雷針保護范圍大，或××計算方法準確等都不符合實際情況。事實上，避雷針（線）的攔截雷效應，即對被保護物的保護作用（保護范圍），與雷電極性、雷電通道電荷分布、空間電荷分布、先導頭部電位、放電定位高度、避雷針的數(shù)量和高度、被保護物的高度以及相互之間的位置、當時的大氣條件和地理條件等因素有關。一般地說，地理條件（包括地貌和地質結構）影響雷擊先導階段電場分布，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，也即是保護范圍愈大。攔截雷的避雷針保護范圍與這么多因素有關，而且這些因素中許多是隨機性的，能完全免遭雷擊的避雷針（線）絕對保護范圍是沒有的。所謂保護范圍是指被保護物在此空間范圍內遭受雷擊的概率在可接受值之內。各種文件規(guī)定的不同保護范圍只是允許遭受雷擊的概率不同而已。美國推薦性的IEEEstd 142－1991中第3．3．3．1節(jié)介紹：計算避雷針保護范圍時采用滾球半徑（即雷擊半徑）為30 m，大約保護范圍內雷擊概率為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)開發(fā)定量求出避雷針（線）不同保護范圍繞擊率的計算方法，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）在不同保護范圍時的繞擊率都是定性的，定量是不可信的。正如前述，避雷針（線）保護范圍受很多因素影響，其中一些因素的影響至今無法定量。這些方法中應用的一個關鍵參數(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的長空氣隙擊穿電壓值，不討論實驗室空氣間隙放電是否逼真自然雷擊放電。至今世界上最大實驗室做的最長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算公式，這是必然結果。同時，從實驗室雷電沖擊波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、拋球法的一個共同特點是誰距離短就擊誰，也與實驗室獲得的放電現(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)標準DL／T 620－1997《交流電氣裝置的過電壓保護和絕緣配合》，關于避雷針（線）的保護范圍仍沿用過去方法。統(tǒng)計我國4 272變電所運行年的經驗，表明按這種方法計算的保護范圍繞擊率為0．07次／100所·a［5］，這是可以接受的，沒有必要改變，否則會造成混亂和浪費。變電所現(xiàn)行的直擊雷防護的可靠性，比沿架空輸電線路導線侵入的雷電防護高10倍以上。變電所的危險主要來自沿架空輸電線路導線上的侵入波。
      第二道防線，即第二子系統(tǒng)為進線保護段。
　　雷擊進線保護段首端及以外時，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線侵入變電所。雷電波沿架空線路導線傳播時，受沖擊電暈和大地效應影響而衰減，能降到變電所電氣裝置絕緣強度的允許值。
　　變電所的主要危險是來自進線保護段之內的架空線路遭雷擊，反擊導線或繞擊導線產生雷電侵入波，因此進線段又稱危險段。加強進線段防雷保護是十分重要的，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，變電所設防（第三道防線）要求的進線保護段（危險段）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度允許值以內。我國主要是采用金屬氧化物避雷器（MOA），西方國家除用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。
　　由這三個子系統(tǒng)的三道防線構成一個完整的變電所防雷保護系統(tǒng)。這三道防線各負其責，缺一不可，不存在誰替代誰的問題。只是視具體情況不同，哪一道防線設置保護元件多少不同而已。現(xiàn)在市場上的各種防雷保護裝置，實際上只是整個防雷保護系統(tǒng)中的一個保護元件，只起某一方面的保護作用，那種把這三道防線割裂開來，孤立設置的方法是錯誤的。三道防線之間關系密切，互相影響，尤其是二、三道防線之間，若第三道防線能力強，可縮短第二道防線——危險段的長度，提高變電所耐雷可靠性；若第二道防線能力很強，可以減輕第三道防線負擔，變電所耐雷可靠性將得到提高。
　　3　電力變壓器繞組各側設防的耐雷可靠性應一致　　
　　眾所周知，電力變壓器不論哪一側繞組損壞，變壓器都要停運和修理。因此變壓器繞組各側設防的耐雷可靠性應一致。
　　電力變壓器防雷保護的簡繁應根據(jù)容量大小、損壞影響程度及供電重要性決定。所以IEC99－4以交流無間隙金屬氧化物避雷器（TPMOA）的標稱放電電流值（In）來分類，如20kA、10kA、5kA、2．5kA、1．5kA等，In等級不同，試驗要求不同。用戶根據(jù)電力變壓器的不同重要性來選用WGMOA的In等級。西方制造企業(yè)TPMOA型錄中明確說明：電站TPMOA的In分為10kA和20kA兩個等級；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，保護高壓或超高壓一次側繞組絕緣選用TPMOA的In＝10kA或20kA，而二次中壓側TPMOA也應選用In＝10kA或20kA。In等級實際上反映變壓器的耐雷可靠性，即風險程度。原則是要求電力變壓器繞組各側設防耐雷可靠性一致。各側TPMOA選用相同等級In是重要措施之一。
　　在我國一些標準中，TPMOA分類和電力變壓器各側繞組的防雷保護，實際上是按電力系統(tǒng)標稱電壓等級來劃分和設防的，不論變壓器一次側繞組電壓等級多高，是高壓或超高壓，不論容量多大，是幾百MVA或小容量，不論一次側繞組采用TP－MOA的In＝10kA還是20kA，例如二側繞組為35kA等級，一律規(guī)定TPMOA的In＝5kA，防雷保護一個模式——“一刀切”。這樣，電力變壓器一、二次側耐雷可靠性是不配合的，防雷薄弱環(huán)節(jié)在二次中壓側是顯而易見的。1990～1994年全國在役的110kV及以上等級電力變壓器類設備（未包括農口管理的設備）的運行情況及事故統(tǒng)計分析完全證實了這點。
　　或許有人會說，過去的碳化硅閥式避雷器（SiCA）的In就是5kA。請不要忘記，那時一、二次側SiCA的In都是5kA，耐雷可靠性一致?；蛟S有人會說，中壓閥式避雷器流過的雷電流沒有高壓或超高壓側大。但實測流過避雷器的雷電流恰好相反。1958年國際大電網會議（CIGRE）第33學術委員會（SC－33）第1工作組報告中指出：“通過閥式避雷器最大的雷電流是發(fā)生在中壓等級以下者”。
　　流過閥式避雷器的雷電流幅值和陡度是隨機變量，是非固定值，按概率分布。選用較高In等級的TPMOA，實質上是加強了電力變壓器防雷保護的可靠性。而較高In等級TPMOA增加的造價，相對于大容量電力變壓器造價來說是極小的 。TPMOA是積木式的，在技術上不存在任何困難。
　　4　選用沿架空輸電線路導線侵入到變電所的雷電陡度和幅值不應“一刀切”　　
　　TPMOA至被保護物（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、陡度和波的長度等）、進線段參數(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）和雷擊點位置（雷擊點至TPMOA距離等）。由此可見，侵入到變電所的雷電波陡度和幅值是隨機變量，非固定值，按概率分布。選用多大侵入波陡度和幅值實際上反映了被保護電氣裝置耐雷的可靠性程度。因此，應視被保護物（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，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行大量試驗研究工作，特別是運行經驗總結和統(tǒng)計分析。
　　我國從1954年至今，是采用如表1所示前蘇聯(lián)的規(guī)定值，運行經驗表明，這些值一般是可接受的，但對氣體絕緣裝置（GIS）等新設備和大容量變壓器，技術經濟是否最佳還有待實踐的檢驗。
　　在美國IEEE規(guī)范中，66kV及以上變電所的防雷保護可以不設專門加強防雷保護進線段，用進線第一基桿塔雷擊侵入波來考核避雷器至被保護物（如變壓器）之間的最大允許距離。66kV以下變電所才設長610m（2000ft）的加強防雷保護進線段，以降低通過變電所避雷器的雷電流。 　
　　西方一些標準規(guī)定，對于110kV及以上電壓等級系統(tǒng)，選用侵入到變電所雷電波的陡度比我國高很多，分別為1200kV／μs、1500kV／μs和2000kV／μs三級。即TPMOA至電力變壓器之間的最大允許電氣距離比我國規(guī)定的短很多。他們規(guī)定保護電力變壓器的TPMOA盡量靠近被保護電力變壓器，用最短導體將TPMOA與變壓器連接。若因技術和布置原因不能靠近被保護變壓器時，必須在TPMOA保護范圍內。每路進出線路上安裝一組TPMOA。避雷器安裝在靠近被保護設備（如電力變壓器或旋轉電機）位置，最好是同被保護物共用接地引下線，這樣，作用于被保護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。作用于被保護設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設備之間的距離和避雷器接地引下線長度，以及侵入波的di/dt值 。美國推薦的IEEEstd 142－1991取di/dt=1OkA/μs。接地引下線L＝0．5～0．8μH ／m。若長2m，則L＝1μH，接地引下線壓降10kV與避雷器殘壓串聯(lián)。此外，TPMOA標稱電流波形為8／20μs。試驗證明，電流波頭愈陡（即波頭愈短）則TPMOA殘壓愈高。若標稱電流10kA，波形8／20μs，其陡度約1．25kA／μs，殘壓是偏低的。所以，在計算TPMOA至被保護設備距離時均應考慮這些因素。
　　5　文章結論
　?。?）變電所發(fā)生的雷電過電壓是隨機的，是具有統(tǒng)計性的概率分布的。因此，其防雷保護，不應全國“一刀切”。業(yè)主和設計者應因地制宜地對變電所設防，因設防不當，造成不應有的損失（包括設防浪費和事故損失），應由主事者負全責，“標準”不應當“替罪羊”。
　?。?）變電所防雷保護是一個系統(tǒng)工程，由三個子系統(tǒng)即三道防線組成。這三道防線各負其責，缺一不可，不存在誰替代誰的問題。三道防線之間，關系密切，互相影響，不應割裂開來，孤立設置。
　?。?）電力變壓器繞組各側選用TPMOA的In等級應相同，設防耐雷可靠性應一致。
　　（4）選用沿架空輸電線路導線侵入變電所的雷電波陡度和幅值，即TPMOA至被保護物之間的最大允許電氣距離，應因地制宜，不應全國“一刀切”。
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