3.2变电所遭受雷击的主要原因
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:
（1）直击雷过电压。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）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。
因此,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,是导致变电所雷害的主要原因,若不采取防护措施,势必造成变电所电气设备绝缘损坏,引发事故。
3.3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。 （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入设备中造成损坏,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。 （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。
3.4变电站防雷具体措施分类
3.4.1 避雷针或避雷线
避雷针是防直接雷击的有效装置。它的作用是将雷电吸引到自身并泄放入地中，从而保护其附近的建筑物、构筑物和电气设备等免遭雷击。 1、避雷针的结构和保护原理
避雷针是由接闪器、支持构架、引下线和接地体四部分构成。
（1）接闪器 是避雷针顶端1～2m长的一段镀锌圆钢或焊接钢管。圆钢直径应大于12～16mm；钢管直径应大于20～25mm。通过接闪器和雷云发生闪络放电。
（2）支持构架 高度在15～20m一下的独立避雷针可采用水泥杆；较高时宜采用钢结构支柱；110KV及以上电压级变电站，当条件允许时，可将避雷针安装在高压门型构上；对于建筑物或构筑物可装于顶部。
（3）引下线 采用经过防腐处理的圆钢或扁钢。圆钢直径不得小于8～12mm；扁钢截面不得小于12mm×4mm。引下线应沿支持构架及建筑物外墙以最短路径入地，以便尽可能减小雷电流通过时在引下线上产生的电感下降。
（4）接地体 埋于地下的各种型钢，工程中多采用垂直打入地中的钢管、角钢或水平埋设扁钢、圆钢。入L50×50×5，长2.5m的角钢和截面为4mm×25mm的扁钢。接地体是直接泄放雷电流的，所以其选用既要考虑经济，又要满足接地电阻值的规定要求。
避雷针的保护原理是：当雷云中的先导放电向地面发展，距离地面一定高度时，避雷针能使先导通道所产生的电场发生畸变，此时，最大电场强度的方向将出现在从雷电先导到避雷针顶端（接闪器）的连线上，致使雷云中的电荷被吸引到避雷针，并安全泄放入地。 2、避雷针的保护范围
（1）单根针的保护范围 如图3-2所示。
h ha B h/2 1.5h rx 0.75h A 45° hx
hx水平面上保护范围的截面
图3-2 单根避雷针的保护范围
由上图有，在被保护高度为hx水平面上, 其保护半径rx为
hx?h2时， rx?(h?hx)p h2时，
当
当
hx?rx?(1.5h?2hx)p
20式中，p为考虑避雷针太高时，保护半径不成正比增大的系数。当h?30m时，p?1；当30?h?1p?5.5h；当h?120m时，按120m计算。
时，
（2）两根等高避雷针的保护范围 如图3-3所示。 h
图3-3 两根等高避雷针的保护范围
首先根据被保护物的长、宽和高度及避雷针理想的安装位置等客观情况，初步确定两等高针之间的距离，并按照
D?7ha1 ha R0 D/7p h0 2 O-O` 截面 rx h/2 1.5h h0 hx bx 1.5h0 D hx水平面上保护范围的截面 bx rx bx ，初步选取ha。根据D和ha，进行两等高针联合保护范围验算：两针之间保
护范围如图2-4所示，计算公式有：
h0?h?
D7p
bx?1.5(h0?hx) 式中: h0——为等高双针的联合保护范围上部边缘最低点的高度(m )，p同上。
3、避雷线
避雷线是由悬挂在保护物上空的镀锌钢绞线（即接闪器，截面不得小35mm2）、接地引下线和接地体组成。
（1）单根避雷线的保护范围 如图3-4所示。
ha h hx h/2
25 0 h h 图3-4 单根避雷线的保护范围
单根避雷线的一侧，在高度为hx平面上的保护宽度rx按下式计算：
hx?12h 当
hx?时，
rx?0.47(h?hx)p
12h当时，
rx?(h?1.53hx)p （2）两条平行架设的避雷线的保护范围
图3-5 双避雷线的保护范围
rx h hx h/2 ha R0 1 D/4p 2 D h 在两根避雷线的外侧的保护范围按单根线方法确定；而两避雷线内侧保护范围的横截面，是由通过避
h0?h?D4p（h为避雷线悬
雷线1和2及保护范围上部 边缘的最低点O的圆弧来确定，O点的高度挂高度；D为两避雷线的水平间距；p的意义同前）。
两避雷线端部的保护范围分别按单根避雷线确定端部的保护范围，两线间端部保护范围最小宽度有：
bx?h0?hx?h?D4p?hx
bx为两避雷线端部最小保护宽度；hx为被保护物高度；h0为两避雷线间保护最低点高度。
3.4.2避雷器
避雷器能将侵入变电所的雷电波降低到电气装置绝缘强度允许值以内。我国主要是采用金属氧化物避雷器（MOA）。
避雷器是用来限制沿线路侵入的雷电压（或因操作引起的内过电压）的一种保护设备。避雷器的连接如图3-6所示：
避雷器
图3-6 避雷器的连接
为了使避雷器能够达到预想的保护效果，必须满足如下两点基本要求。
（1）具有良好的伏秒特性，以实现与被保护电气设备绝缘的合理配合。如图3-7所示
u
1 2 3 t 被保护 设备 过电压波 线路 图3-7 避雷器与电气设备的伏秒特性合理配合
1-电气设备的伏秒特性；2-避雷器的伏秒特性；3-电器上可能出现的最高工频电压
伏秒特性，是表达绝缘材料（或空气间隙）在不同幅值的冲击电压作用下，其冲击放电电压值与对应的放电时间的函数关系。
（2）间隙绝缘强度自恢复能力要好，以便快速切断工频续流，保证电力系统继续正常工作。 对于有间隙的避雷器以上两条都适宜，这类避雷器主要有保护间隙、管式避雷器及带间隙的阀式避雷器。对于无间隙的金属氧化物避雷器，基本技术要求则不同，它没有灭弧问题，相应的却产生了独特的热稳定性问题。
目前大部分变电站防雷电侵入波使用的氧化锌避雷器的保护效果如图3-8所示：