预制舱变电站的防雷设计思路及案例分析.pdf

电工材料 2023 No.4由恒远等：预制舱变电站的防雷设计思路及案例分析预制舱变电站的防雷设计思路及案例分析由恒远1，2，周君1，党景涛1（1.青岛特锐德电气股份有限公司，山东青岛 266101；2.四川山地轨道交通技术研究院，成都 610000）摘要：按预制舱的固有特性与标准内容相结合的原则，从3个方面对预制舱的防雷进行了设计分析：首先，预制舱法拉第笼结构防雷效果和设计注意事项，从理论上确定了预制舱变电站不设避雷针的原理；其次，基于对法拉第笼防雷方案的完善，提出了预防雷电反击电压的措施；最后，为进一步完善弱电信号的保护，提出了预制舱内部局部等电位的优化设计思路。基于以上理论研究，以某城市轨道交通预制舱变电站为实例，介绍了接地网设计中的强电接地、弱电接地和保护接地的设计方案。关键词：预制舱变电站；防雷设计；法拉第笼中图分类号：TM402 DOI：10.16786/ki.1671-8887.eem.2023.04.023Designs and Typical Case Analysis of Lightning Protection for Prefabricated SubstationYOU Hengyuan1,2,ZHOU Jun1,DANG Jingtao1(1.Qingdao TGOOD Electric Co.,Ltd.,Shandong Qingdao 266101,China;2.Sichuan Academy of Mountain Rail Transit Science,Chengdu 610000,China)Abstract:In this paper,combining the inherent characteristics of prefabricated cabin with the standard content,the lightning protection of prefabricated cabin is designed and analyzed from three aspects.Firstly,the lightning protection effect of Faraday Cage structure of prefabricated cabin and the design precautions are theoretically determined,and the principle of no lightning rod in prefabricated cabin substation is theoretically determined.Secondly,based on the improvement of lightning protection structure in Faraday Cage,the measures to prevent lightning strike back voltage are put forward.Finally,in order to further improve the protection of weak current signal,the optimization design idea of local equipotential in prefabricated cabin is put forward.Based on the above theoretical research,taking a prefabricated substation of urban rail transit as an example,this paper introduces the design schemes of strong grounding,weak grounding and protective grounding in the design of grounding grid.Key words:wiprefabricated substation;lightning protection design;Faraday Cagend power generation0引言防雷是变电站设计的重要内容，预制舱变电站作为变电站建设模式的重要方向，也同样需要科学设计。雷电过电压主要来自雷电对配电装置的直接雷击、反击和架空线路上的雷电侵入波、电缆线路的感应过电压。在变电站设置接闪器、防雷接地及进出线路加装避雷器，联合构成变电防止直击雷和感应雷及雷电入侵的保护；在低压系统的电源、通讯等设置浪涌保护器，防止雷电反击和雷电入侵。常规防雷设计都需要将接闪器、防雷引下线与接地网可靠地连接，将雷击过电压、雷电电流通过地网迅速散流，因此合理接地对变电所安全可靠运行尤其重要。预制舱变电站的占地面积小，结构紧凑，使其防雷设计受空间所限，存在不方便安装避雷针的情况；另外预制舱变电站很多时候需要同时解决供电和环评的问题，不适宜在各种环境优美的基金项目：四川省科技计划项目（2022ZDZX0043）作者简介：由恒远（1978-），男（汉族），工程师，研究方向为电力设备研发及电力系统集成。收稿日期：2022-11-0388电工材料 2023 No.4由恒远等：预制舱变电站的防雷设计思路及案例分析场合安装避雷针。对此，预制舱的防雷设计可考虑其周围有较高的建筑，根据滚球避雷法设计，或者按GB 500572010标准中金属屋面的建筑物宜利用其屋面作为接闪器1为依据，不考虑设置避雷针。标准的内容具有大而全的覆盖含义，而灵活多变的预制舱设计因其设计的灵活性，有可能超出标准的内涵。鉴于预制舱已经在220 kV及以下的供电系统中广泛应用，220 kV变电站属于第二类防雷建筑物，防雷设计需要全面考虑接闪、分流、均压、屏蔽、接地和布线6项主要因素2，需要综合评估全金属外壳预制舱防雷设计的可靠性和安全性。由此，通过法拉第笼防雷分析、雷电反击及局部等电位3个方向展开论述。1预制舱法拉第笼防直击雷分析预制舱变电站外壳为全金属结构，是一个典型的法拉第笼结构。预制舱变电站主要是采用两种防直击雷方案，一是设置独立避雷针防雷，二是靠预制仓金属外壳法拉第笼等电位屏蔽防雷。根据规范要求，设置独立避雷针的集中接地极需要与变电站的接地网有一定的地中距离，显然在空间受限的情况下，预制舱变电站采用法拉第笼等电位屏蔽防雷更为合理。法拉第笼原是指一个密封的金属腔体，根据静电平衡原理利用金属空腔隔离静电场影响所采用的一种结构，整个腔体是个等位体，金属腔体保护它所围的内部区域，实现静电屏蔽。在实际应用中，腔体不需要完全密封，如果腔体上有小孔或腔体由金属网格(类似法拉第笼)构成，除了直接靠近小孔或网格附近，网格内其他地方的电场是非常弱的。雷电流引起的电磁脉冲对电子设备的危害是致命的。目前，变电站综合自动化系统已普及，在变电站的防雷工程设计中，二次设备的电磁干扰是一个重要的环节。避雷带、避雷针对电磁脉冲并不能起到防护作用，根据相关研究结果，在有法拉第笼的情况下，其对雷电电磁脉冲的屏蔽效果是明显的，但若雷击点距建筑物较近，雷电电磁脉冲仍可能对电子设备造成永久性损坏3,4。根据GB/T 21714.42015 雷电保护第4部分：建筑物内电气和电子系统中的保护 范围引申到预制舱变电站的结构5，见图1。外部直雷击在击中预制舱外壳一点时，LPZ1保护的是预制舱内部，LPZ2保护的是屏柜内部设备，各节点均设浪涌保护器。当直击雷击中箱体顶盖一角，通常是这个位置，或者是箱变顶盖的某个位置后，在预制舱内LPZ1中LPZ2外最强磁场位置为屏柜后上沿，磁场强度H1按式（1）计算。H1=kh I0 wm/()dwdr（1）式中：dr为自动化屏柜距离屋顶最短的距离，单位为m；dw为自动化屏柜距离预制舱门板最短的距离，单位为m；I0为LPZ0（预制舱建筑等级）雷电流，单位为A；kh为结构系数，典型值为0.01；wm为预制舱屏蔽网格的宽度，单位为m。为了效果更加明显，按比较紧凑的预制舱方案进行计算，dr最短的距离按常规网络机柜距离顶盖下部约 0.6 m；dw最短的距离按机柜距离预制舱后门0.1 m；I0二级防雷建筑按150 000 A；由于预制舱无论如何设计都难免有缝隙，比如门板胶体的缝隙，通风窗缝隙甚至空调内外连接孔等等，为了使结果更加具备参考价值，选用较为严苛的数据，wm预 制 舱 屏 蔽 网 格 的 宽 度 按 0.2 m。计 算 得 H1=4243A/m。此时如果将dw最短的距离按机柜后有检修走廊距离预制舱后门1 m，则计算所得为424.3 A/m；而800 A/m需要dw为0.53 m。GB 501742017 数据中心设计规范6、YD/T 18212018 通信局（站）机房环境条件要求与监测方法7中提出主机房内的磁场强度不应超过 800 A/m。可见遭遇直击雷的情况下，自动化设备裸露在环境中离预制舱外壳需要有0.53 m以上的距离，屏蔽效果只靠预制舱门板屏蔽是不够的，因此内部的第二层防护是必须的。图1预制舱变电站雷电防护区划分89电工材料 2023 No.4由恒远等：预制舱变电站的防雷设计思路及案例分析进一步验证网络机柜屏蔽 LPZ1 环境电磁场强，即LPZ2内电磁场强H2是否满足要求，H2计算式见式（3）。网络机柜的外壳就成为了第二层屏蔽体。H2=H1/10SF/20（3）SF=20 lg(8.5/Wm)/1+18 10-6/rc2（4）式中：Wm为格栅型空间屏蔽的网格宽度（m）；rc为格栅型屏蔽导体的半径（m）。由于格栅空间实际为自动化柜的外壳，模拟为格栅结构，Wm最大可能的穿线孔宽度为 0.06 m；rc屏柜导体半径约为门板厚度，按0.001 m。通过计算SF=30.24，进而计算得到H2=131 A/m。进一步核验设备是否在保护范围内，当 SF10 时，ds 1=WSF/10。ds 1为安全距离即保护空间内二次信号设备距外壳的距离；W为格栅型空间屏蔽的网格宽度，即自动化柜的网格宽度，按最大的进出线孔0.006 m。SF=30.24，计算得ds 1=0.0002 m，显然自动化设备安装位置满足。由此可见，采用屏柜进行二次屏蔽后，电磁场强度已经降低为131 A/m，远低于800 A/m，二次设备（主要是网络设备和自动化设备）已经安全了。根据上文所述，解决直击雷的LEMP冲击，主要有两个方案，一是增加二次设备与预制舱壳体四周的距离，二是做好箱变内部设备的二次屏蔽。为防止万一，推荐采用增加与预制舱壳体距离的方案。2预制舱变电站防雷击反击设计法拉第笼解决了直雷击对预制舱内设备的电磁感应的过电压冲击，但是雷击过程造成的地电位升高也是重要的危险源。近年来，发电厂和变电站中多次发生因雷击变电站接地网造成微机保护误动或死机，甚至烧毁主设备事故。这类事故大都是因雷电流在接地网中的散流使接地网两点之间形成的较大的电位差对二次设备的反击造成的8,9。雷电流i通过接地极进入大地时，入地点的电位升高按式（5）10：Ug=iRch+Lgdidt（5）式中，Ug为接地点的地电位抬升高电压，kV；Rch为接地点的冲击电阻（非工频电阻），；Lg为接地极的有效电感，H。由于预制舱整体是金属六面体结构，在六面体连接足够紧密接触电阻足够小的前提下，中空的金属结构，其导电性极好，另外预制舱四周对地应为多点地网有效接地，整体相当于单极接地，粗略估算厚为4 mm、周长为28 m、高度为3 m典型预制舱的接地电阻为2.610-7，且为类中空结构，表面集肤效应很好，因此，可忽略有效电感影响。因此式（5）简化为：Ug=iRch，由此可见降低反击地电位的关键是降低冲击电阻。对于 110 kV 变电站工频接地电阻可取为 0.5。二级防雷建筑的雷电流陡度为 150 kA/s。根据GB 50057附录C接地装置冲击接地电阻与工频接地电阻的换算中最苛刻的条件下冲击电阻为工频电阻3倍，则雷击时雷电流在引下线上产生的瞬态过电压，二级防雷建筑为225 kV。系统标称电压额定雷电冲击(内,外绝缘)耐受电压(峰值)最小为450 kV，远小于雷击反击电压，因此，工频接地可以扩大到1。但是很多情况下，接地电阻在预制舱变电站安装空间很小，土壤电阻率过大的情况下，人工接地网接地电阻高于1，需要考虑与其他接地体互联以降低地网电阻，但是需要验证其冲击电阻阻值。随着接地网面积的不断增加，冲击电阻首先会快速减小，当面积超过某一定值时冲击电阻会逐渐趋向于某一定值，这与工频下的情况完全不同。工频下，随着地网面积的增加，接地电阻则会迅速下降11。影响接地体冲击接地电阻的主要因素有土壤电阻率、土壤的击穿场强、接地网的面积、电流注入点和雷电流波形等。局部增加雷电流注入点附近的接地网密度能有效改善接地网的冲击特性12。要想获得较高的降阻率，垂直极长度与水平地网的等值半径的比值应在1.0以上13。在冲击点及其附近布置合适长度垂直接地极可有效改善接地网的冲击特性；由于预制舱基础都是围着预制舱附件设置的多圈接地网，而雷击后放电过程主要是在预制舱下方外沿周围和预制舱底部的地网进行下泄，因此推荐加密外沿的垂直接地极的布置，进而优化冲击放电路径，减少冲击电阻，降低地电位抬升电压。在高土壤电阻率的情况下，如果工频接地电阻满足不了要求，可以采用增加地网面积降低冲击接地电阻的方案，并增加接地极埋深和长度，或采用深斜井结合的复合降阻方式11。90电工材料 2023 No.4由恒远等：预制舱变电站的防雷设计思路及案例分析3预制舱变电站接地网等电位设计预制舱的法拉第笼结构可有效降低雷击电磁脉冲的冲击破坏，优化预制舱的冲击接地电阻可有效的防止雷电反击过电压。基于预制舱变电站的空间屏蔽六面体的结构，应尽量将建筑物及房间外墙空间六面体中的结构金属体均作等电位联结并接地，这样做一般均能满足内部普通电子/信息设备的电磁环境要求14。本设计的预制舱变电站的接地方案是基于共用接地系统和局部屏蔽六面体的等电位设计。预制舱无避雷针设计，选用的是共用接地系统，是将各部分防雷装置、建筑物金属构件、低压配电保护线(PE)、等电位联结带、设备保护地、屏蔽体接地、防静电接地及接地装置等连接在一起的接地系统15。预制舱的接地分为以下几个方面：首选将接地分为强电接地和弱电接地及保护接地。强电接地系统主要是系统接地和防雷接地。系统接地主要是变压器的中性点接地，防雷接地是避雷器接地端和预制仓外壳的接地。当预制舱变电站等电位非常完善时，高电位不会产生危害，但当等电位连接出现故障或不完善时高电位便转化成了高电压，对系统产生破坏。接地系统中通过大电流的主要是强电接地系统中的系统接地（短路电流和雷电流）和防雷接地（雷电流），因此，预制舱共用接地系统中采用的是共用接地网的多点接地，即强电的接地点与其他接地点在共用地网上的连接点应保持足够的安全距离，留出雷电流泄放和高电位衰减的空间距离，使进入其他接地系统的电位在安全电位范围内。弱电接地主要是继电保护类信息设备接地和通讯接口的接地。由于预制舱外壳是法拉第笼结构，对于法拉第笼结构，其中部的磁场强度是最低的，而基于局部等电位的设计思想，将预制舱内的弱电接地局部设置在预制舱的中部底部区域，并通过一个点连接到共用地网的接点。与二次设备相连的线缆除了电源线缆和接地线外,都应采用屏蔽电缆。弱电接地存在逻辑接地，逻辑接地是以地电位作为零电位或参考电位，这就要求该接地要有很高的稳定性和抗干扰能力。主要实现方案是：低频信号电缆的屏蔽层在设备端单端接地,高频信号电缆屏蔽层至少要两端接地16；弱电接地的局部等电位安装在预制舱中间底部内，安装在电磁场干扰最低的部位，另外缩短了各个接地导线的距离，减少了的雷击磁场骚扰。另外弱电设备电源或信号回路均需设置浪涌保护，以有效防止直击雷和反击过电压17。保护接地主要是柜内各个装置的等电位接地，预制舱箱体全金属结构，就近接地效果最好，绝对不能分别引至强电接地点。4典型案例分析以某轨道交通牵引预制舱项目为例，预制舱基础附近做一圈人工接地网，如果接地电阻不够则需要相应地扩展地网面积。接地网在预制舱内分别设置强电接地母排和弱电接地母排，接地网与预制外壳，通过预制舱本体上铜质接地点实现4处连接。变压器中性点接地、高压柜强电接地、直流开关柜避雷器接地等引至强电接地点。弱电接地在预制舱内部局部等电位连接后，引到基础内弱电接地铜排。强电接地排和弱电接地排的距离须大于3 m。具有多个舱的110 kV或220 kV变电站其接地网直接设计成网格状，地网容量更大，接地电阻更小，防雷设计相对更容易。另外大型预制舱在有场地条件的情况下可设置防直击雷避雷针进一步防护。5结论预制舱变电站防雷设计无需完全参考常规土建变电站，可以基于相关的防雷理论进行优化设计。预制舱变电站的六面全金属外壳，可接法拉第笼效果实现有效防直击雷；适当增加接地极长度和深度，适当增加排列密度可以在预制舱安装空间相对狭小的条件下，降低冲击接地电阻，实现有效的防雷电反击；采用公用接地系统，合理设置强电接地、弱电接地和保护接地方案，利用弱电局部等电位，实现可靠防雷。总之，经过优化设计，预制舱变电站可不设独立避雷针保护，充分体现了预制舱变电站的灵活性。参考文献：1 中国机械工业勘察设计协会.建筑物防雷设计规范:GB500572010S.北京:中国机械工业联合会,2010.2 潘军,钟一帆,黄智俊.金属屋面建筑物的防雷设计J.广西气象,2006,12(27):64-66.91电工材料 2023 No.4由恒远等：预制舱变电站的防雷设计思路及案例分析3 王洪泽,杨丹.论法拉第笼的防雷作用及其局限性J.广西电力,2006(2):66-68.4 方家光.法拉第笼与防雷C/第二届中国防雷论坛论文集,2003:75-76.5 全国雷电防护标准化技术委员会.雷电保护第4部分建筑物内电气和电子系统中的保护:GB/T 21714.42015S.中国标准出版社,2015.6 中国电子工程设计院.数据中心设计规范:GB 501742017S.中国计划出版社,2017.7 中国通信标准化协会.通信局(站)机房环境条件要求与监测方法:YD/T 18212018S.中国标准出版社,2018.8 王亚兵.微机保护变电所的防雷保护综述J.浙江电力,2004(2):66-68.9 陶蓉.变电所地电位干扰及防护措施研究D.长沙:长沙理工大学.2008.10 IEEE recommended practice for determining the electric power station ground potential rise and induced Voltage from a Power Fault:IEEE Std 367-2012S.2012.11 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