谈小型化变电站防雷接地的设计方法

　　提要：针对小型化变电站的设计（即全户内设计或主变布置在户外而其它设备布置在户内的半户内设计），由于该设计的占地面积小，为其防雷接地设计带来一定的困难，本文根据相关的规程规范及以往的设计经验，谈小型化变电站的防雷接地设计方法。
　　关键词：小型化变电站的防雷接地、设计方法
　　一、前言
　　随着国民经济的飞速发展，很多地区的城市化程度越来越高，使得变电站的征地也越来越困难。变电站的大容量化、集约化设计逐渐成为至关重要的课题。由此产生小型化变电站的设计（即全户内设计或主变布置在户外而其它设备布置在户内的半户内设计），该型式的变电站确实满足高容量输变电及占地面积小的要求，但却为变电站的防雷接地带来困难，本文仅就如何解决小型化变电站的防雷接地问题提出其相应的设计方法。
　　二、解决防雷接地的设计方法
　　简单来说，解决防雷接地的设计方法，无非解决以下几个问题：
　　①接闪器的设计。接闪器的设计目的是控制雷击的位置，把闪击引导至无害的位置，避免雷电击在危险的部位。
　　②接地网的设计。在接闪器把雷电引至建筑物后，需把雷电流安全地送至地下，那重要的是把接地网的结构与接地电阻值设计好，使地网既满足电气设备的接地要求，也要满足防雷要求。
　　③在雷电流通过建筑物的接地装置流入地下时，如何防止高电位反击。
　　④如何防止通过金属线路引入雷电高电压，防止击坏用电设备和通信器材。
　　（一）接闪器的设计
　　（1）接闪器的设计包括布置方法与接闪器的选择，其中接闪器的布置方法可利用折线法与滚球法来设计。对于全户内变电站，由于只有一座综合楼，完全满足《建筑物防雷设计规范》第三类建筑防雷设计，应使用滚球法。
　　但对于半户内变电站，除了建筑物按第三类建筑防雷设计以外，由于主变及主变构架均为裸露，依据《交流电气装置的过电压保护和绝缘配合》的要求，主变构架上不应设置避雷装置，因此，保护主变的防雷针一般情况设置在与主变紧邻的楼顶上。在这种情况下，应考虑不同的避雷针高度采用不同的设计方法。根据以往的经验及查核相关的资料，比较折线法与滚球法的区别如下（按第三类建筑防雷）：当避雷针的高度h≤24米时，折线法比滚球法的保护范围要小；当h≥24米时，滚球法比折线法的保护范围要小。因此，设计应根据避雷针的高度利用对应的方法，以便使设备的防雷设计处于较为苛刻的条件下。
　　（2）接闪器的选择。依据《建筑物防雷设计规范》的第三类建筑防雷设计，接闪器的选择应为建筑物上的避雷带（网）或避雷针或由这两种的接闪器的组合接闪器。而依据《全国民用建筑工程设计技术措施-2009》的要求，除规范要求的接闪器外，还可以利用屋顶上的永久性金属物、混凝土构件内钢筋。设计可根据屋面的情况，利用避雷带（网）与避雷针、屋顶上的永久性金属物作为接闪器。值得一提的是，若利用屋面的混凝土构件内钢筋作为接闪器，需考虑钢筋与屋面的距离，距离越小，雷击洞就越小，一般6cm～7cm为宜，若有防水层和隔热层，建议另敷一层安装的避雷网，其网格不大于20m*20m或24m*16m。
　　（二）接地网的设计
　　（1）对于小型化变电站来说，应首先考虑地网采用铜材，其原因是考虑将来检修地网时，挖开小型化变电站的地网是十分困难的，因此考虑利用抗腐蚀性强一点的材料是利于地网的长久安全运行。
　　（2）变电站的接地设计的一般方法可按DL/T621-1997《交流电气装置的接地》规范中均有计算方法。本文只对高土壤电阻率地区的地网相关的降阻措施进行叙述。
　　①对于高土壤电阻率的地网，地网应考虑使用双层地网。其中下层地网应考虑放置在含水量高一些的深度，两层地网之间应有多点连接（不小于4点），两层地网之间的距离应有不小于5米的距离，此值为经验值，由于目前没有相关的标准与规范核实其合适的距离，为减小屏蔽效应，两网之间应尽可能离开。
　　②若地质十分恶劣，地网的四周可利用垂直深井或斜井方法，把雷电流引至含水的底层并有效扩大散流面积。由于垂直深井或斜井方法在施工技术方面有较大差异，一般来说，斜井的施工技术要求较高。设计应根据站址的地质情况选用，即若站址深层的地下水较为丰富应选用垂直深井，若站址深层没有地下水或地下水比较小，可考虑利用斜井把导电体打到周边的含水地区。
　　③若站址处于花岗岩等非常高电阻率地区，可使用高科技产品等离子接地极及降阻剂，进一步降低地网导体周围土壤的电阻率。其中等离子接地极应与深井配合使用，降阻剂应敷设在水平接地网的导体周围。此方法的最终的效果只是加大散流导体的截面，对地网本身的散流效果影响不大。本文推荐在使用第①点与第②点方法的情况下，第③点的方法配合使用。
　　（3）地网的接地电阻应满足：R≤2000/I（式1）
　　式中：R－考虑到季节变化的最大接地电阻，Ω。I－计算用的流经接地装置的入地短路电流，A。
　　（4）除满足第3条的接地电阻外，还要满足第三类建筑防雷的冲击电阻要求，即冲击电阻宜不大于10Ω，具体的计算如下：Ri=1/η1[｛（R1/N1）*R2｝/｛（R1/N1）+R2｝]
　　式中：Ri－地网的冲击电阻；R1－每根垂直接地极的冲击电阻，Ω。R2－水平接地极的冲击电阻，Ω；N1－垂直接地极数量；η1－垂直接地极冲击利用系数。
　　其中R2＝(R3/N2)*1/η2，（式2）
　　式中：R3－每根水平接地极的冲击电阻，Ω；N2－水平接地极数量；η2－水平接地极冲击利用系数。
　　（三）在雷电流通过建筑物的接地装置流入地下时，如何防止高电位反击。
　　根据《建筑物防雷设计规范》的规定，为防止雷电流流经引下线和接地装置时产生的高电位对附近金属物或电气线路的反击，应考虑两者之间的接地装置是否连接，来决定两者之间的空间距离。本文认为，为降低接地装置的冲击电阻，使得金属物或电气线路与防雷装置都处于同一个等电位体，金属物或电气线路与防雷装置的接地装置应共用。同时，小型化变电站的各层应形成一个法拉第笼结构的等电位体，如图1所示。
　　
　　图1
　　（1）地下地网一般距地面0.8米～0.9米左右，即地网离一层的楼板（为考虑防止发生沉降的现象，现在首层一般也做楼板）还有0.8米～0.9米左右距离，考虑加强均压效果，应在一层的楼板加均压网。
　　（2）均压网的做法：一般有两种做法：①利用每层楼板的钢筋；这种做法在一定程度上节约了投资，但必须依赖土建施工的可靠性，而土建施工人员往往不懂电气原理，不能把钢筋的连接按照防雷接地的要求做好可靠的电气连接，为均压网的有效性带来潜在的威胁，另外建筑内的电气接地往往需另外设置接地线并通过引下线与本层的均压网连在一起，以达到等电位连接效果。②不用楼板的钢筋作均压，电气专业另设置均压网在楼板上，并兼做电气设备的接地装置。这种做法保证了均压网施工的有效性，也做到防雷装置与电气设备的等电位连接，缺点是投资稍大。
　　从保证人身安全，设备安全的角度考虑，本文推荐按方法②设置均压网。
　　(3)屋面避雷网的做法：按照目前变电站建筑物的要求及做法，屋面都要求做防水层与隔热层，两者加起来厚度约60mm，若使用屋面楼板的钢筋做接闪器，会破坏防水层与隔热层。因此本文考虑，应在防水层与隔热层之上设置避雷网作为屋面的接闪器，其网格不大于20m*20m或24m*16m。避雷网应与屋面的避雷带、避雷针、均压网及其它固定金属物连在一起经引下线与地网连接。
　　(4)引下线的做法：按照《建筑物防雷设计规范》与《全国民用建筑工程设计技术措施-2009》的要求，引下线均可利用柱内的钢筋。本文考虑到均压网推荐利用电气专业布置的专用均压网，那么引下线采用专用的引下线也是合理的，而且采用专用的引下线可选择明敷或暗敷，安装比较灵活。
　　（四）如何防止通过金属线路引入雷电高电压，防止击坏用电设备和通信器材。
　　在《建筑物防雷设计规范》中关于防止雷电波侵入的措施中对电缆进出线、低压架空进出线及进出建筑物的架空金属管道的接地要求都有明确的做法，本文不做论述。
　　三、结束语
　　综上所述，上述的防雷接地做法均为本人根据相关的规程规范及在工程设计的经验编制而成。小型化变电站的防雷接地是保证站内设备安全运行的重要因素，要把防雷接地做好，必须把站址的地质情况了解清楚，把防雷措施做足，把接地做细。
　　参考文献
　　【1】GB50057-94建筑物防雷设计规范,01～26
　　【2】DL/T621-1997交流电气装置的接地，02～05
　　【3】DL/T620-1997交流电气装置的过电压保护和绝缘配合，07～17
　　【4】住房和城乡建设部工程质量安全监管司编著，《全国民用建筑工程设计技术措施（电气）-2009》中国建筑标准设计研究院出版，中国计划出版社，171～191
　　【5】苏邦礼等编著，《雷电与避雷工程》中山大学出版社出版，45～102