写这博客的起因是：我冷不丁居然被丛新远兄弟给科普了一回，感觉要写点什么挽回点面子啊。

 

我虽然是学电力出身的，学过高电压技术，学过空气放电的知识、也学过绝缘配合、变电站设计的知识。但说句老实话，由于我学那些的时候，是小丛兄弟可能还在妈妈怀抱中成长的年代，加上我长期从事了信息化和自动化方面的工作，那些专业的理论计算的公式，是早就还给老师的了。但一些基本的概念，我还是自己留下来了。近期正好和一位一线供电局退休的老先生合作研究了一个变电站接地网在线监测的系统方案，好歹耳濡目染了一点接地网现场运行的情况和接地网运行维护及改善研究的情况，所以，还是可以让自己想到一些关于防雷的事的，说是回敬小丛的科普只是借口，分享一点看法给老师们做研究参考，才是本意。

 

雷电是空中电能下泄所产生的现象。是所谓“放电先导”不断电离前方空气，产生一个导电的离子通道，让后续的电能顺着这个通道继续前进。只有在空中积累的电能量在足够强大、空气又比较湿润，容易被强电场持续的电离作用开辟出一个离子通道时，雷电才能形成。

这就完全可以用一个高处的堰塞湖来做比喻。堰塞湖积蓄的水，就好比高空积累的电能，当水积蓄的足够多，堰塞湖本身又不牢靠，下游又存在较大落差，不存在阻挡时，堰塞湖决堤产生泥石流，就和雷电的产生是一个道理。而泥石流对下游的冲击，就和雷电向地面放电的过程也是一个道理：是大量高势位的能量遇到泻放机会时，一边靠自身的力量开辟泻放通道，一边迅猛泻放的过程。

 

我们就顺着泥石流的说法来解释雷电的事。我们防止泥石流危害的道理就和防止雷电危害的道理是相通的。

怎么防止泥石流危害：

1.尽量不要把房子建在山沟沟边上，也不要建在可能产生泥石流的下游水道的两旁，或尽量离远点，不要建在可能的冲击通道上。对于防雷的启示是：尽量不要在雷电多发区修建人类活动建筑物，如果实在要建，也要注意选择地形。

2.在山沟沟里修建一些拦泥坝可以减缓泥石流的冲击，和地形配合还可引导泥石流避开聚居地冲向危害小的区域。对于空中下泄的雷电来说，直接阻挡是不可能的，但引导流向还是可以做到的，避雷针和避雷带带，起的就是这个作用：把雷电引过来，然后绕过建筑物，直接引导到地下，让大地吸收雷电的能量。

 

防雷就这么简单吗？

对于普通的民用建筑，大概也差不多如此，可是，对于比较特殊的，专门和电能打交道的变电站来说，情况就不那么简单了。还有，除了上述建筑物直接正面迎接雷击的防雷措施以外，电气设备的防雷击损坏则是另一个稍微复杂一点的话题，随后也会提到。

 

讲电力系统防雷，泥石流的比喻例子还可以继续使用。

与电力传输线形成对比的是河道。人类的生活需要水，也需要电，所以，人类的建筑又离不开水道，甚至有时会修建水道把水引导到居住地附近。对于电力，则更多地是将远处的电能经传输线传输到居住地。所以，当泥石流来了，水道必定是泥石流优先选择的泻放通道，同理，电力传输线在雷电下泄时，也首当其冲地会成为雷电下泄通道首选。直接用于输变电的设备在电力系统中称为一次设备，比如，我们经常可在公路两旁看到的架空线、还有变电站里的避雷器、变压器、高压开关等。直接击中电力系统雷电叫直击雷，显然，一次设备是直击雷破坏的主要对象。

 

说雷电本身的威力大，是其瞬时的冲击大，就好比堰塞湖下泄的水头，是巨大的水量在短时间一涌而下，形成一个瞬时功率极高的冲击波，冲击过后，并不会有持续的破坏能量连续地压来。所以，电力系统的一次设备就象河道上的堤坝和闸门，雷电冲击就更像是洪峰，只是洪峰过去不再有洪水接踵而致。雷电冲击的破坏性来自瞬时的高势位和大流量的叠合，也就是前面说的瞬时功率。其中高势位是产生大的冲击力的主要原因，主要破坏对象是一次设备的绝缘，类似河道的堤坝容易被瞬时的高浪头冲击力破坏。

 

一次设备防直击雷破坏的招数，就和我们的水利设施防洪峰破坏也是一个道理，只有2招：“泻”和“挺”。

所谓“泻”，就是让雷电击中电力设施的第一时间，就最大限度地对地泻放。电力架空线会在主输电线的上方架设一根金属导线，这根导线直接和杆塔相连连接到地，这根导线称避雷线或架空地线。这个设备的作用就和建筑物上的避雷带相同，是引雷过来，直接通过杆塔对地泻放。而主输电线承担运送正常电能的作用，它和杆塔之间是通过长串的绝缘子相连接的，这绝缘子，就象河堤，在正常时保证电流在正常高势位下流动，不会通过杆塔流到地上去。也与河体堤一样，如果只是为了保证正常水位的流通，并不需要修那么高，也就是绝缘子串并不需要那么长。当雷电来袭，不管是直接击中避雷线还是主输电线，绝缘子串都必须设计为能承受住足够高的电压冲击，挺住不被击穿。挺不住的话，就会导致大河决堤，输电线上的正常传输的电能，就会借此击穿点流入地下，这就是造成了雷击接地短路事故，是电力系统最常见的雷击事故之一。

如果输电线路上的绝缘子全抗住了雷电的电压冲击，那么，击中避雷线的雷电流会通过杆塔直接流入地下，不会对电力系统造成破坏，而在主输电线路上的雷电流可能是从避雷线感应来的，也可能是直接击中的，就会在绝缘子的“保护”之下，象沿着河流的洪峰一样，和正常的电流一起，会向下游的变电站冲去......。

 

雷电除了可以沿输电线路袭击过来，也可能直接从空中击中变电站。对于直接从空中袭来的雷电，变电站有类似建筑防雷的避雷针来对付。对于沿输电线路奔袭过来的雷电，则首先就安装在输电线路上出入口的避雷器，第一时间将雷电泻放到地下。经过避雷器的泻放，残留在电力线上的雷电冲击电压被限制在一个残余的电压之下，称为残压。一般残压也都还是一次设备正常运行电压的10多倍。啥意思呢？就好比避雷器是河道上的一道泻洪峰的闸门，但闸门的门槛还是搞出正常运行水位的10多倍，高出门槛的洪峰就被泻放掉了，剩下来的洪峰的高度就被限制在门槛高度之下，破坏力被大大减弱。低于残压的雷电流仍然具有很强的破坏力，仍然可以在变电站内横冲直撞，继续寻找泻放到地的通道。

   所以，所有电力系统的一次设备，必须通过一种叫雷电冲击试验的型式试验项目，就是要检查一次设备在相应的最高到残压大小的雷电冲击下，其绝缘是否能挺住，挺不住的设备，连设备型号都不能不能被承认，根本就不会有机会装到现场。如果所有的在线运行的一次设备都能挺住残压下的雷电冲击，那么，雷电流最终会通过变压器中性点上的避雷器或直接泻放到地下。

 

变电站是雷电流泻放入地的一个集中地。变电站的地下安装着一种特殊的一次设备，就是接地网。接地网的作用，就是将迅猛的雷电冲击电流，顺利地分散到大地之下。在伴随输电线路发生雷击短路的情况下，此时的破坏力就不单来自雷电的能量了，雷电冲击和随后的短路电流能量是如此之强，就象决堤的河水从高空直泻而下形成的瀑布，而且可持续不断。旅游的常识告诉我们，凡是大型的瀑布之下，一定是一个深潭，只有深潭才可以吸收高空冲击而下的水流的巨大能量，如果潭不够深，甚至瀑布之下是岩石，那一定会激起很高的水浪和猛烈四射的水花。对于变电站的接地网而言，接地网就是要起到深潭的作用，潭不够深就是接地网接地不良。接地网接地不良的后果就是：由于强大而持续的短路电流要通过变电站的接地网在大地和输电线路之间形成回路，将使变电站的整个地电位被瞬间大幅提升，这对变电站内的弱电的监控、测量和保护设备（电力系统称之为二次设备）而言，就是所谓的浪涌冲击，也是一种灾难性的破坏作用。接地网接地良好，浪涌就小，小到一定的程度之下，才不会对二次设备造成破坏。所以，对电力系统所有的二次设备，也必须经过严格的浪涌冲击试验，保证设备能够耐受一定程度之下的浪涌冲击，才能被承认型号。不要小看了浪涌冲击的危害，由于二次设备属于弱电设备，设计的耐压和载流水平都较低，接地网可靠的0电位对保证二次设备安全正常稳定运行影响极大。地电位瞬间大幅升高，很容易引起二次电缆短路起火，引发“火烧联营”的毁灭性灾难。

 

由此可见，接地网，是变电站的一个非常关键防雷设备。而对这么重要的一个设备，由于其工程的隐蔽性、工作原理的复杂性和实际运行状况监测的困难性，在变电站的接地网设计和运行中，仍然存在一些不足和隐患......。

 

目前，接地网的设计约束是短路电流引起的接触电压和跨步电压的升高限度。拿瀑布倾泄来比喻入地电流来说，接触电压就是倾泻下来的大量的水来不及疏散，在泻放点激起的浪高，而跨步电压就是这个高浪扩散开去在一个跨步距离上产生的水位差。而接触电压的计算方法就是直接运用欧姆定律，将入地电流乘以接地电阻。发生雷击并造成线路短路故障的情况下，雷电冲击电流和短路电流对地网的入地电流一般在几十千安。而接地电阻则是通过施加十几到几十安的工频电流的情况下实测的。接地网的接地电阻在实际运行中发挥功能时和测量时上千倍的电流差异被设计规程忽略，不能不说是一个重大的风险因素。

 

我们可以想像：如果我们用一桶水倒在地面，看其渗透的速度，和一千桶水同时从一千米高空直泻而下撞向地面，再来看其渗透的速度，两种渗透的阻力的差异能够忽略吗？现在的接地网设计规程就等于认可类似的不加区别的做法。所以，尽管我们发明了各种各样的接地电阻测量仪，我们使用了多种多样的接地电阻测量方法，测量的准确性也可以非常之高。但是，如果我们是打着为防止淋雨而设计的雨伞站到黄果树瀑布下去，会如何？我们的雨伞设计的再精巧结实，到了瀑布之下，则必然是和我们想像所不同的另一番景象。

 

接地网是在网格点的地面向地下打入金属桩，然后相互连接成网络制成。接地电阻的大小，主要取决于金属导体和土壤接触面的电阻，以及接地点与辅助测量接地点之间的土壤的电导率决定。而辅助接地点位于接地网四周几十到2-3百米远的地点，方向不同，测得的接地电阻大小也不同，而且，一般选取测得结果最小的方向为准。

当实际发生雷击时，在没有并发短路事故时，雷电流的泻放是四散泻放，当发生并发短路事故时，短路电流的泻放方向则是朝向线路方向。在雷电流或短路电流通过接地金属桩导入地下，强电场的电离作用，强电流的加热蒸发和灼烧炭化的作用，与土壤本身原有的湿度、电解质浓度分布综合作用，会产生一个及其复杂的物理化学综合作用过程，这与几十安的测量电流导入地下对土壤的影响基本可以忽略存在巨大的差异。此时的土壤电阻率的变化过程，完全是一个非线性的变化过程。正常时试验测得的接地电阻已经毫无意义。根据这个接地电阻进行理论计算的接触电压和跨步电压与实际情况可能出现天壤之别。

所以，尽管发生雷击事故后我们一再花巨资改造接地网，不惜代价拼命降低接地网的接地电阻，由于缺乏符合实际的“地下雷电”的运动规律的指导，单凭一个接地电阻阻值的参数来保障接地网的安全，几乎是自欺欺人。如何真正地在线实地测量发生雷击和短路事故时，接地网及附近疏散电流的分布规律，得到一张地下强电流分布特征图，以此来指导接地网的改造，将是切实彻底解决接地网事故的必然之举。设计开发出真正的接地网在线监测系统将给人类带来福音并存在巨大的商机。

 

全文完