1　文章引言
　　我国变电所防雷保护1949年前基本上按西方国家规范设置，1949年后基本上套用前苏联规范设置。以下，前者简称西方，后者简称东方。东西方的变电所防雷保护设置不尽相同。西方的变电所防雷是以降低电气装置故障损坏率为主要目的，提高供电可靠性由网络结构来保证。所以，至今变电所全部电气装置（包括绝缘子串）仍保持采用绝缘配合外放电间隙（实际是原型避雷器），一旦避雷器失效则全靠后备保护。东方的变电所全部电气装置不用绝缘配合外放电间隙，完全押在避雷器上，一旦避雷器失效，后果会比西方严重。
　　但当时这样的选择是对的。因为当时西方国家对我国进行封锁和制裁，只有这一条路可走，而且这也促进了我国交流电气装置过电压技术的进步，提高了电力系统运行的安全性。问题在于虽然根据我国实际运行经验，先后对这些“标准”（先后改名为“导则”、“规程”、“规范”、“标准”，以下统称“标准”）进行过多次修订，但编写的观念、原则、规则、格式未变，条文规定得过细过死，全国“一刀切”，不能因地制宜，企业无竞争意识，严重束缚了工程技术人员的积极性，不管浪费多大，事故损失如何，设计者和业主都无责任，责任都由“标准”承担。人们发出种种疑问，迫使反思。本文试就变电所防雷保护的几个问题提出个人浅见，供讨论。当然这样一些问题的正确评判，还要靠实践来检验。多年来，这方面的事故分析、运行统计分析及经验总结太少，很是不足。
　　2　变电所防雷保护是一个系统工程
　　变电所防雷保护是一个系统工程，它由3个子系统即三道防线组成：
　　第一道防线，即第一子系统的作用是防止雷直击变电所电力设备。
　　雷击是无法阻止的，只能通过拦截导引改变其入地路径。好的设计和建设，能避免破坏性后果。这道防线由拦截受雷（接闪）、引流、接地散流防护系统组成。接闪器有避雷针（线），小变电所大多采用独立避雷针，大变电所大多在变电所架构上采用避雷针或避雷线，或这两者结合，对引流线和接地装置都有严格的要求。
　　宣称××避雷针保护范围大，或××计算方法准确等都不符合实际情况。事实上，避雷针（线）的拦截雷效应，即对被保护物的保护作用（保护范围），与雷电极性、雷电通道电荷分布、空间电荷分布、先导头部电位、放电定位高度、避雷针的数量和高度、被保护物的高度以及相互之间的位置、当时的大气条件和地理条件等因素有关。一般地说，地理条件（包括地貌和地质结构）影响雷击先导阶段电场分布，从而影响到主放电的发展；大气条件的影响是空气湿度和温度愈高，避雷针（线）保护效果就愈小；还有，雷电流幅值（或放电定位高度）愈大，避雷针（线）拦截雷范围就愈大，也即是保护范围愈大。拦截雷的避雷针保护范围与这么多因素有关，而且这些因素中许多是随机性的，能完全免遭雷击的避雷针（线）绝对保护范围是没有的。所谓保护范围是指被保护物在此空间范围内遭受雷击的概率在可接受值之内。各种文件规定的不同保护范围只是允许遭受雷击的概率不同而已。美国推荐性的IEEEstd 142－1991中第3．3．3．1节介绍：计算避雷针保护范围时采用滚球半径（即雷击半径）为30 m，大约保护范围内雷击概率为0．1％，采用45 m，大约为0．5％。
　　企图从一些很不够的条件和参数开发定量求出避雷针（线）不同保护范围绕击率的计算方法，如电气几何击距法，滚球法，抛球法等，都是积极的、有益的。但迄今为止，这些方法算出的避雷针（线）在不同保护范围时的绕击率都是定性的，定量是不可信的。正如前述，避雷针（线）保护范围受很多因素影响，其中一些因素的影响至今无法定量。这些方法中应用的一个关键参数，如电气几何击距法中的击距、滚球法和抛球法中的球半径，定性上是随着雷电流增大而增大，定量就难了。至今，人们还不知击距或球半径30～60 m的长空气隙击穿电压值，不讨论实验室空气间隙放电是否逼真自然雷击放电。至今世界上最大实验室做的最长的雷电冲击波空气间隙放电距离也只有10 m左右，将其向外延长用到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电流下不同击距或球半径的计算公式，这是必然结果。同时，从实验室雷电冲击波10 m左右空气间障放电电压值，外延用于确定30～60 m或以上的自然雷击放电电压值，令人难以置信。
　　此外电气几何击距法、滚球法、抛球法的一个共同特点是谁距离短就击谁，也与实验室获得的放电现象不符合，放电有分散性和曲折多分支路，并不一定击中距离短的物体。
　　鉴于上述理由，电力行业标准DL／T 620－1997《交流电气装置的过电压保护和绝缘配合》，关于避雷针（线）的保护范围仍沿用过去方法。统计我国4 272变电所运行年的经验，表明按这种方法计算的保护范围绕击率为0．07次／100所·a［5］，这是可以接受的，没有必要改变，否则会造成混乱和浪费。变电所现行的直击雷防护的可靠性，比沿架空输电线路导线侵入的雷电防护高10倍以上。变电所的危险主要来自沿架空输电线路导线上的侵入波。
      第二道防线，即第二子系统为进线保护段。
　　雷击进线保护段首端及以外时，绝大部分雷电流被引入地中，只有很小部分的雷电流沿架空线路导线侵入变电所。雷电波沿架空线路导线传播时，受冲击电晕和大地效应影响而衰减，能降到变电所电气装置绝缘强度的允许值。
　　变电所的主要危险是来自进线保护段之内的架空线路遭雷击，反击导线或绕击导线产生雷电侵入波，因此进线段又称危险段。加强进线段防雷保护是十分重要的，要求避雷线具有很好的屏蔽和较高的耐雷水平。不管如何，反击和绕击仍是可能的。因此，变电所设防（第三道防线）要求的进线保护段（危险段）愈短愈好，这样允许侵入波的陡度和幅值较大。
　　第三道防线，即第三子系统期望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），西方国家除用MOA外，还在所有电气装置上安装空气间隙，在MOA失效后空气间隙可作为后备保护。
　　由这三个子系统的三道防线构成一个完整的变电所防雷保护系统。这三道防线各负其责，缺一不可，不存在谁替代谁的问题。只是视具体情况不同，哪一道防线设置保护元件多少不同而已。现在市场上的各种防雷保护装置，实际上只是整个防雷保护系统中的一个保护元件，只起某一方面的保护作用，那种把这三道防线割裂开来，孤立设置的方法是错误的。三道防线之间关系密切，互相影响，尤其是二、三道防线之间，若第三道防线能力强，可缩短第二道防线——危险段的长度，提高变电所耐雷可靠性；若第二道防线能力很强，可以减轻第三道防线负担，变电所耐雷可靠性将得到提高。
　　3　电力变压器绕组各侧设防的耐雷可靠性应一致　　
　　众所周知，电力变压器不论哪一侧绕组损坏，变压器都要停运和修理。因此变压器绕组各侧设防的耐雷可靠性应一致。
　　电力变压器防雷保护的简繁应根据容量大小、损坏影响程度及供电重要性决定。所以IEC99－4以交流无间隙金属氧化物避雷器（TPMOA）的标称放电电流值（In）来分类，如20kA、10kA、5kA、2．5kA、1．5kA等，In等级不同，试验要求不同。用户根据电力变压器的不同重要性来选用WGMOA的In等级。西方制造企业TPMOA型录中明确说明：电站TPMOA的In分为10kA和20kA两个等级；In＝10kA的，Ur为3～336kA；In＝20kA的，Ur为3～800kV；配电型WGMOA的In只有5kA。用户可很方便地选用。例如大容量变压器，保护高压或超高压一次侧绕组绝缘选用TPMOA的In＝10kA或20kA，而二次中压侧TPMOA也应选用In＝10kA或20kA。In等级实际上反映变压器的耐雷可靠性，即风险程度。原则是要求电力变压器绕组各侧设防耐雷可靠性一致。各侧TPMOA选用相同等级In是重要措施之一。
　　在我国一些标准中，TPMOA分类和电力变压器各侧绕组的防雷保护，实际上是按电力系统标称电压等级来划分和设防的，不论变压器一次侧绕组电压等级多高，是高压或超高压，不论容量多大，是几百MVA或小容量，不论一次侧绕组采用TP－MOA的In＝10kA还是20kA，例如二侧绕组为35kA等级，一律规定TPMOA的In＝5kA，防雷保护一个模式——“一刀切”。这样，电力变压器一、二次侧耐雷可靠性是不配合的，防雷薄弱环节在二次中压侧是显而易见的。1990～1994年全国在役的110kV及以上等级电力变压器类设备（未包括农口管理的设备）的运行情况及事故统计分析完全证实了这点。
　　或许有人会说，过去的碳化硅阀式避雷器（SiCA）的In就是5kA。请不要忘记，那时一、二次侧SiCA的In都是5kA，耐雷可靠性一致。或许有人会说，中压阀式避雷器流过的雷电流没有高压或超高压侧大。但实测流过避雷器的雷电流恰好相反。1958年国际大电网会议（CIGRE）第33学术委员会（SC－33）第1工作组报告中指出：“通过阀式避雷器最大的雷电流是发生在中压等级以下者”。
　　流过阀式避雷器的雷电流幅值和陡度是随机变量，是非固定值，按概率分布。选用较高In等级的TPMOA，实质上是加强了电力变压器防雷保护的可靠性。而较高In等级TPMOA增加的造价，相对于大容量电力变压器造价来说是极小的 。TPMOA是积木式的，在技术上不存在任何困难。
　　4　选用沿架空输电线路导线侵入到变电所的雷电陡度和幅值不应“一刀切”　　
　　TPMOA至被保护物（如电力变压器）之间允许的最大距离决定于沿架空输电线路导线侵入到变电所雷电波的陡度和幅值。但影响该参数的因素很多，如直击雷电参数（幅值、陡度和波的长度等）、进线段参数（避雷线根数和布置位置、杆塔高度和杆塔波阻、接地冲击电阻等）和雷击点位置（雷击点至TPMOA距离等）。由此可见，侵入到变电所的雷电波陡度和幅值是随机变量，非固定值，按概率分布。选用多大侵入波陡度和幅值实际上反映了被保护电气装置耐雷的可靠性程度。因此，应视被保护物（如电力变压器）的重要性不同，分别选用不同的侵入变电所雷电波的陡度和幅值，那种同一电压等级，不管重要性（容量大小、事故影响程度）差异，一律“一刀切”，选用同一雷电波陡度和幅值的方法是不可取的。
　　确定侵入到变电所的雷电波需要进行大量试验研究工作，特别是运行经验总结和统计分析。
　　我国从1954年至今，是采用如表1所示前苏联的规定值，运行经验表明，这些值一般是可接受的，但对气体绝缘装置（GIS）等新设备和大容量变压器，技术经济是否最佳还有待实践的检验。
　　在美国IEEE规范中，66kV及以上变电所的防雷保护可以不设专门加强防雷保护进线段，用进线第一基杆塔雷击侵入波来考核避雷器至被保护物（如变压器）之间的最大允许距离。66kV以下变电所才设长610m（2000ft）的加强防雷保护进线段，以降低通过变电所避雷器的雷电流。 　
　　西方一些标准规定，对于110kV及以上电压等级系统，选用侵入到变电所雷电波的陡度比我国高很多，分别为1200kV／μs、1500kV／μs和2000kV／μs三级。即TPMOA至电力变压器之间的最大允许电气距离比我国规定的短很多。他们规定保护电力变压器的TPMOA尽量靠近被保护电力变压器，用最短导体将TPMOA与变压器连接。若因技术和布置原因不能靠近被保护变压器时，必须在TPMOA保护范围内。每路进出线路上安装一组TPMOA。避雷器安装在靠近被保护设备（如电力变压器或旋转电机）位置，最好是同被保护物共用接地引下线，这样，作用于被保护物绝缘上的电压仅是避雷器残压。否则，不仅要考虑避雷器与被保护物之间的电压差，还要考虑避雷器残压上串联避雷器接地引下线的电感压降。作用于被保护设备绝缘上的电压等于避雷器残压叠加这两部分所增加的电压。这增加的电压正比于避雷器至被保护设备之间的距离和避雷器接地引下线长度，以及侵入波的di/dt值 。美国推荐的IEEEstd 142－1991取di/dt=1OkA/μs。接地引下线L＝0．5～0．8μH ／m。若长2m，则L＝1μH，接地引下线压降10kV与避雷器残压串联。此外，TPMOA标称电流波形为8／20μs。试验证明，电流波头愈陡（即波头愈短）则TPMOA残压愈高。若标称电流10kA，波形8／20μs，其陡度约1．25kA／μs，残压是偏低的。所以，在计算TPMOA至被保护设备距离时均应考虑这些因素。
　　5　文章结论
　　（1）变电所发生的雷电过电压是随机的，是具有统计性的概率分布的。因此，其防雷保护，不应全国“一刀切”。业主和设计者应因地制宜地对变电所设防，因设防不当，造成不应有的损失（包括设防浪费和事故损失），应由主事者负全责，“标准”不应当“替罪羊”。
　　（2）变电所防雷保护是一个系统工程，由三个子系统即三道防线组成。这三道防线各负其责，缺一不可，不存在谁替代谁的问题。三道防线之间，关系密切，互相影响，不应割裂开来，孤立设置。
　　（3）电力变压器绕组各侧选用TPMOA的In等级应相同，设防耐雷可靠性应一致。
　　（4）选用沿架空输电线路导线侵入变电所的雷电波陡度和幅值，即TPMOA至被保护物之间的最大允许电气距离，应因地制宜，不应全国“一刀切”。
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