电力系统中有因落雷和断路器及隔离开关的分、合闸所产生的冲击电流造成电压异常。尤其落雷引起的电压异常达平时的数十倍，要承受这样大的电压利用设备的绝缘是困难的，也是不经济的。因此，在变电所设置避雷器、避雷线、保护罩、冲击电流吸收器、接地体等避雷设施构成联合保护。尤其避雷器的作用更为有效，最近开发了使用氧化锌（ZnO）材料的高性能避雷器，取得可以降低设备绝缘的良好效果。
1.变电所防止雷电的直击
使用避雷器后，可将变电所的雷电波限制在一定的范围内，从而保护变电所的设备不受侵入雷电波的威胁。
变电所中所有设备的绝缘都要受到避雷器的可靠保护，变电所的变压器是最重要的设备，且绝缘水平较低，故避雷器在变电所应尽量靠近变压器。为了使避雷器对变压器有保护作用，避雷器伏秒特性的上限应低于被保护设备的下限并留有一定的裕度。避雷器一般装在变电所母线上，这时应保证在任何运行情况下，电气设备均应受到避雷器的保护，所以各段母线上都应装设避雷器。若变压器离母线上所装避雷器太远，则应在变压器出线端装专用避雷器。
有些地方为了节省投资利用配电装置构架装设避雷针，在构架上装设避雷针要注意的是：
（1）电压在110kV及以上的配电装置，一般将避雷针装在配电装置构架上。但在土壤电阻率大于1000Ωm的地区，宜装设独立避雷针。否则，应通过验算采取降低接地电阻或加强绝缘等措施。
（2）35kV及以下高压配电装置构架不宜装设集中接地装置。避雷针与主接地网的地下连接点至变压器接地线与主接地网的地下连接点之间，沿连接点之间，沿接地体的长度不得小于15m。
在变压器门型构架上，不应装设避雷针、避雷线。
（3）独立避雷针在非高土壤电阻率地区，其接地电阻不宜超过10Ω。
为了防止发生反击事故在一般情况下，设备与避雷针空间距离Sk不应小于5m。为了降低雷击避雷针（线）时感应过电压的影响，在条件许可时，此距离宜适当增加。
此外，避雷针（线）的接地体与被保护物的接地体之间也应保持一定的地中距离Sd，以免当避雷针受雷击时地土壤中向被保护物接地体发生闪络。Sd应满足：
一般地中距离不小于3m。
一般避雷器与被保护设备之间应留有一定的电气距离（保护范围）。
在某种气象条件下或受周围地理环境影响，也发生过在避雷针（线）保护范围内的物体被雷击的现象，这种情况通常称为绕击。绕击现象，使避雷针（线）失去了对直击雷的防护作用，要特别注意。
2.变电所的进线段保护
要使避雷器能可靠的保护变压器等电气设备，要满足下述条件：必须设法使流过避雷器的雷电流幅值小于一定值（5kA或10kA），才能可保证避雷器残压不超过规定值；必须使侵入波的陡度α不超过允许值。满足上述两条才能保证避雷器的电气距离符合安全要求。
变电所的进线段保护是在靠近变电所出线1～2km线路上所采取的可靠的防雷保护措施。在此1～2km进保护段内应保证既不发生雷击导线的情况，又不出现因雷击避雷线而对导线反击。
（1）35～110kV未沿全线架设避雷线线路进线段保护。为保证在进线段1～2km避雷线保护角度不超过20°，最大不超过30°；进线段范围内的杆塔工频接地电阻不宜大于10Ω。因此，在上述条件下避雷线就使雷电侵入波只可能来自进线段以外。即使在最严重的情况下进线段首端遭受雷击时，雷电侵入波沿进线段导线侵入变电所，则该导线本身波阻抗也可使雷电流幅值受到限制，而侵入波经过变电所进线段导线上的冲击电晕又可使其陡度大为降低。
图5-19 35～110kV未沿全线架设避雷线的变电所进线段保护
图5-20 35～220kV沿全线架设避雷线的变电所进线段保护
35～110kV未沿全线架设避雷线线路进线段保护见图5-19。
（2）35～220kV沿全线架设避雷线线路进线段保护。35～220kV全线架设避雷线的变电所进线段保护接线如图5-20所示。仍以靠近变电所2km长线路也叫进线保护段。此段内保证不发生“直接”和“反击”，即保护角不超过20°，接地电阻不超过10Ω。
（3）35kV电缆段的变电所进线保护接线。变电所的35kV及以上电缆进线段，在电缆与架空线的连接处应装设管型避雷器，其接地端应与电缆金属外皮相连。对于三芯电缆，末端的金属外皮应直接接地，如图5-21（a）所示；对于单芯电缆，应经接地器FJ或保护间隙JX接地，如图5-21（b）所示。连接电缆段的1km架空线路应装设避雷线。
图5-21 35kV及以上电缆的变电所进线保护接线
对于较小容量变电所或根据其重要程度，可采用进线保护，如可以考虑采用长度仅为500～600m的进线段保护。
（4）三绕组变压器的防雷保护。当变压器高压侧有雷电波入侵时，通过绕组间的静电耦合，在其低压侧也将出现过电压。三绕组变压器在正常运行时，可能存在只有高、中压绕组开路的情况，此时，在高压或中压侧有雷电波作用时，由于低压绕组对地电容C20较小，开路的低压绕组上的静电感应分量可达很高的数值，将危及绝缘。考虑到静电感应分量是使低压绕组三相电位抬高的，所以，为了限制这种过电压，只要在任一相低压绕组直接出口处对地加装一个避雷器即可（现在要求变压器三相都装）。但当低压绕组连有25m以上金属外皮电缆时，由于C20的增大已足够限制电感应分量，就不必再加装避雷器了。
三绕组变压器中压侧绕组，虽然也有开路的可能，但其绝缘水平比低压绕组高，一般不加装避雷器。但当母线距变压器各侧之间的距离大于25m时，应加装避雷器。
（5）变压器中性点的防雷保护。变压器是变电所最重要的设备，一般在其出口装设避雷器就能有效的保护。但在电网运行中，我国60kV及以下电网中的变压器中性点不直接接地，另外出于继电保护的要求，中性点直接接地系统中的部分变压器中性点也是不接地的。这些变压器中性点的绝缘水平一般比较低（多数变压器的中性点按半绝缘设计），当三相来波时，理论上中性点电位是绕组首端电位的2倍，这极易造成变压器绝缘的损坏。所以对这类变压器应采用避雷器保护，限制中性点的过电压。需要考虑变压器中性点的防雷问题，见表5.2所示。
表5.2 变压器中性点防雷装置(www.xing528.com)
3.接地装置
电气装置必须接地的部分与埋入地中并与大地接触的金属导体称为接地体，接地部分与接地体之间连接用的金属导线称为接地线。接地体与接地线总称为接地装置。
电力系统中的各种电气设备的接地可分为工作接地、保护接地、防雷接地三种。为保证电气设备在正常和事故情况下能可靠地工作，这种接地称为工作接地。如变压器的中性点直接接地或经消弧线圈接地。
为保证人身安全，防止触电事故的接地称为保护接地。如电气设备运行时，不带电的金属外壳及构架接地。
防雷接地是为了防雷保护而进行的接地。如避雷针和避雷线的接地体的接地引下线都通过接地体使雷电流流入大地。
为了降低接地电阻值，接地装置往往采用多根单一接地体并联而成的复式接地装置。由于采用多个并联支路，加之接地体与土壤的接触面增大，所以，它的冲击电阻比单根接地体的要小。
从图5-22所示的电流示意图中可知，各接地体之间的相互屏蔽作用妨碍了每个接地体向土壤中扩散电流。因此，复式接地装置总的冲击电阻并不等于各个接地体冲击电阻之和，而是要大一些。但比单个的接地体小即：
式中：R总为总的冲击接地电阻；R单为单个冲击接地电阻。
变电所内需要有良好的接地装置，以满足工作、安全和防雷保护的接地要求。一般的做法是根据安全和工作接地要求敷设一个统一的接地网，然后再在避雷针和避雷器下面增加接地体。
4.雷击事故处理实例
图5-22 复式接地装置
1990年9月20日16时22分，某地区220kV线路发生雷击造成短路故障，使发电厂解列，13条220kV线路跳闸，11个220kV变电所停电；系统总失去负荷约800MW（占事故运行前系统负荷的25%），损失电量177万kWh。
（1）事故经过。1990年9月20日，系统以正常方式运行，除检修容量360MW、备用容量180MW 外，其余机组部分运行；16时22分220kV芳顺线61号塔因雷击造成两相接地短路，顺德侧零序Ⅰ段、高频、距离保护同时动作三相跳闸，芳村侧保护未动，引起多条相邻线路跳闸。16时37分，220kV棠郭线23～24号档距间B相导线对下面交叉跨越的10kV馈线放电，造成B相接地短路，重合不成功，两侧三相跳闸。至此，北部电网与主网解列，由于功率缺额大、频率低，引起北部电网内各电厂机组相继解列停运，北部电网负荷全停。
19时24分，北部电网负荷全部送电，系统恢复正常。
（2）事故原因分析。
1）事故发生起因。事故后检查发现，220kV线61号塔因雷击造成相接地短路，A、C相绝缘子串烧损，B相一根导线和一段架空地线烧断坠地。
图5-23 事故时该地区电网接线图
2）事故扩大的主要原因。经检查确定，事故时，芳村站侧芳顺线所有保护均未动作的原因是：芳村站芳顺线相差高频保护出口继电器CKJ电压线圈并联的二极管D94事故时击穿，直流正负电源通过D94短接，造成芳顺线控制、保护直流回路负极熔丝熔断，使受该熔丝控制的芳顺线所有保护均因失去直流电源而不能动作。并联二极管D94以及D93没有串联保护电阻，易击穿，属制造厂设计不合理。
3）事故进一步扩大原因。
a.红山线红星侧方向高频保护误动。事后检查发现误动的原因是佛山站方向高频保护发信回路1只晶体管2BG2损坏，使得红山线外部相邻的芳顺线故障时，佛山侧无法向红星侧发出高频闭锁信号，导致红星方向高频保护误动。
b.瑞芳线瑞宝侧零序方向保护拒动。
c.电磁环网的存在，加剧了棠郭线电流过载。棠郭线严重过载，除红山线误跳引起其电流增加外，还有两个电磁环网的影响。
d.低频减载装置部分拒动及中调频率调整失误。
（3）暴露问题。
1）继电保护管理工作存在漏洞。多处保护拒动、误动导致事故扩大；低频减载装置未能按实际要求切除负荷；对于保护设备原理和质量的缺陷，未能及时提出要求和改进措施。
2）电网建设与电源建设不配套，新设备投产把关不严。
3）调度运行人员事故处理水平有待提高。
在事故紧急情况、特别是多重事故发生时，如何合理调整系统潮流，正确有效地防止事故继续扩大，是检验调度员事故处理水平高低的标志。此次事故处理说明调度运行人员处理事故水平亟待提高。事故发生时系统一次接线图见图5-23。
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