变电站特点 变电站通常包括： 架空进线和出线 巴士 断路器 开关 变压器（功率、电流和电位） 辅助设备（如载流电容器） 建筑物 钢结构支撑线路终端、总线和交换机。钢结构、断路器和电力变压器位于地下埋藏的混凝土基础上。 应保护此类变电站免受直接雷击和通过架空线路到达的行波。防雷接地的目的是为雷电浪涌传导到大地提供安全、确定的路径，保护人员和设施。 雷电拦截方法 保护变电站免受直接雷击的主要方法有： 防护角度和防护区域 电几何 滚动球体 网 让我们详细看看这些方法。 保护角和保护区域法 多年来用于电力线路和变电站的屏蔽，保护角和保护区方法提供了合理的保护。直到近，它还是防雷标准推荐的方法。 该方法包括通过架空地线、桅杆或杆（富兰克林杆）进行屏蔽。地线穿过变电站，使所有设备都位于保护区内。地线的保护角是穿过地线的垂直线与连接地线与保护物体的对角线之间的角度，如图1所示。
图1 地线保护角α。 地线的保护区是基面 cbc 和对角平面 ac 之间的体积，从地线延伸到物体平面。图 2 显示了该体积的横截面。 
图 2. 地线保护区的横截面。 由图2可知，保护比为k=ky/y，保护角为α=tanˉ1k。 同样，图 3 显示了高度 = y 的桅杆或杆的保护区横截面。在这种情况下，我们说桅杆或杆周围有一个保护锥体。如前所述，保护比为 k=ky/y，保护角为 α = tanˉ1k。 
图 3. 桅杆或杆保护锥体的横截面。 多年来，许多研究人员一直致力于确定保护比和保护角的数字。
表 1 显示了仍在使用的典型值。
随着保护装置（地线、桅杆或杆）高度的增加，设计人员允许减小角度，因为这些角度可能不足以满足高层结构的需要。 需要保护的物体的尺寸、形状和数量决定了要安装的接地线、桅杆或杆的总数。保护装置应足以覆盖整个变电站，包括外部和主体结构顶部的设备。保护区的重叠降低了直接影响的可能性（图 4）。
图 4. 架空地线保护变电站。 当变电站顶部上方没有需要保护的物体时，接地钢结构足以屏蔽其下方的母线和设备。 在小型变电站中，在角落或立柱处竖立的桅杆或杆可以保护落入其保护锥内的母线和设备（图 5）。另一种布置在变电站内部和旁边采用自持桅杆。
图 5. 垂直桅杆保护变电站。 接地线、桅杆和杆必须连接到变电站的接地电极和架空线路的地网系统（如果有）。 进线和出线架空线路的地线应终止于变电站钢结构的顶部——这可能需要钢柱延伸到主结构上方。对于非屏蔽线路，建议铺设至少 1 公里距离的地线，以减少通过线路进入的雷电浪涌的强度。 电几何方法 其用途扩大到包括变电站。 打击距离是理解电几何方法的关键概念。 根据步进机构的预击理论，在步进先导到达地面之前，类似于先导的放电从地面升起与其相遇。阶梯先导建立接地连接后，电源返回冲击将沿着先导准备的电离通道向上移动。 理论指出，当阶梯式先导到达距接地结构的临界距离时，先导和接地结构之间的间隙中的平均电势梯度等于流光的电势梯度，间隙就会击穿，从而吸引闪电到接地结构。这个临界距离就是打击距离。 在较高结构的情况下，撞击距离是当拖缆在结构上启动时从先导到结构的间隔。 击中距离内接地结构上的个元素将是闪电的击中点。打击距离取决于回击峰值电流；打击电流越大，打击距离越远，反之亦然。 一个重要的概念是屏蔽系统设计假定冲击电流大小为 I1。由此产生的屏蔽可能无法保护物体免受冲击电流 I2 < I1 和较短冲击距离的影响，但可能会保护物体免受冲击电流 I3 > I1 和较长冲击距离的影响。 变电站的屏蔽可拦截 I1 级或以上的雷击。然后，当电流强度小于 I1 穿透屏蔽时，变电站绝缘必须承受由此产生的电压，而不会出现闪络。通过考虑系统绝缘的承受能力来设置设计雷击电流，确保变电站在受到较低电流雷击冲击时得到保护。 并非所有峰值电流小于 I1 的雷击都会破坏屏蔽并击中结构。根据阶梯先导的位置，屏蔽将捕获其中的一些攻击。 滚球法 滚球法是电几何法的衍生方法。它使用半径为 S 的虚拟球体来定位建筑物上的防雷装置。滚球一词源自 Ralph H. Lee 在美国 (1977) 对建筑物和工厂进行屏蔽的研究。 该方法的起点是存在一个半径等于打击距离的球形体积，该球形体积位于阶梯式先导周围。阶梯式引线将连接到进入该体积的接地结构的个点。 当球体围绕受保护结构滚动时，它应仅接触保护系统元件。当球体接触变电站的设备或建筑物时，雷击是一种危险。在球体和地面之间的空间中，闪电是不可能发生的。 图 6 显示了一个高大的结构和一个半径为 S 的滚动球体。球体接触到的所有点都不受保护，这表明屋顶和墙壁部分需要屏蔽。
图 6.球体在高大的结构上滚动。 
图 7 显示了具有较低结构的同一球体。在这里，只有屋顶需要屏蔽。 图 7.球体在低矮结构上滚动。 在变电站中，球体滚动并越过地线、桅杆、杆、栅栏和任何要保护的接地金属物体（图 8）。 
图8. 多屏蔽电极滚球法原理。图片来自IEEE Std 998。 图 9 显示了一个任意半径的球体在变电站部分的设备和桅杆上方旋转。注意球体内设备未受保护的部分。
图 9. 球体滚过变电站的设备和桅杆，露出未受保护的地点。图像基于Verdolin 解决方案。 如果我们记得球体半径（雷击距离）取决于预计的返回雷击峰值电流，并且对较低电流的保护较少，那么对雷击敏感的结构的屏蔽应使用小电流和小球体半径作为设计标准。 滚球法使我们能够确定桅杆或杆的保护锥和等效保护角。图 10 显示了保护锥体（阴影区域环绕设备）以及使用半径为 20m 的球体的两个垂直桅杆的等效保护角。请注意，保护锥体和角度数字取决于球体半径恒定的设备高度。
图 10. 滚球法产生的保护锥体和角度。 (a) 低桅杆 (b) 高桅杆。 滚球法同样适用于平面、尖点、边缘和拐角。这种情况是该方法的缺点，因为对建筑物的现场观察表明，大多数撞击都是在尖点或突出的角上完成的。研究表明，雷击与结构的连接取决于预期回击峰值电流和结构的几何形状。该方法的这种限制在某些情况下可能会导致错误。 网格法 使结构防雷的方法是将其封闭在接地金属（法拉第笼）中，但这种解决方案并不实用。网格方法包括将结构封闭在导电网格内，获得实用的法拉第笼。此方法对于屏蔽变电站的建筑物（例如控制室）非常有用。 该方法将金属丝网放置在顶部或距建筑物屋顶一定距离处，并提供用于连接接地电极的引下线。电池尺寸和引下线之间的间距取决于所需的保护级别。大多数雷电流通过靠近冲击点的电线和接地电极。 
图 11.建筑物顶部的金属丝网。图像基于Aplicaciones Tecnológicas。 滚球法确定了不同保护级别的电池尺寸。图 12 显示，根据滚球法，闪电可以击中直接位于屋顶上的网格的建筑物。因此，在网格和建筑物顶部之间留出一些间隙。
图 12. 升高金属丝网可增强建筑物的保护。
