防雷与接地的设计.doc
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10、防雷与接地的设计
10.1防雷保护
变电所是电力系统的中心环节，如果发生雷击事故将造成大面积停电，因此，变电所的防雷保护必须是十分可靠的。
变电所遭受雷击可能来自两个方面：
雷电直击变电所；雷击线路、沿线中路向变电所入侵的雷电波。
1、变电所直击雷保护的基本原则：
（1）所有被保护设备（电气设备、易燃易爆装置等）均应处于避雷针（避雷线）的保护范围之内，以免遭受直击雷击。
（2）当雷击避雷针后，它们对地电位可能升高，它们与被保护设备之间的绝缘距离不够就有可能在避雷针受雷击后，从避雷针到被保护设备之间发生放电，这种情况叫逆闪络或反击。
此时，仍能将高电位加至被保护设备，造成事故。
变电所的设备与建筑物的高度是它确定的，合理选择避雷针的位置、避雷针的高度，便可满足上述两个原则。
2、为防止侵入变电所的行波损坏电气设备，应从两方面采取措施：
（1）使用阀型避雷器。
（2）在距变电所适当距离内装设可靠的进线保护。
在制定变电所的过电压保护方案时，必须严格执行《电力设备过电压保护的设计技术规程》，并根据当地雷电活动情况、地质、气象条件，以及电网结构形式和运行方式等，结合运行经验，进行全面分析和技术、经济比较，做到技术先进，经济合理，符合电力系统和电力设备安全经济运行的要求。
10.1.1变电所直击雷保护
根据设计任务书和《电力设备过电压保护设计技术规程》的要求，配置直击雷保护如下：
根据变电所总平面布置图，变电所总长184.5m，宽为79m，进、出线门形架高12m，要求确定避雷针的布置、数量、高度，现设计计算如下：
四支等高为的避雷针布置，如图10-1所示。
安装1～4号避雷针，两支避雷针之间的距离为：
，，。
1、按保护全部面积的条件计算，，确定相应的和，设=0.8。
选四支高为50m的等高避雷针。
各避雷针在=12m高度水平面上的保护半径，计算其保护范围。
由于，，取，则有
2、求各避雷针的
（1）计算假想针的高度
（2）计算最小宽度
按上述方法，四支针的保护范围完全覆盖了所建变电站，满足要求。
图10-1防雷布置图
10.1.2雷电进入波的过电压保护
为防止侵入变电所的行波损坏电气设备，应从两方面采取措施：
（1）使用阀型避雷器。
（2）在距变电所适当距离内装设可靠的进线保护。
（一）阀型避雷器应按下列条件选择：
（1）型式：
选择避雷器型式时，应老率被保护电器的绝缘水平和使用特点。
变电所的配电装置一般采用站用普通阀型。
（2）额定电压：
避雷器的额定电压应与系统额定电压一致。
（3）灭弧电压：
按照使用情况，校验避雷器安装地点可能出现的最大的导线对地电压，是否等于或小于避雷器的最大容许电压（灭弧电压）。
在中性点非直接接地的电网中应不低于设备最高运行线电压（最高运行线电压按10﹪浮动计算）。
在中性点直接接地的电网中应取设备最高运行线电压的80%。
（4）工频放电电压：
在中性点绝缘或经阻抗接地的电网中，工频放电电压一般应大于最大运行相电压的3.5倍，在中性点直接接地的电网，工频放电电压一般应大于最大运行相电压的3倍。
工频放电电压应大于灭弧电压的1.8倍。
（5）冲击放电电压和残压：
一般国产阀型避雷器的保护特性与各种电器的绝缘均可配合，故此项校验从略。
（二）避雷器的选择
（1）220kV侧避雷器的选取
主变压器220KV侧应装有一组避雷器，按额定电压和装设地点，选择FCZ-220型避雷器，其技术参数为：
表10.1FCZ-220具体参数
型号
额定电压（kV）
灭弧电压有效值（kV）
工频放电电压有效值（kV）
冲击放电电压幅值
冲击残压
FCZ-220
220
252
表10.2主变侧220kV避雷器的计算结果
校验项目
FCZ-220
计算数据
额定电压
220
220
灭弧电压
252
193.6
工频放电电压
503
419
580
502.8
220kV进线及母线侧装设避雷器的选择，按额定电压和装设地点，选择FZ-220J型避雷器，其技术参数：
表10.2FZ-220J具体参数
型号
额定电压（kV）
灭弧电压有效值（kV）
工频放电电压有效值（kV）
冲击放电电压幅值
冲击残压
FZ-220J
220
200
表10.3220kV母线避雷器的计算结果
校验项目
FZ-220J
计算数据
额定电压
220
220
灭弧电压
200
193.6
工频放电电压
448
419
536
502.8
（2）110kV侧避雷器的选取
110kV出线及母线侧装设避雷器的选择，按额定电压和装设地点，选择FCZ-110型避雷器，其技术参数：
表10.4FCZ-110具体参数
型号
额定电压（kV）
灭弧电压有效值（kV）
工频放电电压有效值（kV）
冲击放电电压幅值
冲击残压
FCZ-110
110
126
表10.5110kV侧避雷器的计算结果
校验项目
FCZ-110
计算数据
额定电压
110
110
灭弧电压
126
101.2
工频放电电压
255
219
290
262
（3）10kV侧避雷器的选取
10kV出线及母线侧装设避雷器的选择，按额定电压和装设地点，选择FZ-10型避雷器，其技术参数：
表10.6FZ-10具体参数
型号
额定电压（kV）
灭弧电压有效值（kV）
工频放电电压有效值（kV）
冲击放电电压幅值
冲击残压
FZ-10
10
12.7
表10.710kV避雷器的计算结果
校验项目
FZ-10
计算数据
额定电压
10
10
灭弧电压
12.7
12.65
工频放电电压
26
22.2
31
26.2
（三）变电所的进线段保护
变电所的进线段保护的作用在于限制流经避雷器的雷电流幅值和降低入侵波的陡度，是变电所防雷保护的重要措施之一。
待设计的变电所的220KV进线，110KV出线沿全线架设避雷线，距变电所的2km为进、出线段保护。
避雷器的选取计算书
（一）220kV主变侧避雷器选择与校验
（1）型式选择：
根据设计规定选用FCZ系列磁吹式避雷器。
（2）额定电压：
，因此选择FCZ-220避雷器。
（3）灭弧电压校验：
（4）工频放电电压校验：
（二）220kV母线侧避雷器的选择与校验
（1）型式选择：
根据设计规定选用FZ系列普通式避雷器。
（2）额定电压：
，因此选择FZ-220J避雷器。
（3）灭弧电压校验：
（4）工频放电电压校验：
（三）110kV侧避雷器的选择与校验
（1）型式选择：
根据设计规定选用FCZ系列普通式避雷器。
（2）额定电压：
，因此选择FCZ-220J避雷器。
（3）灭弧电压校验：
（4）工频放电电压校验：
（四）10kV侧避雷器的选择与校验
（1）型式选择：
根据设计规定选用FZ系列普通式避雷器。
（2）额定电压：
，因此选择FZ-10避雷器。
（3）灭弧电压校验：
（4）工频放电电压校验：
10.2接地装置
电气设备的任何部分与土壤之间作良好的电气连接，称为接地。
与土壤直接接触的金属体或金属体组，称为接地体或接地极。
接地体结构可分为自然接地体和人工接地体；按形状可分为管形接地体和带形接地体等。
连接接地体和电气设备之间的金属导线，称为接地线。
接地线可分为接地干线和接地支线。
接地体和接地线合称为接地装置。
1、接地装置的作用
变电所中的接地装置按工作性质分为工作接地和保护接地。
工作接地是指为了保证电力系统正常情况和事故情况下能可靠工作，而将电力系统中的某一点，通常是中性点，直接或经特殊设备与地作金属连接。
保护接地是为了保护人身安全，防止触电，而将在正常情况下不带电的电气设备外壳或金属结构与接地体之间作良好的金属连接。
2、接地装置的接地电阻允许值
电气设备中任何带电部分，凡对地电压大于250V，称为高压电气设备。
1000V以上的高压电器设备的接地电阻，按《电力设备接地设计规程》规定：
单相接地时，接地电位不超过2000V，接地电阻不超过4Ω；对高土壤电阻系数地区，接地电阻允许提高，但不超过5Ω。
3、接地装置的布置
在布置变电所接地装置时，首先应保证无论施工或运行，在一年中的任何季节，接地电阻都应不大于允许值；同时保证工作区域内电位分布较均匀，以使接触电压和跨步电压在安全值以下；其次应充分利用自然接地体，以减低工程造价。
人工接地体是由水平接地体和垂直接地体所组成。
垂直接地体一般由长度为2～3m的钢管或角钢制成，优点是接地电阻随季节变化小，缺点是当垂直接地体相距较近时，互相的屏蔽作用使其每个接地体的散流作用降低。
水平接地体一般为圆钢或扁钢，特点是散流作用大，但受季节影响较大。
敷设了接地装置的电气设备比没敷设接地装置的电气设备要安全，但是如果接地装置布置的不好，仍将有触电的危险，所以变电所的接地装置布置成环路式接地体。
接地线与接地体的连接宜用焊接，接地体与设备外壳的连接，可用螺栓连接或焊接。
用螺栓连接时，应设防松螺帽或防松垫片。
电气设备应采用单独的接地线，不允许一个接地线上串联数个电气设备。
4、接地装置的计算
在实际设计中，垂直接地体一般为2.5m，顶端埋于地下0.4～1.5m.此时，单根垂直接地体接地电阻可以用以下简化公式计算
=（Ω）
式中——简化计算系数，当接地体长2.5m，顶端埋于地下0.8m时，见单根垂直接地体的简化计算系数表；
——土壤电阻率Ω·m。
多根相连的垂直接地体。
为了降低接地电阻，往往用多根的单一接地体以金属体并联连接而组成复合接地体或接地体组。
由于每根垂直接地体相互距离约在3～5m左右，此时电流流入各单一接地体时，将受到相互的限制，而防碍电流的流散，等于增加了各单一接地体的电阻。
这种影响电流流散的现象，称为屏蔽作用。
由于屏蔽作用，接地体组的流散电阻，并不等于各单一接地体流散电阻的并联值，而是一定比并联电阻大，此时接地体组的流散电阻可按下式计算
=（Ω）
式中——单根垂直接地体接地电阻，Ω；
——垂直接地体的根数；
——垂直接地体的利用系数。
待设计的变电所处在雷暴日为30日/年，但土壤电阻率为300Ω·m。
变电所接地采用环形，用189根直径50mm、长250cm钢管做接地体，顶端埋深0.8m，用长7.5m扁钢连接，保证接地电阻不大于4Ω。
避雷针的接地采用环形，用3根直径50mm、长250cm钢管做接地体，顶端埋深0.8m，用长7.5m扁钢连接，接地体布置平面图，如图10-2所示。
图10-2接地布置图
具体计算如下：
单根垂直接地体接地电阻为：
接地体组的流散电阻为
所以，该接地体组设计满足要求。
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