变电站防雷接地技术Word下载.docx

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直击雷防护；

雷电侵入波防护；

接地保护

1绪论

1.1课题的提出和意义

在现代社会里，电力已成为国民经济和人民生活必不可少的二次能源，它在现代工农业生产、人们日常生活及各个领域中已获得了广泛应用。

离开了电力，要想实现人类社会的物质文明和精神文明是根本不可能的；

供不好电力，要实现国家的现代化也是办不到的。

我国城乡各行各业广泛使用的电力，绝大部分由电网供给，所以，“电业事故是国民经济的一大灾难”。

电力系统的安全运行有两方面的要求，一是要保证设备及人身的安全，二是要保证电力系统的正常运行。

这些都与接地装置的设计是分不开的。

在以往电力的规程中，在跨步电压满足的前提下，发电厂、变电站的接地电阻应小于0.5欧姆的标准。

然而在新的电力规程《交流电气装置的接地》中，对接地电阻有了更高的要求；

另一方面，在电力系统的规模逐渐扩大的同时，而短路电流却随之增加，这也对接地设计的难度大大加高了。

在高土壤电阻率区，这一问题尤为突出，因此对降低接地的电阻必须采用各种措施。

雷电一直是影响电力系统安全稳定运行的重要原因，对于处在雷电频发地区的电力设备来说，防雷保护就显得至关重要。

我国是雷电活动十分频繁的国家，全国有21个省会城市雷暴日都在50天以上，最多可达134天。

据不完全统计，我国每年因雷击造成人员伤亡达3000~4000人，损失财产50~100亿元人民币。

随着社会经济发展和现代化水平的提高，特别是信息技术的快速发展，雷电灾害程度和造成的经济损失及社会影响也越来越大。

所有防雷接地技术不仅是电气安全工程技术的一方面，更是电气安全工作的重中之重。

变电站是电力系统的心脏和枢纽，一旦遭受雷击，引起变压器等重要电气设备绝缘毁坏，不但修复困难，而且造成大面积、长时间停电，必然给国民经济带来严重损失，跟人民生活带来诸多不便。

因此，变电站的防雷接地保护技术必须十分可靠。

1.2国内外研究现状

变电站是电力系统防雷的重要保护设施，如果发生雷击事故，将造成大面积的停电，严重影响社会生产和人民生活。

为保证电力系统的安全运行，电力系统应根据被保护物的重要性和危险程度的不同，对于直接雷、雷电感应、雷电侵入波应采取相应的防雷保护措施。

因此要求变电站的防雷保护措施必须十分可靠。

长期以来，国内外学者在雷电活动规律、雷击线路物理过程方面做了大量的研究工作，建立起较为完善的输电线路防雷理论体系。

雷电流幅值、波形、地闪密度以及线路落雷次数对于分析线路防雷性能极为重要，但雷电数据分散性较大，需要长期统计雷电数据。

所有可以说变电站的防雷安全形势不容乐观，主要表现在：

一是社会人民防雷安全意识不强,对雷电灾害的危害性认识不够,事不关己的态度旁观此事；

二是随着社会经济的发展,雷电灾害的危害途径增多,防雷安全理念已发生巨大变化,不仅要有传统的防御直击雷,还要防感应雷的新时代,而许多地方还是采用传统的防雷方式，防雷效果较差。

1.3本课题的主要工作

1.3.1研究目标

本课题是针对我国农村35KV变电站进行防雷接地保护设计；

根据变电站国家防雷接地标准，结合35KV变电站电气接线图以及具体情况，学习利用各种防雷接地装置等，实现对变电站的直击雷防护、雷电侵入波防护以及变电站的接地保护设计，具有一定针对性和广泛性。

1.3.2主要研究内容

1、学习各种用于变电站的防雷装置，包括避雷针、避雷线、避雷器等，它们的原理、作用以及保护范围。

2、采用各种相应的防雷装置，根据变电站实际情况，实现对变电站直击雷防护、雷电侵入波防护的设计、进线段保护。

3、了解基本接地常识，根据变电站基本情况，实现对变电站的接地保护设计。

2雷电与防雷装置

2.1变电所遭受雷击的来源

雷电放电是由于带电荷的雷云引起的放电现象。

一般认为雷云是在某种大气和大地条件下，由强大的潮湿热气不断上升进入稀薄的大气层冷凝成水滴或冰晶，形成积云的结果。

在强烈的上升空气作用下，水滴被碰分裂带电。

雷云的底部绝大部分带负电，而在其顶部有一正电荷层。

在带有大量不同极性或不同数量电荷的雷云之间，或者雷云和大地之间就形成了强大的电场，当此时电场强度超过空气击穿强度时，空气开始游离放电，产生强烈的闪电和雷鸣。

大多数雷电放电发生在雷云之间，雷云对地的放电虽占少数，但雷云的电位估计最少可达100MV，其放电通道中电流可达几十千安甚至几百千安，其温度升高达2万℃以上。

变电站遭受雷击有以下方式：

一是雷直击于变电所的设备上；

二是架空线路的雷电感应过电压和直击雷过电压形成的雷电波沿线路侵入变电所。

2.2变电站遭受雷击的主要原因

雷电是雷云层接近大地时，地面感应出相反电荷，当电荷积聚到一定程度，产生云和云之间以及云和大地之间放电，迸发出光和声的现象。

供电系统在正常运行时，电气设备的绝缘处于电网的额定电压作用之下，但是由于雷击的原因，供配电系统中某些部分的电压会大大超过正常状态下的数值，通常情况下变电站雷击有两种情况：

一是雷直击于变电站的设备上，二是架空线路的雷电感应过电压和直击雷过电压形成的雷电波沿线路侵入变电站。

其具体表现形式如下：

（1）直击雷过电压。

雷云直接击中电力装置时，形成强大的雷电流，雷电流在电力装置上产生较高的电压，雷电流通过物体时，将产生有破坏作用的热效应和机械效应。

（2）感应过电压。

当雷云在架空导线上方，由于静电感应，在架空导线上积聚了大量的异性束缚电荷，在雷云对大地放电时，线路上的电荷被释放，形成的自由电荷流向线路的两端，产生很高的过电压，此过电压会对电力网络造成危害。

（3）雷电侵入波。

架空线路的雷电感应过电压和直击雷过电压形成的雷电波沿线路侵入变电站，是导致变电站雷害的主要原因，若不采取防护措施，势必造成变电站电气设备绝缘损坏，引发事故。

2.3防雷措施

防雷措施总体概括为2种:

①避免雷电波的进入

②利用保护装置将雷电波引入接地网

防雷保护措施应根据现场常见的雷击形式、频率、强度以及被保护设施的重要性、特点安装适宜的保护装置。

2.3.1避雷针

避雷针是防直接雷击的有效装置。

它的作用是将雷电吸引到自身并泄放入地中，从而保护其附近的建筑物、构筑物和电气设备等免遭雷击。

避雷针的保护原理是：

当雷云中的先导放电向地面发展，距离地面一定高度时，避雷针能使先导通道所产生的电场发生畸变，此时，最大电场强度的方向将出现在从雷电先导到避雷针顶端（接闪器）的连线上，致使雷云中的电荷被吸引到避雷针，并安全泄放入地。

2.3.2避雷线

避雷线是由悬挂在保护物上空的镀锌钢绞线（即接闪器，截面不得小35mm2）、接地引下线和接地体组成。

2.3.3避雷器

避雷器是用来限制沿线路侵入的雷电压（或因操作引起的内过电压）的一种保护设备。

避雷器主要作用是降低入侵的雷电波，使之能够达到电气系统设备绝缘强度允许值以内。

我国主要的避雷器是采用金属氧化物式避雷器。

为了使避雷器能够达到预想的保护效果，必须满足如下两点基本要求。

（1）具有良好的伏秒特性，以实现与被保护电气设备绝缘的合理配合。

伏秒特性，是表达绝缘材料（或空气间隙）在不同幅值的冲击电压作用下，其冲击放电电压值与对应的放电时间的函数关系。

（2）间隙绝缘强度自恢复能力要好，以便快速切断工频续流，保证电力系统继续正常工作。

对于有间隙的避雷器以上两条都适宜，这类避雷器主要有保护间隙、管式避雷器及带间隙的阀式避雷器。

对于无间隙的金属氧化物避雷器，基本技术要求则不同，它没有灭弧问题，相应的却产生了独特的热稳定性问题。

2.4变电站直击雷防护

雷闪直接对电气设备放电引起的过电压称为直击雷过电压，其极性与雷电流的极性相同为负。

直击雷过电压的幅值可达上千千伏以上，很显然，大多数击于输电线或电气设备上的都会产生闪络，可能导致火灾或爆炸。

但对于高压配电线路，往往受厂房和高建筑物的屏蔽，所以遭受直击雷的几率较小。

装设避雷针是直击雷防护的主要措施,避雷针是保护电气设备、建筑物不受直接雷击的雷电接受器。

它将雷吸引到自己的身上,并安全导人地中,从而保护了附近绝缘水平比它低的设备免遭雷击。

变电站装设避雷针时,应该使站内设备都处于避雷针保护范围之内。

此外,装设避雷针时对于35KV变电站必须装有独立的避雷针,并满足不发生反击的要求；

对于110KV及以上的变电站,由于此类电压等级配电装置的绝缘水平较高,可以将避雷针直接装设在配电装置的架构上,因此,雷击避雷针所产生的高电位不会造成电气设备的反击事故。

2.1.1避雷器及其配制原则

装设避雷针的构架应埋设辅助集中接地装置。

辅助接地装置与变电站的主接地网相连接时，其连接点距离变压器与主接地网的连接点不得小于15m，目的是保证雷击避雷针时，在接地装置上产生的高电压波经过这段距离的衰减，传播到变压器连接点不会对变压器造成反击.

特别指出，变压器的进线门型构不允许装设避雷针，因为变压器是变电站的重要电气设备，其绝缘较弱，万一发生反击，必将造成严重后果。

装设独立避雷针，为防止雷直击变电设备及其架构、电工建筑物，其冲击接地电阻不宜超过10欧，为防止避雷针落雷引起的反击事故，独立避雷针与配电装置架构之间的空气中的距离SK不宜小于5m，独立避雷针的接地装置与接地网之间的地中距离Sd应大于3m。

1、35kV、110kV配电装置：

在架构上装设独立避雷针，将架构支柱主钢筋作引下线接地。

2、主变压器装设独立避雷针。

3、各电压等级母线桥：

装设独立避雷针。

4、主控制楼：

屋内配电装置钢筋焊接组成接地网，并可靠接地。

2.5变电站对雷电侵入波防护

雷击输电线路的次数远多于雷击变电站，所以沿线路侵入变电站的雷电侵入波较常见。

再加上输电线路的绝缘水平（即绝缘子串50%冲击放电电压U50%）比变压器及其他电气设备的冲击绝缘水平高得多，因此，变电站对雷电侵入波的防护显得很重要。

变电站对侵入波的防护的主要措施是在其进出线上装设阀型避雷器，避雷器装设在被保护物的引入端，其上端接在线路上，下端接地，一般安装在变电站母线上。

阀型避雷器的基本元件为火花间隙和非线性电阻。

目前，SFZ系列阀型避雷器，主要用来保护中等及大容量变电站的电气设备。

FS系列阀型避雷器，主要用来保护小容量的配电装置。

变电站中限制侵入波的主要设备是避雷器，它接在变电站的母线上，与被保护设备相并联，并使所有设备受到可靠保护。

2.5.1避雷器的防护距离

以主变压器为保护对象，雷电波沿变电站进线侵入，避雷器连接点距离变压器连接点的最大允许电气距离。

在此称为避雷器的防护距离，参见图2.1。

图2.1分析避雷器保护距离的简单回路

当雷电波入侵时,变压器上的电压具有振荡性质,其振荡轴为避雷器的残压

。

主要原因是由于避雷器动作后产生的电压波在避雷器和变压器之间多次反射引起,因此,只要变压器离避雷器有一段距离,变压器所受冲击电压的最大值必然要超过避雷器的残压

有时会对变压器绝缘造成威胁,因此变压器与避雷器之间的安装距离

要进行限制,该距离不能太远；

变压器上所受冲击电压的最大值

（2-1）

（2-2）

式中，波速

为定值；

a为侵入波的时间陡度（kV/s）；

为侵入波的空间陡度（kV/m）。

在平常的设计要求中,根据上述公式,只要距离

满足要求即认可,但是,随着变电站设备的老化,其耐雷水平或承受过电压的能力都会存在不同程度的下降,对变电站来说,最重要的设备是变压器,其承受过电压的能力相应低于其他设备,因此,在电气设备的绝缘配合中,通常应以变压器作为绝缘配合的核心,站内母线避雷器的安装,要尽可能做到与主变压器之间的距离最短；

在一些变电站,比如10kV（35kV）母线避雷器与TV安装于同一间隔内,该间隔可以安装于该母线段的任何位置,但从其与主变最小距离考虑,该间隔尽可能做到挨着主变侧开关间隔安装,在实际设计、施工中也是容易做到的,对保护变压器侧的绝缘是有好处的。

以此35kV电压等级为例进行说明:

由于此变电站1km进线段有避雷线，若取a0=1.0kV/m,若

与变压器减小5m,则变压器所受冲击电压将减少10kV,这对保护变压器的绝缘是很有利的。

同时,还应对被保护设备与避雷器之间的安装距离

进行校核,即雷电防护要有一定裕度。

（2-3）

而不应当用公式

来校核,因为只要被保护设备与避雷器有一定距离,被保护设备上的电压明显要高于

若用

进行校核,在

较大的情况下可能存在没有保护裕度。

K—是一个大于1的配合系数,可取1.05～1.1；

—被保护设备的雷电冲击耐受电压；

—避雷器的雷电冲击残压；

—设备上所受冲击电压的最大值。

2.6变电站的进线段雷电防护设计

变电站因雷电侵入波形成的雷害事故有50%是离变电站1km以内雷击线路引起的，约有71%是3km以内雷击线路引起的。

要限制流经避雷器的雷电电流幅值和雷波的波度，就必须对变电站进线实施保护。

当线路上出现过电压时，将有行波导线向变电站运动，起幅值为线路绝缘的50%冲击闪络电压，线路的冲击耐压比变电站设备的冲击耐压要高很多。

应为雷电侵入波沿导线传播时有损耗，具体是雷电压在线路上感应产生的地点离变电站愈远，它流动到变电站时的损耗就愈大，其波陡度和幅值就降得愈低。

所有在接近变电站的进出线上加装避雷线是防雷的主要措施。

如不架设避雷线，当遭受雷击时，势必会对线路造成破坏。

变电站进线保护是在靠近变电站出线架1～2km线路上所采取的可靠的防雷保护措施，变电站进线保护具体措施视变电站的线路情况而定。

这样，侵入变电站的雷电过电压波主要来自进线段外，并经过1～2km线路的冲击电晕影响，不但削弱了侵入波的幅值和陡度，而且因进线段波阻抗的作用，也限制了通过避雷器的雷电流，使其不超过规定值，保证了避雷器的良好配合，这一措施就是变电站进线段保护。

3接地的基本常识

接地装置的设计对于电力系统的安全运行至关重要。

变电站接地系统的合理与否是直接关系到人身和设备安全的重要问题。

随着电力系统规模的不断扩大，接地系统的设计越来越复杂。

变电站接地包含工作接地、保护接地、雷电保护接地。

工作接地即为电力系统电气装置中，为运行需要所设的接地；

保护接地即为电气装置的金属外壳、配电装置的构架和线路杆塔等，由于绝缘损坏有可能带电，为防止其危及人身和设备的安全而设的接地；

雷电保护接地即为为雷电保护装置向大地泄放雷电流而设的接地。

变电站接地网安全除了对接地阻抗有要求外，还对地网的结构、使用寿命、跨步电位差、接触电位差、转移电位危害等提出了较高的要求。

3.1接地概述

接地就是将电力或建筑电气装置、设施中某些导电部分，经接地线接至接地极。

换句话说，接地就是将地面上的金属物体或电路中的某结点用导线与大地可靠地连接起来，使该物体或结点与大地保持同电位。

接地根据工作内容划分为以下几种：

1．工作接地

工作接地是为系统正常工作而设置的接地。

如为了降低电力设备的绝缘水平，在及以上电力系统中采用中性点接地的运行方式，在两线一地的双极高压直流输电中也需将其中性点接地。

除主设备的接地外，在微电子电路中，根据电路性质不同，还有各种不同的工作接地比如直流地、交流地、数字地、模拟地、信号地、功率地、电源地等。

2．防雷接地

为了避免雷电的危害，避雷针、避雷线和避雷器等防雷设备都必须配以相应的接地装置以便将雷电流引入大地。

3．安全接地

为了保证人身的安全，将电气设备外壳设置的接地。

任何接地极都存在着接地电阻，正因为如此，当有电流流过接地体时，在接地电阻上的压降将引起接地极电位的升高电流在地中扩散时，地面会出现电位梯度。

3.2接地电阻

大地并非理想的导体，它具有一定的电阻率。

所以当外界强制施加于大地内部某一电流时，大地就不能保持等电位。

接地电阻就是电流由接地装置流入大地再经大地流向另一接地体或向远处扩散所遇到的电阻，它包括接地线和接地体本身的电阻、接地体与大地的电阻之间的接触电阻以及两接地体之间大地的电阻或接地体到无限大远处的大地电阻。

1、接地电阻《电力设备接地设计技术规程》中对接地电阻值有具体的规定，一般不大于0.5Ω。

在高土壤电阻率地区，当接地装置要求做到规定的接地电阻在技术经济上极不合理时，大接地短路电流系统接地电阻允许达到5Ω，但应采取措施，如防止高电位外引采取的电位隔离措施，验算接触电势，跨步电压等。

根据规程规定，主要是以发生接地故障时，接地电位的升高不超过2000V进行控制，其次以接地电阻不大于0.5Ω和5Ω进行要求。

因此，人们普遍认为110kV及以上变电所中，接地电阻值小于0.5Ω即认为合格，大于0.5Ω就是不合格，不管短路电流有多大都不必采取措施，这是不合理的。

2、接地短路电流分析当系统发生接地故障时，产生的接地短路电流经三种途径流入系统接地中性点。

a.经架空地线—杆塔系统；

b.经设备接地引下线，地网流入本站内变压器中性点；

c.经地网入地后通过大地流回系统中性点。

而对地网接地电阻起决定性作用的只是入地短路电流。

所以，正确地考虑和计算各部分短路电流值，对合理地设计地网有着很大的影响。

3.3变电站接地装置

接地装置是由埋入地中的接地体（即金属导体）和连接接地体与电气设备金属外壳（或电路中某一节点）的导线所组成的装置。

接地体及接地线要进行防腐蚀处理。

接地线还必须满足机械强度及短路电流通过时的发热稳定性要求。

变电站对接地装置的要求和一般规定

接地设计首先根据项目要求确定接地设计原则：

根据地网的类型、目的、接地要求进行设计。

如主要用于防雷接地的地网，其接地线长度应满足L<

2ρ；

主要用于短路电流泄流保护的地网可以不受上述限制，在高土壤电阻率地区甚至可以在2km范围内补充外引接地体；

接地网布置类型多样：

水平、垂直布置，长孔、方孔接地网其计算工频接地电阻的方法也不同。

不同建设项目的目的不同，接地网寿命要求不同，因此其接地材质的选择也不同。

设计前要充分收集有关资料数据，尽可能进行现场勘察。

应掌握现场地形、地貌、水文、气象、地质结构、矿藏、电磁场、实测土壤电阻率。

可供利用的自然接地体的状况及接地电阻值。

这些对接地工程设计计算和施工布置都是很重要的。

在具体工程中变电所不同地点和不同深度的土壤电阻率是不相同的。

在计算接地电阻时如何选取一个等值的土壤电阻率进行计算是每个工程中都要解决的问题。

在设计时需考虑以下几点：

（1）设施的作用；

（2）设施的设计寿命；

（3）土壤电阻率；

（4）土壤的自然腐蚀性；

（5）地网面积和形状；

（6）周边的建筑物和他们的接地系统；

（7）季节因素和温度因素。

变电所接地系统主要用于短路电流泄流保护，一般为水平接地为主，外加少量垂直接地体且边缘闭合的复合式接地网。

通常变电所接地网作为一种大电流接地短路电流系统，其对接地电阻的要求通常极其严格，因此在设计时要对其接地电阻值进行重点研究。

3.4变电站的接地原则

变电站接地网设计时应遵循以下原则：

1.为了将各种不同用途和各种不同电压的电气设备接地，一般应使用一个总的接地装置；

2.发电厂、变电所的接地装置，除充分利用直接埋入地中或水中的自然接地体外，还应敷设人工接地体；

3.在高土壤电阻率地区采用下列降低接地电阻的措施：

Ø

当在发电厂、变电所2000M以内有较低电阻率的土壤时，可敷设引体接地体；

当地下较深处的有较低电阻率的土壤时，可采用井式或深钻式接地体；

填充电阻率较低的物质和降阻剂；

敷设水下接地网。

4.人工接地网应围绕设备区域连成闭合形状，并在其中敷设若干水平均压带

5屋内接地网由敷设在房屋每一层的接地干线组成，并尽量利用固定电缆支、吊架用预埋扁铁作为接地干线，在各层的接地干线用几条上下联系的导线连接，而后将屋内接地网的几个地点与主接地网连接。

6.应采用统一接地网，用一点接地的方式接地。

3.5降低变电站接地装置工频接地电阻的措施

1.接地引线电阻，是指由接地体至设备接地母线间引线本身的电阻，其阻值与引线的几何尺寸和材质有关。

2.接地体本身的电阻，其电阻也与接地体的几何尺寸和材质有关。

3.接地体表面与土壤的接触电阻，其阻值怀土壤的性质、颗粒、含水量及土壤与接地体的接触面积及接触紧密程度有关。

4.从接地体开始向远处（20米）扩散电流所经过的路径土壤电阻，即散流电阻。

决定散流电阻的主要因素是土壤的含水量。

5.垂直接地体的最佳埋置深度是指能使散流电阻尽可能不而又易于达到的埋置深度。

决定垂直接地体的最佳深度，应考虑到三维地网的因素，所谓三维地网，是指垂直接地体的埋置深度与接地网的等值半径处于同一数量级的接地网。

6.接地体的通常设计，是用多根垂直接地体打入地中，并以水平接地体并联组成接地体组，由于名单一接地体埋置的间距仅等于单一接地体长度的两倍左右，此时电流流入名单一接地体时，将受到相互的限制而妨碍电流的流散，即等于增加名单一接地体的电阻，这种影响电流流散的现象，称为屏蔽作用。

7.化学降阻剂的应用,化学降阻剂机理是，在液态下从接地体向外侧土壤渗出，若干分钟固化后起着散流电极的作用。

3.6接地体工频接地电阻计算

接地体有自然接地体和人工接地体两种类型，因此，接地体的设计计算包括自然接地体和人工接地体两种情况。

在接地设计时，为了充分发挥技术、经济效益，首先要充分利用可以利用的自然接地体，但基于安全可靠考虑，也要用人工接地体。

3.6.1自然接地体及其工频接地电阻计算

常用自然接地体包括埋在地下的上、下水管道、建筑物及构筑物混凝土基础内的钢筋和骨架、埋地电缆的金属外皮及穿绝缘导线的金属管等。

自然接地体一般距离长，在大地土壤接触面积大，其散流电阻小，有时还能起到人工接地体无法起到的效果，尤其在等电位连接上，自然接地体在不少情况下是与电气设备的金属外壳相连，在发生接地故障时，接地故障电流从一开始就从自然接地体流散，在加上自然接地体在地下纵横交错，如果可靠连接起来，能起到分流，均压，等电位连接等作用，从而可降低跨步电压和接触电压，并节省投资。

3.6.2人工接地体及工频接地电阻计算

当利用了自然接地体后仍不满足接地电阻要求值时，应埋设人工接地体；

而对于无自然接地体的可利用的场所，就必须埋设人工接地体了。

人工接地体有垂直打入地中的钢管、角钢或水平埋设在地中的圆钢、扁钢及铜带等。

（1）垂直埋设的单根接地体接地电阻计算

（3-1）

式中，

为土壤电阻率，Ω·

m；

为接地体长度，m；

d为接地体直径或等效直径，并且l>

>

d，如果是扁钢:

，b为扁钢宽度，若是角钢，d=0.84b，b为角钢每边宽度。

当n根垂直接地体并联（顶端用导体连接）时，总的接地电阻计算：

（3-2）

式中，

为单根垂直接地体的接地电阻，Ω；

n为并联接地体的根数；

为利用系数，即接地体散流场之间相互屏蔽，是接地体附近的电流密度变得不均匀，影响接