高电压防雷设计.docx

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高电压防雷设计

高电压防雷设计

摘 要 

    根据设计任务书的要求，本次设计为110kV变电所的防雷设计，变电所是电力系统中重要组成部分，而且变电所的电气部分要装设合理的避雷装置和接地装置，因此，它是防雷的重要保护对象。

如果变电所发生雷击事故，将造成大面积的停电，给人民生活和社会生产带来重大不便，还有可能给国家造成大经济损失，这就要求防雷措施必须十分可靠变电所的防雷设计应做到设备先进、保护动作灵敏、安全可靠、维护方便，在此前提下，力求经济合理的原则。

本次设计，主要对变电所的主要设备进行选择，重点设计变电所的防雷部分，包括变电所进线段保护、防直击雷、防感应雷以及变电所二次设备的防雷。

通过对各种避雷器的性能对比，结合变电所实际情况，确定变电所的避雷器的选择，并考虑变电所控制系统的防雷，提出防雷方案。

 氧化锌避雷器以其优越的性能，越来越受到电力行业的关注。

本次设计，将结合氧化锌避雷器性能的优点，并结合变电所设计的情况，讨论氧化锌避雷器在变电所中的应用前景。

关键词：

变电所 避雷器 防雷保护

4.2.1 接地网 ................................................................................................ 24

 4.2.2接地线 ................................................................................................. 26

 4.2.3防雷接地 ............................................................................................. 26 

总结 .............................................................................................................................. 27

 致谢 .............................................................................................. 

 参考文献 ...................................................................................................................... 28

1  引言 

1.1 课题背景 

变电所是电力系统的一个重要组成部分，由电器设备及配电网络按一定的接线方式所构成，它从电力系统取得电能，通过其变换、分配、输送与保护等功能，然后将电能安全、可靠、经济的输送到每一个用电设备。

随着电力技术高新化、复杂化的迅速发展，电力系统在从发电到供电的所有领域中，通过新技术的使用，都在不断的发生变化。

变电所作为电力系统中一个关键的环节也同样在新技术领域得到了充分的发展。

作为电能传输与控制的枢纽，变电所的防雷保护也越来越得到重视。

本次设计为110kV牵引变电所防雷设计，牵引变电所是指主要向牵引系统供电的变电所。

牵引变电所主要应用于工矿企业电气化运输、城市公共交通、市郊电气化铁路、煤矿井下平巷运输和地面工业广场运输，为运输机车提供可靠的供电电源。

1.2 课题研究的意义 

随着科学技术的发展，作为现代工业发展的基础和先行官—电力工业，也随之有了很大的发展。

电力需求的大大增加，促使电力技术和电力工业进一步向高电压，大机组，大电网的方向发展。

   110kV变电所是电力配送的重要环节，也是电网建设的关键环节。

变电所设计质量的好坏，直接关系到电力系统的安全、稳定、灵活和经济运行。

变电所是电力系统的重要组成部分，它直接影响整个电力系统的安全与经济运行，是联系发电厂和用户的中间环节，起着变换和分配电能的作用。

   雷电放电落于电气设备上时,如没有特殊保护,雷云放电能产生数百万伏的过电压电波,这种过电压足以使任何额定电压的设备发生绝缘闪络或击穿。

从而会使设备损坏，甚至危及人身安全，造成不可弥补的损失。

电力设备的造价普遍较高，而且建造工期较长，电力设备的损坏，不但会造成发电厂或变电所的巨大损失，更会影响到对用户的供电，造成更大面积、更严重的后果。

雷电一直是危害电力系统安全稳定运行的重要因素之一，如果变电所发生雷击事故，将造成大面积停电,给社会生产和人民生活带来不便，这就要求防雷措施必须十分可靠。

随着电力技术高新化、复杂化的迅速发展，电力系统在从发电到供电的所有领域中，通过新技术的使用，都在不断的发生变化。

变电所作为电力系统中一个关键的环节也同样在新技术领域得到了充分的发展。

而防雷保护作为变电所设计的一个重要环节，同样会有充分的发展空间。

    众所周知，防雷的最有效办法就是架设避雷器。

目前氧化锌避雷器（MOA）在电力系统中作为过电压限制措施的应用越来越广泛，其雷电侵入波的保护能，尤其是对电气设备的保护距离，已成为变电所工程设计、施工和运行亟待解决的问题。

2 系统设计方案的研究 

2.1雷电对变电所的危害 

2.1.1雷的直击和绕击危害 

雷云单体浮在大地上空，其所带电荷拖着地表相反电荷犹如一个影子随风移动。

如果途经变电所的避雷针或地表其它突出物，地电荷会导致突出物顶端电场畸变集中。

闪电开始之前先是雷云底部的始发先导按间歇分级跃进方式向地表发展，当距地面50～100m时，由避雷针等地表突出物电场畸变集中的地方产生垂直向上的迎面先导。

两者相接，进入直击或绕击的主放电阶段。

通常当地面上突出物的高度为h，雷云正下方的平均电场强度大于和等于580h-0.7kV/m时，则该突出物将容易受到直击雷。

原因是高为h的避雷针可影响雷云单体向下的始发先导发展方向的半径，用公式表述为:

 R=16.3h0.61m 。

该式还表明，地表安装独立避雷针后，将会在其附近出现大量的散击，甚至对避雷针进行直击，对受避雷针保护范围内的物体进行绕击。

一次雷击主放电一般为几万安培到十几万安培。

瞬间高热和电动力，会造成混凝土杆炸裂，小截面金属熔化，引起火灾和大爆炸，金属导体连接部分断裂破损，建筑物倒坍，电气设备损坏。

2.1.2雷电反击危害 

直击雷电流通过地表突出物的电阻入地散流。

假如地电阻为10Ω，一个30kA的雷电流将会使地网电位上升至300kV。

如果受雷击变电所输电线路来自另一个不同地网的变电所，那么上升的地电位与输电线上的电位将形成巨大反差，导致与输电线路相连的电气设备的损坏。

不仅仅是输电线路、动力电缆，凡是引进变电所的金属管线都会引起雷电反击。

另一种雷电反击，对变电所的电子设备危害也不容忽视。

雷电流沿变电所的接地网散流，支线上的雷电流和各点电位差异很大。

连接在不同等电位地网上的电子设备。

如果其间有电信号联系，那么超过其容许承受能力的地电位差将导致设备损坏。

2.1.3 感应雷危害 直击雷放电的能量通过电磁感应和静电感应方式向四周辐射，导致设备过电压放电，则为感应雷。

显然，感应雷危害是大面积的，是电子设备的克星。

有资料计算表明，当雷击电流为30kA斜角波，雷云高度为3公里，导线高度为10m，击中距末端匹配的500m长架空线路中点100m处地面时，线路上感应电压为150kV幅值的振荡波。

此波为电磁感应和静电感应共同作用的结果。

还有计算显示，一栋由工字钢架构且金属部分连接成法拉第笼的10层（60m×30m×100m，每层高10m）的建筑物，被-2.6/40us，100kA的雷击中楼顶，其各层楼面1m高处的感应电场垂直分量达数kV/m，随楼层降低感应电场强度趋向于均匀，但强度整体上无大的衰减。

事实上，在生产实践中，雷击的静电感应破坏力数倍于电磁感应。

静电感应还可用雷击的二次效应理论来解释。

带电雷云飘浮在地表上空，地表带上与雷云相反的等量电荷。

当雷击过后，雷击点地表变为电荷的相对空穴，周围高电荷区域内与地电位相对绝缘的导体上的电荷，将像受突然击发的水波一样冲向雷击点，导致设备打火，绝缘受损和电子设备失效。

特别注意的是电子设备的高阻抗输入回路，信号回路等引线较长，且直接连接的金属体积较大处，虽然已作电磁屏蔽（采用屏蔽电缆且屏蔽层两端接地）仍会遭受厄运。

 2.1.4雷电侵入波危害 

远方落雷，通过直击或电磁感应和静电感应方式从高压输电线路、配电线路、低压电源线路、通信线、电缆线、金属管道等途径侵入变电所，由于管线相对较长，且存在着分布电感和电容，使雷电传播速度减慢，这样一种现象用波传输理论来说明的概念称作雷电波。

雷电波在传输过程中通过不同参数的连接线段或线路端点时，波阻抗发生变化会产生反射、折射，可导致波阻抗突变处的电压升高许多，加大了对设备的危害。

2.2变电所简介 

2.2.1变电所概述 

电力牵引的专用变电所。

牵引变电所把区域电力系统送来的电能，根据电力牵引对电流和电压的不同要求，转变为适用于电力牵引的电能，然后分别送到沿铁路线上空架设的接触网，为电力机车供电，或者送到地下铁道等城市交通所需的供电系统，为地铁电动车辆或电车供电。

一条电气化铁路沿线设有多个牵引变电所，相邻变电所间的距离约为40～50公里。

在长的电气化铁路中，为了把高压输电线分段以缩小故障范围,一般每隔200～250公里还设有支柱牵引变电所,它除了完成一般变电所的功能外，还把高压电网送来的电能，通过它的母线和输电线分配给其他中间变电所。

 牵引变电所的主要电力设备是单机容量为10000千伏安以上的降压变压器,称主变压器或牵引变压器。

工矿和城市交通大多采用直流电力牵引，故直流牵引变电所里除降压变压器外，还有把交流电变成直流电的半导体整流器。

此外，各类牵引变电所中还有用来接通和开断电力电路的主断路器、为了检修和安全用的隔离开关，以及为了自动、远动控制和保护用的自动控制系统和断电保护系统。

2.2.2变电所主要任务 

将电能从电力系统传送给电力机车的电力装置的总称叫电气化铁路的供电系统，又称牵引供电系统，主要由牵引变电所和接触网两大部分组成。

牵引变电所将电力系统输电线路电压从110kV（或220kV）降到所需要的电压，经馈电线将 电能送至接触网；接触网沿铁路上空架设，电力机车升弓后便可从其取得电能，用以牵引列车。

牵引变电所所在地的接触网设有分相绝缘装置，两相邻牵引变电所之间设有分区亭，接触网在此也相应设有分相绝缘装置。

牵引变电所至分区亭之间的接触网（含馈电线）称供电臂。

2.2.3变电所主接线 

电气主接线又称为电气一次接线，变电所主接线是变电所中的重要组成部分，它的连接形式对于防护雷电入侵波有着重要的作用。

它是将电气设备以规定的图形和文字符号，按电能生产、传输、分配顺序及相关要求绘制的单相接线图。

它把各电源送来的电能汇集起来，并分给各用户。

它表明各种一次设备的数量和作用，设备间的连接方式，以及与电力系统的连接情况。

所以电气主接线是发电厂和变电所电气部分的主体，对发电厂和变电所以及电力系统的安全、可靠、经济运行起着重要作用，并对电气设备选择、配电装置布置、继电保护、自动装置和控制方式的拟定有较大影响。

通过查找相关资料，以及参考《电力工程电气手册》，结合自己所学。

对于本次设计的110kV牵引变电所的主接线设计为110kV侧采用单母分段的连接方式，35kV侧采用单母分段连接，10kV侧采用单母分段连接。

  此方案设计的优点是：

110kV侧采用单母分段的连接方式，供电可靠、调度灵活、扩建方便，35kV、 10kV采用单母分段连线，对重要用户可从不同段引出两个回路，当一段母线发生故障，分段断路器自动将故障切除，保证正常母线供电不间断，所以此方案同时兼顾了可靠性，灵活性，经济性的要求。

此方案电气主接线图如下：

图2.1电气主接线图 

2.3变电所防雷措施 

2.3.1变电所遭受雷击的来源 

 由于变电所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。

因此要求变电所的防雷措施必须十分可靠。

变电所遭受雷击主要来自两个方面：

 1.雷直击于变电所的设备上； 

2.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。

因此直击雷和雷电侵入波对变电站进线及变压器的破坏的防护十分重要。

 2.3.2变电所防雷具体措施 

变电所对于直击雷的保护一般采取装设避雷针或采用沿变电所进线段一定距离内架设避雷线的方法解决。

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，是导致变电所雷害的主要原因，若不采取防护措施，势必造成变电所电气设备绝缘损坏，引发事故。

在变电所内装设避雷器的目的在于限制入侵雷电波的幅值，使电气设备的过电压不致于超过其冲击耐压值。

而变电所的进线段上装设保护段的主要目的，在于限制流经避雷器的雷电流幅值及入侵雷电波的陡度。

2.3.3变电所对直击雷防护 

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收器。

他将雷引到自己的身上，并安全导入大地中从而保护了附近绝缘水平比它低的设备免受雷击。

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及以上的变电所，由于此类电压等级配电装置的绝缘水平比较高，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反击事故。

 2.3.4变电所对雷电侵入波的防护 

变电站对侵入波防护的主要措施是在其进线上装设阀型避雷器或保护间隙。

阀型避雷器的基本元件为火花间隙和非线性电阻，目前，FS系列阀型避雷器为火花间隙和非线性电阻其主要用来保护小容量的配电装置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;FCZ1系列磁吹阀型避雷器，主要用来保护变电所的高压电器设备。

2.3.5变电站的进线防护 

对变电站进线实施防雷保护，其目的就是限制流经避雷器的雷电电流幅值和雷电波的陡度。

当线路上出现过电压时，将有行波沿着导线向变电站行进，其幅值为线路绝缘的50%冲击闪络电压。

线路的冲击耐压比变电所设备的冲击耐压要高很多。

因此，在靠近变电所的进线上加装避雷线是防雷的主要措施，如果没有架设避雷线，当靠近变电所的进线上遭受雷击时，流经避雷器的雷电电流幅值可超过5KA，且其陡度也会超过允许值，势必会对电路造成破坏。

 2.3.6变压器的防护 

变压器的基本保护措施是靠近变压器安装避雷器，这样可以防止线路侵入的雷电波损坏绝缘。

装设避雷器时，要尽量靠近变压器，尽量减少连线的长度，以便减少雷电电流在连接线上的压降。

同时，避雷器的接线应该与变压器的金属外壳及低压侧中性点连接在一起，这样，当侵入波使避雷器动作时，作用在高压侧主绝缘上的电压就只剩下避雷器的残压了（不包括接地电阻上的电压压降），就减少了雷电对变压器破坏的机会。

2.3.7变电所的防雷接地 

变电所防雷保护在满足要求以后还要根据安全和工作接地的要求敷设一个统一的接地网，然后避雷针和避雷器下面增加接地体以满足防雷的要求，或者在防雷装置下敷设单独的接地体。

3 防雷保护装置 

防雷保护装置是指能使被保护物体避免雷击，而引雷于本身，并顺利地泄入大地的装置。

电力系统中最基本的防雷保护装置有:

避雷针﹑避雷线﹑避雷器和防雷接地等装置。

3.1避雷针 

3.1.1避雷针原理 

避雷针由金属制成，结构简单，安装方便，其保护原理是当雷云放电时使地面电场畸变,在避雷针的顶端形成局部场强集中的空间以影响雷电先导放电的发展方向，使雷电对避雷针放电,再经过接地装置将雷电流引入大地，从而使被保护物体免受雷击。

避雷针的设计一般有一下几种类型：

（1）单支避雷针的保护 

（2）两支避雷针的保护 （3）多支避雷针的保护。

变电所直击雷保护的基本原则：

一是独立避雷针（线）与被保护物之间应有一定的距离，以免雷击针（线）时造成反击。

二是独立雷针的接地装置与被保护物之间也应保持一定的距离Sd以免击穿，在一般情况下，不应小于3m。

有时由于布置上的困难Sd无法保证，此时可将两个接地装置相联，但为了避免设备反击，该联接点到35kV及以下设备的接地线入地点，沿接地体的地中距离应大于15m，因为当冲击波沿地埋线流动15后，ρ≤500Ω·m时，幅值可衰减到原来的22%左右，一般不会引起事故了。

 3.1.2避雷针设置原则 

对于110kV以上的变电所，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构架上，因而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。

装设避雷针的配电构架，应装设辅助接地装置，该接地装置与变电所接地网的连接点，距主变压器的接地装置与变电所的接地网的连接点的电气距离不应小于15m。

其作用是使雷击避雷器时，在避雷器接地装置上产生的高电位，沿接地网向变压器接地点传播的过程中逐渐衰减，使侵入的雷电波在达到变压器接地点时，不会造成变压器的反击事故。

由于变压器的绝缘较弱同时变压器又是变电所的重要设备，故不应在变压器的门型构架上装设避雷针。

 3.1.3避雷针保护范围的计算 

避雷针是一种简单的防直击雷的装置。

就国际电工委员会（IEC）推荐的滚球法对避雷针的保护范围进行了精确的计算。

所谓滚球法是以hr为半径的一个球体，沿需要防直击雷的部位滚动，当球体只触及接闪器（包括被利用作为接闪器的金属物）或接闪器和地面（包括与大地接触能承受雷击的金属物），而不触及需要保护的部位时，则该部分就得到接闪器的保护。

不同类别的防雷建筑物的滚球半径如（表3.1）

 9 

表3.1建筑物防雷的滚球半径

一、1根避雷针的保护范围     1、当避雷针的高度h≤hr时 距地面hr处作一条平行于地面的平行线，以避雷针的针尖为圆心，hr为半径画弧，交水平线于A、B两点，又分别以A、B两点为圆心，hr为半径，从针尖向地面画弧。

如图3.1所示，则图中曲线就是避雷针保护范围的边界，保护范围是一个对称的锥体。

图3.1单根避雷针保护范围剖面图