变电站的综合防雷研究毕业论文.docx

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变电站的综合防雷研究毕业论文

郑州华信学院

本科生毕业设计（论文）

题目：

变电站的综合防雷研究

指导教师：

******职称：

讲师

学生姓名：

******学号：

**********

专业：

电气工程及其自动化

院（系）：

机电工程学院

答辩日期：

2013年5月25日

2013年5月20日

摘要

变电站是电力系统重要组成部分，是电网传输电能的核心。

雷电所引起的大气过电压将会对电气设备和变电站的建筑物产生严重的危害，一旦变电站遭受雷击，可能直接会造成电网的瓦解，城市大面积停电，给社会的安全和谐稳定带来极大的负面影响。

因此，在变电所和高/低压输电线路中，必须采取有效的防雷措施，以保证电气设备的安全。

运行经验表明，当前变电所中所采用的防雷措施（外部避雷）是可靠的，但是,随着现代科学技术的发展综合自动化水平的需求，其所依赖的微电子设备，因受雷电冲击而损坏的事故发生率大幅上升。

这是我们从事防雷减灾工作所面临的机遇与挑战。

如何对发展中的变电站系统采取有效的防雷保护措施，保障变电站系统正常可靠的运行，这是我们一个新的研究方向。

单靠传统的避雷针、避雷带等外部避雷设施已不足以防护雷电和开关过电压对微电子设备的冲击，进行内部系统的雷击浪涌防护和加装SPD（电涌保护器）是必要的。

本文主要针对110kv变电站防雷系统设计进行研究，提出并解决变电站防雷保护、变配电设备的防护、110kv变电站变电站电源系统防雷保护及避雷器的选用。

还有变电所弱电系统防雷保护、SPD的安装方法、综合自动化变电站二次系统防雷措施、电解离子接地系统在变电站接地网改造中的设计计算、二次系统的防护、建筑物的防护、防雷接地技术以及如何应用在工程中以及在应用中需要注意哪些事项。

关键词：

变电站雷电波防雷保护

Abstract

Substationisanimportantpartofpowersystem,Thecoreofelectricpowertransmission.Theatmosphericovervoltagecausedbylightningonelectricalequipmentandsubstationbuildingsandcausedseriousharm,oncethesubstationlightning,collapsemaydirectlycausethegrid,cityblackout,socialsecurityandharmonybringsgreatnegativeimpact.Therefore,inthesubstationandhigh/lowvoltagetransmissionlines,musttakeeffectivelightningprotectionmeasures,toensurethesafetyofelectricalequipment.

Operatingexperienceshowsthat,thelightningprotectionmeasureinsubstationbythe（externallightning）isreliable,but,withthecomprehensiveautomationlevelofthedevelopmentofmodernscienceandtechnologyneeds,microelectronicdevicesofitsdependent,anddamagecausedbylightningimpulseoccurrencerate.Thisistheopportunityandchallengewefacedinthelightningprotectionanddisasterreductionwork.Howtotakeeffectivelightningprotectionmeasuresofsubstationsystemdevelopment,guaranteethenormalandreliableoperationofthesubstation,whichisanewresearchdirection.

Onthelightning,lightningwithexternallightningprotectionfacilitiestraditionalhasbeeninsufficienttolightningprotectionandswitchingovervoltageofmicroelectronicequipmentimpact,internalsystemlightningsurgeprotectionandtheinstallationofSPD（Surgeprotectivedevice）isnecessary.

This110kvsubstationlightningprotectionsystemdesignforconductingresearchandresolveanumberofrelatedissues,includingthesubstationlightningprotection,powerdistributionequipmentprotection,110kvsubstationsubstationbreakerselectionoflightningprotectionandsurgearresterssubstationtoincreaseafterthelightningprotectionmeasuresmicrowavetowers,powerplants,substationsandweaksystemsoflightningprotection,substationbuildingsteeldoorsandwindows,curtainwalloftheminetechnology,themaintransformerneutralgroundingprotectiondevicetechnology,integratedautomationsubstationIIlightningprotectionsubsystem,electrolyticiongroundsystemtransformationinthesubstationgroundinggriddesignandcalculationofthesecondarysystemofprotection,buildingprotection,groundingtechnology,howtoapplyinengineeringandintheapplicationneedtopayattentiontowhatmatters.

Keywords：

substationlightningwavelightningprotection

1绪论

雷电是一种常见的自然现象，十种最严重的灾害之一。

它除了危及到人身安全外，还会对电气设备，特别是电子设备产生巨大的破坏作用。

全球每天约发生800万次雷电，每年因雷击造成的人员伤亡、财产损失不计其数。

雷击及其电磁脉冲在线路上形成暂态过电压，沿着线路侵袭并危及电气或电子设备的安全。

同时电气系统的开关操作和静电放电所产生的暂态电涌也对电子设备造成了极大的危害。

电涌分别产生于开关过程、静电放电和雷击放电。

可以通过电流、电感或电容等耦合途径由电源、测量设备或数据传输系统进入电气或电子设备内部。

据美国国家雷电安全研究所关于雷电造成的经济损失的一份调查报告中表明，美国每年因雷击事故造成的经济损失约50～60亿美元，每年因雷击造成的火灾3万多起，其中与雷电有关的野外火灾约占50﹪；与雷电有关的电力事故约占30%；由雷击引起的石油产品储藏和储存罐事故约占80﹪；约占80%的电力装置的损失是由雷击和操作过电压造成。

据德国一家著名的电子保险公司1996年到1997年期间，对将近九千件的损坏案例进行的分析，雷电浪涌造成的理赔1996年占26.6%，1997年占31.68%。

雷电危害的具体表现形式：

雷电产生强大电流，瞬间通过物体时产生高温，引起燃烧、熔化；触及人畜时，会造成人畜伤亡；雷击爆炸作用和静电作用能引起树林、电杆、房屋等物体被劈裂倒塌；打雷放电时能产生数万度高温空气急剧膨胀扩散，产生冲击波，具有一定的破坏力；雷电流在周围空间形成强大的电磁场。

电磁感应能使导体的开口处产生火花放电，如有易燃、易爆物品就会引起爆炸或燃烧。

我国的雷电活动十分频繁，全国雷暴日都在50天以上的有21个省会城市，最高可达134天。

据不完全统计，我国每年因雷击造成人员伤亡可达3000～4000人，造成的经济损失达50～100亿元人民币。

近年来，随着现代化水平的提高和社会经济发展，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。

如1990年7月30日郑州--三门峡微波干线大沟口微波站因雷击而损坏38块盘，损失十分严重。

据广东省统计，在1996～1999年的四年间，全省发生6143起雷击事故，699人伤亡，直接经济损失达15亿元。

其中1998和1999年的两年，全国由雷电灾害造成的直接经济损失在百万元以上的就有38起。

雷电一直危害着电力系统安全可靠运行。

随着科学技术的不断发展，避雷器制造水平的大大提高和金属氧化物避雷器的推广，使变电站的一次部分雷电过电压的保护得到了保证，但是，随着电力系统自动化程度的提高，以微电子为主要元件的控制、保护、信号、通信、监控等设备得到普遍应用，即使一些大型发变电站中，在采样和计量系统中也普遍采用。

由于常规电磁保护的装置单元多为单元件的电阻、电感和电容等，耐热容量大，对尖峰脉冲的耐受能力比较强，所以能承受高能的雷电暂态冲击，而对于微安级的这些电子设备来说运行电压只有几伏，就很可能经受不住。

二十一世纪是信息时代，电子设备应用广泛，电子芯片高度集成，耐冲击能力大大降低。

导致雷击电磁脉冲对电子设备的损害更加严重。

电气和电子技术是现代物质文明的基础，虽然其迅猛发展促进了生产力的发展，促进了社会繁荣与进步，但同时也产生了问题:

一方面，电气和电子设备的广泛应用造成了严重的电磁噪声干扰；另一方面，现代电子技术正逐步向高速度、高频率、微型化、网络化和智能化的方向发展，电磁干扰、特别是雷电干扰对这些设备和系统的影响越来越突出，对这些设备造成的损坏事故的发生率逐年增高[2]。

电子信息系统受损后，除直接损失外，间接损失更是难以估量，这是90年代以来雷电灾害最显著的特征。

为防止电涌摧毁重要电子设备，必须采用科学、有效的防护手段，如信号输入、电源和金属管道等，安装电涌保护装置。

根据需要在被保护设备前端单独或组合安装诸类、信号如电源类电涌保护器。

概要

19世纪70～80年代是电力网发展的初期阶段，几乎没有任何过电压保护装置。

80年代后期，在电力网中才使用了一种保护装置--导雷器，实际就是在保护间隙串联一个熔断器，或着只装间隙。

在20世纪30年代初，发展成为游离避雷器，即由纤维管制成的管型避雷器，可以这样说，现代避雷器、MOA（金属氧化物避雷器）﹑SPD（浪涌保护器）的“老祖母”都是在电报、电话上首先应用的。

由于电力系统迅猛发展，它才在高电压电力系统上不断发展和完善。

现在20多万元一组（5m多高）500kV的MOA，30万元一组的750kV（高8m左右）MOA，还有保护电子回路的各型SPD都是它的后代。

19世纪90年代初期，E.Tomson制出了磁吹间隙，被用来保护直流电力设备，可以说，这是现代磁吹避雷器的前身。

20世纪初，人们开始注意到限制工频续流问题。

1901年德国制成用串联线性电阻限流的角形间隙，这是现代阀型避雷器的前身。

上述保护装置，实际上主要是用来防止感应雷造成的事故。

如果是直击雷，或是击于线路上的近区雷击，电气设备多数还会被击毁。

值得注意的是，近年德国一家公司自称造出吸收能量最大的MOA过电压保护器（多数是40kA﹑60kA），而且可通过10/350µs长波通流试验，其特点就是MOA串联一个磁吹角型间隙，其基本原理是早已有之的。

由于它跟避雷器的IEC所用8/20µs波形不相符，目前国际上除德国外，其他国家很少应用。

美国近年来只采用几百安和最大，10/350µs波形，那是防感应雷的标准，美国军队电子计算机等信号回路的电缆进线，其保护器试验波形曾采用10/1000µs波形。

1907年美国出现了铝电解避雷器，曾被用于100kV高压电网。

1922年美国西屋公司（WH）制出了自动阀型避雷器。

1929年美国通用电力公司（GE）制出契得特阀型避雷器，使系统雷击损坏率及危害程度下降，但因工程规模太小而未引人注目。

例如，Singer.Holmyard，Hall&Williams主编著名的科技史宏篇巨著“AHistoryofTechnology”，“OxfordAttheClearendonPress”，以及国内电工史专著，对于电工发展前期的防雷也是或不涉及，或语焉不详。

从最初的避雷针到出现简单间隙、电容、线圈，经过了漫长的158年，到制出原始型避雷器，又经过了10年。

这绝不是人类智慧贫困，而是因为电力工业的发展，才有了防雷的需要。

直到出现几千万和上亿千瓦的联合电力系统（如华北500kV网架连接的系统装机容量已近4000万千瓦，与华东、东北联网后超过1亿千瓦），其一次雷击足以导致大面积的灾难，如美国有名的雷击35kV线路引起的纽约大停电和芝加哥大停电，才迫使人们利用几千万元的高压试验设备进行不断的研究，才使防雷系统日以完善。

与此相似，由于早期室内只有电灯和马达这类电器，对防雷要求不高，建筑物独特之处不多。

而近年电子设备的广泛应用，而且多数装在户内，才使防雷逐渐引起人们的重视，其防雷理论和防雷手段才与日俱增。

1908年瑞士Moscick提出利用高压电容器作防雷元件的方案，原理是与电抗线圈配合使用，构成防雷吸波器。

30年代初，前苏联莫斯科电力系统曾用电感线圈保护几个33kV变电所，但因阀型避雷器安装于电感线圈的外侧，电感与变压器入口电容谐振，使变压器损坏，可惜未能很好总结经验，多数电感元件没有继续使用。

后来到了60年代，波兰才在35～110kV变电所，利用安装于进线口的电感元件取得了良好的防雷效果（阀型避雷器安装在变压器与电感元件之间，防止了L-C谐振）。

直到现在，我国和国外在旋转电机的保护装置还广泛采用电容电感元件。

对变电站防雷的研究最初是从电磁兼容角度出发的，20世纪60年代美国电力工程技术人员对变电站的电磁干扰问题从电子电路到电缆的电磁干扰耦合过程进行了研究，其研究成果后来形成了美国国家标准协会（ANSI-AmericanNationalStandardsInstitute）的ANSIC37.90标准的一部分。

1978年美国电力科学研究启动了编号为RP1359的研究项目，建立了一套新的变电站开关柜的电磁干扰研究方法。

全部工作耗时十余年，分为两个阶段。

第一阶段的研究结束于1983年，并给出了研究报告。

该报告介绍了测量系统的制定、变电站电磁环境的测量和数据分析方法以及初步研究结果，其中的测量数据包括一个345kV变电站、一个500kV变电站的实际测结果和一个高压实验室的模拟测量结果，并且发表了一系列的论文。

文献给出了瞬态测量系统的组成及其技术指标，描述了在一个115kV变电站进行的实际测量工作，给出了典型的雷电干扰波形。

文献介绍了通过模拟变电站的雷电瞬态干扰对二次设备抗扰度的测试，比较了时域和频域测试的特点，给出了在变电站实测的典型雷电干扰波形，总结了高压实验室模拟测试的优缺点。

文献提出了一种分析变电站雷电瞬态电磁干扰问题的时域模型，利用斜坡函数对时域雷电干扰波形进行分解，并计算空间的时域电场和磁场，将预测的结果与实测数据进行了对比。

第二阶段的研究从1986年到1993年。

测量工作包括7个空气绝缘变电站和2个气体绝缘变电站，共进行了13次集中现场测试，测得近800多次事件的3000多个雷电电磁干扰波形，数据量约500MB。

根据测试结果，给出了完整的研究报告，发表了一系列的论文。

文献提出了变电站的瞬态电磁场的测量工作，总结了微脉冲的特点，给出了部分测量结果，并对不同频率和不同场强产生的原因进行了定性分析。

文献给出了雷击变电站产生的瞬态电磁干扰对几种变电站电缆和内部电缆线影响的测量结果，介绍了通过CT的场耦合和直接耦合的模型。

将预测分析的结果与实测数据进行了对比。

文献总结了变电站瞬态电磁干扰的建模方法和测量技术，并将预测分析的结果与实测数据进行了对比。

分别对比了开关操作、雷击和故障二种瞬态电磁干扰波形的特点，并与现有抗扰度试验标准中的限值进行对比。

但是此项工作并未对二次设备所处的电磁环境进行研究。

在分析雷击效应和对GIS变电站的瞬态电磁干扰研究方面，瑞士科学家的工作较为突出，瑞士洛桑联邦土业大学的教授在文献中提出了分析雷击效应的建模方法，以及分析GIS变电站和AIS变电站电磁干扰问题时建模的考虑因素。

J.Meppelink在文献中对GIS变电站内、外过电压现象作了概述，提出了利用球形电场传感器测量实际GIS外壳过电压的方法，并给出了部分实测结果。

ABB公司的P.Knapp在文献[6]中介绍了对工业设备电磁兼容性的技术要求，提出了把电磁干扰问题按界面划分的处理方法。

其他国家的研究也各有特点。

德国的W.A.Heib介绍了针对一座GIS变电站开关操作产生的雷电干扰所采取的屏蔽设计工程，并给出了屏蔽效能的部分实测结果。

南非的P.H.Pertorus给出了在132kV，275kV和400kV二个电压等级的变电站测量的雷电瞬态电磁干扰的初步结果。

英国C.现有的变电站瞬态电磁干扰测量方法进行了总结，特别针对不同测量系统的特性进行了分析比较。

日本和意大利等国科学家也开始了在该领域的研究工作。

我国的广播、邮电、交通、船舶、航天和军工等行业在电磁兼容研究方面起步较早，结合各自的行业特点开展了许多成效显著的研究工作。

20世纪80年代，随着基于微电子技术的继电保护装置的应用与推广，变电站的电磁兼容问题开始得到电力部门的关注。

自从欧共体从1996年1月1日起执行“89/336/EEC电磁兼容性指令”以来，我国也加大了对各行业电磁兼容问题的研究力度。

改革开放后我国电力工业迅猛发展，电力系统的电磁兼容问题亟待解决。

此时，国家电网所属的中国电力科学研究院、武汉高压研究所、南京自动化研究院和华北电力大学以及四方公司、清华大学和武汉大学等单位相继开展了电磁兼容问题的研究工作。

其中，中国电力科学研究院对高压线路的电磁环境进行了深入研究，并出版了《发电厂和变电站电磁兼容导则》。

清华大学则针对电力线路干扰临近通信线路或金属管线的问题在数学建模和计算方法方面开展了深入研究。

南京自动化研究院和四方公司的研究工作则侧重在二次弱电设备的抗干扰问题研究。

由于我国的变电站的电压等级和主接线结构等方面的技术与国外差异，因此，国外的测量与分析结果只供参考。

因此针对我国变电站雷电瞬态电磁环境的实际情况，必须进行独立的测量和分析。

主要研究内容

针对以上问题，本文的主要任务有以下几个方面：

（1）对雷电对变电站的设备的影响进行分析,通过雷电侵入设备的途径，说明雷电对设备的危害。

（2）根据变电站对雷电的防护要求，设计防护措施。

（3）对接地的不同形式设计出符合要求的接地措施。

并对接地网进行设计安装。

（4）根据电源系统对防雷性能的要求，设计电源系统的防雷方案。

2对雷电的认识

要做到完全的防雷保护措施，首先要掌握雷电的基本知识，只要熟悉了雷电的形成及雷电的危害才能设计出完美的防雷保护方案。

形成

雷电是由带电的云层对地面建筑物和大地的自然放电引起的，它会使建筑物或设备损坏严重。

只有对雷电的形成过程及其放电条件有所认识，才能采取适当的措施，保护建筑物或设备不受雷击。

当地表闷热潮湿的时候，地面上的水受热蒸发为水蒸汽，水蒸气随地面的热空气而上升，并在空中与冷空气相遇，水蒸汽遇冷凝结成小水滴成为积云。

当有强气流吹袭，云中小水滴分裂出一些带电水滴，较大的水滴带正电，小水滴带负电。

小水滴在风的作用下形成了带负电的雷云；较大水滴一般降落到地面也就是雨，或悬浮在空中。

当带负电的雷云接近地面时，在大地表面由于静电感应呈现正电荷。

此时雷云与大地之间就形成了一个很大的电容器。

当电场强度超过大气的击穿强度时即发生了雷云与大地间的放电，即雷击。

雷电的破坏主要包括直击雷和感应雷。

直击雷是雷云直接对物体放电，对地面突出的物体如高楼以及建筑物顶部的通讯天线、卫星天线等够成严重危害。

感应雷是由雷云对大地的放电或雷云之间的迅速放电形成静电感应和电磁感应，研究表明:

静电感应方式引起的浪涌数倍于电磁感应引起的浪涌。

感应雷主要通过电源线和信号线侵入二次设备并对其造成破坏。

它们在多种导线中感生出几kV到几十kV的高电位，并以波的式沿导线传播，由导线引入室内，从而危害二次设备[3]。

其主要的雷电形式及雷害情况有以下几种:

（1）直击雷是指雷电直接击在建筑物构架、动植物上，因电效应、热效应和机械效应等造成建筑物等损坏以及人员的伤亡。

（2）感应雷是雷电在雷云之间或雷云对地放电时，对附近的户外传输信号线路、埋地电力线、设备间连接线产生的电磁感应并侵入设备，使连接在线路上的二次设备遭到损害。

感应雷虽然没有直击雷猛烈，但其出现的机率比直击雷高得多。

（3）雷电浪涌是近年来人们极其重视一种二次设备的雷电危害形式，与此同时，它的防护方式也在不断完善。

最常见的二次设备危害不是由于直接雷击引起的，而是由于雷击发生时在电源和通讯线路中感应的雷电浪涌引起的。

雷电危害的实例：

1981年8月27日，江苏省某微波站遭到雷击，电力载波204﹑102电路终端机报警整流器的3只整流二极管被击穿；铅皮电缆外皮与地网接触处被烧出凹坑；微波设备回路机的4线收发信号衰耗器烧坏，致使南京方向的7﹑8﹑11路电话中断，上海方向的第7路不通。

1983年9月西南某工程遭受雷击，使配套的一批电子设备损坏，系统工作无法进行，损坏的电子设备和元件有：

数字传输机--损坏集成电路芯片20多块；通信系统--8台机中有6台受到不同程度的损坏；时控单元--脉冲处理回路和脉冲变换电路4块芯片损坏；遥测系统--由十连接电缆较长，损坏电路板3块。

1990年9月27日黑龙江省电力局调度大楼遭受雷击，使调度自动化的计算机系统和程控交换设备损坏停止运行27小时。

其中，程控交换机8块电路板损坏，VAX计算机接口板损坏，远动室调度模拟盘43块不能显示，PDP-11/24型计算机系统的PMA接口板损坏，8块内存损坏。

1992年6月22日8时左右，雷电击中北京市中国国家气象中心大楼楼顶，楼内的大、小型计算机网络瘫痪，6条同步线路和1条国际同步线路中断。

整个计算机系统停止运行46小时，损失数十万元，气象业务受到严重影响，次日中央电视台气象预报空白。

由于大楼装有避雷针，闪电由避雷针引入大地，所以大楼、人员及普通设备安然无恙，但是雷电在四周产生的巨大脉冲电磁场，损坏了极为敏感的微电子器件及计算机系统。

1996年8月