35kv变电所接地装置与防雷的设计.docx

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35kv变电所接地装置与防雷的设计

35kv变电所接地装置与防雷的设计

工学院机械系

09电气

090128045

黄旭

一、前言

变电所是电力系统中对电能的电压和电流进行变换、集中和分配的场所,是联系发电厂与电力用户的纽带,担负着电压变换和电能分配的重要任务。

如果变电所发生雷击事故,会给国家和人民造成巨大的损失。

所以变电所的防雷是不可忽视的问题。

随着电力系统的快速发展,使得电能这一清洁能源在人民生产、生活中得到了普遍使用。

但当高压输电网在为人们提供动力和照明时,不能忽视自然界产生的雷电对高压输变电设备产生的大量危害。

因此,必须加强变电所雷电防护问题的认识与研究。

随着电力工业的发展，自动化程度越来越高，对安全供电的要求也越来越高。

为了防止各种电气事故，保障人民生产、生活的正常有序进行，电气安全已成为社会关注对象，各种电气安全措施也正在建立与完善。

电气安全工作是一项综合性的工作，有工程技术的一面，也有组织管理的一面。

工程技术和组织管理相辅相成，有着十分密切的联系。

电气安全工作主要有两方面的任务。

一方面是研究各种电气事故，研究电气事故的机理、原因、构成、特点、规律和防护措施；另一方面是研究用电气的方法解决各种安全问题，即研究运用电气监测、电气检查和电气控制的方法来评价系统的安全性或获得必要的安全条件。

二、设计任务

本设计针对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。

三、设计方案及相关计算

3.1雷电参数

3.1.1雷电流的幅值、波头、波长和陡度

（1）雷电流幅值的概率分布

我国现行标准推荐按下式计算

式中：

I是雷电流幅值，kA；P是幅值等于大于I的雷电流概率。

例如幅值等于和超过50kA的雷电流，计算可得概率为33%。

上述雷电流幅值累积概率计算公式适用于我国大部分地区。

对于雷电活动很弱的少雷地区（年平均雷电活动20日以下），例如陕南以外的西北地区及内蒙古自治区的部分地区。

雷电流幅值概率可按以下公式求得：

（2）雷电流的波头和波长

虽然雷电流幅值随各国的自然条件不同而差别很大，但是各国侧得的雷电流波形却基本一致。

据统计，波头长度大多在1µs～5µs的范围内，平均2µs～2.5µs。

我国在防雷保护设计中建议采用2.6µs的波头长度。

至于雷电流的波长，实测表明在20µs～100µs范围之内，平均约为50µs,大于50µs的仅占18%～30%。

根据以上分析，在防雷保护计算中，雷电流的波形可采用2.6/50µs。

（3）雷电流陡度

由于雷电流的波头长度变化范围不大，所以雷电流的陡度和幅值必然密切相关。

我国采用2.6µs的固定波头长度，即认为雷电流的平均陡度石和幅值线性相关：

即幅值较大的雷电流同时也具有较大的陡度。

雷电流的各项主要参数---幅值、波头、波长和陡度的实测数据具有很大的分散性。

许多研究者发表过各种结果，虽然基本规律大体相近，但其具体数值却有差异。

其原因一方面在于雷电放电本身的随机性受到自然条件多种因素的影响;另一方面也在于测量条件和技术水平的不同。

我国幅员辽阔，各地自然条件千差万别。

雷电观测工作的基础还比较薄弱，有待于进一步加强。

3.1.2雷电流极性及波形

国内外实测结果表明，75%～90%的雷电流是负极性，加之负极性的冲击过电压波沿线路传播衰减，因此电气设备的防雷保护中一般按负极性进行分析研究。

在电力系统的防雷保护计算中，要求将雷电流波形用公式描述，以便处理,经过简化和典型化可得以下三种常用的计算波形，如图3-1所示。

（a）标准冲击波形（b）等值斜角波头（c）等值半余弦波头

图3-1雷电流的等值波形

图3-1（a）标准波形，它是由双指数公式所表示的波形

这种表示是与实际雷电流波形最为接近的等值波形，但比较繁琐。

当被击物体的阻抗只是电阻R时，作用在R上的电压波形u和电流波形i是相同的。

双指数波形也取作冲击绝缘强度试验电压的波形，对它定出标准波前和波长为1.2/50µs。

图2-2-1（b）为斜角平顶波，其陡度α可由给定的雷电流幅值I和波前时间定。

斜角波的数学表达式最简单，便于分析与雷电流波前有关的波程，并且斜角平顶波用于分析发生在10µs以内的各种波过程，有很好的等值性。

图3-2-1（c）为等值半余弦波，雷电流波形的波前部分，接近半余弦波，可用下式表达：

这种波形多用于分析雷电流波前的作用，因为用余弦函数波前计算雷电流通过电感支路所引起压降比较方便。

还有在设计特高杆塔时，采用此种表示将使计算更加接近于实际。

3.1.3雷电波阻抗（Z0）

雷电通道在主放电时如同导体，使雷电流在其中流动同普通分布参数导线一样，具有某一等值波阻抗，称为雷电波阻抗（Z0）。

也就是说，主放电过程可视为一个电流波阻抗Z0的雷电投射到雷击点A的波过程。

若设这个电流入射波为I0，则对应的电压入射波

。

根据理论研究和实测分析，我国有关规程建议Z0取300Ω左右。

3.1.4地面落雷密度

雷云对地放电的频繁和强烈程度，由地面落雷密度

来表小。

是指每个雷电日每平方公里地面上的平均落雷次数。

实际上，

值与年平均雷电日

有关。

一般，

大的地区，其

值也较大。

关于地面落雷密度与雷电日数的关系，我国标准推荐采用国际大电网会议推荐标准:

式中，Ng为每年每平方公里地面落雷数；Td雷电日数；由此可得：

对

的地区，按我国标准取值

。

3.2变电所遭受雷击的主要原因

　　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,通常情况下变电所雷击有两种情况:

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。

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。

　　因此,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。

3.3变电所防雷的原则

　　针对变电所的特点,其总的防雷原则是将绝大部分雷电流直接接闪引入地下泄散（外部保护）;阻塞沿电源线或数据、信号线引入的过电压波（内部保护及过电压保护）;限制被保护设备上浪涌过压幅值（过电压保护）。

这三道防线,相互配合,各行其责,缺一不可。

应从单纯一维防护（避雷针引雷入地———无源保护）转为三维防护（有源和无源防护）,包括:

防直击雷,防感应雷电波侵入,防雷电电磁感应等多方面系统加以分析。

（1）外部防雷和内部防雷

　　避雷针或避雷带、避雷网引下线和接地系统构成外部防雷系统,主要是为了保护建筑物免受雷击引起火灾事故及人身安全事故;而内部防雷系统则是防止雷电和其它形式的过电压侵入设备中造成损坏,这是外部防雷系统无法保证的。

为了实现内部防雷,需要对进出保护区的电缆,金属管道等都要连接防雷、及过压保护器,并实行等电位连接。

（2）防雷等电位连接

　　为了彻底消除雷电引起的毁坏性的电位差,就特别需要实行等电位连接,电源线、信号线、金属管道等都要通过过电压保护器进行等电位连接,各个内层保护区的界面处同样要依此进行局部等电位连接,各个局部等电位连接棒互相连接,并最后与主等电位连接棒相连。

3.4变电站防雷具体措施分类

3.4.1避雷针或避雷线

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。

1、避雷针的结构和保护原理

避雷针是由接闪器、支持构架、引下线和接地体四部分构成。

（1）接闪器是避雷针顶端1～2m长的一段镀锌圆钢或焊接钢管。

圆钢直径应大于12～16mm；钢管直径应大于20～25mm。

通过接闪器和雷云发生闪络放电。

（2）支持构架高度在15～20m一下的独立避雷针可采用水泥杆；较高时宜采用钢结构支柱；110KV及以上电压级变电站，当条件允许时，可将避雷针安装在高压门型构上；对于建筑物或构筑物可装于顶部。

（3）引下线采用经过防腐处理的圆钢或扁钢。

圆钢直径不得小于8～12mm；扁钢截面不得小于12mm×4mm。

引下线应沿支持构架及建筑物外墙以最短路径入地，以便尽可能减小雷电流通过时在引下线上产生的电感下降。

（4）接地体埋于地下的各种型钢，工程中多采用垂直打入地中的钢管、角钢或水平埋设扁钢、圆钢。

入L50×50×5，长2.5m的角钢和截面为4mm×25mm的扁钢。

接地体是直接泄放雷电流的，所以其选用既要考虑经济，又要满足接地电阻值的规定要求。

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、避雷针的保护范围

（1）单根针的保护范围如图3-2所示。

图3-2单根避雷针的保护范围

由上图有，在被保护高度为hx水平面上,其保护半径rx为

当

时，

当

时，

式中，

为考虑避雷针太高时，保护半径不成正比增大的系数。

当

m时，

；当

时，

；当

m时，按120m计算。

（2）两根等高避雷针的保护范围如图3-3所示。

图3-3两根等高避雷针的保护范围

首先根据被保护物的长、宽和高度及避雷针理想的安装位置等客观情况，初步确定两等高针之间的距离，并按照

，初步选取ha。

根据D和ha，进行两等高针联合保护范围验算：

两针之间保护范围如图2-4所示，计算公式有：

式中:

h0——为等高双针的联合保护范围上部边缘最低点的高度（m），p同上。

3、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。

（1）单根避雷线的保护范围如图3-4所示。

图3-4单根避雷线的保护范围

单根避雷线的一侧，在高度为hx平面上的保护宽度rx按下式计算：

当

时，

当

时，

（2）两条平行架设的避雷线的保护范围

图3-5双避雷线的保护范围

在两根避雷线的外侧的保护范围按单根线方法确定；而两避雷线内侧保护范围的横截面，是由通过避雷线1和2及保护范围上部边缘的最低点O的圆弧来确定，O点的高度

（h为避雷线悬挂高度；D为两避雷线的水平间距；p的意义同前）。

两避雷线端部的保护范围分别按单根避雷线确定端部的保护范围，两线间端部保护范围最小宽度有：

bx为两避雷线端部最小保护宽度；hx为被保护物高度；h0为两避雷线间保护最低点高度。

3.4.2避雷器

避雷器能将侵入变电所的雷电波降低到电气装置绝缘强度允许值以内。

我国主要是采用金属氧化物避雷器（MOA）。

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。

避雷器的连接如图3-6所示：

图3-6避雷器的连接

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。

如图3-7所示

图3-7避雷器与电气设备的伏秒特性合理配合

1-电气设备的伏秒特性；2-避雷器的伏秒特性；3-电器上可能出现的最高工频电压

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。

目前大部分变电站防雷电侵入波使用的氧化锌避雷器的保护效果如图3-8所示：

图3-8氧化锌避雷器的保护效果

3.4.3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。

（1）年预计累计次数计算

假设35KV变电站，占地面积长50m，宽40m,变电站的最高点高度为20m,当地年平均雷电日为40，故有：

据

=0.024104

k=1；Td=40；

=401.3=120.97

故N=0.024×1×120.97×0.0241=0.0700次/a

由于

年/次，即该变电站可能平均运行14年就要遭受一次雷击。

（2）反击

所谓反击是指雷击避雷针（线）瞬间，强大的雷电流通过避雷针顶端的接闪器及引下线和接地体向大地泄放时产生的高电位。

如果避雷针（线）与附近的金属物体的空间距离，或者其接地装置与其他接地装置之间的地中距离不符合要求，将会发生放电现象，成为反击或为逆闪络。

图3-9雷击独立避雷针时的高电位分析

如图3-9所示，高度为h的A点电位记为Uk，避雷针辅助接地装置上的电位记为Ud，则有：

式中，i为雷电流，kA，幅值取150kA，斜角波长2.6µs；Rch为独立避雷针辅助接地装置的冲击接地电阻，Ω；L为A点到地面，接地引下线h长度上的电感,µH,可取L0=1.6µH/m，L=L0h。

为防止发生反击，避雷针距金属物体空间间隙Sk应满足：

避雷针辅助接地装置与其他接地装置的地中间隙Sd应满足：

和

分别为空气间隙和土壤的击穿场强，单位kV/m，可取Ek=500kV/m，

Ed=300kV/m。

《标准》规定：

一般情况下，要求

；

。

对于35KV及以下电压级的配电装置和土壤电阻率大于500Ω·m的地区，不宜采用构架式避雷针。

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。

（3）35kv变电站直击雷防护避雷针设计

变电站所处地区土壤电阻率2×102Ω·m，虽然不大于500Ω·m，但由于是35KV电压级的配电装置，故不宜采用构架式避雷针。

①采用两根等高避雷针进行防护设计

由于此35KV变电站，占地面积长50m，宽40m,变电站的最高点高度为20m,在变电站宽两侧对称位置上距5m处设立两等高避雷针。

如图3-10所示。

图3-10两等高避雷针位置图

据题有：

两针间距D=5+50+5=60m。

设避雷针高度为h，又变电站的最高点为20m，故hx=20m。

在避雷针1或2的一侧按单避雷针来计算

显然有hx

且要

m，故

m。

在避雷针1号2号之间，D12=60m,两等高避雷针针在hx=20m高度处的最小保护宽度有

，故有

m；

又

且

所以

m。

综上所述，只用两根等高避雷针实现对变电站的直击雷防护，需要求避雷针高度不小于56m。

由于不宜采用构架式避雷针，只能用两根60m的避雷针按图3-4-1设计联合保护。

其中支架高58m，接闪器选2m长，直径为12～16mm的圆钢，引下线选截面12mm×4mm扁钢。

接闪器和引下线要做防腐处理。

②采用四根等高避雷针进行防护设计

变电站的最高建筑物是门型框架，高度为20m，35KV与10.5KV母线架高度都为15m,变电装置屋高为8m。

采用四根等高避雷针对变电站进行防护，避雷针1号与2号，3号与4号处于水平位置上，如图3-11所示。

图3-11四等高避雷针的位置图

门型框架两侧，1号和2号针之间，假设选高度为40m的避雷针，即40m,20m。

显然hx=h/2故1号2号单根保护半径rx为：

=（40-20）×0.79

=15.8m

两等高避雷针针联合保护范围D12=60mh0=40-60/（7×0.79）=29.2m

bx=1.5×（29.2-20）=13.8m

35KV侧，3号和4号之间，选用40m高的避雷针即h=40m,hx=15m。

显然hx

=（1.5×40-2×15）×0.79

=23.7m

两等高避雷针针联合保护范围D34=60mh0=40-60/（7×0.79）=29.2m

bx=1.5×（29.2-15）=21.3m

35KV与10.5KV同一侧，2号与4号避雷针之间，选用40m高的避雷针即h=40m,hx=15m。

显然hx

=（1.5×40-2×15）×0.79

=23.7m

两等高避雷针针联合保护范围D24=36mh0=40-36/（7×0.79）=33.5m

bx=1.5×（33.5-15）=27.8m

35KV与10.5KV对角线一侧，2号和3号针之间,选用40m高的避雷针即h=40m，hx=15m。

显然hx

=（1.5×40-2×15）×0.79

=23.7m

两等高避雷针针联合保护范围D24=62mh0=40-62/（7×0.79）=28.8m

bx=1.5×（28.8-15）=20.7m

由以上计算结果可见,这四根针可以将整个变电站站都保护到位。

所以可选四根40m的避雷针按图3-4-2设计联合保护。

其中支架高38.5m，接闪器选1.5m长，直径为12～16mm的圆钢，引下线选截面12mm×4mm扁钢。

接闪器和引下线要做防腐处理。

3.4.4变电站雷电侵入波防护

（1）变电站对雷电侵入波防护概述

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。

在变电站内装设避雷器是变电站对侵人波防护的主要措施。

现阶段,大部分变电站都采取使用氧化锌避雷器代替原来的阀型避雷器。

主要由于氧化锌避雷器除具有较理想的非线性伏安特性外,还有无间隙、无续流、电气所受过电压可以降低和通流容量大,可以用来限制内部过电压等等优点。

然而，要有效及经济地保护变电站所有电气设备，不仅要正确选择避雷器，还要合理地确定避雷器的接线；同时还要限制由线路传来的雷电波陡度及流过避雷器的雷电流幅值。

（2）避雷器的设计

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3-12。

图3-12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

。

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。

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避雷器与变压器的最大电气距离

35KV变压器允许的距离

当运行进线为1条时：

根据

，令

（35KV变压器的雷电冲击耐受电压为185kV，35KV进线1km有避雷线，其陡度

取1.0kV/m）。

185=134+2×1×

=25（m）

35KV进线2km或全线有避雷线，其陡度

取0.5kV/m。

185=134+2×0.5×

=51（m）

当进线数增加时，

可参考表3-1的数据。

表3-1进线数与

的关系

进线避雷线长度

（km）

进线路数

1

2

3

>=4

1

25

40

50

55

2（全线）

50

75

90

105

10.5KV变压器允许的距离

当运行进线为1条时：

根据

，令

（10kV变压器的雷电冲击耐受电压为75kV,10kV全线无避雷线,其陡度a0取1kV/m）。

75=45+2×1×

=15（m）

当进线增加，

参照表3-2的数据

表3-2