变电站的综合防雷设计.docx

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变电站的综合防雷设计

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。

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，要求变电站必须配置安全可靠的防雷保护。

本文针对110kv变电站防雷系统设计进行研究，提出并解决一些相关问题，主要内容包括变电站直击雷防护、感应雷防护、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、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、接地技术等，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

Thesubstationisanimportantpartofpowersystemisthecoreofpowertransmissiongrid.Oncethesubstationbeingstruckbylightning,maydirectlycausethecollapseofthegrid,thecityblackout,thesecurityofsocialharmonyandstabilitytothetremendousnegativeimpact.Therefore,therequirementsmustbeconfiguredtosecuresubstationlightningprotection.

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

Keywords：

substation,lightningwave,lightningprotection

第1章绪论

1.1课题研究的重要意义

雷电灾害是十种最严重的灾害之一。

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。

据美国国家雷电安全研究所关于雷电造成的经济损失影响的一份调查报告表明，美国每年因雷击造成的损失约50～60亿美元，每年因雷击造成的火灾3万多起，50﹪野外火灾与雷电有关；30%的电力事故与雷电有关；4∕5石油产品储存和储藏罐事故是由雷击引起的；由于雷电和操作过电压造成电力装置的损失约占80%。

据德国一家重要的电子保险公司1996年到1997年对8722件案例损坏原因的分析，雷电浪涌造成的理赔1996年占26.6%，1997年占31.68%。

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。

近年来，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。

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，全省发生雷击事故6143起，伤亡699人，直接经济损失达15亿元。

在1998和1999年的两年中，全国造成直接经济损失在百万元以上的雷电灾害就有38起。

雷电也是一直危害电力系统安全可靠运行的重要因素之一。

随着科学技术的发展，避雷器制造水平的提高以及金属氧化物避雷器的推广使用，使变电站一次高压部分的雷电过电压的保护得到了保证。

但另一方面，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，在一些大型发变电站中，即使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也比较强，所以能承受高能的雷电暂态冲击，而对于运行电压只有几伏，信号电流只有微安级的这些电子设备来说，就不一定经受的住。

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，加速了社会繁荣与进步的进程，但同时也带来了麻烦问题:

一方面，电气和电子设备的广泛应用造成了严重的环境电磁噪声干扰；另一方面，电子技术正向高频率、高速度、微型化、网络化和智能化方向发展，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。

电子信息系统受损后，除直接损失外，间接损失往往很难估量，这是90年代以来雷电灾害最显著的特征。

1.2国内外防雷保护发展及研究现状

1.2.1防雷保护发展

19世纪70～80年代是电力网发展的初期阶段，几乎无任何过电压保护装置。

80年代末期，在电力网中才采用了电话的保护装置--导雷器，实际就是保护间隙串联一个熔断器，或只装间隙。

后来在20世纪30年代初，发展成去游离避雷器，即由纤维管制成的管型避雷器，可以说，现代避雷器、MOA﹑SPD的“老祖母”是在电报、电话上首先应用的。

由于电力系统迅速发展，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，正在制造即将安装运行的30万元一组的750kV（高8m左右）MOA，以及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，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，开始注意限制工频续流问题。

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。

因为它与避雷器的IEC所用8/20µs波形不符，目前国际上除德国外，很少应用。

美国近年来只采用几百安和最大1.5kA，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。

1908年瑞士Moscick提出利用高压电容器作防雷元件的方案，通常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，但因阀型避雷器装于电感线圈外侧，电感与变压器入口电容谐振，使变压器损坏，可惜未很好总结经验，后来多数电感元件没有继续使用。

只是到了60年代，波兰才在35～110kV变电所，利用装于进线入口的电感元件取得良好的防雷效果（阀型避雷器装于变压器与电感元件之间，防止了L-C谐振）。

直到现在，电容电感元件还是我国和国外保护旋转电机的有效保护装置。

1907年在美国出现了铝电解避雷器，它曾用于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，使系统雷击损坏率下降，包括它的危害程度，但因工程规模小而未引人注目。

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。

这绝非因为人类智慧贫困，而是电力工业的发展，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，使防雷系统日臻完善。

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

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。

1.2.2国内外研究现状

对变电站的防雷保护的研究最早是从电磁兼容角度出发的，上世纪60年代美国电力工程技术人员对变电站的电磁干扰问题主要从电子电路到电缆的电磁干扰祸合过程进行研究，其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进行了研究。

全部工作历时十余年，分为两个阶段完成。

第一阶段的研究工作于1983年结束，并提出了研究报告。

该报告介绍了测量系统的研制、变电站电磁环境的测量和数据分析方法以及初步结果，其中的测量数据包括一个345kV变电站、一个500kV变电站的实测结果和一个高压实验室的模拟测量结果。

基于此项工作，发表了一系列的论文。

文献介绍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，给出了典型的电雷电干扰波形。

文献论述了通过模拟变电站的雷电瞬态干扰对二次设备进行抗扰度测试的问题，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，将预测分析的结果与实测数据做了对比。

第二阶段的研究工作从1986年至1993年。

测量工作涉及7个空气绝缘变电站和2个气体绝缘变电站，共组织了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。

基于此项工作，提出了完整的研究报告，发表了一系列的论文。

文献介绍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。

文献给出了变电站雷电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的场祸合和直接祸合的模型。

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。

分析比较了开关操作、雷击和故障二种瞬态电磁干扰波形的特点，少与现有抗扰度试验标准中的限值进行了对比。

但是上述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M.Ianoz教授在文献中介绍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，给出了部分实测结果。

ABB公司的P.Knapp在文献刘中介绍了对工业设备电磁兼容性的技术要求，提出把电磁干扰问题按界面划分处理的方法。

其他国家的研究工作也各具特色。

德国的W.A.Heib在文献中介绍了针对一座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在文献中给出了在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。

英国的C.S.Barrack在文献中对现有变电站瞬态电磁干扰测量方法进行了综述，特别是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在该领域开展了研究工作。

我国的广播、邮电、交通、船舶、航大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很有成效的研究工作。

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在电力部门开始得到关注。

由于欧共体从1996年1月1口起执行“89/336/EEC!

电磁兼容性指令”，使得我国各行业加大了对电磁兼容问题的研究力度。

改革开放以来我国电力工业迅猛发展的趋势也迫切要求尽快解决电力系统的电磁兼容问题。

在此背景下，国家电力公司所属的中国电力科学研究院、南京自动化研究院、武汉高压研究所和华北电力大学等单位，以及四方公司、清华大学和武汉大学等单位相继开展了有关的研究工作。

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巨，还组织出版了《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主要侧重在二次弱电设备的抗干扰问题研究方面。

由于我国在建的变电站在电压等级和主接线结构等方面的技术特点与国外不同，因此，国外的测量与分析结果仅能作为参考。

要想搞清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工作。

1.3本文完成的工作

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、根据变电站对直击雷的防护要求，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。

第2章雷电的基本理论

2.1对雷电的认识

雷电的破坏主要是直击雷和感应雷。

直击雷是雷云直接对物体放电，它对孤立突出的物体如高层的建筑物以及建筑物顶部的传呼台天线、卫星天线等危害较大。

感应雷是由于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损坏。

它们在多种导线中感生几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。

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，在附近的户外传输信号线路、埋地电力线、设备间连接线产生电磁感应并侵入设备，使串联在线路中间或终端的二次设备遭到损害。

感应雷虽然没有直击雷猛烈，但其发生的机率比直击雷高得多。

3、雷电浪涌是近年来由于二次设备的不断使用引起人们极大重视的一种雷电危害形式，同时其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。

2.2雷电危害的实例

1981年8月27日，江苏省常州市某微波站遭到雷击，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月西南某工程遭受一次雷击，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：

数字传输机一一损坏集成电路芯片20多块；

通信系统一一8台机中有6台受到不同程度的损坏；

时控单元一一脉冲处理回路和脉冲变换电路4块芯片损坏；

遥测系统一一由十连接电缆较长，损坏电路板3块。

华中大电网有微波站近百个，其中进口设备站65个。

事故统计表明，造成设备损坏、导致长时间通信中断的主要原因就是雷害。

武一一衡线段的15个微波站有12个曾遭受雷击影响正常通信，甚至损坏多台设备。

1987年8月1日三门峡站受雷击损坏16台装置柜。

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，程控交换机损坏电路板8块，VAX计算机接口板损坏，远动室调度模拟盘43块显示消失，PDP一11/24型计算机系统的PMA接口板损坏，内存损坏8块。

1992年6月22日傍晚，北京城区下了一阵中雨。

8时左右，雷电击中国国家气象中心大楼楼顶，楼内的大型计算机与小型计算机网络瘫痪，6条同步线路和1条国际同步线路被中断。

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

因为大楼装有避雷针，使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，但是雷电流在四周产生的巨大脉冲电磁场，却损坏了具有极为敏感的微电子器件及计算机系统。

1993年5月17日和6月3日，雷击广西人民银行证券中心，击坏计算机16台，损失11万元。

广西南宁市两个专业银行的计算机网络及电信局程控机也同时损坏。

1995年9月3日19时55分到4日21时26分，河南省三门峡市出现强雷雨天气，致使中国工行三门峡市湖滨支行遭受严重雷击，当即击毁计算机16部、内部电话总机1台，直接经济损失15万元。

1996年8月31日，华夏证券公司广州分公司遭雷击，损坏彩色及单色LBE大屏幕设备、交换式集成器、四块电话语音卡、微机设备等，经济损失约28多万元。

1996年6月22日晚9时前后，天空鸟云密布，雷声隆隆，忽远忽近。

一声巨响之后，北京东直门附近一座居民楼2至6层的20户居民中，15台电视机被强大的雷电击毁;一层办公室中的视招机、一台触摸式台灯和小型程控电话交换机也被雷击损坏；邻近的一栋楼上，也有数台电话机遭到破坏。

据报道，同日西城区展览路也有居民的电视机和单位的电话机遭到雷击。

1999年8月9日，吉林省蛟河发生雷害，天岗地区某单位的通讯设备被雷击毁，当地1000余台电视机和300余部电话出现故障。

雷害发生后的36小时内，远离百里的蛟河市区，市话、手机全停，银行专线无法正常运行，损失严重。

相当多的公安机关的专线和军事机关的雷达也受到雷击。

2001年2月21日凌晨，由于大雾闪络造成外部电网对邯郸钢铁股份有限公司电力供应中断，使炼铁、炼钢、轧钢二大系统全面停产，这是公司历史上从未有过的特大事故。

由于停电影响，炼铁厂全部高炉断水、断电、断气，不同程度发生灌渣、烧坏冷却设备等事故；炼钢系统导致铁水、钢水落地，部分铁包、钢包损坏；轧钢系统造成部分设备损坏。

本次停电事故，给公司生产带来严重影响，初步估计直接经济损失达数千万元。

2.3变电站的防雷方案

雷云对地放电的主通道通过被保护物，就称被保护物被直击雷击中。

直击雷发生的概率虽然很小，但其危害十分大，所以不能掉以轻心。

有不少专家学者在努力研究有效防止直击雷的方法。

但直到今天还是无法完全阻止直击雷的发生。

直击雷的防护可以采取以下三个部分进行泄流。

1、接闪器，避雷针及其变形产品避雷线、避雷带、避雷网等统称为接闪器。

历史上对接闪器防雷原理的认识产生过误解。

当时认为:

避雷针防雷是因为其尖端放电中和了雷云电荷从而避免了雷击发生。

所以当时要求避雷针顶部一定要是尖端，以加强放电能力。

后来研究表明:

一定高度的金属导体会使大气电场畸变。

这样，雷云就容易向该导体放电，并且能量越大的雷就越易被金属导体吸引。

这样接闪器的防雷是因为将雷电引向自身而防止了被保护物被雷电击中。

现在认为任何良好接地的导体都可能成为有效的接闪器，而与它的形状没有关系。

2、引下线，引下线的作用是将接闪器的雷电流安全的导引入地。

引下线应与各层均压环焊接，采用10mm的圆钢或相同面积的扁钢。

对于框架结构的建筑物，引下线应利用建筑物内的钢筋作为防雷引下线。

采用多根引下线不但提高了防雷装置的可靠性，而多根引下线的分流作用可大大降低每根引下线的沿线压降，让雷电流均匀入地，便于地网散流，以均衡电位，减少侧击的危险。

同时，均匀对称布置可使引下线泻流时产生的强电磁场在引下线所包围的建筑物内相互抵消，减小雷击感应的危险。

3、接地体，接地体是指埋在土壤中起散流作用的导体，接地体应采用钢管（直径大于50mm,壁厚大于3.5mm）、角钢（不小于50mmX50mmX5mm）、扁钢（不小于40mmX4mm），并应将多根接地体连接成地网。

地网的布置应优先采用环型地网。

引下线应连接在环型地网的四周，这样有利于雷电流的散流和内部电位的均衡。

垂直接地体一般长为1.5～2.5m,埋深0.8m，地极间隔5m，水平接地体应埋深1m，其向建筑物外引出的长度一般不大于50m。

感应雷是因为直击雷放电而感应到附近的金属导体中的，它可以通过两种不同的感应方式侵入导体，一是静电感应：

在雷云中的电荷积聚时，附近的导体也会感应上相反的电荷。

当雷击放电时，雷云中的电荷迅速释放，而导体中原来被雷云电场束缚的静电荷也会沿导体流动寻找释放通道，这样就在电路中形成电脉冲。

二是电磁感应：

在雷云放电时，迅速变化的雷电流在其周围产生强大的瞬变电磁场，在其附近的导体中产生很高的感应电动势。

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。

感应雷的引入通道很多，可以通过电源线、天馈线、信号线的祸合进入二次设备。

也可以通过其人工金属管引入，如水管、风管、煤气管，电缆金属外皮等都可以是感应和祸合途径。

所以感应雷对二次设备的危害最大。

1、电源部分防护，雷电主要通过线路进入二次设备。

高压部分电力局有专用的高压避雷装置，电力传输线把对地的电压限制到小于6000V（IEEEC62.41），而线对线则无法控制。

所以对380V低压线路应进行过电压保护。

按照国家规范应分二部分:

在高压变压器后端到建筑物总配电房间的电缆内芯线两端应对地加装避雷器，作为一级保护;在楼层配电箱间电缆内芯线两端应对地加装避雷器作为二级保护;在所有重要的，精密的设备