110kV变电站避雷设计doc.docx

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110KV变电站防雷设计

复转军人培训班

指导老师：

***

设计人：

张涛

日期：

2007.10.17

第一章变电所过电压保护的特点及基本要求…………………………………2

1、过电压保护的特点及基本要求………………………………………2

2、变电所防雷所采用的保护方式………………………………………3

第二章变电所直击雷保护设计…………………………………………………4

1、避雷针位置的确定……………………………………………………4

2、避雷针保护范围的计算………………………………………………4

第三章接地装置的设计…………………………………………………………8

1、接地装置的布置…………………………………………………………9

2、接地装置的选择计算……………………………………………………9

第四章感应雷过电压的保护设计………………………………………………10

第五章入侵雷电波的保护设计…………………………………………………11

1、进线保护设计……………………………………………………………12

2、进线保护设计计算………………………………………………………13

第六章避雷器的设计及安装方式………………………………………………14

1、避雷器的设计……………………………………………………………14

2、避雷器的安装方式………………………………………………………15

第七章变压器的安装方式………………………………………………………16

（咐图）…………………………………………………………………………17

总结…………………………………………………………………………………18

致谢词………………………………………………………………………………18

参考文献……………………………………………………………………………18

110KV变电站防雷设计保护

张涛

第一章变电所过电压保护的特点及基本要求

1、过电压保护的特点及基本要求：

变电压是电力系统的枢纽，它担负着电网供电的重要任务。

变电所除了可能遭受直击雷以外，还有可能沿着线路向变电所传来的雷电波威胁着变电所设备的安全。

一旦发生损坏事故，其后果是十分严重的。

为此必须认真做好变电所的过电压保护工作，堵塞一切漏洞，以确保对广大用户的不间断供电。

⑴变电所过电压保护的特点：

由于变电所和架空线路直接相连，而线路的绝缘水平又往往比变电所内的电气设备为高，尤其是木横担的线路更为突出，因此沿着线路入侵到变电所来的雷电波的幅值往往是很高的，如无适当完善的保护设施，就有可能使变电所内的主变压器或其它电器的绝缘损坏。

如果是终端变电所，进行波到达变电所后会因末端的反射作用使其幅值升高一倍，其危险性就更大了。

⑵基本要求：

知已知彼，方能百战百胜。

要想对变电所实施可靠的防雷保护，首先我们必须了解雷电对变电所设备有什么危害以及采取怎样的措施才能做到防雷电对变电所电气设备的危害。

雷电的危害有两点：

其一、可高达几个甚至几十兆伏的高电压；其二、就是可高达几百千安的大电流。

在电力系统正常运行中，电气设备的绝缘处在电网的额定电压之下。

但是由于雷击、故障、操作或系统参数配合不当等原因，电压可能升高，有时会大大超过正常状态下的数值，造成对设备绝缘的击穿，严重威胁电气设备的安全运行，我们对这种危及绝缘子的电压称为过电压。

由于故障、操作或系统参数配合不当等原因引起的过电压，称为内部过电压。

而由于雷击引起的过电压称为大气过电压。

大气过电压是雷击被击物，在被击物内流经很大的雷电流造成的；感应雷过电压则是因雷击于设备附近，由于电磁波的剧烈变化而产生的。

直击雷过电压对电气设备的绝缘具有严重危害，必须采取防护措施，感应雷过电压的幅值一般不超过500KV，这时35KV及以下等级的绝缘是危险的，应采取防护措施，而对110KV及以上等级的绝缘，其冲击耐压水平一般已高出此值，故无危险。

在这里我们所设计的是110KV变电所防雷保护，因此只对由于雷击而造成的大气过电压详加论述。

在变电所内一般都有一些高大的建筑物，如果遭受雷击就会发生重大事故，因此必须对它采取完善的直击雷保护装置，如采用避雷针或避雷线。

为了节约投资，应充分利用变电所的架构、照明灯塔或在高建筑物上安装避雷针。

变电所的直击雷保护范围还应包括进终终端杆塔和变电所的直击雷保护范围必须进行具体的计算，绘出保护范围图，防止出现任何保护空白点，使应该被保护的设备全部处在直击雷保护范围之内。

变电所的进线和出线都应该具有完善的防雷保护装置，110KV及以上的高压送电线路一般都是全线用避雷线保护，以防止导线遭到直接雷击后雷电进行波侵入变电所内。

对35KV的线路，为了降低线路造价，一般只在变电所进线或出线1—2km的范围内加装避雷线保护，并相应地在木横担线路的进线首端安装一组排气式避雷器，以限制沿着线路入侵到变电所的雷电波的陡度的幅值。

对变电所3—10KV的配电线一般只在线路出口处安装阀型避雷器，并在母线上安装阀型避雷器，以保护变电所3—10KV的配电装置。

一般变电所的额定电压越高，则其容量也就越大，供电重要性也就越高，它的防雷保护应当越可靠。

因此变电所的过电压保护工作必须从技术经济观点出发，根据变压器容量及供电重要性等条件，因地制宜确定具体的保护方案，不可千篇一律的要求。

如有的变电所供电性质不太重要，容量也比较小，就可以采取简化的防雷保护方式，以便为国家节约投资，加速农业电气化和国家的社会主义建设。

在每个电力系统中，还有可能发生内部过电威胁系统的安全，因此必须根据具体条件分别采用磁吹避雷器、金属氧化物避雷器或其它防止内部过电压的技术措施，以保证电网的安全运行。

在变电所内对进行波的保护主要依靠装在母线上的阀型避雷器或金属氧化物避雷器，安装位置尽可能靠近主要设备，但也要兼顾变电所内的其它设备。

变电所内还普遍装有重合闸和备用电源自动投入装置。

它们必须能可靠地动作，当线路发生故障时，及时正确地重合或自投，以保证对用户的不间断供电，这是消灭事故十分重要的措施之一，不可等闲视之。

应该认真做好运行维护的定期的调整校验工作，使这些设备能更好地为系统的安全供电服务。

2、变电所防雷的所采用的保护方式：

⑴变电所内的设备和建筑物必须有完善的直击雷保护装置，采用避雷线、避雷针或避雷带。

⑵在变电所内装设阀型避雷器或金属氧化物避雷器，以限制入侵雷电波幅值，同时，在变电所进线上，设置进线保护段以限制流过阀型避雷器的雷电流和限制入侵雷电波的陡度。

本站的防雷保护设计将采用以下几种方式：

⑴直击雷保护采用避雷针；

⑵本站的避雷针与被保护设备之间在空气中和地中保持一定距离，即Sk＞5m,Sd＞3m，避免感应过电压。

⑶对沿输电线路传来的雷电波入侵保护采用避雷器和避雷线来保护。

⑷对变电所母线上的保护采用金属氧化物避雷器。

⑸变压器中性点防雷保护采用避雷器。

⑹电容器组也要采用避雷器保护。

第二章变电所直击雷保护设计

变电所的设备一旦遭受直接雷击，就有可能造成设备的严重损坏，引起长时间的停电，其后果是十分严重的。

因此，变电所内的设备和建筑物必须有完善的直击雷保护装置。

变电所内如下设备和建筑物应该有直击雷保护装置：

⑴屋外的配电装置（包括母线廊道、架空母线桥、软连线等）；

⑵遭受雷击后可能引起火灾的建筑物，例如露天的油箱和油务设备等建筑物以及易燃材料的仓库；

⑶有爆炸危险的建筑物，例如氢气设备和乙炔发生装置等；

⑷雷击后可能引起机械破坏的高大建筑物，例如烟囱、冷却塔和变压器修理间等。

变电所内的设备和建筑物可以用避雷针、避雷线，应根据具体条件合理选择。

避雷针是我们最熟悉的防雷装置之一，它可分为单支的，双支的和多支的避雷针，它的作用是使雷电流按照预定的通路泄入大地。

在一定高度的避雷针下面，有一个安全区域，在这区域中的物体基本上不致遭受雷击，这个安全区域一般叫做避雷针的保护范围。

此外，避雷线装在发变电所内，便于进行定期的检查。

1、避雷针位置的确定：

本站为100×100m2的正方形，被保护物的高度为6米，为了在布置中力求既经济又合理，所以采用四针等高避雷针来防止直击雷，同时为了电气设备布置方便，避雷针的装置位置，应尽可能放在该变电站的边角，因此选择每针从它所相靠的两侧围墙分别往里挪2米的等距离避雷针来防护。

2、避雷针保护范围的计算：

D1=96m=D12=D23=D34=D41

D2=√962+962=96√2mhx=6m

⑴确定避雷针的高度范围：

因为规定一般两避雷针间的距离与针高之比D/h不宜大于5，即D/h≤5，则h≥Ｄ/5，避雷针的高度应取最小值，所以D／＝√962+962=96√2m，即h≥

＝27.152m

⑵取值计算，画图校验避雷针的高度。

方案一：

取避雷针高h=28m,D1/h=96/28=3.43＜5,D2/h=135.76/28=4.85＜5，符合要求。

又因为h=28m＜3cm，所以P=1。

被保护物的高度为hx=6m,hx=6m＜h/2，所以rx=（1.5h-2hx）P=（1.5×28-2×6）×1=30m

说明：

rx为一支避雷针在hx水平面上的保护半径，因为本站所设计的避雷针为四支等高避雷针，所以此rx同时也是其它三针各自在hx水平上的保护半径。

h01=h-D1/7p=28-96/7*1=28-13.71=14.29m

说明：

此h01为针1与针2两针间保护范围上部边缘最低点的高度。

由于本站所设计的避雷针为四支等高等距离的避雷针，所以此h01同时也是针2与针3间，针3与针4两针间，针4与针1两针间保护范围上部边缘最低点的高度。

h02=h-D2/7p=28-135.76/7*1=28-19.39=8.61m

说明：

此h02是针1与针3两针间保护范围上部边缘最低点的高度，因为本站为四针等高且等距离，所以此h02同时也是针2与针4两针间保护范围上部边缘最低点的高度。

bx1=1.5（h01-hx）=1.5（14.29-6）=1.5×8.29=12.435m

说明:

因为四支避雷针等高等距离,所以此bx1为针1与针2两针间,针2与针3两针间,针3与针4两针间,针4与针1两针间距地面高度hx水平面上保护范围一侧的最小宽度.

bx2=1.5（h02-hx）=1.5（8.61-6）=1.5×2.61=3.915m

说明：

因为四支避雷针等高等距离，所以此bx2为针1与针3两针间，针2与针4两针间距地面高度hx水平面上保护范围一侧的最小宽度。

避雷针的有效高度ha=h-hx=28-6=22m

（以上所有计算公式的采用均参考于《高电压技术》）

此方案，bx1和bx2均大于零并经画图验证（参看图1），但保护范围出现了大面积空白，所以此方案不成立。

图1比例:

1:

1000

方案三：

将针高增至35m,针的位置不变。

D1/h=96/35=2.74＜5，D2/h=135.76/35=3.87＜5，符合两避雷针间的距离之比不宜大于5,满足要求。

因为h=35m>30m,所以P=5.5/√h=5.5/√35=5.5/5.92=0.93,

hx=6m

（注：

以下计算公式的采用及说明均同于方案一）

rx=（1.5h-2hx）P=（1.5×35-2×6）×0.93=37.67m

h01=h-D1/7p=35-96/7*0.93=35-14.75=20.25m

h02=h-D2/7p=35-135.76/7*0.93=35-20.85=14.15m

bx1=1.5（h01-hx）=1.5（20.25-6）=1.5×14.25=21.375m

bx2=1.5（h01-hx）=1.5（14.15-6）=1.5×8.15=12.225m

此方案，经画图验证（参看图3），我们可以看出保护范围没有出现空白且有一点保护重复，由于考虑到画图验证时可能出现一些测量上的误差。

所以重复一点是可取的，但不能重复大多，以免增加投资，该方案并向站外35KV线路延伸保护范围，以保护35KV线路的终端杆到站内35KV设备区架构间的导线，所以此方案成立。

另外，避雷针与变压器的地上空气距离由下图可知8m,肯定小于14m，符合有关规定，再次证明此方案是可取的。

S=√（20-2）2+（15-2）2

=√182+132

=22.2m

图3比例:

1:

1000

第三章接地装置的设计

为了保证电力系统在正常运行,故障或雷击时人身和设备的安全,应将电力系统中的电气装置设施的某些部分可靠地接地。

在变电所内，不同用途和不同电压等级的电气装置或设施，除有特殊规定者外，应使用一个总的接地装置。

接地装置对防雷的保护是非常重要的，它的任务不仅要求能够安全地引导雷电流入地，并且还应使雷电流入大地时能均匀地分布出去，接地电阻原则上是越小越好，但是还应该从安全经济观点出发，以便能在满足防雷保护的前提下，为国家节约投资。

1、接地装置的布置

本站主接地网的接地电阻值要求：

本站是110KV降压变电站。

根据规程规定：

110KV系统是大电流接地系统，接地电阻值应小于0.5Ω，35KV系统是小电流接地系统，接地电阻阻值应小于10Ω，变压器中性点接地电阻应小于4Ω。

根据上述要求，本站的接地网采用各级电压共用一个接地网，共同接地装置，接地电阻值确定为0.5Ω。

2、接地装置的选择计算：

⑴对于避雷针每针都应设置独立接地装置，并且要求其接地电阻R<10Ω,在达不到要求的情况下要与本站内主接地网相连接,避雷针与主接地网的地下连接点至变压器接地线与主接地网的地下连接点沿接地体的长度不得小于15m。

对于本站来说，由于其土壤电阻率ρ/=100Ωm，属于较标准形地区（符合天津地区），根据独立垂直接地装置接地电阻的计算R<10Ω,符合要求,所以每支避雷针都采用独立的接地装置,不与本站的主接地网相连接。

⑵避雷针的接地装置采用独立垂直接地装置，由垂直接地体组成，成排布置。

垂直接地体由3个接地体组成。

为了能够达到良好的效果，为此采用直径60mm，长度300cm的钢管垂直打入地下，上端埋深0.5m，接地体间的距离6m，三个接地体由12m长，40mm宽，5mm厚的扁钢水平连接，埋深0.5m，并与避雷针相连。

⑶独立垂直接地装置接地电阻的计算：

季节系数φ=1.2,土壤电阻率ρ/=100nm,计算用电阻率P=φρ/=1.2×100=120Ωm

单根钢管垂直接地体稳定状态下的接地电阻:

R=P/2πlln4l/d=120/2*3.14*3ln4*3/0.06=33.76Ω

因为雷电流的幅值I=150KA，所以每个接地体流大地的电流幅值I=150/3=50KA，冲击系数取α=0.6,则冲击接地电阻R/Ch=αR=0.6*33.76=20.26Ω

注:

冲击接地电阻:

在雷电放电时,流过接地装置的雷电流密度很大,波头陡度也很高,会在接地体周围的土壤中产生局部火花放电,其效果好比增大了接地体的尺寸,会使接地电阻的数值降低,即在冲击电流作用下接地装置的电阻.

垂直接地体数n=3,且比值a/l=6/3=2,由查表得利用系数η=0.75,求得接地装置的冲击接地电阻为:

RCh=R/Ch/h*1/n=20.26/3*1/0.75=8.98Ω,因为Rch=8.98<10,所以满足R<10Ω的要求。

⑷独立垂直接地体图：

第四章感应雷过电压的保护设计

当雷没有直接击中电力系统中的导线或其它电气设备时，由于雷电放电，电磁场剧烈改变，此时电力系统的导线或电气设备将感应出过电压。

这样的过电压称为感应雷过电压。

如果要设计雷击避雷针时产生感应过电压的保护，首先必须明白设计它的原因。

当雷击避雷针后，它的对地电位可能很高，如果它与被保护物之间的绝缘距离（包括空气中及地中）不够时，就有可能在避雷针受雷击后，从避雷针到被保护物间发生放电，这种情况就叫做逆闪络或反击。

此时仍能将高电位加至被保护物，造成事故。

为了防止反击，要求避雷针与被保护物之间在空气中和地中保持一定的距离，这就叫做雷击避雷针上时产生感应过电压的保护。

独立避雷针与配电装置导电部分间，以及与发电厂、变电所电气设备和架构接地部分间的空气距离一般不得小于5m，为降低避雷针落雷时产生的感应过电压，在条件许可时，此空气距离宜增大至10m。

实际运行经验证明，独立避雷针的接地装置与发电厂、变电所接地网间最近的地中距离不应小于3m。

如果采用避雷线保护配电装置，则避雷线与配电装置导电部分间，以及与发电厂、变电所电气设备和架构接地部分间的空气距离一般不应小于5m，在条件许可时，对60KV及以下配电装置还可以适当增大。

避雷线的接地装置与发电厂、变电所最近接地间的地中距离一般亦不应小于3m。

1、当避雷针上落雷时，避雷针距被保护设备最低点的电位（空气中）和避雷针接地装置（地中）出现的电位：

雷电流的幅值I=150KA，雷电流的平均上升陡度di/dt=30KA/us,避雷针电感L=1.7UH/m,导线架构高hd=6m,避雷针接地装置的冲击接地电阻Rch=8.98Ω,UA=IRch+hLdi/dt=150×8.98×6×1.7×30=1653KV

Ud=IRch=150×8.98=1347KV

2、避雷针与被保护设备的空气距离Sk，地中距离Sd的计算确定：

Sk≥0.2Rch+0.1h（m）

Sk=0.2×8.98+0.1×6=2.396m

根据规程规定:

为防止避雷针与被保护设备或构架之间的空气间隙Sk被击穿而造成反击事故,空气中距离Sk一般情况上应小于5m,即Sk≥5m,本站避雷针与被保护设备的空气中距离大于5m。

Sd=0.5Rch=0.5×8.98=4.49m

因为规程要求Sd≥0.3Rch,所以Sd≥0.3×8.98,即Sd≥2.694m

但为降低雷击避雷针感应过电压的影响,在条件许可时,此距离宜适当增大。

Sd不应小于3m，所以本站避雷针与被保护物的地中距离大于3m。

3、避雷线感应过电压保护（避雷线按一端绝缘而另一端接地来设计计算）。

避雷线发电厂、变电所电气设备和架构接地部分间的空气距离Sk＞5m。

本设计符合要求。

避雷线的接地装置与发变电所最近接地网间的地中距离Sd为

Sd≥0.3Rch=0.3×8.98=2.694≈3m,符合要求。

第五章入侵雷电波的保护设计

除了直击雷保护以外，当线路上落雷时，雷电进行波会沿着线路向变电所袭来，由于线路的绝缘水平比较高，这样入侵变电所的进行波的幅值往往很高，就有可能使主变压器和其它电器设备发生绝缘损坏事故。

如果是终端变电所，则雷电进行波到达变电所时其电压还会因反射而升高，那么危险性就更大了。

此外，由于变电所和线路直接相连，线路分布广，长度大，遭到雷击的机会很多，所以对变电所的每个进线段必须具有完善的保护，这是能否保证安全运行的关键。

对由线路侵入变电所的雷电波的保护，主要依靠进线保护段上的各种保护措施和变电所母线上的阀型避雷器或金属氧化物避雷器。

对于35—110KV无避雷线的线路，当雷击于变电所附近线路的导线上时，沿线路入侵流经避雷器的雷电流可能超过5KA，而且陡度也可能超过允许值，因此对35—110KV无避雷线的线路，在靠近变电所的一段进线上，必须装设避雷线，在进线段内出现雷电波的概率将大大减小，保证雷电波只能在进线段以外出现。

架设避雷线的这段进线，称为变电所进线保护段，其长度一般取为1—2KM。

1、进线保护设计：

⑴进线保护的构成：

进线保护由避雷线（分为全线有避雷线和未沿全线架设避雷线）和氧化锌避雷器构成。

如图：

a.未沿全线架设避雷线的进线保护（35KV）

b.全线有避雷线的进线保护（110KV）

⑵进线保护的作用：

利用进线导体本身的阻抗，使流经避雷器的雷电流受到限制，使其幅值不超过5KA（在电压为330KV级时，为10KA），当雷电流很大时，利用导线上的冲击电晕来影响入侵波的陡度及其幅值下降。

并通过进线段上氧化锌避雷器的作用使侵入波幅值，陡度不超过变电所的设备绝缘配合的要求，限制在避雷器所允许的范围内。

⑶各元件的作用：

避雷线：

（也叫架空地线），在近变电站的线路上，架设1—2KM避雷线作为进线保护段（本设计只有0.88KM,近乎于1KM所以取1KM,见（4）进线保护长度计算）在110KV及以上电压等级中,一般都是全线都装设避雷线,其作用有以下三点：

a.在避雷线保护范围及进线保护段以内的导线免受直击雷；

b.在最不利的情况下,即线路首端受到直击雷时,由于避雷线本身阻抗的作用,沿线路传达的雷电波幅值受到限制；

c.线路发生雷击后，入侵的雷电波最大值为线路的50%冲击电压，且具有直角波头。

此电压已超过导线的临界电晕电压，因此在入侵波作用下，导线将发生电晕，由于电晕要消耗能量，可以使入侵波衰减与变形，这样就降低了入侵波的陡度，幅值也有所降低。

氧化锌避雷器的作用：

（参看图a）

YW1：

在线路绝缘水平很高的情况下，限制入侵雷电波的幅值。

（此氧化锌避雷器的接地电阻要求不大于10Ω）。

YW2：

在雷雨季中如变电所35—110KV进线的隔离开关或断路器，可能经常处于断开状态，且线路侧又带电的情况下，当沿线路有50%幅值的雷电波入侵时，在断开点将发生全反射使电压升高一倍，可能发生冲击闪络而产生工频电弧，使开路的断路器或隔离开关烧毁，因此靠近隔离开关或断路器处，加装YW2。

在断路器闭合运行时，入侵雷电波不应使YW2动作，即此时YW2在变电所阀型避雷器保护范围之内，退出运行，在断路器断开后，应将YW2投入运行。

YW3：

（a）保护母线；

（b）在断路器闭合运行时YW3保护YW2不误动作。

2、该站进线保护设计计算：

⑴该站所有线路均顺设置进线保护。

⑵进线保护长度计算：

母线架构高hd=6m,入侵波陡度a’=0.75KV/m.

35KV侧避雷器的残压Uc5=134KV,根据公式:

a’=1/（150/Uc5+2.4/hd）lo

0.75=1/（150/134+2.4/6）lo

0.75=1/1.52*lo

lo=1/0.75*1.52=0.88km

根据要求，本站进线保护段长度1km。

⑶110KV线路全线设置避雷线，通常不在线路未端装设氧化锌避雷器，避雷线可至变电站110KV进线门形架构上，避雷线保护角应为20°左右，以尽量减小绕击机会，每根杆塔避雷线均接地，接地电阻R＜10Ω

⑷35KV线路进线保护长度为1米，避雷线至终端杆，终端杆至出口门型架构，这一段引线由本站避雷针进行保护，35KV进线保护段首端及终端杆各装设一组氧化锌避雷器，其接地电阻小于10Ω，避雷线保护角在20°左右，每根杆塔避雷线均接地，接地电阻小于10Ω。

第六章避雷器的设计及安装方式

1、避雷器的设计

避雷器是变电站防雷保护的基本措施之一，它的作用是用来限制作用于设备上的过电压，以保护电气设备的。

避雷器与被保护设备并联安装在被保护设备附近，当过电压超过一定值时，避雷器先放电，从而限制了被保护设备的电压值。

避雷器的保护性能对被保护设备绝缘水平的确定有直接的影响。

避雷器的类型主要有保护间隙、管型避雷器、阀型避雷器和氧化锌避雷器等几种。

⑴保护间隙：

由两个电极组成。

为使被保护设备得到可靠的保护，要求保护间隙的伏秒特性的上限低于被保护设备伏秒特性的下限，并有一个一定的裕度。

当雷电波侵入时，间隙先击穿，将工作母线接地，雷电流引入大地，避免了被保护设备的电压升高，从而保护了设备。

由于间隙熄弧能力差，往往不能自动熄弧，造成断路器跳闸，这是保护间隙的主要缺点。

为此可将保护间隙配合自动重合闸使用，如果被保护设备的伏秒特性较平坦，这时保护间隙的伏秒特性与其配合就比较困难，故不宜用它来保护具有较平坦伏秒特性的电气设备，如变压器、电缆等。

⑵管型