牵引变电所接地防雷系统设计

齐鲁工业大学毕业设计题 目：牵引变电所接地防雷系统的设计系 别：专 业： 班 级： 学生姓名： 指导教师： 完成日期：摘 要牵引变电所是铁路供电系统的枢纽，它担负着电网供电的重要任务。雷电具有很强的危害性，因此应该重视牵引变电所的雷电的防护。综合运用高电压技术、电力系统过电压、接地系统及供防雷接地的设计方法，对 110kV 牵引变电所进行防雷接地设计。引变电所雷击的配电技术等相关的专业知识，采用理论和实践相结合的方法，研究牵，基于常用的形式及防雷接地的几种措施，研究接地装置的类型和降阻方式关键词 雷电放电 防雷保护装置 防雷接地装置 牵引变电所目 录1 绪论 .22 雷 .12.1 雷电 .12.1.1 雷电的发生机理 .12.1.2 雷电放电 .12.1.3 雷电放电的过程 .32.1.4 雷电放电的基本形式 .52.1.5 雷电放电的选择性 .62.1.6 我国雷电活动分布的规律 .72.1.7 雷电的危害 .72.1.8 雷电的防护措施 .92.2 雷电参数 .142.2.1 雷电放电的计数模型及等值电路 .142.2.2 雷电流 .163 防雷保护装置 .203.1 避雷针 .203.1.1 避雷针保护原理及组成 .203.1.2 避雷针的保护范围 .213.2 避雷线 .233.2.1 避雷线保护范围 .233.3 变配电所装设避雷针和避雷线的有关规定 .253.3.1 避雷针的有关规定 .253.3.2 避雷线的有关规定 .263.4 避雷器 .263.4.避雷器的保护原理及要求 .263.4.2 避雷器的伏秒特性 .273.4.3 避雷器的分类 .274 防雷接地装置 .324.1 接地装置的概述 .324.1.1 接地装置组成 .324.1.2 接地电阻和流散电阻 .334.1.3 对地电压、接触电压和跨步电压 .344.2 接地装置的分类 .344.2.1 工作接地 .354.2.2 保护接地 .354.2.3 防雷接地（如图 4-5 所示） .354.3 工程实用的接地装置 .364.3.1 输电线路的防雷接地 .364.3.2 发电厂和变电站的接地 .364.4 接地电阻的计算和降阻方法 .374.4.1 接地电阻的计算 .374.4.2 接地电阻的降阻方法 .375 110kV 牵引变电所防雷保护和接地设计 .395.1 过电压的基本概念及分类 .395.1.1 过电压的定义 .395.1.2 过电压的分类 .395.2 牵引变电所容易遭受雷击的地方 .415.2.1 直击雷的保护 .415.2.2 雷电侵入波保护 .415.3 牵引变电所输电线路的防雷保护 .425.3.1 输电线路的感应雷过电压 .425.3.2 输电线路的直击雷过电压和耐雷水平 .425.3.3 输电线路的雷击跳闸率 .425.4 牵引变电所的防雷保护 .435.4.1 牵引变电所直击雷过电压的防护 .435.4.2 牵引变电所侵入波过电压的防护 .445.4.3 牵引变电所内变压器的防护 .455.5 牵引变电所内部防雷接线图 .455.6 牵引变电所防雷接地装置主视图 .45结 论 .46致 谢 .47参 考 文 献 .48附录 .491 绪论 电力工业是国民经济的一项基础工业和国民经济发展的先行工业，它是一种将煤、石油、天然气、水能、核能、风能等一次能源转换成电能这个二次能源的工业，它为国民经济的其他各部门快速、稳定发展提供足够的动力，其发展水平是反映国家经济发展水平的重要标志。变电所是电力系统重要组成部分，是联系发电厂和电力用户的中间环节，因此，它是防雷的重要保护部位。雷电具有很强的危害性，因此应该重视牵引变电所雷电的防护。如果变电所发生雷击事故，将造成大面积的停电，给社会生产和人民生活带来不便，影响了国民经济的发展。变电所是电力系统防雷的重要保护对象，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。所以变电所的防雷措施必须十分可靠。本设计第一节主要讲了雷电的形成，雷电对变电所的危害，变电所遭受雷击的基本形式（1）雷电直接击中变电所设备上，这种雷击称为“直击雷” （2）雷电对变电所设备、线路或其他物体产生静电感应或电磁感应而引起的，这种雷击又称“感应雷”或“闪电感应” （3）架空线路遭受直接雷击或间接雷击而引起的过电压波，沿线路侵入变电所或其他建筑物，这种雷击又称为“雷电波侵入”或“闪电感应” 。以及牵引变电所防雷击的一些措施例如：（1）310kV 变电所的典型防雷 在每路进线端和每段母线上，均装有阀型避雷器。如果进线是有一段引入电缆的架空线路，则在架空线路终端的电缆头处装设阀型避雷器或管型避雷器，其接地端与电缆头外壳相连后接地。避雷器的接地端应与变压器低压侧中性点及金属外壳等连接在一起接地。 （2）35110kV 变电所防雷 在变电所进线段 12km 的杆塔上架设避雷线。在木杆或木横担的钢筋混凝土杆线路进线段的首端，装设一组管型避雷器 Fl 变电所的进线隔离开关或断路器，在雷雨季节可能处于开路状态，而线路侧又带电时，则必须在靠近隔离开关或断路器 QFl 处装设一组管型避雷器 F2 变电所母线上，装设阀型（或氧化锌）避雷器 F3。如为母线分段的两路进线时，则每路进线和每段母线均应按这种标准方案施设保护。第 2 节主要讲了防雷保护装置如：避雷针、避雷线的保护原理及保护范围；避雷器的组成及典型的几种避雷器等。第三节主要讲了牵引变电所的防雷接地装置电力系统中各电气设备的接地按其不同的作用可分为工作接地、保护接地和防雷接地。（1）保护接地：将电气设备在正常情况下不带电的金属部分与大地连接。高压设备要求的保护接地电阻一般为（110）。 （2）防雷接地：专门传导雷电流的工作接地。防雷接地主要由过电压保护的需要决定，一般为430。 （3）工作接地：将电力系统的某一点与大地连接。这种接地可分为直接接地或经特殊装置接地。工作接地的接地电阻一般为（0.55）。最后一节则讲了 110kV 牵引变电所防雷保护和接地设计。主要包括过电压的一些概念，以及牵引变电所过电压的防护等知识。 （1）牵引变电所直击雷过电压的防护 对于直击雷必须装设避雷针或避雷线对直击雷进行保护。牵引变电所的直击雷防护设计内容主要是选择避雷针的支数、高度、装设位置、验算它们的保护范围、应有的接地电阻、防雷接地装置设计等。(2)牵引变电所侵入波过电压的防护 其主要防护措施是在牵引变电所内装设阀型避雷器或氧化锌避雷器以限制入侵雷电波的幅值。基于常用的防雷接地的设计方法，对 110kv 牵引变电所进行了详细的防雷接地设计。设计中，结合当地现状，综合考虑了气候、地形、环境等多种因素，给出了较好的防雷接地保护方案。通过对牵引变电所的防雷接地设计，全面剖析了电力系统中如何让提高牵引变电所的防雷水平，从而有效地降低牵引变电所的雷击事故，减少雷电对电网安全运行的影响。2 雷2.1 雷电2.1.1 雷电的发生机理雷电是一种自然现象。主要是天空中的饱和水蒸汽，由于上升气流的作用而使水滴分裂，水滴分裂过程的同时，微细水滴带有不同的电荷，使带正（或负）电荷的水滴上升，带电荷的小水滴漂浮在空中，就形成雷云。雷云中的电荷一般不是在云中均匀分布的，而是集中在几个带电的中心。雷云越集越多，也就是电荷越积越多，到达一定程度后，足以击穿与大地或地面上的建筑物与电气设备之间的空气时，就会发生强烈的放电，同时发出强烈的电光和巨响。随着雷云的发展和运动，一旦空间电场强度超过大气游离放电的临界电场强度（大气中约为 30kV/cm，有水滴存在时约为 10kV/cm）时，就会发生云间或对大地的火花放电。雷电放电包括雷云对大地，雷云对雷云和雷云内部的放电现象。大多数雷云放电都是在雷云与雷云之间进行的，只有少数是对地进行的。在防雷工程中，主要关心的是雷云对大地的放电。雷云对大地放电虽然只占少数，但它是造成雷害事故的主要因素。2.1.2 雷电放电雷电放电是由带电荷的雷云引起的放电现象。一般认为雷云是在某种大气和大地条件下，由强大的潮湿的热气流不断上升进入稀薄的大气层冷凝的结果。强烈的上升气流穿过云层，水滴被撞分裂带电。轻微的水沫带负电，被风吹得较高，形成大块的带负电的雷云；大滴水珠带正电，凝聚成雨下降，或悬浮在云中，形成一些带正电的区域。雷云的底部大多数是带负电，它在地面上会感应出大量的正电荷。这样，在带有大量不同极性或不同数量电荷的雷云之间，或者雷云和大地之间就形成了强大的电场，其电位差可达几兆伏甚至几十兆伏。随着雷云的发展和运动，一旦空间电场强度超过大气游离放电的临界电场强度时，就会发生雷云之间或雷云对地的放电。直接击向地面的放电通常是从负电荷中心的边缘开始，故 90%左右是负极性的雷。大多数雷电放电发生在雷云之间，对地面上的设备和建筑没有什么直接影响。雷云对地的放电虽占少数，但危害是十分严重的，是造成雷电事故的主要因素。要避免产生雷电事故，就必须对雷电的放电过程、活动规律和雷电参数加以研究。2.1.3 雷电放电的过程雷电放电过程可分为先导放电、主放电和余辉放电三个主要阶段。（1）先导放电雷云下部大部分带负电荷，故绝大多数的雷击是负极性的。 雷云中的电荷一般是集中在几个带电中心。测量数据表明，雷云的上部带正电荷，下部带负电荷。直接击向地面的放电通常从负电荷中心的边缘开始。雷云带有大量电荷，由于静电感应作用，在雷云下方的地面或地面上的物体将感应聚集与雷云极性相反的电荷，雷云与大地间就形成了电场。当雷云附近的电场强度达到足以使空气游离的强度（约 2530kv/cm）时，就发展局部放电。当某一段空气游离后，这段空气就由原来的绝缘状态变为导电性的通道，称为先导放电通道。若最大场强方向是对地的，放电就从云中带电中心向地面发展，形成下行雷。先导通道是分级向下发展的，每级先导发展的速度相当高，但每发展到一定的长度（约 25m50m）就有一个（3090）s 的间歇。所以它的平匀发展速度较慢（相对于主放电而言） ，约为（18） m/s，出现的电流不大。先510导放电的不连续性，称为分级先导，历时约 0.0050.01s。 在先导通道发展的初始阶段，其发展方向受到一些偶然因素的影响并不固定。但当它发展到距地面一定高度时（这个高度称为定向高度） ，先导通道会向地面上某个电场强度较强的方向发展，这说明先导通道的发展具有“定向性” ，或者说雷击有“选择性” 。（2）主放电当先导接近地面时，地面上一些高耸的突出物体周围电场强度达到空气游离所需的场强，会出现向上的迎面先导，当先导通道的头部与迎面先导上的异号感应电荷或与地面之间的距离很小时，剩余空气间隙中的电场强度达到极高的数值，造成空气间隙强烈地游离，最后形成高导电通道，将先导头部与大地短接，这就是主放电阶段的开始。 由于其电离程度比先导通道强烈的多，电荷密度很大，故通道具有很高的导电性。主放电的发展速度很高，约为（2107 1.5108）m/s，所以出现极大的脉冲电流，并产生强烈的光和热使空气急剧膨胀震动，出现闪电和雷鸣。主放电的过程极短，只有 50100s，它是沿着负的下行先导通道，由下而上逆向发展，故又称“回击” ，其速度高达 2.0 亿1.5 亿 m/s。（3）余辉放电主放电完成后，云中的剩余电荷沿着主放电通道继续流向大地，形成余辉放电，电流不大，约为 10A，持续时间较长（0.030.05s ） 。由于云中同时310可能存在几个带电中心，所以雷电放电往往是重复的，一般重复 23 次。雷云中的电荷分布是不均匀的，往往形成多个电荷密集中心，所以第一个电荷中心完成上述放电过程后，可能引起第二个、第三个甚至多个的中心向第一个中心放电，并沿原先的通道到达大地，因此雷电可能是多重性的。第二次及以后的主放电电流一般较小，不超过 30kA。如图 2-1 所示。图 2-1 雷电放电的发展过程 （a ）放电过程示意图 （b）放电电流波形2.1.4 雷电放电的基本形式（1）云对地放电雷云对大地放电虽然占少数，但它是造成雷害事故的主要因素。当云层对地较低、或地面有高耸的尖端突起物时，雷云对地之间就会形成较高的场强，当场强达到一定的值时，雷云就会向地面发展向下的先导，当先导到达地面，或与大地迎面先导会合时，就开始主放电阶段。在主放电中雷云与大地之间所聚集的大量电荷通过狭小的电离通道发生猛烈的电荷中和，放出能量，产生强烈的声和光，即电闪、雷鸣。在雷击点，有巨大的电流流过。大多数雷电流的峰值有几十千安，也有少数达到上百千安。由于雷击是在极短的时间内释放较大的能量，因而会造成极大地破坏作用。雷云对地的放电通常包含若干次重复的放电过程，每次放电一般都由先导放电、主放电和余光放电三个主要阶段组成。第一次从雷云向大地发展的先导不是连续向下发展的，而是逐级向下推进的，其平均发展速度较慢，相应的电流也较小（数十至数百安） 。先导通道导电性能良好，因此带有与雷云同极性的多余电荷。雷云与先导在地面上感应出异号电荷。当先导接近地面时，会从地面较突出的部分发出向上的迎面先导。当迎面先导与下行先导相遇时便开始主放电过程，出现极大的电流（数十至数百千安） ，并伴随着雷鸣和闪光。主放电存在的时间极短，约 50100us，速度要比先导的发展速度快得多。主放电过程是逆着负先导的通道由下向上发展的，主放电到达云端时主放电过程就结束了，然后云中的残余电荷经过主放电通道继续流向大地，称为余光放电。余光放电对应的电流不大（约数百安） ，但持续的时间却较长（0.030.15s） 。（2）云对云放电当带不同