（电气工程专业论文）高土壤电阻率变电站防雷接地分析和改造.pdf

韭塞窆：垣盍堂童些亟主堂焦迨塞虫塞埴要 中文摘要 摘要：本论文对雷击高土壤电阻率变电站方孔地网的冲击接地电阻及雷击造成变 电站接地网暂态电位的升高进行了估算，对人工外扩水平伸长接地体降低冲击电 阻的效果及存在问题进行了分析，对儒岩变电站保护和监控装置防雷接地存在的 反击和雷电入侵问题进行了分析。提出了对变电站主地网、外扩地网及保护监控 装置防雷接地的改造方案。 关键词：方孔地网；冲击电阻；暂态电位；水平伸长接地体： 韭夏銮通本堂童些亟堂僮途塞垦5 至区! a b s t r a c t a b s t r a c t ：t h i st h e s i sg i v e sae v a l u a t i o na b o u tt h ei m p u l s eg r o u n d i n gr e s i s t a n c eo f s q u a r eh o l ee a r t hn e tu s e di nh i g hs o i lr e s i s t i v i t ys u b s t a t i o nw h e nb es t r u c k e db y t h u n d e r , a n dt h er i s eo ft r a n s i e n tp o t e n t i a lo fs u b s t a t i o ne a r t hn e tw h i c hc a u s e db y t h u n d e r , a n a l y s e t h ee f f e c ta n dp r o b l e mo nt h er e d u c t i o no fs h o c kr e s i s t a n c eb y h o r i z o n t a le x p a n d i n gg r o u n d i n ge l e c t r o d e ，a n a l y s et h ea n dt h ei n v a d i n go ft h u n d e ra n d l i g h t i n ge x i s ti nt h u n d e r - p r e v e n t i o ne a l t hn e tf o rt h ep r o t e c t o ra n dm o n i t o ru s e di n r u y a ns u b s t a t i o n , p u t f o r w a r dt h ep r o j e c tf o ri n n o v a t i o no ft h ee a r t hc o n n e c t i o n f o rt h u n d e r - p r e v e n t i o no fm a i ne a r t hn e t , o u t - e x t e n d i n ge a r t hn e ta n dp r o t e c t i o n & m o n i t o r i n ge q u i p m e r i t s k e y w o r d s ：s q u a r eh o l ee a r t hn e t ：i m p u l s eg r o u n d i n gr e s i s t a n c e ；t r a n s i e n t p o t e n t i a l ；h o r i z o n t a le x p a n d i n gg r o u n d i n ge l e c t r o d e ； 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：林长青导师签名： 签字日期：2 0 0 7 年1 2 月2 5 日签字日期：年月日 地基窑垣盍堂童些亟土堂焦监塞独剑丝芭盟 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：林长青签字日期：2 0 0 7 年1 2 月2 7 日 致谢 本论文的工作是在我的导师张小青教授的悉心指导下完成的，张小青教授严 谨的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在此衷心感谢三年来 张小青老师对我的关心和指导。 张小青教授悉心指导我们完成了实验室的科研工作，在学习上和生活上都给 予了我很大的关心和帮助，在此向张小青老师表示衷心的谢意。 张小青教授对于我的论文提出了许多的宝贵意见，在此表示衷心的感谢。 j b壅銮逼友堂童些亟主堂 鱼逾塞 序 本学位论文为高土壤电阻率变电站的防雷接地系统的降阻设计提出了一些有 应用价值的建议：对防止变电站弱电控制设备受到反击提出了防范措施。希望这 些措施可以减少由雷害事故造成的设备损坏，保证用户的安全可靠供电。 j b 廛奎道盔坐童些亟堂垡逾塞i i 直 第1 章引言 1 1 变电站设备的接地 变电站的一次设备由于各种原因经常要做接地处理，接地包括工作接地( 例 如电力系统的中性点接地、互感器绕组接地等) ，防雷接地( 例如避雷针接地、避 雷器接地) 和安全接地( 例如设备外壳接地、金属构架接地) 。这些接地的优劣， 不仅影响这些设备本身的工作及人身安全，同时也强烈关系着对二次设备的影响。 通常变电站地网是等电位的，即地网上不同点之间是没有电位差的，但是当 有快速的暂态电流注入地网时，如接地短路、雷电流冲击等，地网上的电位就会 因为有电流在地网中流动而使得地网上各点电位的不同，特别是当有通常幅值较 大雷电流流过接地装置时，接地系统的电位会升高，地网不同点之间会出现电位 差，成为对二次系统共模干扰的主要来源。 1 2 电子信息时代雷电对弱电设备损害情况 雷电形式及雷电对弱电设备造成损害的情况主要有以下几种：( 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、设备间连接线所感应的雷电过电压。当其 侵入设备后，使串联在线路中间或终端的电子设备遭到损害。感应雷虽然没有直击 雷严重，但其发生的几率比直击雷高得多。( 3 ) 雷电浪涌是近年来由于电子技术的 不断使用而引起人们重视的一种雷电危害形式。最常见的电子设备危害不是由于 直接雷击引起的，而是由于雷击发生时在电源和通信线路中感应的电流浪涌引起 的。一方面由于电子设备内部结构高度集成化，从而造成设备耐压、耐过电流的水 平下降，对雷电( 包括感应雷及操作过电压浪涌) 的承受能力下降；另一方面由于信 号来源路径增多，系统较以前更容易遭受雷电波侵入。浪涌电压可以从电源线或信 号线等途径窜入电脑设备。这样的浪涌电压完全有可能一次性地将电子设备损坏。 信号系统浪涌电压的主要来源是感应雷击、电磁干扰、无线电干扰和静电干扰。 当人类社会进入电子信息时代后，雷灾出现特点与以往有极大的不同，可以 概括为：( 1 ) 受灾面大大扩大，从电力、建筑这两个传统领域扩展到几乎所有行 业，特点是与高新技术关系最密切的领域，如航天、航空、国防邮电通信、计算 韭塞銮适盘堂童些亟圭堂焦途塞 i i直 机、电子工业、石油化工、金融证券等，雷电的受灾行业面扩大了。( 2 ) 从二维 空间入侵变为三维空间入侵。从闪电直击和过电压波沿线传输变为空间闪电的脉 冲电磁场从三维空间入侵到任何角落，无空不入地造成灾害，因而防雷工程已从 防直击雷、感应雷进入防雷电电磁脉冲( l e m p ) ，雷电灾害的空间范围扩大了。( 3 ) 雷灾的经济损失和危害程度大大增加了，它袭击的对象本身的直接经济损失有时 并不太大，而由此产生的间接经济损失和影响就难以估计。( 4 ) 产生上述特点的 根本原因是雷灾的主要对象已集中在微电子器件设备上。雷电的本身并没有变， 而是科学技术的发展，使得人类社会的生产生活状况变了。当今时代的防雷工作 的重要性、迫切性、复杂性大大增加了。 1 3 建筑物的系统防雷 人们对电子系统的过电压问题越来越重视，主要是由于以下几个方面的原 因：随着技术的进步，电子器件的体积、功耗越来越小，敏感度越来越高，但随 之出现的问题是其耐受过电压、过电流的能力却越来越脆弱，其次人们对此问题 的感性经验逐渐增多，对电子系统过电压的认识越来越深刻。因而采取有效的手 段对电子系统进行过电压防护已成为人们的共识。 重要的建筑物一般采用避雷针、避雷带( 网、线) 等传统避雷装置，这些避 雷设施对直击雷防御是有效的，但对雷电感应高电压以及雷电电磁脉冲的防护无 能为力。所以有必要采用更加严密的措施来进行防护，它包括：良好的接地和等 电位连接措旌、合理的屏蔽措施、规范的布局布线、正确安装和配置浪涌保护器 ( s u r g ep r o t e c t i v ed e v i c e 。s p d ) 等部分。 为此，变电站的综合自动化系统属于电子信息系统，对雷电的防御不仅要考 虑直击雷防护，而且要考虑良好的接地和等电位连接措施、合理的屏蔽措施、规 范的布局布线、正确安装和配置浪涌保护器。变电站的综合自动化系统综合防雷 结构图见图1 - - 1 。 2 韭哀銮煎盔堂童些亟主堂焦迨塞i l 直 图1 一l 变电站的综合自动化系统防雷结构图 等电位连接就是把建筑物本身和共内各种导电体用导体在电气上连接起来以 保证等电位，避免由于过大的电位差发生反击或旁侧闪击而对人和设备形成危险。 电子信息系统的金属外壳、机柜、机架、直流地、防静电接地、屏蔽线外层、安 全保护地及各种s p d 接地端，均应以最短距离就近与等电位连接网络连接。 良好的接地系统是其它防护措施的基础。建议电子信息系统的接地采用统一 接地，即将交流工作地、直流工作地、安全保护地、防静电接地、防雷接地等共 用一组接地装置。接地应从共用接地网引出，通过接地干线引至总等电位接地端 子板和各楼层辅助等电位接地端子板；再通过接地线引至各设备机房的局部等电 位接地端子板。 屏蔽是利用各种金属屏蔽体来阻挡和衰减施加在电子设备上的电磁干扰或过 电压能量。屏蔽具体分为建筑物屏蔽、设备屏蔽和线缆管道屏蔽。 建筑物屏蔽是利用建筑物体的钢筋和其它金属结构相互连接在一起，并 与接地网形成可靠的电气连接来构成一个法拉第笼，对建筑物内的电子信息系统 进行电磁辐射防护，形成初级屏蔽网。 设备屏蔽要求设备的屏蔽层要厚，网孔密度大，屏蔽材料导磁率高，这 样能更有效的阻挡衰减外界的电磁干扰 线缆屏蔽采用屏蔽电缆，其屏蔽层两端应做等电位连接接地。当建筑物 之间的互连电缆采用非屏蔽电缆时，应铺设在与建筑物的等电位体有电气连接的 金属管道内。 韭塞銮适太堂圭些亟堂僮盈塞 i i宣 进行合理布局布线。电子信息系统机房应避免设在建筑物的高层，宜选择在 大楼的低层中心部位，电子信息设备和线缆尽量远离建筑物的外墙结构柱子。因 为当发生雷击时，有很大一部分雷电流从墙体中的钢筋体向大地泄流，在其附近 会产生很强的电磁场干扰。电子信息设备和线缆也应与可能产生电磁干扰的别的 电气设备之间保持必要问距，如电源线不要与馈线、信号线同槽架设，外部引线 不要与内部接线同槽架设。 正确安装和配置浪涌保护器。根据建筑物内用电设备距离电源入口的位置， 将室内的过电压水平分成三类，c 类外部和供电总入口处的过电压水平；b 类 与建筑物入口之问的距离较短处及主要馈电线处的过电压水平；a 类超过 b 类l o 米或超过c 类2 0 米处的过电压水平；用电设备对这三类过电压分级安装浪涌 保护器进行泄压。 另外，对于电子信息系统中的电子信息设备的供电方式，i e c 和i t u ( 国际 电信联盟) 均建议在建筑物内的低压配电系统中采用t n - s 方式供电，如图l 2 建筑物内低压配电系统t n - s 供电方式，即通常说的三相五线制( l 1 ，l 2 ，l 3 ，n ， p e ) ，p e 保护线在正常时不呈现电流，电子信息系统的外露导电部分与之相连也 不会出现电压，是比较安全的供电方式。 配电变 建筑物电源进线 图l 2 建筑物内低压配电系统t n s 供电方式 1 4 研究内容 4 a b c n p e 韭基銮重盔堂童些亟堂焦途塞 i l直 本文是从一个真实的自动化综合信息控制系统遭受雷击事故分析变电站防雷 接地系统存在的问题并提出有效的解决方法。 1 、自动化综合信息控制系统防止地网过电压反击问题。 2 、采用离子地极的人工水平外扩地网的降阻设计和运行维护问题。 3 、自动化综合信息控制系统电源部分的防雷问题。 韭塞塞适左堂童些亟主堂焦诠塞垂塞 第2 章变电站介绍 2 1地理位置及地质报告 儒岩变电站站址位于广西梧州市郊儒岩村，占地面积3 8 8 1 6 平方米，地貌为 丘陵地段，为第四系坡残积土覆盖，下伏土为泥质砂岩。岩土勘察报告地质性质 自上而下分为4 层，第一层为耕土，主要由粘性土组成，层厚0 3 o 7 米；第二层 为粘土，稍湿，硬塑状态，干强度高，韧性高，分布连续均匀，层厚1 8 0 - - 4 4 0 米； 第三层为强风化泥质砂岩，节理构造不清晰，岩芯呈粉状和片块状，含泥质，手 捏易碎，层厚1 1 4 8 米；第四层为中风化泥质砂岩，泥质快状结构，岩芯呈短柱 状，岩质较硬，最大揭露厚度为1 4 7 米。 2 2土壤电阻率测量及其分布特点 2 2 1 土壤电阻率测量方法和使用仪器 测量方法采用电阻率法对称四极测深装置，测深点为2 5 米2 5 米网格布置， 电阻率测量仪为d w 阻之a 型微机电测仪。 2 2 2土壤电阻率分布特点 不同深度土壤电阻率见表2 1 测点不同深度土壤电阻率值( 0 m ) 2 m5 ml o m 2 0 m3 0 m 11 1 2 05 8 62 3 64 7 6 5 4 3 21 0 5 37 3 16 2 65 3 6 4 9 2 31 2 1 28 2 17 3 66 6 7 5 l l 49 3 76 2 85 4 26 0 l 4 2 l 51 2 1 45 7 3 2 9 9 3 9 8 4 8 8 68 7 66 8 6 3 9 6 4 7 l 5 0 6 79 2 1 7 3 1 4 7 7 5 9 3 6 8 1 6 韭塞銮适盔堂主些亟主堂僮盗毫垂塞 87 6 88 8 35 2 56 2 14 3 8 91 0 2 16 5 7 6 0 15 4 24 9 1 1 09 儿9 2 2 5 0 64 7 52 3 8 1 18 7 14 7 1 2 9 8 4 5 8 2 9 7 1 21 2 1 08 6 1 4 8 1 5 4 53 9 9 1 37 6 15 3 3 4 9 6 5 0 76 3 6 1 48 8 64 7 84 3 67 0 48 2 3 1 51 2 1 05 6 94 4 95 3 56 2 6 1 69 4 99 0 1 1 0 1 1 5 4 6 9 2 9 表2 1 不同深度土壤电阻率 土壤电阻率特点：地质结构单一，同一深度的土壤电阻率值相差较大。且同 一位置随着深度的增加，土壤电阻率增加。总的来看，土壤电阻率的增加是由于 地层干燥引起，地表粘土较干燥，电阻率较高。土壤平均电阻率为6 5 3 0 m 。 2 3变电站电压等级、容量和接线方式 儒岩变电站为终端变电站，电压等级为1 1 0 k v 3 5 k v 1 0 k v ，主变容量2 台 3 1 5 0 0 k v a 。主接线方式：1 回1 1 0k v 进线带2 回线路一变压器组( 1 台开关带1 台主变) ，进线在站外第一基铁塔分成2 路进入，导线型号l g j - - 2 4 0 ：2 个1 1 0 k v 进线间隔，3 5k v 是单母线分段，2 回3 5k v 出线，导线型号l g j 2 4 0 ；1 0 k v 为 两段独立母线，不带联络开关，1 回1 0k v 出线，每段母线各带1 台站用变。主接 线1 1 0 k v 和主变部分见图2 3 _ 1 ，3 5k v 部分见图2 3 2 ，l ok v 部分见图2 3 3 ；变电站在2 0 0 5 年4 月2 8 日通过验收正式投入运行。 7 韭塞窑适盔堂童些亟圭望焦j 盆塞正塞 x 平甓赳统 平锄眨线 图2 3 1 变电站1 1 0k v 和主变主接线部分 图2 3 2 变电站3 5 k v 主接线部分 8 韭塞銮适盔堂主些亟堂焦监塞正塞 m n 3 w 一弗 目m m _ 1 艚仨毫 z 号肾仨毫骞 图2 3 3 变电站1 0 k v 主接线部分 2 4变电站监控、保护、直流系统 变电站监控采用综合自动化系统，系统具有“四遥”功能；用g p s 卫星对时 装置对各保护、测量控制模块对时，通讯系统为光纤通讯；主变差动、后备保护， 线路保护为微机保护型保护。还配备了微机防误闭锁装置。直流系统由高频电源、 充放电控制器、蓄电池组成，高频电源由所用变低压回路3 8 0 v 供电。 2 5变电站防雷接地系统 2 5 11 1 0 k y 架空避雷装置 1 1 0 k v 进线带双避雷线，避雷线型号g j 一5 0 ，1 1 0 k v 迸线终端塔引出4 根避 雷线，在# 1 和# 21 1 0 k v 进线门型架各接2 根，# 21 1 0 k v 进线门型架上装设有构 架避雷针，避雷针高度1 4 5 米，门架高度l o 米，进线门型架引出螺栓与主地网 连接接，构架避雷针引下线没有增加集中接地体。 2 5 2避雷器配置 9 昏宦 j e 丞銮望丕堂主些亟堂僮途塞垂塞 1 1 0 k v 进线开关间隔各装有l 组避雷器，避雷器型号y h l 0 w - - 1 0 0 2 6 0 。 3 5 k v 出线开关柜线路侧装有1 组避雷器，避雷器型号5 w z _ 0 2 ，1 2 4 ，两 段母线各装有1 组避雷器，避雷器型号y h 5 c z l 4 2 1 2 4 ，l o k v 母线和出线开关 柜线路侧装各有1 组避雷器，避雷器型号y h 5 w z 1 7 4 5 。 2 5 1 3 全所共有2 支高3 5 米的独立避雷针，避雷针有各自独立集中接地网， 不与主地网连接。 主接地网面积4 3 5 5 0 5 = 2 1 9 6 7 5 平方米，是一方孔地网，网格分6 米x 6 米，5 5 米5 5 米，5 米5 米三种规格，水平接地体为5 0 x 5 的扁钢， 网孔导 体总长4 3 5 x1 0 + 5 0 5 9 = 8 8 9 5 米，深埋0 8 米；垂直接地体为5 0 x 5 0 x 5 的角 钢，长2 5 米，垂直接地体顶部( 离地面0 8 米土层) 与水平接地体焊接，共5 3 根。 主地网工频接地电阻按下试估算： r 0 5 二( 3 - - 1 ) a r 变电站土壤电阻率，取平均值6 5 3 0 m 。 一变电站地网面积，为2 1 9 6 7 5 m 2 。 r 。0 5 ) _ a = 6 96q 估算值为6 9 6 0 ，实际测量值不带架空避雷线时为4 q ，带架空避雷线为1 8 0 。 外扩地网呈放射状，由主地网靠大门侧向个3 不同的方向引出5 0 x 5 0 x 5 扁 钢水平接地体，长度分别为2 5 0 米、1 5 0 米、1 0 0 米，每隔2 5 米焊接1 支d x l 离 子列阵电解地极，共2 2 支，2 个阴极补偿装置。 外扩地网与主地网( 带架空避雷线) 总的工频接地电阻为0 8 0 。测试跨步电 位差和接触电位差，验算跨步电位差和接触电位差不超过d l ，r 6 2 l 一1 9 9 7 交流 电气装置的接地的要求。 第3 章变电站雷害事故分析 3 1 变电站所处区域雷电活动情况 我国的多雷区( 平均年雷暴日超过4 0 但不超过9 0 的地区) 主要集中在华南、 西南南部和北部以及西藏东部地区；雷电活动特殊强烈区( 平均年雷暴日数超过 9 0 的地区及根据运行经验雷害特殊严重的地区) 主要是云南南部、海南、广西、 1 0 韭塞窑塑丕堂童些亟堂焦途塞匹塞 广东部分地区以及西藏东北部平均年雷暴日超过1 0 0 天；云南南部、海南、广西 东南部、广东西南部、湖南南部以及西藏东北部地区平均年雷暴日在1 2 0 天以上， 儒岩变电站所处区域在广西东南部，属于雷电活动特殊强烈区，雷电活动在每年 的6 、7 月份最集中。 3 。2雷电破坏变电站弱电设备当日运行环境 3 2 1运行方式 2 0 0 5 年7 月2 2 日，儒岩变电站2 台主变压器在热备用状态，1 0 k v 儒近线9 0 5 开关供1 0 k v l 段母线，1 0 k v l 段母线供# 1 所变，# 1 所变供整个变电站的所用电； 两段3 5 k v 母线不带电，母线分段开关在合闸位置，3 5 k v 闽港2 线3 0 5 开关在合 闸位置；其它开关在热备用状态。 3 2 2 气象情况 2 0 0 5 年7 月2 2 日，气温3 0 - - 3 7 0 c ，雷雨天气，变电站附近上空当日发生多次 雷电，响声很大。 3 3弱电设备被破坏情况 2 0 0 5 年7 月2 2 日1 5 ：3 5 分，变电站上空出现第一次雷鸣闪电，1 0 k v l 段母 线出现谐振告警，a 、b 两相对地电压同时升高到c = 7 1 k v ，u b n = 7 1 k v ，c 相 对地u c r i = 6 k v ，a b 相间电压c ，柚= o ，# l 所变低压侧开关因a b 相间电压变动到 0 v 跳闸，所用变跳闸，二次系统交流失压，微机五防系统主机烧坏、音箱烧坏( 交 流供电) ，# 2 主变温度变送器损坏( 交流供电) ，使用直流蓄电池供电，监控系统 运行正常，在远方使用遥控断开1 0 k v 开关。1 5 ：4 6 分，变电站上空出现第二次 雷鸣闪电，光纤通讯屏奥能g e c - 2 0 a 2 2 0 v 不间断电源插件绝缘损坏，监控系统 主机主板元件烧坏，与本地总通讯单元和远方调度中心通讯失败。 3 4儒岩变电站设备接地系统 3 4 1 1 0 k y 所用变接地示意图 j 塞銮通盔堂童些亟主雯僮途毫垂塞 l o k v 所用变在低压侧中性点就近与变电站地网连接，其接线如图3 4 1 所 接1 0 x l r h 段扪哪i 段 _ ： ? g ； 8 导 h 犯所用支瑚诵褒 睁掣! n i 州4 - 1 0 。圳1 0f 1 0 ，i 士州n i jl 】i l i m “ 点 - - m 1 l l i h 【卫 0 u 卜削 次 方 5 。3 。 叶 缵 塞 里电 r 1 ： 路 所用屏编号 m 图3 4 一ll o k v 所用变接线图 3 4 2 主控室继保和综合自动化二次屏柜布置图 图3 4 - 屯主控室继保和综合自动化等二次屏柜布置图 1 2 韭塞变塑盔堂童些亟主堂僮迨塞垂塞 3 4 3全所继保和综合自动化装置接地示意图 1 王毫i 电屏腔吾幸i 出幂吾幸也：竞摩屏_ ，i 鳃护屠槿童童黜景喀窖皇曲e 扁垡雨晨先拜i 隅晨 川1啊田m i _ 默互i 光奸西 11 t i l 宅并 蛋i - 离沪转互口咿x 互辟p 挂 雪强呷， 1 亡= 1 亡= 墨舻城 目 掣掣 i 第二l 暖i ；转互 话j 士鞋峨 l 1 h l ii i上r qilli 回 旁； -l -。 j；摹。壬丰丰王j王玉 壬i mi 襄墟剖t 糟删9 憎矫境l 啦盛 【l 2 主拽室二授乐绕搀地母9 妒e 2 冲。s 哪 制搿 霪蓄 r f - e 一 翻一 瞄 钳为 3 + 一尸外扪主变厦舵主变高压侧问辱塌子糟 甜n 餐 多 5 - - 1t o k v 囊空醴拽埋著线 噬瞄 r 6 - - - 1 1 陬螺空进缆避看线豆构袈蓝著针( 2 4 5 柏 瓤蜘 冀 7 - - - 主变卢外捌子锗 8 _ 户外i 虫古畦看针0 5 幕 ，争一“| ：j ；菥晶鑫茁一一1 ；再 多 一乡 多 ， 厂 、 国 日 目 日血 牲j 空格 舜 型h i l 为。米 l l l 拳 口髀秤 b 趣 u k rl l 主 _i l 毛 暑 f 图3 4 3 全所继电保护和综合自动化装置接地示意图 1 3 扯塞銮垣丕堂童些亟堂焦途塞垂塞 3 5 防雷设计改造的雷电参数选择 梧州市地处广西东南部，年平均雷电日超过1 2 0 天。雷电流幅值指的是雷电 流波形上出现的最大值，雷云对地放电具有很大的随机性，目前我国电力系统防 雷设计使用图3 5 1 雷电流幅值的累积概率曲线”。 图3 5 - - 1 雷电流幅值的累积概率曲线 在图3 5 1 雷电流幅值的累积概率曲线中，累积概率曲线的经验公式为 培p=一生88(3-2) 根据中华人民共和国电力行业标准d l t 6 2 0 一1 9 9 7 交流电气装置的过电压保 护和绝缘配合，在对变电站防雷设计计算中，采用雷电流幅值一般不超过1 0 0 k a 。 一生一! 塑 p = 1 08 8 = 1 08 8 = 7 3 在我国电力系统的雷电过电压设计中，常用2 6 _ i s 的波头时间。1 ，波头平均陡 度 ，m 口= 一 “ ( 3 - 3 ) 1 0 0 3 8 4 k a a s 2 6 本文采用幅值1 0 0 k a ，概率为7 3 的雷电波进行防雷改造计算用。 3 6雷电入侵变电站的地网的冲击电阻计算 3 6 1 雷电波从11 0 k v 架空避雷线入侵变电站的等值电路 1 4 i e 基銮垣盔堂童些亟堂鱼途塞垂塞 ；l b 2jb 2 2 l b _ ，一 - 俎b 三! ；t：! 婪 k i1 ；l i b1 p 号 图3 6 一l 雷击杆塔的等值电路 雷电波直击在1 l o k v 架空避雷线杆塔顶部时，在工程近似计算中，常将杆塔 和避雷线以集中参数电感如和来代替【3 j ，这样雷击杆塔的等值电路如图3 6 1 ， 图中为杆塔电感，厶为避雷线的等值电感，为杆塔冲击接地电阻， 珞币l ( 3 4 ) 口为分流系数，对于l l o k v 一般长度档距的杆塔，在双避雷线时b = o 8 6 ，分 流了大部分雷电流。 3 6 2变电站地网冲击电阻计算 从发生雷电造成的设备损坏情况看，雷电流从三个通道进入：一是雷直击于 l l o k v 构架避雷针来，二是雷击l l o k v 架空避雷线进入，三是雷电流从l o k v 架空 线路进入。雷电波从l l o k v 架空避雷线进入时，由于杆塔和避，雷线的分流作用， 进入变电站地网的雷电流值远比雷直击于l l o k v 构架避雷针少，地网冲击电阻计 算只考虑雷直击于l l o k v 构架避雷针的情况。 3 6 ，2 1 变电站方孔水平地网冲击接地电阻计算 在图3 4 3 全所继电保护和综合自动化装置接地示意图中，避雷针距离变电 站地网横向边线约6 5 米，距离纵向中心线越7 米，当雷电直击于变电站l l o k v 构架避雷针时变电站地网呈现的冲击接地电阻可以近似等于雷电直击于横向边线 中点时的呈现的冲击接地电阻。 雷击变电站水平方孔地网横向边线中点时，可以将地网拆成图3 6 2 的( a ) 些立銮通友堂童些亟堂僮途塞正塞 和( b ) 【4 】 边线中点 5 ( a ) 边线中点 5 ( b ) 图3 铲_ 2 ( a ) 雷击变电站水平方孔地网横向边线中点纵向电路拆分图 图3 6 一- 2 ( b ) 雷击变电站水平方孔地网横向边线中点横向电路拆分图 在图3 6 2 ( a ) 中，从点5 向下看得右边的等值电路如图3 6 3 ，冲击电 阻由下式求出为 llll 图3 6 3 雷击变电站水平方孔地网横向边线中点纵向电路等值电路 6 ( 3 5 ) 韭塞銮道丕望童些亟堂焦途塞垂塞 三和g i 的个数为”， ，广方孔地网同一方向水平均压带数目1 7 1 1 后除以2 。 伪方孔地网同一方向水平均压带数目，h i - - - 9 。 1 1 1 - 1 2 ：丝 ( 3 1 ) z = 4 工长度为d 的水平均压带的总电感， l = l o d ( 3 7 ) = 1 7 x 1 0 - 6 x 5 5 = 9 3 5 1 0 1 工等值电阻由为三，因为i = a t ，u l = l d i d t - - - a l ，u t i = a l a t = l t ，f 取r ：2 6l ls ， 三三 tf ：= 9 3 ：5 x 1 i 0 6 ( 3 - - 8 ) 2 瓦丽 = 3 6 g t ：g 。d + 上 ( 3 母) r f l 国一接地导体的单位长度电导，在实用范围内，可取g o z l 2p ，p 取土壤 平均电阻率6 5 3 f 1 m 。 伊平行的水平均压带间距，本文取5 5 米。 r t l 1 根水平接地带的冲击接地电阻，它由下式求得，在一般情况下， r t l2 1 3 。妇 ( 3 一l o ) 3 3 一l ：3 6 ( 3 1 1 ) g l ；! 一5 5 + 土：o 0 0 4 2 + 0 0 3 0 3 = 0 0 3 4 5 2 6 5 33 3 里+ 上：3 6 + l ：3 2 6 ( 3 - - 1 2 ) f tg l0 0 3 4 5 更1 = 去一o 。s ( 3 - - 1 3 ， f tg i g i + 击观0 3 4 5 + o 0 3 l = o 0 6 5 5 ( 卜1 4 ) i + g i 1 7 j e 塞銮垣丕堂童些亟堂僮途塞正塞 g i + l 一 f t l l1 一j - 一 ag 1 l 1 l1 i + = ta g l + 卉 f tg i f i r i r t 1 f l = 3 6 + 1 5 2 6 = 1 8 8 6 ：上：0 0 5 3 1 8 8 6 l = 0 0 3 4 5 十0 0 5 3 = 0 0 8 7 5 ：j ：1 1 ，4 2 0 0 8 7 5 = 3 6 + 1 1 4 2 = 1 5 0 2 ：l ：o 0 6 6 5 1 5 0 2 ( 3 1 5 ) ( 3 1 6 ) ( 3 1 7 ) ( 3 1 8 ) ( 3 1 9 ) ( 3 2 0 ) ( 3 - 2 1 ) = 0 0 3 4 5 十0 0 6 6 5 = 0 1 0 1( 3 2 2 ) 忐 击靠 +g +g l o 臼 一ln +g g 一 + 一l 一 +g + l n +g + l i ： +g +g s 韭塞銮夔盔堂童些亟堂焦监塞垂塞 l f t ：上：9 9 0 1 0 1 g 1 + r 一- - f d ，一l t l m 一一十 f f = 3 6 + 9 9 = 1 3 5 g 1 + 三 一+ 砍 g 1 + = 1 3 5 q 图3 6 _ - 2 ( a ) 从5 看进去总的冲击电阻为 r 仁否：再1 2 万1 5 5 + 两2 。而丽1 丽舐5 r ，诅 在图3 铲- 2 ( b ) 中，从点5 向下看等值电路如图3 6 4 ， ( 3 2 3 ) ( 3 2 4 ) 图3 卜4 雷击变电站水平方孔地网横向边线中点横向电路等值电路 1 9 。一。一。一垛一一 一 一g 一 + 一l 一乱 g 毒一 一l a +g 一土a ，一 一三一n i + 三一钉 毡夏窑垣盔堂童些亟堂焦j 佥塞延塞 冲击电阻由下式( 3 2 5 ) 求出 月名：一l 十 由式( 3 1 0 ) 得到融z 1 3 x 石* 3 3 由式( 3 1 1 ) 得到兰：3 6 r f l g = 0 5 g o d + 二l 0 5 r = 0 5 x 0 0 0 4 2 + _ = 一= 0 0 6 3 0 5 3 3 旦+ 三：3 6 + 上：1 9 4 7 f fg 0 0 6 3 l - ：l ：0 0 5 1 l 。1 1 9 4 7 “g g + 丁彳2 0 0 6 3 + 0 0 5 1 。0 1 1 4 f fg 1 g + 击 - 4 - 一 ag ：j l ：8 7 7 o “4 ( 3 2 5 ) ( 3 2 6 ) ( 3 _ 2 7 ) ( 3 2 8 ) ( 3 吧9 ) ( 3 3 0 ) ( 3 3 1 ) 丧一 一” 韭塞銮煎左堂童些亟堂焦途塞垂塞 l_一：36+877：1237-t 雨2 拖2 i + 否 = 0 0 6 3 + 0 0 8 1 = 0 1 4 4 - g + r 一1 - f f 一1 - n 1 ：上：6 9 4 0 1 4 4 = 3 6 4 - 6 9 4 = 1 0 5 4 2 l ( 3 3 2 ) ( 3 3 3 ) ( 3 3 4 ) ( 3 - 3 5 ) ( 3 3 6 ) ( 3 - 3 7 ) 0 9 5 = 0 1 5 8( 3 3 8 ) 一工一钉 卜g 。一川一一。 g j t 塞窒适盔堂童些亟主堂焦途窑垂塞 按式( 3 2 6 ) 将连分式继续代入计算，最后得到r ，伽 r 矿三+ f l g + i + 三 - j l r f g + r - j l f ， g + f 一+ f f g + r 一4 f t g + 矗 = 9 5 8 由式( 3 2 5 ) 计算得到图3 6 _ 一2 ( b ) 从5 看进去总的冲击电阻r 为 r ，f o s g 。d + 击0 5 x 0 0 0 。z + 去 = 9 3 9 雷电流经接地体泻散入地时，接地体的分布参数效应与土壤的放电效应将同 时起作用，但两者的作用效果是不同的，通过大量的试验发现，在绝大多数的情 况下，接地体的分布参数效应对接地电阻的影响要弱于土壤的放电效应的影响， 因此接地体的冲击接地电阻小于其工频接地电阻，然而在高土壤电阻率土壤中的 伸长接地体和传导短波头( 波头陡度很大) 雷电流的较长接地体等少数特殊情况， 分布参数效应可能会强于土壤的放电效应【5 1 。一般土壤由于是不均匀媒质，其耐压 强度只有8 ，5 k v 左右1 6 1 ，在t 产- 6 5 3 1 1 m 时使土壤放电的电流密度为 ，：墨 p ：磐( 3 _ 3 9 ) 6 5 3 1 0 = o 1 3 ( a c m 2 1 接地体长4 5 0 0 0 c m ，宽5 c m ，厚0 5 c m ，则其表面面积为 4 5 0 0 0 x ( 5 + o 5 ) x 2 = 4 9 5 0 0 0c m 2 要使土壤发生放电的电流为 ， 口1 3 4 9 5 0 0 0 6 4 3 5 0 ( a ) = 6 4 ( k a )( 3 4 0 ) 韭立銮适盍堂童些亟圭堂焦迨童垂塞 当取流入地网的雷电流幅值1 0 0k a x 0 8 6 = 8 6k a 为计算值时，雷击变电站方 孔地网边线中点时，它要向左右及前面3 个方向散流，平均每个方向电流大约为 雷电流幅值的三分之一为2 8 7 k a ，未达到土壤发生放电的电流值6 4k a ，为简化 接地冲击电阻计算忽略土壤的放电效应的影响，只考虑分布参数的影响。 在长接地体情况下，接地体的分布参数效应将变得明显，出于工程计算简化 的目的，其土壤放电效应可忽吲7 1 ，雷击变电站水平方方孔地网横向边线中点5 的 冲击接地电阻为 肛坠坠 r r 卜r 4 t ：6 5 6 x 9 3 9( 3 - 4 1 ) 6 5 6 + 9 3 9 = 3 8 “q ) 3 6 2 2 变电站方孔地网垂直接地体冲击电阻估算 一般情况下，雷击方孔形地网边线中央时，距离雷击点2 5 米后雷电流已经大 大衰减，在计算方孔形地网垂直接地体总冲击电阻可以只考虑雷击点2 5 米范围内 的垂直接地体总的冲击电阻。本文儒岩变电站在雷击点2 5 米附近约有垂直接地体 2 0 支。 单个垂直接地体的冲击系数 弘礴l 3 一 p = y o p o = 1 3 6 5 3 = 8 5 0 k 系数，对于垂直接地体取值为0 9 ； 1 垂直接地体长度2 5 m ； i m 一流入地网的雷电流幅值，雷电击在边线中点时，按有2 0 个接点将 雷电流分流进行计算，这2 0 个接点均分雷电流，所以i m = 8 6 2 0 = 4 3k a 。 代入计算得 韭塞銮逗丕堂童些亟堂僮途童垂塞 单个垂直接地体工频接地电阻为 r g = 南k 警 对于等边角钢d = 0 8 4 b ，b 为角钢边长。 代入计算得 如= 历6 1 5 4 3 2 ，5 i no 8 2 4 x 2 0 5 砑 = 1 9 8 ( f 1 ) 单个垂直接地体的冲击接地电阻为 r h = c t r s , , = 0 5 7 3 1 9 8 = 1 1 3 4 ( q ) 3 6 2 3 方形地网水平和垂直接地体总冲击电阻估算 ( 3 4 4 ) ( 3 q 5 ) 方形地网和垂直接地体总的接地电阻为 r t x 堕 m 2 尼+ 堕n 。石1 3 4 6 i v 一由水平接地体连接n 根垂直接地体构成的组合接地体冲击利用系 数，可近似取0 7 。 尼。坠。 胁从垒n 嘉 3 8 6 11 3 4 ， 。聂违。击- 3 2 8 c g 2 0 在入地雷电流为8 6 k a 时，总的接地电阻计算值为3 2 8 0 。 当入地雷电流为1 0 0 k a 时，计算地网总的接地电阻计算值为3 2 t 1 。 3 6 3雷击引起二次设备故障的电压值估算 变电站建筑物内主控室综合自动化设备外壳屏蔽接地线错误地接到了距离构 架避雷针接地线不足3 米的位置，雷击地网时，暂态的过电压直接引入综合自动 化设备的外壳，引起设备绝缘损坏。在中华人民共和国标准g b5 0 0 5 5 7 9 4 ，建筑 物防雷设计规范中计算机2 2 0 v 交流电源的雷电冲击耐受电压为1 5 0 0 v ，当雷击地 韭塞銮望太堂童些亟圭堂焦途毫垂塞 网引起变电站综合自动化设备外壳屏蔽接地线与站用变低压侧交流电源中性点之 问的电压超过1 5 0 0 v 时，就有可能损坏。 在检查雷击损坏综合自动化设备测量到损坏的插件对壳的距离为：监控主机 外壳与与主板工作地接通，监控主机外壳与主板工作电源之间距离为3 厘米，光 纤通讯电源的外壳与损坏电源插件之间距离接近3 厘米。空气的平均抗电强度 5 0 0 k v m n ，当综合自动化设备外壳与损坏插件之间的电位差大于1 5 k v 时，插件 就可能损坏。 3 6 4雷击引起二次设备故障的雷电流幅值和变电站地网冲 击接地电阻的趋近估算 由3 6 2 3 节在流入地网雷电流幅值为8 6 k a 下计算得到变电站地网的总冲击 电阻为3 2 8 f l ，由于暂态的过电压直接引入综合自动化设备的外壳，在综合自动化 设备外壳与损坏插件之间的电位差大于1 5k v 时，可以初步估算流入变电站地网 雷电流幅值为 。意 。h ， = 芸“5 7 ( 削) 当流入地网雷电流幅值大于4 5 7 k a 时，就会引起综合自动化设备插件损坏， 但是由于地网的总冲击电阻为3 2 8 f l 是从假设入地雷电流幅值为8 6 k a 下计算得 到，与设备故障时入地雷电流幅值估算值相差太大，用逐步趋近的方法再进行估 算地网的总冲击电阻和故障时的入地雷电流幅值。 设入地雷电幅值为5 k a ，雷击变电站方孔地网边线中点时，它要向左右及前面 3 个方向散流，平均每个方向电流大约为雷电流幅值的三分之一为1 7 k a ，未达到 土壤发生放电的电流值6 4k a ，计算接地冲击电阻忽略土壤的放电效应的影响，雷 击变电站水平方方孔地网横向边线中点5 的冲击接地电阻仍然为3 8 6 9 不变，垂 直方向接地体的冲击电阻因入地雷电流的不同而发生改变。 由式( 3 4 2 ) 计算单个垂直接地体的冲击系数雷电击在边线中点时，按有2 0 个接点将雷电流分流进行计算，这2 0 个接点均分雷电流，所以i m = 5 2 0 = 0 2 5 ， 代入式( 3 _ _ 4 3 ) 计算得 单个垂直接地体工频接地电阻不变为 如= 丽6 1 5 4 3 2 5 i no 8 2 4 x 2 。5 万= 1 9 8 ( q ) 单个垂直接地体的冲击接地电阻为 r 拥= 口r = 1 0 1 1 9 8 = 2 0 0 0 6 ( 0 ) 由式( 3 4 6 ) 计算方形地网和垂直接地体总的接地电阻为 尼。堕 如2 菇。去 3 8 6 2 0 0 0 6 ， 2 趟。击以咧卿 2 0 由式( 3 4 7 ) 计算故障时流入地网的雷电流幅值 1 皿12 i 2 兰3 9 9 2 3 7 6 f t o ) 经过前面计算可以近似将4 k a 作为设备受到雷击损坏时的入地雷电流的最小 幅值，再进行验算得到萨1 0 2 8 ，r i m = 2 0 3 5 f l ，r j 产4 0 ，i m i - 3 7 5 k a 。所以可以将 设备受到雷击损坏时的