（电力系统及其自动化专业论文）电力系统过电压防护及接地研究.pdf

a b s t r a c t l i g h t n i n g i n v a s i o nw a v e o v e r - v o l t a g e a r et h em a i nr e a s o no f s u b s t a t i o n ，p o w e rp l a n t so fa c c i d e n tv i c t i m s ，r e a s o n a b l es i m u l a t i o no fh o w t oa c c u r a t e l yc a l c u l a t et h es u b s t a t i o n s ，p o w e rp l a n t s ，i n v a s i v ew a v eo f l i g h t n i n go v e r v o l t a g eh a s a n i m p o r t a n ts i g n i f i c a n c e t h ec a l c u l a t i o n r e s u l t sb a s e do ns e l e c te c o n o m i ca n dr e l i a b l el i g h t n i n gp r o t e c t i o np r o g r a m a n dt oa s s e s st h es u b s t a t i o n s ，p o w e rp l a n t sl i g h t n i n gp e r f o r m a n c e s u b s t a t i o n sa r et h eh u bo ft h ec u r r e n tp o w e rs y s t e m ，t h ee v e n to fm i n e a c c i d e n t s ，w i l lr e s u l ti nal a r g ea r e ap o w e ro u t a g e ，c h a n g e sa n de l e c t r i c a l s t a t i o n sa n do t h e rm a j o re l e c t r i c a le q u i p m e n tw i t h i nt h ei n s u l a t i o nd i dn o t h a st h ec a p a c i t yo fr e s t o r e ，e x t r e m e l yd i f f i c u l tt or e p a i r ，w i l li n e v i t a b l y c a u s es e r i o u sc o n s e q u e n c e s t h e r e f o r e ，s u b s t a t i o nl i g h t n i n gi n v a s i o nw a v e t ot h e o v e r - v o l t a g e i s v e r yn e c e s s a r y ，l i g h t n i n g o v e rv o l t a g ew a v e p e n e t r a t e d i n t ot h es e g m e n tb yt h es e c o n dc h a r a c t e r i s t i c so fi n s u l a t o r s t r i n g sv ，s h o c kt o w e rg r o u n d i n gr e s i s t a n c e ，s u b s t a t i o no p e r a t i o nm o d e ，a s w e l la st h ei m p a c to fal i g h t n i n gs t r i k ep o i n t s i m u l a t i o na tt h et i m et of u l l y t a k ei n t oa c c o u n tt h ev a r i o u si n f l u e n c i n gf a c t o r s ，a n d t r yt os i m u l a t e l i g h t n i n gc u r r e n t ，s u b s t a t i o na n d i n t ot h es e g m e n to ft h ee l e c t r i c a l e q u i p m e n t ：l i g h t n i n g c u r r e n ts o u r c et o w e ri n s u la t o r s t r i n g ，w i r e ，s u r g e a r r e s t e r s ，b u sb a r s ，t r a n s f o r m e r sa n do t h e re l e c t r i c a le q u i p m e n t t h i st h e s i s t oa2 2 0 k vs u b s t a t i o na sa ne x a m p l e ，s u b s t a t i o na n dl i n es e g m e n tw i l lb e c o m b i n e di n t o ，t h eu s eo fi n t e r n a t i o n a l l ya c c e p t e de l e c t r o m a g n e t i ct r a n s i e n t p r o g r a m ( a t p e m t p ) f o re a c h2 2 0 k vs u b s t a t i o nt o w e rs t r u c kb yl i g h t n i n g o v e r - v o l t a g ec a u s e db yt h ec a l c u l a t i o na n dr e s e a r c h a n dt h ec a l c u l a t i o no f t h el i g h t n i n ga r r e s t e ri ns u b s t a t i o na n de l e c t r i c a le q u i p m e n ta w a yf r o mt h e p r o t e c t i o n ，a sw e l la sav a r i e t yo fs u b s t a t i o nv o l t a g eo p e r a t i o nm o d eh a s b e e n c a l c u l a t e d ，b et h ec h a r a c t e r i s t i c so fl i g h t n i n gp r o t e c t i o n o f s u b s t a t i o n s ，t os e l e c tar e a s o n a b l ep r o g r a mo fl i g h t n i n gp r o t e c t i o n ，a n d a n a l y s i so ft h ee f f e c t so fi n f l u e n c i n gf a c t o r s ，d e s i g n e df o rt h er e f e r e n c eo f s u b s t a t i o n ，e m t pt r a n s m i s s i o nl l n ei nt h ec o r o n ao ft h em o r ed i f f i c u l to n e s t oe f f e c ts i m u l a t i o n ，l i n em o d e ld o e sn o th a v et h er i g h tt oc h o o s e ，f o rt h e s a k eo fr e l i a b l e ，t h i st h e s i sd o e sn o tc o n s i d e rt h et r a n s m i s s i o nl i n ec o r o n a e f f e c t ，s e c u r i t ys i d eo fp a r t i a lr e s u l t s i na d d i t i o n ，t r a d i t i o n a lm e t h o d so f i i t h eo r i g i n a lg r o u n di sn ol o n g e ra p p l i c a b l et ot h ed e s i g no fc o m p l e xt e r r a i n o ft h es u b s t a t i o n ， f o rt h ec o m p l e xt e r r a i no ft h et h e s i sp u tf o r w a r dan e wc a l c u l a t i o n m o d e lo ft h eg r o u n d i n gr e s i s t a n c ea n dm e t h o d st oa p p l yt ot h ed e s i g no f n e t k e yw o r d s ：o v e r v o l t a g e ；a t p - d r a w ；l i g h t n i n gi n c o m i n gg r o u n d i n g ； d e f e n d i i i 长沙理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研 究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论 文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文 的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名： 垫啦 日期：2 叼- 1 年5 月z l f e l 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权长沙理工大学可以将本学位 论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。同时授权中国科学 技术信息研究所将本论文收录到中国学位论文全文数据库，并通 过网络向社会公众提供信息服务。 本学位论文属于 l 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密囤。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名：童与峭 导师签名： 物孕 l e l 期：婀1 年岁月) 牛e l e t 期：z o q 1 年5 - 月2 年e 1 1 1 立项背景和意义 第一章绪论弟一早三百下匕 电能作为现代社会中最优秀的二次能源，对社会经济的发展具有十 分重要的意义，已经成为人类社会不可忽缺的重要组成部分。随着社会 进步和经济发展，人类越来越离不开电力，对电能的需求量日益增大， 尤其是在经济和社会快速发展的中国，每年对电力的需求增长率在巧以 上，因此，不得不加速大型电站的开发和建设。由于一次能源的地理位 置的限制以及环境保护方面的需要，这些大型电站的地理位置往往远离 负荷中心，而电力的生产、输送与消耗是在同一瞬间完成的，必须通过 输电线路、变电站将电能输送和分配给电力用户，从而促使了电力系统 向大容量、长距离、超高压的方向发展。 变电站是多条输电线路的交汇点和电力系统的枢纽点，相对于输配 电线路的雷害事故，变电站的雷害事故要严重得多，变电站的事故往往 会导致大面积停电，因此进行变电工程设计前必须认真研究雷电过电压 及其保护问题。从我国的实际运行来看，雷击仍然是输电线路安全可靠 运行的主要危害，电力系统事故中雷害事故一般占5 0 以上1 。 2 2 0 k v 变电站由于电气设备多，各种电气设备之间的距离较远。因此， 从可靠性和经济型的角度考虑，必须对雷电侵入波过电压进行研究，以 确保有雷电侵入时，各种运行方式下，站内各电气设备的过电压水平不 超过其绝缘水平，而在具有正常防雷接线的1 lo k v 2 2 0 k v 的变电站中， 流经避雷器的雷电流一般不长过5 k a 。 变电站雷害来源主要有以下三方面： ( 1 ) 雷直击于变电站的导线和设备上； ( 2 ) 变电站落雷时产生感应过电压； ( 3 ) 沿线路传来的雷电波。 变电站直击雷防护主要依靠避雷针。我国电力系统运行经验表明， 装有避雷针线后，每年每一百个变电站的绕击事故约为0 2 o 3 次，雷 击避雷针引起的反击事故率也约为0 3 次，可以说是相当可靠的。但是， 即便如此，仍有一些装有合格避雷器仍然发生严重雷害事故的情形。因 此，沿线路侵入变电站的雷电过电压是常见的，是对变电站电气设备构 成威胁的主要方式之一。这也是进行变电站雷击过电压计算、分析的重 点。因此，对雷电侵入波在变电站电气设备上所产生的过电压进行仿真 计算，找出过电压的分布、变化规律，对防雷电过电压、保护电气设备 提供了有价值的参考依据，进一步优化变电站的工程设计。电力变压器 是连续运行的电力设备，特别是变压器，其工作电压高、容量大、造价 高、检修难度大，且大多数是由单相变压器构成，安装在户外，对电力 系统的安全稳定影响甚大。对波头很陡的行波而言，变电站各点电压超 过保护水平的数量取决于各该点与避雷器安装地点的距离、波前的陡度 以及变电站的各电气设备的技术参数等。所以，适当地选择避雷器的数 目和安装地点，可以在保证设备和系统安全的同时，使总体造价最低。 在较高电压等级范围内，通常采用的方法是在变压器及其断路器之间安 装避雷器，以便保护变压器，使之不受雷电造成的过电压危害。由于变 压器等设备绝缘昂贵，所以，避雷器紧靠变压器的安装可以获得人们最 期望得到的经济效果。 此外在电力系统中，随着电力工业的飞速发展，系统容量不断增大， 变电所和发电厂升压站2 20 5 0 0 k v 单相接地故障短路电流越来越大，而 站所区占用面积却越来越小，而且为了少占或不占农田，发变电站多位 于地理环境恶劣、土壤电阻率较高、土层结构不均匀且有垂直分层、接 地装置接地电阻较高的区域，接地电阻、地电位及跨步电势无法满足规 程要求，发变电站的接地设计、施工越来越困难。 复杂地区的接地方法研究是电力工程设计的重要内容之一。接地装 置在电力系统发电厂和变电所安全运行中起着十分重要的作用，它不仅 为变电站内各种电气设备提供一个公共的参考地，在系统故障时还能迅 速排泄故障电流并降低变电站的地电位升，因而接地装置接地性能的优 劣直接关系到变电站内工作人员的人身安全和各种电气设备的安全及正 常运行。在我国，一方面随着电力工业的发展，接地装置在运行中出现 的安全问题越来越多，另一方面接地装置设计仍然使用传统的方法，从 而造成接地装置设计与实际安全运行的矛盾非常突出，迫切需要提出新 的更为有效的接地装置安全性设计方法。 本文所研究的变电站地形复杂，多山，多丘陵。因此、研究复杂地 形区域电力系统的接地方法，对变电站的接地装置的设计与施工具有重 要意义。 本论文针对作者所在课题组承担的某一2 2 0 k v 变电站过电压防护与 接地研究项目的特点，研究此变电站受雷击影响时的过电压，以及不同 运行方式下的过电压计算，此外，针对此变电站所在环境的多山的复杂 地形，本文还提出了一种新型的接地方法，并建立了新型的接地电阻的 2 计算模型，为实际工程应用提供了依据。 1 2 电力系统过电压防护与接地的研究现状 1 2 1 过电压分析计算方法 在进行雷电侵入波的分析以及数值计算时，需要考虑的因素很多输 电线路的冲击电晕、杆塔绝缘子串冲击伏秒特性、线路上产生的感应过 电压、线路上的工频电压、进线段杆塔模型、杆塔冲击接地电阻等。 在过去，雷电侵入波计算方法受条件限制，主要依靠防雷分析仪来 确定侵入波过电压。模拟在2 k m 处施加一个幅值等于绝缘子串雷电放电 电压的直角波，测量变电所内的设备过电压，由于防雷分析仪存在无法 考虑变电站进线段的波过程，无法研究变压器波过程等一系列缺陷，使 用各种电磁暂态程序在计算机上进行侵入波防雷计算和分析成为主流， 目前，对分析过电压来说模拟实验和数值计算可以看作相互补充的手段。 模拟装置的优点在于能形象地深入了解现象的发展过程，但由于受 到设备限制，很难广泛地改换系统的接线和调节元件的特性。对于计算 机而言，则不像模拟装置那样，它没有改变系统的接线和参数的困难， 一旦建立了比较准确的计算方法，就能有意识地改变某些参数，从而进 行过电压对一些影响因素的敏感分析心一1 2 0 世纪6 0 年代以来，国内外专家、学者们，先后提出了不同的过电 压计算方法，不同之处主要反映在对分布参数长线的处理上，例如： ( 1 ) 用集中参数的t 、n 二型链代替分布参数长线的方法： ( 2 ) 行波法，这包括网格法和贝杰龙法： ( 3 ) 差分法： ( 4 ) 付拉氏变换法。 在众多过电压计算方法中，被普遍公认为比较准确，在实际中运用 最多的方法是贝杰龙法。这种方法是从线路的贝杰龙数学模型出发的， 主要是把分布参数的线路模型转化成集中参数的模型，然后再用集中参 数电路的结点分析方法进行计算。学者道米尔等人于l9 6 9 年完成的采用 贝杰龙方法的通用电磁暂态程序( e m t p ) ，它可以用于大型复杂系统的计 算，已得到广泛应用，加拿大曼尼托巴高压直流输电研究中心开发的电 力系统仿真软件( p s c a d e m t d c ) 在过电压的计算上也采用了贝杰龙方法。 现在对于过电压计算都强调考虑线路参数的频率特性，2 0 世纪8 0 年代末期和9 0 年代中期，马蒂和他的学生卡斯特仑在贝杰龙方法的基础 上先后提出了输电线过电压计算的改进模型，这种模型考虑了线路参数 3 的频率特性，计算准确度有所提高，在随后的仿真软件开发中，也加入 了该种模型。然而，贝杰龙方法是最经典的线路过电压计算方法，改进 算法只是在它的基础上发展起来的。利用贝杰龙方法进行过电压计算， 主要目的是满足工程设计的需要，而且较改进方法简单，计算所需要用 到的已知参数更少、更容易获耿，所以研究贝杰龙方法在即使工程设计 中的应用仍具较大的有工程实用价值。 对于变电站的雷电过电压的保护，一般均需要根据变电站过电压的 预测结果来检验测定，也就是根据侵入波条件，对设计提出的保护方案 和电气设备绝缘水平进行雷电冲击模拟和计算，检查变电站电气设备上 可能出现的最高过电压是否超过设备的雷电冲击绝缘水平。实际工程中 计算变电站雷电过电压主要方法有防雷分析仪、补偿法以及在贝杰龙法 基础上发展起来的e m t p 、p s c a d e m t d c 等各种电力系统暂态仿真软件。 电力系统数字仿真是对实际系统进行分析，建立电力系统的数学模 型，再用数字计算机对模型进行实验，以获得我们所需要结果的过程。 随着电力系统的发展，电源点不断增多，电网规模不断扩大，系统自动 化程度不断提高，许多计算和控制问题日益复杂，无论从现有技术上， 还是从供电可靠性及设备安全性考虑，直接在实际电力系统中进行各种 试验，可能性很小，因此运用电力系统数字仿真进行研究无疑是一种经 济可行的手段。 电力系统数字仿真对系统过电压进行分析，需要建立在一定的模型 之上，而模型的好坏取决于对雷电机理和雷电波作用下杆塔一避雷线一 导线系统波过程的认识。由于雷电现象具有很强的随机性，过程又非常 短暂，使得人们难以对雷击过程的物理现象有非常清楚的认识，这就是 防雷研究中之所以问题较多的原因。通常只能通过对许多问题建立简化 模型，得到理论结果后通过运行实践检验，再不断优化模型，得到与运 行实践最接近的理论模型。在众多系统模型中，输电线路模型对仿真分 析的影响最为深刻，它直接影响到仿真计算的准确性。目前国内外通过 电力系统暂态仿真程序e m t p 、p s c a d e m t d c 等进行雷击过电压的仿真计 算。 随着研究的不断深入，实际运行经验的不断积累，这类仿真软件中 的各种元件模型也日趋完善，更加符合实际情况，计算精度不断提高。 然而以贝杰龙法为数学基础的输电线路模型仍沿用至今，该方法较好地 模拟了线路遭受雷击时的参数情况，方便计算机进行计算，计算结果比 较好地符合线路真实情况。近年来，学者马蒂和卡斯特仑等在贝杰龙方 法的基础上先后提出了输电线过电压计算的改进模型频率相关模型，这 4 种模型考虑了线路参数的频率特性，使计算精度进一步提高。本文结合 现有研究成果和方法，针对实际工程分析计算的需要，主要研究了经典 贝杰龙法在某一2 2 0 k v 变电站分析计算中的实际应用。 1 2 2 过电压防护方法 目前雷电防护技术的核心就是等电位理论，暂态过电压能够产生危 害的原因就是系统之间产生的电位差。当遭受雷电袭击时，不论被保护 物带有多高的电位，只要使它们处在均压等电位的环境场中，就是安全 的。雷击产生的过电压防护必须从变电站及其设备入手。自击雷的防护 是基础，等电位是关键。 对于变电站及其设备雷电过电压的防护应考虑，变电站及其设备所 处的电磁环境条件：自击雷的防护措施：等电位联合接地要求是否满足； 变电站系统遭各种过电压损坏的主要途径为电源线路、反馈线路和接地 回路，这是避雷针不能防护的，要求实施过电压的多级防护。变电站系 统自身的电磁兼容要求越来越高，这就要求在雷电防护下作中提高变电 站及其设备自身的电磁兼容性，雷电防护设施不能影响变电站系统及其 设备自身的正常下作。 首先，要做好直击雷防护下作，要将绝大部分雷电流直接引入地中 泄放。良好的直击雷防护措施可以将一次雷击的5 0 - - - - 6 0 的能量泄放到 大地。因此，变电站及其设备的直击雷防护装置不仅可以保护整个系统 还能为其电气设备提供良好的电磁环境。变电站的防直击雷装置通常由 接闪器( 避雷针、带、网、线) 、引下线( 笼式钢筋结构) 和接地装置( 基础 钢筋接地网) 组成，将雷电能量通过合理、有效途径向大地泄放。变电站 内的电气设备的冲击电位和空间电磁场的分布，将关系到变电站内人身 安全和设备的安全。地网是雷电流泄放入地的主要通道。因此地网的质 量：好坏，将直接决定了系统防雷的整体效果与安全。而地网的接地形式 比接地阻值更重要。单一接地系统是最为理想的地线结构系统。对于接 地的建设，考虑到防雷要求及周围环境，共用接地系统是比较好的选择。 因此所有的系统和设备共用同一接地其次，要阻塞雷电波造成的沿各类 引入线进入设备的过电压。电涌入侵的路径是电源、线路、地网与接地 四部分。主要的雷击通道是电力线、引下线( 一次雷击) 、地线( 反击) 。 雷电过电压侵入防护必须从以上四个方而入手。目前最新雷击事故原因 调查分析资料表明，由供配电线路引入的雷电过电压致使信息系统的信 息设备和网络系统损坏约占整个雷灾事故的7 0 左右，因此系统供配电线 路的雷电过电压防护是系统雷电防护的重点。其防雷保护的主要原理也 5 是等电位。电源线路入户端应使用金属铠装电缆或电源线路穿金属塔埋 地引入，将电缆金属外皮接到防雷电感应的接地装置上，并在与架空线 连接处和入户处重复接地。电源线路引入的总配电箱处应装设过电压保 护器，过电压保护器、电缆金属外皮、钢塔，绝缘子铁脚等应连结在一起 接地。一般情况下，在配电系统应采取多级避雷器保护。过电压保护器 接至等电位连结带得导线应短而直，或采用凯文接线法利用电源线，v 连接，尽量减少避雷器连线的线感。为了有能力熄灭在雷电流通过后产 生的工频续流，过电压保护器之间线路长度应小于lo m 限压型过电压保 护器之间线路长度应小于5 m ，否则要加装退藕装置。无论是金属线缆还是 具有金属部件的光缆在遭受直接雷击或雷电感应所形成的雷电过电压均 可沿这此线路侵入到变电站系统构成危害。变电站系统通常具有交流下 作地、自流地、防雷地、防静电地、屏蔽地等多种接地，当没采用等电 位联合接地方式的系统遭遇雷击时，会造成雷电地电位的抬升，出现地 电位反击对系统干扰。等电位连结、采用接地极过电压保护器和屏蔽是 消除地电位差最有效的方法。任何一次云一云、云一地的闪击，都会在 空间造成强大的电磁、静电感应：变电站的避雷针任何一次接闪，其引下 线周围的线路都会感应到瞬间的过电压。由变电站设备引下线产生雷电 反击也是产生过电压的重要途径，可以采用等电位连结和屏蔽的措施阳1 。 此外变电所遭受的雷击主要来自两个方面：一是雷直击在变电所的 电气设备上；二是架空线路的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，因此，直击雷和雷电波对变电所进线及变压器的破 坏的防护十分重要，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收器从被保护物体上方引导 雷电通过，并安全泄入人地，从而减小在其保护范围内的电气设备( 架空 输电线路及通电设备) 和建筑物遭受直击雷的概率避雷针位置应根据变 电所设备中而布置图的情况而确定，避雷针的安装位置与设备的电气距 离应符合各种规程规范的要求，初步确定避雷针的安装位置后，而根据 规程公式进行计算，校验是否在保护范围之中。 变电所的主要危险是来自进线保护段之内的架空线路遭雷击，反击 或绕击导线产生雷电侵入波，因此进线段又称危险段加强进线段防雷保 护是十分重要的，要求避雷线具有很好的屏蔽和较高的耐击，不管如何， 反击和绕击仍是可能的现从以下两个方面分析： ( 1 ) 普通变电所的进线保护对于3 5 1 1o k v 全线末装设避雷线线路， 在紧靠变电所的进线段1 2k m 长度内应采用避雷线保护为了进一步提高 避雷器保护的可靠性，应尽可能将它装在变电所的进线架构或进线穿墙 6 套管的附近、距离越近效果越好，其接地引下线可直接与变电所的接地 网相连接 ( 2 ) 3 5 k v 及以上电缆段的变电所进线保护变电所的进出线都有采用 电缆的，有二芯电缆，也有单芯电缆，其保护接线也应不同在电缆和架 空线的连接处应装避雷器保护，其接地必须与电缆的金属外皮相连接当 电缆长度不超过5 0 m 或根据经验算法装设一组避雷器即能满足保护要求 时，可只装避雷器；当电缆长度超过5 0 m ，目前断路器在雨季可能经常断 路运行，应在电缆末端装设避雷器，此外，靠近电缆段的lk m 架空线路 上还应架设避雷线保护。 对于变压器的防雷保护的简繁应根据容量人小、损坏影响程度及供 电重要性决定变压器的基本保护措施是靠近变压器安装避雷器，这样可 以防庄线路侵入的雷电波损坏绝缘装设避雷器时，要尽量靠近变压器， 并尽量减少连线的长度，以便减少雷电电流在连接线上的压降同时，避 雷器的接线应与变压器的金属外壳及低压侧中性点连接在一起，这样， 当侵入波使避雷器动作时，作用在高压侧主变绝缘上的电压就只剩下避 雷器的残压( 不包括接地电阻上的电压压降) ，从而减少了雷电对变压器 破坏的机会。 微机保护及自动化装置以其高度灵敏性、速动性和维护管理的方便 性，在电力系统中得到了高速的发展和广泛的应用但微机系统的电子器 件工作电压仅几伏，传递信息电流小至微安级，对外界的干扰极其敏感， 而雷电流产生的瞬变电磁场对微电子设备的干扰和损害尤为严重常采用 电磁屏蔽，即系统间、设备间要达到电磁兼容的标准要求同时，采用过 电压保护器防止元器件损坏，即在微机系统的电源回路、信号接口等回 路安装过电压保护器( 如过电压限制器或浪涌吸收器等) ，经限制器将己 产生的过电压钳制于限制值以下，保证系统设备或元器件免于异常动作 或损坏过电压保护器的设置或选择应按其保护系统的重要级别或系统回 路接口全面、系统地统筹考虑。因此，微机系统的防雷保护工作应全而、 综合地予以考虑，在可靠性评估的基础上进行设计或技术改进任何单一 的防护技术并不能有效地防止雷电的侵害h 5 1 。 1 2 3 电力系统的接地方式 电力系统中各种电气设备的接地可分为工作接地、保护接地和防 雷接地三种。 ( 1 ) 保护接地 为了人身安全，无论在发、变电站还是配电系统中将电气设备的 7 金属外壳接地，这样就可以保证外壳经常固定为地电位，一旦设备绝 缘损坏，而使外壳带电时，金属外壳保持地电位。但当设备发生故障 而有接地短路电流流入大地时，接地点和它紧密相连的导体的电位都 会升高，可能威胁到人身安全。 人所站立的地点与接地设备之间的电位差称为接触电压( 取人手 摸设备的1 8 m 高处，人脚离设备的水平距离0 8 m ) ，人的两脚着地点 之间电位差称为跨步电压( 取跨距o 8 m ) ，它们都可能有甚高的数值， 使通过人体的电流超过危险值( 安全值为10 m a ) 。减少接地电阻或改进 接地装置的结构形状，可以降低接触电压和跨步电压，通常要求此两 电位不超过2 5 0 ，j tv ( t 为作用时间，单位为s ) 。 ( 2 ) 工作接地 工作接地时根据电力系统正常运行方式的需要而接地的。例如， 将系统的中性点( 如变压器中性点) 接地。在工频对地短路时，要求流 过接地网的短路电流j 在接地网上造成的电压炽不太大，在中性点直 接接地系统中，要求i r 2 0 0 0 v ，如i 4 0 0 0 a ，可取rso 5 q ，当大地土 壤电阻率太高，按r o 5 q 的条件在技术经济上不合理时，允许将r 值 提高到r 5 q ，但在这种情况下，必须验证人身的安全。 ( 3 ) 防雷接地 防雷接地是针对防雷防护而设置的，目的是减少雷电流通过接地 装置的地电位升高。 从物理过程看，防雷接地与前两种接地有两点区别：电流幅值大； 雷电流的等值频率高。雷电流的幅值大，就会使地中的电流密度万增 大，因而提高了土壤中的场强度时，在接地体周围的土壤中便会发生 局部火花放电，使土壤导电性增大，使接地电阻减少。因此同一接地 装置在幅值甚大的冲击电流作用下，其接地电阻要小于工频电流下的 数值，这种效应称为火花效应。 防雷接地由于雷电流的等值频率较高，这就使接地体电感的影响 增大，阻碍电流向接地体远端流通，对于长度长的接地体，这种影响 更加明显，结果使接地体得不到充分利用，使接地装置的电阻值大于 工频接地电阻值，这种现象称为电感影响。 1 2 4 降低接地电阻的措施 为了降低接地装置的接地电阻，保证电力系统的安全可靠运行， 人们采用了各种各样的措施。常见的主要包括：扩大接地网面积、外 引接地、增加地网埋设深度、利用自然接地体、深井接地和局部换 8 土等5 16 1 。 ( 1 ) 扩大接地网面积 均匀土壤条件下，变电站接地网的接地电阻与接地网面积平方 根近似成反比，地网面积越大，其接地电阻值也就越低。增大地网 的面积无疑是一种降低地网接地电阻的一种行之有效的方法。 但是通过扩大接地网面积的方法来降低接地电阻只能因地而 异。对于建在山区的变电站，无法无限制的扩大其地网面积；另外 建在市区的变电站，也无法大面积的扩大地网。 ( 2 ) 外引接地 外引接地是指将变电站主接地网与主接地网区域以外某一低土 壤电阻率区域敷设的辅助接地装置相连的方法，以达到降低整个接 地系统接地电阻的目的。如在电力行业标准中华人民共和国电力 工业部d u t6 21 19 97 交流电气装置的接地中提出：当在发电厂、 变电所20 0o m 以内有较低电阻率的土壤时，可敷设外引接地极。 但是采用外引接地的条件是必须能够在主接地网附近找到电阻 率相对较低的区域，这在很多地区是难以找到的，使得该方法的使 用受到了一定的限制 。 ( 3 ) 增加地网的埋设深度 在我国高寒地区，为了避开永久冻土带，会增加接地网的埋设 深度，有时会达到1 2m 。通过仿真计算表明，在接地网其他参数不 变的情况下，增加地网的埋深会使得接地电阻减小，但是其降阻效 果不是很明显，而且会大量增加施工量和施工难度，这在复杂地形 地区更是如此。因此工程中一般不建议采用这种方法，接地网的埋 深一般取为0 6 0 8 m 。 ( 4 ) 深井接地 在国际标准“ie e estd 80 19 97 guidef o rsafetyina c substa ti0 ng r0 un ding 和我国电力行业标准中华人民共和国电 力工业部d u t 621 一l9 97 交流电气装置的接地中均提到“当地下较 深处的土壤电阻率较低时，可采用深井接地方式来降低接地电阻。 土壤的电阻率通常沿纵深分布是不均匀的，不同深度得到电阻率是 不同的。一般接近地面几米以内的电阻率并不稳定，要随季节气候 的变化而变化，土壤越深电阻率越稳定，特别是在复杂地形区域不 能用常规方法埋设接地装置的地区，采用深井接地与主接地网并联 是一种有效降低接地电阻的方法。在有地下含水层的地方，接地体 可能深入穿透水层，这时其降阻效果将更好。同时由于深井接地方 9 式可以克服场地窄小的缺点，这在城市和山区是一种行之有效的方 法2 引。 ( 5 ) 局部换土 土壤电阻率的高低直接影响到接地装置接地电阻的大小。某些 位于高土壤电阻率地区的接地装置，如果采用其他方法降阻困难， 可以采用局部换土的方法。用土壤电阻率较低的土壤来置换接地装 置周围的高土壤电阻率土壤，以获得较低的接地电阻。这种方法的 使用必须从技术经济上做全面的比较，以避免造成经济上的浪费。 ( 6 ) 降阻剂 降阻剂是一种辅助性材料，在接地工程中大量使用，并取得了 较好的降阻效果。在我国电力行业标准中华人民共和国电力工业 部d u t6 21 19 97 交流电气装置的接地中提到，在高土壤电阻率地 区，可以采用填充电阻率较低的物质和降阻剂来降低接地电阻。降 阻剂的降阻机理主要包括：( 1 ) 增大接地体的有效截面；( 2 ) 消除接触 电阻；( 3 ) 改善周围土壤的电阻率；( 4 ) 吸水性和保水性，改善并保 持土壤导电性能“1 9 】。 目前，降阻剂主要分为化学降阻剂和物理降阻剂两大类 8 。化 学降阻剂以电解质为导电主体，其导电机理类似于土壤的导电机理， 即只有在水参与时，电解质才能电离出带电的离子，从而成为导电 主体。电介质浓度越高，其降阻效果也越明显。然而化学降阻剂的 这种导电性能不可避免的会对金属电极发生腐蚀，使得其应用范围 受到了一定程度的限制。物理降阻剂是以非电解质的固体粉末为导 电材料，并以强碱弱酸为胶凝物，其降阻性能不受季节性雨水的影 响，使得其导电特性不受酸碱度、高低温和干湿度的影响，主要是 本身的导电粉末起到降阻作用。 目前的运行经验表明降阻剂法在初期的降阻效果好，但是随着时间 的增加，降阻效果逐渐降低，并且适用于含水率高的潮湿地区。 ( 7 ) 深孔爆破制裂一压力灌降阻剂法 在高土壤电阻率和冻土地区，为了最大限度的提高接地装置的 降阻效果，有些学者提出了深孔爆破制裂一压力灌降阻剂法，它是 指采用钻孔机在地中垂直钻一定直径，深度一般为1o 8 0 m 的孔，在 孔中插入电极，然后沿孔的整个深度隔一定距离安放一定的炸药进 行爆破。将岩石爆裂、爆松，接着用压力机将调成浆状的降阻剂压 入深孔中及爆破制裂产生的缝隙中，以达到通过降阻剂将地下巨大 范围的土壤内部沟通及加强接地电极与土壤( 岩石) 的接触，从而较 l o 大幅度降低接地电阻的目的。 ( 8 ) 电加热法 在高土壤电阻率和冻土地区，为了最大限度的提高接地装置的 降阻效果，也有些学者提出了在永冻土地区，利用太阳能或加热电 缆等使接地体周围土壤保持融化状态。将接地装置敷设在熔化地带 或熔化地带的水池、水坑中，但是需专门的供电系统以满足长期发 热的要求，给变电站的运行带来了很大不便。 ( 9 ) 其他方法 其他降低接地电阻的方法还有：特殊接地电极、离子接地电极、非 金属接地电极等心“2 。 特殊接地电极是近年发展起来的降低接地装置接地电阻的新技术之 一，主要包括离子接地电极和非金属接地电极两大类。 离子接地电极是由传统的金属接地体改进而来的，从工作原理 到材料选用都有脱胎换骨的变化，形成各种形状的结构。离子接地 极所包含的特制回填料具有非常好的膨胀性、吸水性及离子渗透性， 使离子接地极与周围的土壤保持良好的接触界面，无论天气或周围 环境如何变化，都能使离子接地极保持最佳的接地保护效果。非金 属接地电极是由导电能优越的非金属原料复合加工成型的，不同的 方法加工成的产品具有不同的性能和特性。按照加工方法可以分为- 浇注法和机械压模法。非金属接地体是不受腐蚀的接地体，其稳定 性、环境适应性、使用寿命都是现有接地材料中较好的，不需要定 期改造和维护。非金属接地体需要的地网面积一般也比传统接地面 积小很多，但是，在不同地质情况下，也要保证足够的接地面积才 能达到良好的效果。 1 2 5 接地及接地电阻计算方法 接地电阻的定义：有一接地电极，现有一接地电流i 流入这个电 极并向大地中流散。此时接地电极的电位就要比接地电流i 流入前升 高u ，把u i 就定义为此接地电极的接地电阻。即：r = u i 式中u 、i 的单位为：伏( v ) 和安培( a ) ，r 的单位为欧姆( q ) 。需要说明的是 式中的电位u 相对于接地电极无限远处的电位基点( 零点) 而言的。 在接地网中，接地电阻值是衡量接地系统的重要技术指标，是确认 接地系统有效性、安全性以及鉴定系统是否符合设计要求的重要参数。 目前在实际工程中对接地网接地电阻的计算，主要依据是电力部颁布的 电力设备接地设计技术规程。除规程所推荐的接地网接地电阻标准计 算公式外，还发展起来了许多简易式及改进式等接地网的接地参数解析 式，这些公式的计算结果是足够准确的。但对一些不规则的地网来说， 这些公式的计算结果有时就表现出较大误差。 自197 2 年以来，各国学者对接地系统的接地电阻的计算进行了大量 的研究，将各种数值方法应用到接地电阻的计算中来，如早期出现的差 分法、模拟电荷法、边界元法、平均电位法，及2 0 世纪后面出现的滤波 法、基数镜像法、复镜像法等。采用数值计算方法，能够比较全面地考 虑地网的实际结构及故障电流流散的实际情况，既考虑到地网的不均匀 性，对任意复杂接地网也能得出较为精确的计算结果，同时也使得技术 可行的前提下地网经济设计方案的比较成为可能，解决了采用经验公式 进行计算的存在的许多问题。 1 3 本文所做的工作 本文研究的2 2o k v 变电站是典型敞开式变电站，敞开式变电站防雷 保护接线的特点是电气距离长，无论是哪一种主接线形式，即使在一台 变压器一回出线的初期工程中，接线长度也达数百米。这样就使每组避 雷器一般主要只能保护与它靠近的某些电气设备。对其进行的过电压防 护要经过多方面考虑，通过计算机程序分析计算各种运行方式、各种雷 击方式下的过电压水平，及各节点的过电压和通过避雷器的电流，并验 算避雷器与电气设备的保护距离，根据可能出现的最严重的情况确定其 过电压保护方案。 因此，本论文根据这一2 2 0 k v 变电工程设计的要求，对不同运行方 式下2 2 0 k v 线路雷电侵入波过电压水平进行了分析计算，并且对设备雷 电冲击耐受电压和绝缘水平进行了分析，比较了电站设备雷电冲击耐受 电压与实算雷击电压。 在本文的研究中，采用经典贝杰龙算法，利用贝杰龙等值电路，计 算变电站各点雷电过电压，采用a t p - e m t p 对算法进行仿真，比较各种设 备的雷电冲击耐受电压与绝缘水平，并据此提出建议方案。 此外针对多山区，丘陵，地形复杂的地域，本文提出了一种新型的 接地方法，建立了新型的接地电阻计算模型，为工程的实际应用提供了 依据。 本文从实际工程计算的需要出发，讨论了贝杰龙算法应用于实际工 程雷击过电压计算方法和应用，具体工作归纳如下： ( 1 ) 通过分析雷电产生机理和雷击输电线路雷电波的各项特征，了解 雷击输电线路的数学模型，阐述了线路上遭受不同形式的雷击时过电压 1 2 的形成和特点。 ( 2 ) 分析贝杰龙算法的原理，运用贝杰龙方法建立输电线路的数学模 型和避雷器模型和变电站内其他设备的等值模型，用a t p e m t p 对此 2 2 0 k v 变电站雷击过电压进行了实际分析和计算，对不同运行方式过电压 的计算结果进行了分析，对电站设备雷电冲击耐受电压与实算雷击电压 进行了比较。 ( 3 ) 计算并验算了避雷器与电气设备的保护距离。 ( 4 ) 根据变电站内各设备的过电压计算结果，按照规程确定设备的绝 缘水平，并对其绝缘裕度等进行了校验。 ( 5 ) 根据所研究变电站的地形复杂，多山的特点，提出新型的接地方 法，建立新的接地电阻的计算模型。 1 3 第二章电力系统外过电压波过程 2 1 外过电压的产生 2 1 1 雷电的形成 雷电放电是带电荷的雷云引起的放电现象，在特定大气和大地条件 下，潮湿的热气流进入大气层冷凝而形成雷云，大气层中的雷云底部大 多数带负电，它在地而上感应出大量的正电荷，这样，雷云和大地之间 就形成+ 了强大的电场，随着雷云的发展和运动，当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形 成雷电。雷电的电压很高，瞬时电流强度很大。因此，一次雷电的放电 时间虽然只有0 o1s 左右，但其释放出的能量却大得惊人。我国电力行 业的工作者经过几十年的研究工作，根据实际收集到的资料，总结出我 国雷电的分布特点是夏季多于春秋季，陆地多于海洋，山区多于平原， 南方多于北方。 雷电的极性是指雷云下行到地的电荷极性，最常见的雷云是自雷云 向下开始发展先导放电的。据统计，无论就放电的次数来说，还是就放 电的电荷来说，9 0 左右的雷电是负极性的，由于大地的总电荷量是长期 保持不变的，因此相当大的正雷云电荷必定通过“悄悄的放电一的形式 运送到大地的，即大量的正电荷是以地表电晕放电的形式消散的。 在雷电放电过程中，由于负雷云向下发展的先导不是连续向下发展 的。而是走一段停一段，再走一段，再停一段。但先导接近地面时，会 从地面较突出的部分发出向上的迎面先导。但迎面先导与下行先导相遇 时，就产生了强烈的“中和 过程，出现极强的电流，这就是雷电的主 放电阶段。主放电存在的时间极短，约为5 0 us 1o o u s ，主放电的过程是 逆着负先导的通道由下向上发展的，到达云端时就结束了。由于雷电主 放电的极大电流和极大功率，电力系统中的电力设备必须防止雷电的破