110KV变电站的防雷设计

目录目录 第 1 章 雷电的特性及危害 .22 1.1 雷电的形成.22 1.2 雷电的种类.22 1.2.1 直击雷 .22 1.2.2 感应雷击 .23 1.2.3 球雷 .24 1.2.4 雷电侵入波 .24 1.3 雷电的威力及危害.24 1.4 雷电入侵途径 .24 1.4.1 对各种雷击的解决方案 .25 1.4.2 接地 .26 1.5 雷击电子设备的途径及其原理.27 1.6 雷电日和雷电小时 .27 第 2 章 变电站的防雷设备 .29 2.1 避雷针.29 2.2 避雷器.29 2.2.1 避雷器的种类 .30 2.2.2 各避雷器的特点 .30 2.3 变电所建筑物的防雷.32 第 3 章 变电站的防雷区及系统设计原则 .33 3.1 第一级防护区的处理措施.33 3.2 第二级防护区的处理措施.34 3.2.1 进出所管线的处理 .34 3.2.2 二次电缆及端子箱 .35 3.2.3 所用电系统的保护 .35 3.3 第三级防护区的主要任务 .35 3.3.1 多重屏蔽 .36 3.3.2 地电位均压 .36 3.3.3 浮点电位牵制 .36 3.4 变电所综合防雷措施.37 3.4.1 避雷针对直击雷的防护 .37 第 4 章 变电站防雷保护的分类 .38 4.1 雷电过电压的保护 .38 4.2 变电站雷击电流的防护.38 4.3 变电站对最大冲击电压和残压的防护.39 4.4 变电站微波机房的接地保护.39 4.5 变电站配电箱的保护.40 4.6 变压器中性点接地的配置原则.40 4.6.1 并联间隙的特性 .40 4.6.2 中性点间隙与继电保护 .41 4.7 单相接地时的工频电压.42 4.8 变电所配电变压器的保护.42 4.8.1 正反变换过电压 .42 4.8.2 变压器不同接线对正反变换过电压的影响 .43 4.8.3 避雷器安装的具体要求 .44 4.8.4 防雷接地装置的形式及其电阻的算法 .44 第五章 西110KV变电所防雷接地系统设计.46 5.1 城西 110KV 变电所及环境气象条件 .46 5.2 城西 110KV 变电所的直击雷防护方案及计算.46 5.2.1 直击雷防护方案 .46 5.2.2 避雷针的计算及其安装 .47 5.2.3 短路计算 .50 5.2.4 接地电阻的计算 .59 5.3 城西 110KV 变电所感应雷的防护 .64 5.3.1 变电所进线段保护 .71 5.3.2 变电所内变压器的防雷接地保护 .74 5.3.3 城西 110kV 变电所馈线段防雷保护 .75 5.4 城西 110KV 变电所避雷器的选择.75 5.4.1 进线段母线上避雷器的选择 .76 5.4.2 变压器架设避雷器的选择 .76 参考文献 .77 设计心得 .78 致谢 .79 第 1 章 雷电的特性及危害 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，在某种大气和大地条件下，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， 它在地面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。按其发展方向可分为下行雷 和上行雷。下行雷是在雷云产生并向大地发展的，上行雷是接地物体顶部激发 起，并向雷云方向发起的。 雷电是一种极具破坏力的自然现象，其电压可高达数百万伏，瞬间电流更 可高达数十万安培。千百年来，雷电所造成的破坏可谓不计其数。落雷后在雷 击中心 1.5-2km 范围内都可能产生危险过电压损害线路上的设备。雷电灾害如 同暴雨、飓风一样都属于气象（自然）灾害，它与水、旱、刑事犯罪、交通事 故统称为影响社会安全和经济发展的六大灾害。 1.2 雷电的种类 1.2.1 直击雷 雷云对地面或地面上凸出物的直接放电，称为直击雷，也叫雷击。直击雷 放电过程的展开图见图 1.1。 图 1.1 雷云放电图 雷云放电过程的展开图可以这样解释：当雷云对地面放电时，开始出现先 驱放电，放电电流比较小，一经到达地面，就开始主放电，主放电由地面开始 沿着先驱放电的通道直到云端，放电电流迅速增大。主放电时间很短，电流迅 速衰减，以后是余光放电，电流变小。 由于雷云中同时存在着多个电荷积聚中心，当第一个电荷集聚中心放电后， 其电位迅速下降。第二个电荷集聚中心向第一个电荷集聚中心位置移动，并沿 着上一次的放电通道开始先驱放电、主放电、余光放电。紧接着再来第三次、 第四次放电。我们平时看到电光闪闪、雷声隆隆就是这个原因。 当直击雷直接击于电气设备及线路时，雷电流通过设备或线路泄入大地， 在设备或线路上产生过电压，称为直击雷过电压。 1.2.2 感应雷击 感应雷击是地面物体附近发生雷击时，由于静电感应和电磁感应而引起的 雷击现象。 例如，雷击于线路附近地面时，架空线路上就会因静电感应而产生很同的 过电压，称为静电感应过电压。见图 1.2 图 1.2 感应雷过电压 在雷云放电过程中，迅速变化的雷电流在其周围空间产生强大的电磁场， 由于电磁感应，在附近导体上产生很高的过电压，称为电磁感应过电压。 静电感应和电磁感应引起的过电压，我们称为感应雷击。 1.2.3 球雷 球雷是一种发红色或白色亮光的球体，直径多在 20cm 左右，最大直径可达 数米，以每秒数米的速度，在空气中飘行或沿地面滚动。这种雷存在时间为 3- 5s 左右。时间虽短，但能通过门、窗、烟囱进入室内。这种雷有时会无声消失， 有时碰到人或牲畜或其它物体会剧烈爆炸，造成雷击伤害。 1.2.4 雷电侵入波 当雷击架空线路和或金属管道上。产生的冲击电压沿线路或管道向两个方 向迅速传播的雷电侵入波，称为雷电侵入波。 雷电侵入波的电压幅值愈高，对人身或设备造成的危害就愈大。 1.3 雷电的威力及危害 雷电电流平均约为 20000A 甚至更大,雷电电压大约是 10 30 v, 一次雷电的时 间大约为千分之一秒, 平均一次雷电发出的功率达 210 13 W(200 亿千瓦)。 雷电放电过程中，可能呈现出静电效应、电磁效应、热效应及机械效应， 对建筑物或电气设备造成危害；雷电流泄入大地时，在地面产生很高的冲击电 流，对人体形成危险的冲击接触电压和跨步电压；人直接遭受雷击，必死无疑。 1.4 雷电入侵途径 雷电直接击在变电所设备上，这种情况几率比较小，因为设计和施工的时 候都会考虑到安装独立的避雷针，避雷带和避雷网。 雷电可能沿着电源线入侵，雷电波沿线路侵入到变电所，如避雷器动作， 则是避雷器残压叠加两倍后，通过所用变的电磁感应耦合到低压网络，使微机 保护、综合自动化的电源模块损坏的。此时，低压电网过电压的幅值主要与避 雷器的残压，避雷器与变压器距离和避雷器接地引下线的长度有关。 雷电可能沿着通讯线入侵，雷电引起的过电压在通信线路与设备之间有一 定电位差直接作用于串行通信口，根本原因是在 10KV 低压电源侧缺少必要的防 雷保护措施，特别是缺少相应电压等级的避雷器保护，使低压网络中的雷电过 电压得不到有效的限制。同时，雷电对微机监控系统、调度自动化系统和通信 系统的电源又沒有与其他电源分离，或采取特别的防止雷电干扰的措施而使雷 害事故发生。 1.4.1 对各种雷击的解决方案 直击雷： 对于直击雷主要是采用避雷针、避雷器、避雷线和避雷网作为接闪器，然 后通过良好的接地装置迅速而安全地把雷电流引入大地。 感应雷： （1）等电位连接：均衡电位使变电所内的各个部位都形成一个相等的电位， 即等电位。若变电所内的结构钢筋与各种金属设置都能连接成统一的导电体， 变电所内当然就不会产生不同的电位，这样就可保证变电所内不会产生因电位 不均衡所产生的反击和危及人身安全的接触电压或跨步电压，对防雷电电磁脉 冲干扰微电子设备也有很大的好处。钢筋混凝土结构的建筑物最具有实现等电 位的条件，因为其内部结构钢筋的大部分都是自然而然地焊接或绑扎在一起的。 为满足防雷装置的要求，应有目的地把接闪器与梁、板、柱基础可靠地焊接、 绑扎或搭接在一起，同时再把各种金属设备和金属管线以及局部等电位预留金 属装置与之焊接卡接在一起，这就使整个建筑物成为良好的等电位体。 （2）建筑屏蔽：对于变电所内部的重要设备、设施，如大型计算机控制系 统的主机，RTU、载波机等，应对建筑物采取屏蔽措施，用金属网箔壳、管等把 保护对象包围起来，将闪电形成的脉冲电磁场从空间入侵的通道阻隔起来，以 达到保护的目的。 （3）线缆屏蔽：电源线、信号线要进行屏蔽，并采取适当的布线方式防止 电磁脉冲干扰，在全线电气连通的情况下，把线路两端的金属屏蔽线缆进行良 好的接地。针对架空电力线由站内终端引下后应更换为屏蔽电缆；室外通信电 缆应采用屏蔽电缆，屏蔽层两端要接地；对于既有铠带又有屏蔽层的电缆，在 室内应将铠带与屏蔽层同时接地，而在另一端也要同时接地。电缆进入室内前 水平埋地 10m 以上，埋地深度应大于 0.6m；非屏蔽电缆应穿镀锌铁管并水平埋 地 10m 以上，铁管两端应接地。 雷电侵入波： （1）在变电所的低压侧安装相应电压等级的泄流型避雷器进行保护。对 110kV 低压网络要根据所带负荷情况,在各主要用电设备或每一分支线路加装限 压型浪涌保护器进行保护。 （2）把向微机监控系统、调度自动化系统和通信系统供电的电源与其它办 公和生活电源分开,单独采取专用的变压器供电,或采用隔离变压器进行隔离。 对向微机监控系统、调度自动化系统和通信系统供电的低压电源线路要采用电 缆供电,最好采用屏蔽电缆,防止在变电所近区雷电活动时,在低压电源网络上产 生感应雷过电压危及微机监控系统、调度自动化系统和通信系统的电源安全。 （3）对变电所的中性线，要在变压器处接地并在低压网络各分支处重复接 地,防止在雷电活动时,中性线带高电压,或雷害故障时中性线断线,相电压升高 到线电压,烧坏微机监控系统、调度自动化系统和通信系统的电源模块。 （4）对微机监控系统、调度自动化系统和通信系统的电源加装浪涌保护器, 雷电浪涌保护器利用电感、电容和避雷器组成浪涌吸收单元,能吸收和滤掉高频 雷电脉冲,限制雷电过电压,能有效地保护微机监控系统、调度自动化系统和通 信系统的电源,使其免受雷电过电压的破坏。 1.4.2 接地 良好的接地是防雷系统中至关重要的一环。接地电阻值越小，过电压值越 低。因此，在经济合理的前提下应尽可能降低接地电阻。 （1）安全接地：使用交流电的设备通过黄绿色安全地线接地，这里包含所 有用电设备的机壳，金属框架及传输的金属管道等。 （2）雷电接地：设施的雷电保护系统是一个独立的系统，由避雷针通过引 下线与接地系统相连组成。该接地系统通常与用做电源参考地及黄绿色安全地 线的接地是共用的。 （3）电磁兼容接地：出于电磁兼容设计而要求的接地，包括： 屏蔽接地：为了防止电路之间由于寄生电容存在产生相互干扰、电路辐射 电场或对外界电场敏感，必须进行必要的隔离和屏蔽，这些隔离和屏蔽的金属 必须接地。 滤波器接地：滤波器中一般都包含信号线或电源线到地的旁路电容，当滤 波器不接地时，这些电容就处于悬浮状态，起不到旁路的作用。 雷电对自动化系统造成干扰和破坏的主要原因，是过去人们对低压电源网 络的防雷不重视。在变电所低压网络缺少必要的防雷保护措施，存在有较多的 漏洞和缺陷，使低压电网的雷电过电压得不到有效限制，对微机监控系统、调 度自动化系统和通信系统的电源造成了严重干扰和破坏，从而影响了微机监控 系统、调度自动化系统和通信系统的安全运行。 1.5 雷击电子设备的途径及其原理 雷击过电压损坏设备可分为两种情况，一种是受雷电直击，另一种受感应 雷影响所致。据统计电子设备受雷电直击而损坏的机率很小，而绝大多数损坏 为感应雷造成，雷电行波通过传输信息的电路线传至电子设备使其某些电子元 件受损。 还有一种情况值得重视的是电子设备附近的大地或其他设备的接地体，因 受直击雷引起的电位升高，会使电子设备造成反击，使之对地绝缘击穿。根据 传统经验电子设备的地线与电源设备的地线分开设置是减少这种雷电侵入途径 的有效措施之一。所以凡联结有输人或输出线路的电子设备应考虑以上三条侵 入途径。不论那种途径侵入的雷击过电压加在电子设备上冲击引起两种过电压， 一种是：使平衡电路某点出现超过允许的对地过电压，称为纵向过电压，地电 位上升引起的反击也属于从地系统侵入的纵向过电压；另一种是平衡电路线间 或不平衡电路线对地出现的过电压称为横向过电压。使用对称传输线的设备， 横向过电压是因线路两线间存在不同的纵向过电压；或因纵向防护元件放电性 能的分散性(如动作时间有快慢的差别)是造成横向过电压的原因，如果在平衡 线路上的两个纵向防护元件，其中一路故障或失效这就造成了横向过电压的极 限情况。对不平衡电路如对连接同轴电缆的电子设备其纵向过电压即横向过电 压。雷电冲击过电压可导致绝缘击穿，也可产生过电流。进行纵向雷击试验的 目的，在于检验设备在纵向过电压下元器件对地的绝缘。横向雷击试验则是检 验两线间出现冲击过电压时设备耐受冲击的能力。 电子元件受雷击损坏的情况，概括起来不外下列三种：(1)受过电压损坏的， 如电容器、变压器及电子元件的反向耐压。(2)受过电压冲击能量损坏的，如二 极管 PN 结正向损坏，冲击危险程度在于流过元器件的过电流大小和持续时间， 即能量大小。(3)易受冲击功率损坏的，对元件的危害决定于冲击电压峰值和由 此而产生的过电流。 1.6 雷电日和雷电小时 为了表征不同地区雷击活动的频繁程度，通常采用年平均雷电日作为计量 单位.我国亦是如此.雷电日是指该地区一年四季中有雷电放电的天数，一天中 只要听到一次以上雷声就算一个雷电日。由于不同年份的雷电日数变化较大， 所以要采用多年平均值年平均雷电日。 要做好防雷保护工作，还要注意观察当地雷电活动季节的开始和终了日期， 我国南部雷电季节从 2 月开始.长江流域一般在 3 月，华北、东北在月，西北较 迟到 5 月。01 月以后，除江南以外，雷电活动就几乎停止了。 雷电日和雷电小时的统计，并没有区分雷云之间的放电和雷云对地的放电。 实际上云间放电远多于云地放电。雷电日数越多，云间放电的比重越大云间放 电与云地放电之比，在温带约为 1.5-3.0，在热带约为 3-6。对防雷保护设计研 究更有实际意义的，还是雷云对地放电的年平均次数。可惜目前还缺乏这方面 的比较充分可靠的统汁资料，观测手段也还未能准确区分出对地雷击。 雷云对地放电的频繁和强烈程度，由地面落雷密度来表示. 是指每个 雷电日每平方公里地面上的平均落雷次数.实际上，值与年平均雷电日数有 d T 关.一般，较大的地区，其值也较大。 d T 关于地面落雷密度与雷电日数的关系，我国标准推荐采用国际大电网 会议(CIGRE)1980 年提出的以下关系式: 3 . 1 023 . 0 dg TN （1.1） 式中:为每年每平方公里地面落雷数:为雷电日数；由此可以推得： d T 3 . 0 023 . 0 d T （1.2） 根据式（1.2)，对=40 的地区，按我国标准取值=0.07。 d T 第 2 章 变电站的防雷设备 2.1 避雷针 为免遭直击雷破坏，变电所一般设有独立避雷针和构架避雷针，有些峡谷 地带变电所则采用避雷线保护。其结构均分为接闪器、引下线和接地体，防雷 原理相同。 为了防止反击，要求避雷针与被保护设备之间空中距离不小于 5m，地中距 离不小于 3m。构架避雷针一般用于 110kV 及以上，且装设集中接地装置后与主 地网连接。 微波塔也是一种独立避雷针。对于所内设有微波塔的，规程规定微波塔必 须与通信室地网连接。通讯室和主控室地网一体，雷电流通过主控室地网泄放。 按前面分析，如果高压配电室、主控室、通讯室内保护、监控、计量表、RTU 等接于相距较远的地网，且之间又有电的联系时，所内电子设备遭受的反击机 率更大。 避雷针的年雷击次数，可按经验公式 N= 0.015 nk（l+5h） （b+5h）计 算。其中 n 为年雷暴日数，K 为校正系数金属结构取 2。l、b、h 分别为建筑物 的长、宽、高。按该式在年雷暴日为 40 的地区,35kV 室外终端变电所，母线构 架 5.5m 高，受雷击概率为每年 0.次，而加根 30m 高避雷针后，则每年将受 0.027 次雷击。如果一个变电所有 4 根针，每边相距 50m，雷击概率则为 0.048 次年。 避雷针大大增加雷击概率，使得依附于一次设备的目前正在大量更新的保 护、监控、综自及通讯等微电子设备感受雷害的机率大大增加，损坏方式也多 种多样，使电力生产带来很大的损失。 2.2 避雷器 避雷器的作用是限制过电压以保护电气设备。为了防护感应雷和输电线路 的雷电侵入波的危害，变电所采用了避雷器。以前装设的避雷器大多为装在线 路端的管型避雷器和装在母线、设备处的阀型避雷器，目前均由性能更好的金 属氧化物避雷器所取代。 2.2.1 避雷器的种类 从组合结构分；现在市场上的避雷器有几下几种： 1） 间隙类；开放式间隙、密闭式间隙 2） 放电管类:开放式放电管密封式放电管 3） 压敏电阻类:单片、多片 4） 抑制二极管类 5） 压敏电阻/气体放电管组合类:简单组合、复杂组合 6） 碳化硅类 按照其保护性质有可以分为：开路式避雷器、短路式避雷器或开关型、限压型； 按照工作状态（安装形式）又可分为：并联避雷器和串联式避雷器。 2.2.2 各避雷器的特点 1、开放式间隙避雷器： 间隙避雷器的工作原理：基于电弧放电技术，当电极间的电压达到一定程度 时，击穿空气电弧在电极上进行爬电。 优点：放电能力强，通流量大（可以达到 100KA）漏电流小 热稳定性好 缺点：残压高，反映时间慢，存在续流 工艺特点：由于金属电极在放电时承受较大电流，所以容易造成金属的升华， 使放电腔内形成金属镀膜影响避雷器的启动和正常使用。放电电极的生产主要 还是集中在国外一些避雷器生产企业， ，电极的主要成分是钨金属的合金。 工程应用：该种结构的避雷器主要应用在电源系统做 B 级避雷器使用。但由于 避雷器自身的原因容易引起火灾，避雷器动作后(飞出）脱离配电盘等事故。根 据型号的不同适合与各种配电制式。 2、密闭式间隙避雷器： 现在国内市场有一种多层石墨间隙避雷器，这种避雷器主要利用的是多层 间隙连续放电，每层放电间隙相互绝缘，这种叠层技术不仅解决了续流问题而 且是逐层放电，无形中增大了产品自身的通流能力。 优点：放电电流大 测试最大 50KA（实际测量值）漏电流小 无续流 无电 弧外泻 热稳定性好 缺点：残压高，反映时间慢 工艺特点：石墨为主要材料，产品内采用全铜包被解决了避雷器在放电时 的散热问题，不存在后续电流问题，最大的特点是没有电弧的产生，且残压与 开放式间隙避雷器比较要低很多。 工程应用：该种避雷器应用在各种 B、C 类场合，与开放式间隙比较不用考 虑电弧问题。根据型号的不同该种产品适合与各种配电制式。 3、简单组合避雷器： 组合式避雷器典型结构是 N-PE 结构形式，这种避雷器与单一结构的避雷器 相比，综合了两种不同产品的优点，而减少了单一器件的缺点。 优点：通流量大 反应时间快 缺点：残压相对较高 工程应用：仅在 N-PE 制式使用的避雷器，适合电压波动率较大地区使用。 4、复杂型组合式避雷器 ： 这种避雷器充分发挥各种元器件的优点，再结构上一般使用数量较多的压 敏电阻和气体放电管。这种结构的避雷器一般具有较高的通流能力，且残压较 低。行业内也称这种结构的避雷器为一体化避雷器。 优点：通流量大 反映时间快 残压低 无续流 热稳定性好 缺点：无声音报警 无计数器 工艺特点：一体化避雷器的电路结构紧凑，充分发挥了氧化锌电阻反映时 间快的特点，有结合了气体放电管具有较高通流能力的优点。在电路上避雷器 使用了较多的氧化锌电阻来提高整体避雷器的通流能力，用气体放电管作为备 用放电通道。基于这种完善的电路结构使避雷器的使用寿命大大提高。 5、碳化硅避雷器（阀式避雷器）： 碳化硅避雷器主要应用于高压电力防雷，目前仍是电力系统使用率较高的 电力防雷产品。由于雷电侵入波主要对 35kV 以下系统危害较大，变电所着重对 35kV 和 10kV 线路入侵波进行防护。对 35kV 架空进线，一般是采用进线段 12km 的架空避雷线配其两端的管型避雷器进行防护。对 10kV 线路，则每条 进线均采用一组阀型或氧化锌避雷器进行防护。对 310kV 配电变压器，一般 只规定了高压侧采用阀型避雷器的保护，对多雷区外送的 Y/Y0 连接的变压器的 只规定了装设以防变波及低压侧雷电入侵波击穿变压器高压侧绝缘的避雷器。 6、氧化锌避雷器： 氧化锌避雷器是目前国际最先进的过电压保护器。由于其核心元件采用氧 化锌电阻片，与传统碳化硅避雷器相比，改善了避雷器的伏安特性，提高了过 电压通流能力，从而带来避雷器具特征的根本变化。避雷器是电力系统中主要 的防雷保护装置之一，只有正确地选择避雷器，方能发挥其应有的防雷保护作 用。 优点：无间隙 通流容量大 体积小 重量轻 结构简单 运行维护方便 使用 寿命长 2.3 变电所建筑物的防雷 室外变电所的建筑物一般有高压室、主控室、通讯室以及部分附属住宅楼 办公楼等。按建筑物防雷等级划分，变电所生产性建筑物一般被划分为第三类 工业建筑。由于设计时一般将此类建筑物置于变电所避雷针保护范围，因此除 通讯室按相关标准进行过防雷处理外，其它部分因不设屋面避雷针和避雷带， 故均压带以及利用建筑物钢筋作分流线和组成法拉第笼屏蔽网等措施均未采用。 对于防雷电波入侵，引入建筑物内的缆线等一般均通过与接地网连成一体的电 缆沟支架和电缆竖井支架引入，且部分电缆作了两端屏蔽接地处理。 因变电所建筑物未考虑直击雷泄流通路，其地网处理一般是与所内主接地 网相连。虽然许多规程中分出了防雷地、交流地、直流地、保护地、数据地， 但是执行起来很不易，一是条件苛刻，场地狭小； 二是所用设备规模不大，没 有必要分得太清，于是造成了事实上的联合地网。现代研究认为，这种联合地 网经济有效，并且可以解决各地网在内外过电压时产生的电位差，造成对耐受 水平低的电子设备的反击。不过联合地网必须通过合理布置接地线和等电位处 理技术及装置本身的电磁兼容防护来解决设备的安全问题。 第 3 章 变电站的防雷区及系统设计原则 变电所传统防雷措施对高压电气设备的防护是有效的，但对电子设备的防 护并不恰当，为了适应智能化变电所的发展要求，必须在原定防雷措施基础上， 更进一步进行防范。采取措施的原则是分区防护、三级过压保护、多重屏蔽、 均衡电位、浮点电位牵制。根据 1992 年国际建筑物防雷会议上 IEC/TC81 中提 出的防雷保护区的新概念，对变电的的防雷化分为三个区进行分级防护，根据 设备的敏感性和重要性进行加强屏蔽可以起到事半功倍的效果。 雷击对变电所电子设备的危害主要表现在感应过电压，侵入波过电压、地 电位反击，雷电二次效应等。电子设备的防雷保护重点是感应雷。 对变电所电子设备的防雷应分区分级防护，引雷、分流、散流、屏蔽、均 压、隔离、限幅、嵌位、滤波相结合，充分利用当代先进技术，根据电子设备 工作特点选用低压避雷器，如高频避雷器、数据避雷器、放电管、硅瞬变二极 管、瞬态过电压保护器、组合式避雷器等，将整个系统的雷电防护看成是一个 系统工程，综合考虑，全方位保护，将雷害事故和干扰减少到最低程度。 变电所的防雷设计总的原则应做到选型设备先进,保护系统灵敏、安全、可 靠,设备维护方便。针对雷电侵害的 3 种形式,进行变电所的防雷设计,其中防直 击雷和雷电波侵入是主要任务。 3.1 第一级防护区的处理措施 第一级防护区为全所范围内的高压设备部分和高压线路的进线段保护范围。 主要措施为独立避雷针、构架避雷针、架空避雷线、高压避雷器、设备引下线、 主接地网和微波塔及其接地。其主要任务为引雷、泄流、限幅、均压，完成基 本的防雷功能。 由于避雷针的采用增加了雷击概率，感应雷对电子设备的危害机率增加。 为了减轻雷击感应幅射，有些工程采用了带屏蔽作用的引下线，有的采用多条 引下线分流，这些措施均可起到一定作用。 另外有些变电所以前选用了导体消雷器、半导体消雷器、少长针消雷器等 多种类型的无源消雷器。其评价褒贬不一，不过有一个不争的事实： 消雷器的 保护范围至少与同等高度避雷针一样。对于消雷器的运行，只要其接地满足防 雷规范要求，空间和地中安全距离以及保护范围满足规程要求，就应当继续使 用作好观察记录。如能够消雷或部分消雷，都将会对电子设备有益。 一级防过电压区防护措施：(1)对主接地网的接地电阻、接地网之间的连通、 设备的接地引下线进行大电流测试；(2)逐级分别泄流，微波塔加装独立接地体， 独立接地体的接地电阻小于 5，如果微波塔或独立避雷针与主接地相接，微 波塔与主接地网的连接点距 35kV 及以下设备与主地网的连接点的距离大于 15m，以使其在遭雷击时主要通过自身的接地极泄放雷 电流，尽量少地波及到 其它设备；(3)均匀地网系统电压，各个设备区之间建立良好的等电位接地，各 设备区之间连接良好，主控室的低压控制部分加装均压带，使各点的接地为等 电位。 防护位置： 据 IEC1312雷电电磁脉冲的防护中的雷电保护区域的划分 原则。避雷器的安装位置应在不同保护区的交界处 , 对于此网络即第一级防护 应设在交流母线处。在两根母线上各加装一个同型号的 B 级三相电源避雷器。 安装位置： 交流母线 (机柜内) 。 3.2 第二级防护区的处理措施 第二级防护区包括进出变电所管线、二次电缆、端子箱、所用电系统及微 波天馈线。其主要任务是防感应雷过电压和侵入波过电压的传递，以及危险电 位内引外送。 二级防过电压区防护措施：(1)加强屏蔽，将进入变电站的电缆线全部使用 屏蔽电缆，并将屏蔽层可靠接地；(2)对低压电源限制，对低压供电电源加装金 属氧化锌避雷器或加装电源电压瞬变抑制器，限制电源电压的抬高，加装隔离 变压器；(3)将微波馈线的屏蔽与微波塔实现两点以上相接。 安装位置： 空气开关 (机柜内) 。 3.2.1 进出所管线的处理 进出所管线包括水管、煤气管、热力管、电源线、纵联保护导引线、信息 传输线等。进所金属管类均应直埋进所，并与地网分几处连接，且宜在进所前 经绝缘管道隔离后引入。所用电源一般不外送，如内引应经隔离变压器引入， 引入前穿管直埋 15m 进所。仍采用纵联导引线保护的，导引线应按部颁反措经 隔离变压器后引入，进所部分穿管直埋。进出所的信息传输线缆应穿管直埋入 所并经保安单元或相应的数据避雷器后引入机房。有金属线的光缆穿管直埋入 所先经接地汇接排后才能引入机房。接地的波导管本身具有良好的防雷作用， 不需加避雷器，按规程沿路接地即可，对同轴电缆天馈线应加装相应高频避雷 器，避雷器的地线就近与机房的接地汇接排相连。 3.2.2 二次电缆及端子箱 直接与电子设备屏柜和装置相连的控制信号电缆、电流、电压回路电缆都 应该采用屏蔽电缆，且屏蔽层金属保护层及备用芯均应两端接地。端子箱及断 路器机构箱、汇控柜等不管内部是否安装电子设备均应避开避雷器或构架避雷 针的主要散流线接地。 3.2.3 所用电系统的保护 电子设备雷害事故大多与电源相关。一方面是防护力度不够，另一方面说 明从所用电入侵的雷电波能量足够大，经几级高压泄放仍具有强大的破坏力。 根据国标（GB50057-94） 建筑物防雷设计规范规定，对微电子设备的供 配电系统应采取三级过电压保护。三级分别为所用变低压出口，所用电配电柜 各分路出口，各设备 UPS 电源出口。 低压配电系统避雷器一般以 MOV（金属氧化物可变电阻）为主。MOV 失效率 较高，虽说经改进后的 MOV 通流容量越做越大，且有一些产品采用熔断器和温 度断开装置予以保护，但仍有损坏，有必要采取三级冗余以增强可靠性。 3.3 第三级防护区的主要任务 第三级防护区包括变电所主控室、远动通信机房及全部电子设备。其主要 任务是多重屏蔽、电源过压嵌位、信号限幅滤波、地电位均压、浮点电位牵制。 3.3.1 多重屏蔽 微电子设备工作电压低击穿功率小，靠单一屏蔽难以达到预期效果，必须 采取多重屏蔽。利用建筑物钢筋网组成的法拉第笼，以及设备屏柜金属外壳、 装置金属外壳等逐级屏蔽。 早期的变电所建筑留下了许多防雷的先天不足，新建的变电所必须按国标 （GB50057-94） 建筑物防雷设计规范及邮电部（YD2011-93） 微波站防雷与 接地设计规范 、电力部（DL548-94） 电力系统通信站防雷运行管理规程等 要求利用建筑物女儿墙、天面防雷网及结构钢筋、基础钢筋焊接成一体的网， 以及设备特殊要求的金属幕墙组成第一级屏蔽。设备屏柜、装置本体订货时必 须注明电磁兼容防护等级，使用环境。 3.3.2 地电位均压 室内采用联合地网，设环形地母线、接地汇集线。地母线与地网采用多条 引下线对称引下连接。对于数字地、模拟地等功能地与保护地确实需要分开的， 可采用地极防雷器连接。 对于电子设备之间电的联系跨度较大的部分，跨越几个防护区的部分，常 因地电位不均衡造成工作出错或损害。国家电力调度通信中心曾发文制定反措， 在变电所主控室电缆层敷设不小于 100mm2的铜地网延伸至 220kV 耦合电容结合 滤波器处连接。这一措施实施以来效果令人满意。不仅仅是高频保护，目前就 地布置的电子设备与分控室或主控室之间的通信如果采用电的联系，同样会遭 遇此问题。现场可以根据具体情况采取地电位均衡措施。 3.3.3 浮点电位牵制 建筑物内金属门窗、玻璃幕墙、吊顶龙骨、灯具等均可能随雷电二次效应 危害电子设备，应予就近多点接地以防不测。 变电所二次回路直流蓄电池长期为浮点运行。为防雷害，应采用直流避雷 器和在绝缘监察装置内加装气体放电管。 3.4 变电所综合防雷措施 3.4.1 避雷针对直击雷的防护 为免遭直击雷破坏, 变电所一般设有独立避雷针和构架避雷针, 有些峡谷地 带变电所则采用避雷线保护。 其结构均分为接闪器、 引下线和接地体, 防雷 原理相同。防护直击雷的主要措施是装设避雷针。避雷针位置要根据变电所的 建筑布局、设备分布状况确定。 1、单支避雷针在地面上的保护半径(r)。r=1.5,其中 h 为避雷针高。单h 支避雷针在被保护物高度 hx 水平面上的保护半径：当/2 时, =(-) x hh x rh x h p；当 /2 时, =(1.5-2)p。其中为避雷针在水平面上的保护 x hh x rh x h x r x h 半径；p 为高度影响系数。30m 时,p=1； 30m/120m 时,p=5.5/。以hhhh 下各式中 p 值均为高度影响系数。 2、两支等高避雷针的保护范围。外侧保护范围按单支避雷针的计算方法确 定,两针间的保护范围应按： =-D/(7p)计算,其中为两针间保护范围上部 o hh o h 边缘最低点高度,D 为两支避雷针间距。两针间水平面上保护范围的一侧最 x h 小宽度=1.5(-),两针间距与针高之比 D不宜大于 5。 x b o h x hh 3、三支等高避雷针的保护范围。三角形外侧保护范围分别按两支等高避雷 针的计算方法确定,如在三角形内最大高度水平面上,各相邻避雷针间保护范 x h 围的外侧最小宽度0 时,则曲线所包围的面积全部得到保护。 x b 4、四支以上等高避雷针所形成的四边形或多边形,可先将其分成 2 个或几 个三角形,然后分别按三支等高避雷针的方法计算。 第 4 章 变电站防雷保护的分类 4.1 雷电过电压的保护 IEC61312-2 指出：“信息设备的主要干扰电磁源是雷电流和电磁场 0 I 及沿着入户的公共设施流过局部雷电流 。、和都具有相同的波形。 0 H i I 0 I i I 0 H 根据 IEC61312-1 的第二章，可以认为雷电流是由首次雷击电流（10/350 f I ）和后续雷击电流（0.25/100）所组成” 。 s s I s 我们研究的雷电电磁脉冲的属于高频（10KHZ-几百 KHZ）的范围，所以工 频（50HZ）下的参数及定律已经不适用了。由于许多雷击过电压导致的物理现 象的物理量都是电流 I 的函数，例如： ，我们为了研究雷 ti ddLU 21 ttddLIQ ti ti ddLIW 2 击过电压需要研究电流的参数，只有随时间瞬态变化的电流（即一定波形的斜 三角冲击电流） ，才具有破坏力。 因此，过电压保护必须考虑到如何抑制（或分流）10/350波形的雷电流。 s 在 IEC 标准中说明，用 8/20 试验的过电压保护器其通流能量仅为以 10/350 s 波形试验的过电压保护器的 1/20。其后应有第二级、第三级、乃至第四级的 s 精细保护。各级之间的能量配合、解耦措施是必须的。 4.2 变电站雷击电流的防护 根据 IEC1024-1：1993 的表 3 规定，雷击电流的电荷在实践中应采用 （10/350）的波形作为雷击电流的测试脉冲，在该标准中还规定了雷击电流 s 的三个等级和防护效果： 第一级：200KA，10/350按此防护，防护效果可达 98% s 第二级：150KA，10/350按此防护，防护效果可达 95% s 第三级：100KA，10/350按此防护，防护效果可达 90% s 雷击电流和幅值概率 IEC 标准公布如下： 虽然只有 1%的雷电会达到 200KA 的雷电流幅值，但变电站及其通信系统等 对不间断工作的要求相当高，应按第一级考虑。由于变电外部防雷设施的引下 线与建筑物自身的总和电感的分流和电磁场自身辐射衰减，IEC 规定有 50%的雷 电能量会由外部防雷装置引入大地，剩余的 100KA 将会对周围导体形成干扰、 感应电压。这些雷击感应电流将会根据电网的类型按照电源传输线的线数平均 分布。例如： 单相电源每相 50KA， TN-C-S 和 TT 网每相 25KA， TN-C 每相 33KA 4.3 变电站对最大冲击电压和残压的防护 IEC 规定使用波型为 1.2/50的冲击电压作来雷击过电压的测试脉冲,由 s 于我国的电源行业的开关电源及逆变电源主振晶体管的绝缘耐压行业标准为 550Vdc,一般厂家考虑到中国电网正向 10%的波动,那么对于被保护的设备的输 入电压的保护,要求过电压保护的末级残压要求在 600v 左右。而