大连理工-电气工程及其自动化(专升本)论文

网络高等教育本 科 生 毕 业 论 文（设 计） 题 目：变电站防雷接地技术 学习中心：浙江电大XX学院奥鹏学习中心 层 次： 专科起点本科 专 业： 电气工程及其自动化 年 级： 2012年春季 学 号： 0000000000000 学 生： 王XX 指导教师： 刘凤丽 完成日期： 2013年 12月 27日 内容摘要随着仙居县经济的快速发展，企业生产和家庭用电对电能质量的要求越来越高，同时使用电能的安全性的要求也在进一步提高。变电所是电力系统的重要组成部分，因此它是防雷的重要保护部位。仙居县地处浙江台州山区，年平均雷暴日有50多天。由于年雷暴日多，发生雷击事故的概率大，如何有效、合理对变电站采取防雷接地保护措施有着十分重要的意义。本文就以仙居县某35KV变电站为研究对象，以国家防雷接地标准为依据且结合变电站具体情况，对变电站的防雷接地进行保护设计，具有一定代表性。关键词：变电站；防雷保护；接地装置目 录内容摘要I1 绪论11.1 课题研究的意义11.2 变电站防雷接地的研究背景11.3 本次论文的主要工作22 变电站的防雷保护32.1 变电站的直击雷保护32.2 变电站的侵入波保护52.3 变电站的进线段保护52.4 避雷针与避雷线的保护范围的计算62.5 变电站进线防雷保护73 变电站的防雷接地83.1 接地概述83.2 接地电阻83.3 变电所接地装置93.4 变电所接地的原则103.5 降低变电所接地装置工频接地电阻的措施114 变电所防雷接地设计实例124.1 变电所的规模124.2 变电所位置的自然条件134.3 避雷针的设置及防雷保护校验144.4 接地装置的设置165 结论17参考文献181 绪论1.1 课题研究的意义雷电一直是影响电力系统安全稳定运行的重要原因，防雷保护就显得至关重要。仙居县地处浙江台州山区，是雷电活动十分频繁的地区，年平均雷暴日有50多天。由于年雷暴日多，发生雷击事故的概率大。据不完全统计，我县每年因雷击造成人员伤亡达15人，财产损失5001000万元人民币。随着社会经济发展和现代化水平的提高，特别是信息技术的快速发展，雷电灾害程度和造成的经济损失及社会影响也越来越大对变电所采取有效的防雷措施以保证电气设备的安全是不可忽视的问题，不断改善防雷保护设备特性是电力系统防雷的重要手段。接地是避雷技术最重要的环节，不管是直击雷，感应雷或其它形式的雷，都将通过接地装置导入大地。因此，没有合理而良好的接地装置，就不能有效地防雷。从避雷的角度讲，把接闪器与大地做良好的电气连接的装置称为接地装置。接地装置的作用是把雷电对接闪器闪击的电荷尽快地泄放到大地，使其与大地的异种电荷中和。防雷接地技术不仅是电气安全工程技术的一方面，更是电气安全工作的重中之重。变电站是电力系统的心脏和枢纽，一旦遭受雷击，引起变压器等重要电气设备绝缘毁坏，不但修复困难，而且造成大面积、长时间停电，必然给国民经济带来严重损失，跟人民生活带来诸多不便。因此，变电站的防雷接地保护技术必须十分可靠。1.2 变电站防雷接地的研究背景变电站是电力系统防雷的重要保护设施，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。变电站遭受雷击有以下方式：一是雷直击于变电所的设备上；二是架空线路的雷电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。为保证电力系统的安全运行，电力系统应根据被保护物的重要性和危险程度的不同，对于直接雷、雷电感应、雷电侵入波应采取相应的防雷保护措施。防雷措施不完善，如果发生雷击事故，将会导致变电所发生故障，因而会造成大面积的停电，严重影响社会生产和人民生活，因此，要求变电所的防雷保护措施必须是十分可靠的。1.3 本次论文的主要工作 1、学习各种用于变电站的防雷装置，包括避雷针、避雷线、避雷器等，它们的原理、作用以及保护范围。2、采用各种相应的防雷装置，根据变电站实际情况，实现对变电站直击雷防护、雷电侵入波防护的设计、进线段保护。3、了解基本接地常识，根据本次论文主要研究仙居县35KV变电站的防雷接地部分的设计。2 变电站的防雷保护变电站遭受雷击的主要原因：雷电是雷云层接近大地时，地面感应出相反电荷，当电荷积聚到一定程度，产生云和云之间以及云和大地之间放电，迸发出光和声的现象。供电系统在正常运行时，电气设备的绝缘处于电网的额定电压作用之下，但是由于雷击的原因，供配电系统中某些部分的电压会大大超过正常状态下的数值，通常情况下变电站雷击有两种情况：一是雷直击于变电站的设备上，二是架空线路的雷电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站。其具体表现形式如下：（1）直击雷过电压。雷电直接对电气设备放电引起的过电压称为直击雷过电压，其极性与雷电流的极性相同为负。雷云直接击中电力装置时，形成强大的雷电流，雷电流在电力装置上产生较高的电压，雷电流通过物体时，将产生有破坏作用的热效应和机械效应。（2）感应过电压。当雷云在架空导线上方，由于静电感应，在架空导线上积聚了大量的异性束缚电荷，在雷云对大地放电时，线路上的电荷被释放，形成的自由电荷流向线路的两端，产生很高的过电压，此过电压会对电力网络造成危害。（3）雷电侵入波。架空线路的雷电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站，是导致变电站雷害的主要原因，若不采取防护措施，势必造成变电站电气设备绝缘损坏，引发事故。防雷措施总体概括为2种:避免雷电波的进入;利用保护装置将雷电波引入接地网。防雷保护措施应根据现场常见的雷击形式、频率、强度以及被保护设施的重要性、特点安装适宜的保护装置。2.1 变电站的直击雷保护变电站遭受雷击有以下方式：一是雷直击于变电所的设备上；二是架空线路的雷电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。直击雷防护技术以避雷针、避雷带、避雷网、避雷线为主要，其中避雷针是最常见的直击雷防护装置。当雷云放电接近地面时它使地面电场发生畸变，在避雷针的顶端，形成局部电场强度集中的空间，以影响雷电先导放电的发展方向，引导雷电向避雷针放电，再通过接地引下线和接地装置将雷电流引入大地，从而使被保护物体免遭雷击。避雷针冠以“避雷”二字，仅仅是指其能使被保护物体避免雷害的意思，而其本身恰恰相反，是“引雷”上身。目前，主要的避雷针包括常规避雷针，提前放电避雷针、主动优化避雷针，限流型避雷针和预防典型避雷针，世面上比较常用和比较出名的是河南万佳防雷公司生产的预放电避雷针WJZ系列避雷针，如WJZ2500-1C。(1）接闪器采用避雷针、避雷带（网），或两者混合的方式，还宜利用建筑物的金属屋面作为接闪器，但应符合规范要求。不应采用装有放射性物质的接闪器。其他形式的消雷器，只宜用于屋面上架设有高杆铁塔的建筑物上。屋面上的突出物，如卫星和共用天线接收装置、节日彩灯、航空障碍灯和屋面风冷机组等，应在防雷装置保护范围内，若按滚球法计算不在保护范围内时，应另设避雷针、带加以保护，并与屋面防雷装置相连。（2）引下线应优先利用建筑物钢筋混凝土柱或剪力墙中的主钢筋，还宜利用建筑物的消防梯、钢柱、金属烟囱等作为引下线。当利用钢筋混凝土柱中的钢筋、钢柱作为自然引下线，并同时采用基础钢筋作为接地装置时，不设断接卡，但应在室外适当地点设若干与柱内钢筋相连的连接板，供测量、外接人工接地体和作等电位联结用砖混结构的建筑物，在外墙四周另设引下线，并在离地1.8米出装设断接卡。其1.7米至地下0.3米一段应采取保护措施。（3）接地装置应优先利用建筑物钢筋混凝土基础内的钢筋。有钢筋混凝土地梁时，应将地梁内钢筋连成环形接地装置；没有钢筋混凝土地梁时，可在建筑物周边无钢筋的闭合条形混凝土基础内，用-40x4镀锌扁钢直接敷设在槽坑外沿，形成环形接地。当将变压器和柴油发电机的中性点工作接地、电气保护接地和弱电系统工作接地等共用接地装置时，接地电阻值应不大于1欧。采用共用接地装置时，弱电系统应将各自设备机房的、与建筑物绝缘的接地线柱，用25平方毫米以上的铜芯电缆或导线穿焊接钢管做单独的引下线，在建筑物基础处与接地板相连。弱电系统一般要求接地电阻不大于4欧，如若设独立的接地系统，其与防雷接地系统的距离不宜小于20米。2.2 变电站的侵入波保护变电站对侵入波的防护的主要措施是在其进出线上装设阀型避雷器，避雷器装设在被保护物的引入端，其上端接在线路上，下端接地，一般安装在变电站母线上。阀型避雷器的基本元件为火花间隙和非线性电阻。目前，SFZ系列阀型避雷器，主要用来保护中等及大容量变电站的电气设备。FS系列阀型避雷器，主要用来保护小容量的配电装置。变电站中限制侵入波的主要设备是避雷器，它接在变电站的母线上，与被保护设备相并联，并使所有设备受到可靠保护。由于变电站各级电压母线接地故障电流越来越大，在接地设计中要满足R2000/I是非常困难的。现行标准与原接地规程有一个很明显的区别是对接地电阻值不再规定要达到0.5，而是允许放宽到5，但这不是说一般情况下，接地电阻都可以采用5，接地电阻放宽是有附加条件的，即：防止转移电位引起的危害，应采取各种隔离措施；考虑短路电流非周期分量的影响，当接地网电位升高时，310kV避雷器不应动作或动作后不应损坏，应采取均压措施，并验算接触电位差和跨步电位差是否满足要求，施工后还应进行测量和绘制电位分布曲线。变电站接地网设计时应遵循以下原则： 尽量采用建筑物地基的钢筋和自然金属接地物统一连接地来作为接地网； 尽量以自然接地物为基础，辅以人工接地体补充，外形尽可能采用闭合环形； 应采用统一接地网，用一点接地的方式接地。2.3 变电站的进线段保护要限制流经避雷器的雷电电流幅值和雷电波的波度，就必须对变电站进线实施保护。当线路上出现过电压时，将有行波导线向变电站运动，起幅值为线路绝缘的50%冲击闪络电压，线路的冲击耐压比变电站设备的冲击耐压要高很多。因此，在接近变电站的进出线上加装避雷线是防雷的主要措施。如不架设避雷线，当遭受雷击时，势必会对线路造成破坏。变电站进线保护是在靠近变电站出线架12km线路上所采取的可靠的防雷保护措施，变电站进线保护具体措施视变电站的线路情况而定。2.4 避雷针与避雷线的保护范围的计算雷闪直接对电气设备放电引起的过电压称为直击雷过电压，其极性与雷电流的极性相同为负。直击雷过电压的幅值可达上千千伏以上，很显然，大多数击于输电线或电气设备上的都会产生闪络，可能导致火灾或爆炸。但对于高压配电线路，往往受厂房和高建筑物的屏蔽，所以遭受直击雷的几率较小。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受器。它将雷吸引到自己的身上, 并安全导人地中, 从而保护了附近绝缘水平比它低的设备免遭雷击。变电站装设避雷针时, 应该使站内设备都处于避雷针保护范围之内。此外, 装设避雷针时对于35KV变电站必须装有独立的避雷针, 并满足不发生反击的要求；对于110KV及以上的变电站, 由于此类电压等级配电装置的绝缘水平较高, 可以将避雷针直接装设在配电装置的架构上, 因此, 雷击避雷针所产生的高电位不会造成电气设备的反击事故。雷击只能通过拦截导引措施改变其入地路径。接闪器有避雷针、避雷线。小变电所大多采用独立避雷针，大变电所大多在变电所架构上采用避雷针或避雷线，或两者结合，对引流线和接地装置都有严格的要求。避雷针在地面上保护半径的计算 计算避雷针在地面上的保护半径可用公式 式中：Rp保护半径； h避雷针的高度； P高度影响因数。其中，P的取值是：当h30 m，P1；当30 m的h的纯数值；当h20 m时，只能取h=120 m。1.2被保护物高度hp水平面上保护半径的计算 a)当hp0.5h时，被保护物高度hp水平面上的保护半径 式中：Rp避雷针在hp水平面上的保护半径； hp被保护物的高度； ha避雷针的有效高度。 b)当hp0.5h时，被保护物高度hp水平面上的保护半径2.5 变电站进线防雷保护变电站因雷电侵入波形成的雷害事故有50%是离变电站1km以内雷击线路引起的，约有71%是3km以内雷击线路引起的。要限制流经避雷器的雷电电流幅值和雷波的波度，就必须对变电站进线实施保护。当线路上出现过电压时，将有行波导线向变电站运动，起幅值为线路绝缘的50%冲击闪络电压，线路的冲击耐压比变电站设备的冲击耐压要高很多。应为雷电侵入波沿导线传播时有损耗，具体是雷电压在线路上感应产生的地点离变电站愈远，它流动到变电站时的损耗就愈大，其波陡度和幅值就降得愈低。所有在接近变电站的进出线上加装避雷线是防雷的主要措施。如不架设避雷线，当遭受雷击时，势必会对线路造成破坏。变电站进线保护是在靠近变电站出线架12km线路上所采取的可靠的防雷保护措施，变电站进线保护具体措施视变电站的线路情况而定。这样，侵入变电站的雷电过电压波主要来自进线段外，并经过12km线路的冲击电晕影响，不但削弱了侵入波的幅值和陡度，而且因进线段波阻抗的作用，也限制了通过避雷器的雷电流，使其不超过规定值，保证了避雷器的良好配合，这一措施就是变电站进线段保护。3 变电站的防雷接地接地装置的设计对于电力系统的安全运行至关重要。变电站接地系统的合理与否是直接关系到人身和设备安全的重要问题。随着电力系统规模的不断扩大，接地系统的设计越来越复杂。变电站接地包含工作接地、保护接地、雷电保护接地。工作接地即为电力系统电气装置中，为运行需要所设的接地；保护接地即为电气装置的金属外壳、配电装置的构架和线路杆塔等，由于绝缘损坏有可能带电，为防止其危及人身和设备的安全而设的接地；雷电保护接地即为为雷电保护装置向大地泄放雷电流而设的接地。变电站接地网安全除了对接地阻抗有要求外，还对地网的结构、使用寿命、跨步电位差、接触电位差、转移电位危害等提出了较高的要求。3.1 接地概述 接地就是将电力或建筑电气装置、设施中某些导电部分，经接地线接至接地极。接地根据工作内容划分为以下几种：1工作接地工作接地是为系统正常工作而设置的接地。如为了降低电力设备的绝缘水平，在及以上电力系统中采用中性点接地的运行方式，在两线一地的双极高压直流输电中也需将其中性点接地。除主设备的接地外，在微电子电路中，根据电路性质不同，还有各种不同的工作接地比如直流地、交流地、数字地、模拟地、信号地、功率地、电源地等。2防雷接地为了避免雷电的危害，避雷针、避雷线和避雷器等防雷设备都必须配以相应的接地装置以便将雷电流引入大地。3安全接地为了保证人身的安全，将电气设备外壳设置的接地。任何接地极都存在着接地电阻，正因为如此，当有电流流过接地体时，在接地电阻上的压降将引起接地极电位的升高电流在地中扩散时，地面会出现电位梯度。3.2 接地电阻 大地并非理想的导体，它具有一定的电阻率。所以当外界强制施加于大地内部某一电流时，大地就不能保持等电位。接地电阻就是电流由接地装置流入大地再经大地流向另一接地体或向远处扩散所遇到的电阻，它包括接地线和接地体本身的电阻、接地体与大地的电阻之间的接触电阻以及两接地体之间大地的电阻或接地体到无限大远处的大地电阻。1、接地电阻电力设备接地设计技术规程中对接地电阻值有具体的规定，一般不大于0.5。在高土壤电阻率地区，当接地装置要求做到规定的接地电阻在技术经济上极不合理时，大接地短路电流系统接地电阻允许达到5，但应采取措施，如防止高电位外引采取的电位隔离措施，验算接触电势，跨步电压等。根据规程规定，主要是以发生接地故障时，接地电位的升高不超过2000V进行控制，其次以接地电阻不大于0.5和5进行要求。因此，人们普遍认为110kV及以上变电所中，接地电阻值小于0.5即认为合格，大于0.5就是不合格，不管短路电流有多大都不必采取措施，这是不合理的。2、接地短路电流分析当系统发生接地故障时，产生的接地短路电流经三种途径流入系统接地中性点。a.经架空地线杆塔系统；b.经设备接地引下线，地网流入本站内变压器中性点；c.经地网入地后通过大地流回系统中性点。而对地网接地电阻起决定性作用的只是入地短路电流。所以，正确地考虑和计算各部分短路电流值，对合理地设计地网有着很大的影响。接地网电阻值的大小，是判定接地网是否合格的重要部分，而对接地网电阻的测量采用的方法及设备也直接影响测量的结果，测量接地网电阻时，其接地棒和辐助接地体有两种布置法。对大型地网的电阻测量，应采用电流电压测量法，其接地棒，辅助接地体的布置应采用三角形由置法，并使辐助接地体的接地电阻不应大于10。通过接地装置的电流应大于30A，电源电压应为65220V交流工频电压，电压较低时测量较为安全，电压表应采用高内阻的表计，以减少该云支路的分流作用。这种测量方法的优点是，接地电阻不受测量范围的限制，特别适用于110KV以上系统的接地网的接地电阻测量，也适用于自动化系统接地电阻的测量，其测量的结果准确可靠。3.3 变电所接地装置接地装置是由埋入地中的接地体（即金属导体）和连接接地体与电气设备金属外壳（或电路中某一节点）的导线所组成的装置。接地体及接地线要进行防腐蚀处理。接地线还必须满足机械强度及短路电流通过时的发热稳定性要求。变电站对接地装置的要求和一般规定接地设计首先根据项目要求确定接地设计原则：根据地网的类型、目的、接地要求进行设计。如主要用于防雷接地的地网，其接地线长度应满足LSmin 合格 防雷接地35KV变电站用独立避雷针, 避雷针接地引下线埋在地中部分与配电装置构架的接地导体埋在地中部分在土壤中的距离大于3m, 变电站电气装置的接地装置采用水平接地极为主的人工接地网, 水平接地极采用扁钢50mm5mm, 垂直接地极采用角钢50mm5mm, 垂直接地极间距5m6m, 主接地网接地装置电阻不大于4, 主接地网埋于冻土层1m 以下。人工接地网的外缘应闭合, 外缘各角应做成圆弧形。4.4 接地装置的设置无论是工作接地还是保护接地，都是经过接地装置与大地连接，接地装置包括接地体和接地线两部分。1.接地体（网）待设计变电所为长方形，则接地网也可取为长方形，若取直径为48mm，长为250cm的钢管作接地体，埋深0.8m,接地体之间连接一般用镀锌扁钢，应保证接地地电阻R