变电所防雷系统

1、摘摘 要要 变电所是电力系统重要组成部分，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。因此， 必须重视变电所防雷，要求防雷措施必须十分可靠。 本文针对传统变电所的避雷设施已不能适应电力系统自动化 的防雷要求，通过对雷电产生原理及防雷技术的分析，从变电所 常规防雷和微机保护弱电系统防雷这两个方面对110 kv变电所的 防雷提出了一个整体的方案。在变电所常规防雷方面，将变电所 防雷看成是一个综合系统，由三个子系统即三道防线构成一个完 整的变电所防雷保护系统。它们之间关系密切，相互影响，各负 其责，缺一不可，不存在谁替代谁的问题。在微机保护弱电系统 防雷方面，主要从低

2、压电源和通讯、采样系统电缆两方面进行防 雷保护。 通过以上两方面的防雷保护，同时注意日常维护，完全可以 达到 110kv 变电所的防雷要求。 关键词关键词: 雷电，变电所，防雷保护 abstractabstract the transformer substation is the important component of the power system. if substation is struck by lightning , it will cause power outage of a large scope. so, it will bring about many trou

3、bles for societys product and peoples life. and we must attach important to substation anti-thunder protection for his stability. traditional lightning facilities already cant meet the needs of thunder in the modern substation. through producing the thunder and lightning on the principle and foundat

4、ion of analysis of defending the thunder technical development,the article propose a whole systematic scheme to thunder about110 kv of transformer substation from substation in routine defend thunder and computer weak electricity system defend thunder two respects. lightning protection of substation

5、s is a systematic project , consisting of three sub- systems and three defense lines. they form an integrity of protective system of substations .against lightning. close relationship exists among these defense lines. these lines each having its own function, influence each other, and cant work prop

6、erly without others presence. therefore, each of them cannot be rep laced by other (s). weak electricity system defend thunder , it is defend from low-voltage power and communication cable two respect thunder protect to go on mainly in computer. through protecting above thunder of two respects, pay

7、attention to regular maintenance at the same time, we can require110kv of transformer substation. keywords: thunders and lightning , substation , lightning protection 目录目录 摘摘 要要 .i i abstractabstract .iiii 1 1 概述概述 .1 1 1.11.1 雷电雷电 .1 1 1.1.11.1.1 雷电的形成雷电的形成 .1 1 1.1.21.1.2 雷电波的频谱分析雷电波的频谱分析 .2 2 1.2

8、1.2 防雷技术的发展防雷技术的发展 .3 3 1.31.3 110kv110kv 常规防雷和弱点系统防雷技术特点常规防雷和弱点系统防雷技术特点 .4 4 1.41.4 110kv110kv 变电所的防雷原则及主要防雷设备变电所的防雷原则及主要防雷设备 .6 6 2 2 变电所的常规防雷变电所的常规防雷 .7 7 2.12.1 110kv110kv 母线防雷设备的选择母线防雷设备的选择 .7 7 2.22.2 110kv110kv 进线段的防雷进线段的防雷 .7 7 2.2.12.2.1 一般变电所的进线保护一般变电所的进线保护 .7 7 2.2.22.2.2 采用电缆段的进线保护采用电缆段的

9、进线保护 .8 8 2.32.3 变电站开关场防雷设计变电站开关场防雷设计 .8 8 2.42.4 避雷线、避雷针的设计避雷线、避雷针的设计 .9 9 2.4.12.4.1 避雷线的保护范围避雷线的保护范围 .9 9 2.4.22.4.2 滚球法确定接闪器的保护范围滚球法确定接闪器的保护范围 .1010 2.4.32.4.3 变电所避雷针设计计算软件的应用变电所避雷针设计计算软件的应用 .1111 2.4.42.4.4 装设避雷针时的注意事项装设避雷针时的注意事项.1313 2.52.5 变电所对雷电侵入波的保护变电所对雷电侵入波的保护 .1414 2.62.6 变电所电源系统的防雷配置变电所

10、电源系统的防雷配置 .1515 2.72.7 变压器防雷变压器防雷 .1717 2.82.8 接地装置的设计接地装置的设计 .1818 2.92.9 防止地电位的反击过电压防止地电位的反击过电压 .1919 2.102.10 模拟雷电冲击实验模拟雷电冲击实验 .1919 3 3 变电所弱电系统防雷变电所弱电系统防雷 .2121 3.13.1 雷电波主要侵入过程雷电波主要侵入过程 .2121 3.23.2 变电所对过电压的变电所对过电压的主要主要防护措施防护措施 .2222 3.2.13.2.1 低压电源的防雷保护低压电源的防雷保护 .2222 3.2.23.2.2 防止由通信电缆、控制电缆等侵

11、入的过电压防止由通信电缆、控制电缆等侵入的过电压 .2323 3.33.3 计算机网络系统的防雷计算机网络系统的防雷 .2525 3.3.13.3.1 遭受雷害的主要原因遭受雷害的主要原因 .2525 3.3.23.3.2 采取的防雷措施采取的防雷措施 .2525 3.43.4 弱电系统具体的防雷方案弱电系统具体的防雷方案 .2626 4 4 总结总结 .2727 4.14.1 变电所防雷保护的特点变电所防雷保护的特点 .2727 4.24.2 存在的不足和今后发展的方向存在的不足和今后发展的方向 .2828 致谢致谢 .3030 参考文献参考文献 .3131 1 1 概述概述 1.11.1

12、雷电雷电 1.1.11.1.1 雷电的形成雷电的形成 空中的尘埃、冰晶等物质在云层中翻滚运动的时候，经过一 些复杂过程，使这些物质分别带上了正电荷与负电荷。经过运动， 带上相同电荷的质量较重的物质会到达云层的下部（一般为负电 荷） ，带上相同电荷的质量较轻的物质会到达云层的上部（一般 为正电荷） 。这样，同性电荷的汇集就形成了一些带电中心，当 异性带电中心之间的空气被其强大的电场击穿时，就形成“云间 放电” （即闪电）。 1 当地面含水蒸汽的空气受到炽热的地面烘烤受热而上升，或 者较温暖的潮湿空气与冷空气相遇而被垫高都会产生向上的气流。 图 1. 1 水成物极化原理 图 1.2 典型雷云电荷分

13、布 (图中， h相对地面的高度； l水平距离； c库仑) 这些含水蒸气的上升气流上升时温度逐渐下降形成雨滴、冰 雹（称为水成物） ，这些水成物在地球静电场的作用下被极化 （如左图 1.1） ，负电荷在上，正电荷在下，它们在重力作用下落 下的速度比云滴和冰晶（这二者称为云粒子）要大，因此极化水 成物在下落过程中要与云粒子发生碰撞。碰撞的结果足其中一部 分云粒子被水成物所捕获，增大了水成物的体积，另一部分未被 捕获的被反弹回去。而反弹回去的云粒子带走水成物前端的部分 正电荷，使水成物带上负电荷。由于水成物下降的速度快。而云 粒子下降的速度慢，因此带正、负两种电荷的微粒逐渐分离（这 叫重力分离作用）

14、 ，如果遇到上升气流，云粒子不断上升，分离 的作用更加明显。最后形成带正电的云粒子在云的上部，而负电 的水成物在云的下部，或者带负电的水成物以雨或雹的形式下降 到地面。 从上面的分析看,好像雷云总是上层带正电荷，下层带负电 荷。实际上气流并不单是只有上下移动，而比这种运动更为复杂。 因此雷云电荷的分布也比上面讲的要复杂得多。根据科学工作者 大量直接观测的结果,典型的雷云中的电荷分布大体如右上图 1.2 所示。图中，左端是按理论归纳的理想模式，右面是雷云常见的 电荷实际分布。 2 1.1.21.1.2 雷电波的频谱分析雷电波的频谱分析 雷电波频谱是研究避雷的重要依据。从雷电波频谱结构可以 获悉雷

15、电波电压、电流的能量在各频段的分布，根据这些数据可 以估算通信系统频带范围内雷电冲击的幅度和能量大小，进而确 定避雷措施。在电力系统中，了解雷电波频谱分析在避雷工程 3 中，也可以根据其分析结果，用最小的投资，达到足够安全的效 果。 虽然各种雷电波总体的轮廓相似，但是每一次雷电闪击的 电流（电压）波形仍然存在很大的随机性。雷击参数的定义应按 图 2.1 确定。 。 （a）短时雷击 （b）长时间 雷击 图 1.3 雷电波参数 i峰值电流（幅值）t从波头起自幅值 10至波点 t1波头时间降至峰值 10之间的时间 t2半值时间 q1长时间雷击的电荷量 1.21.2 防雷技术的发展防雷技术的发展 随着

16、社会的发展，人们对预防自然灾害越来越重视，作为自 然灾害之一的雷电，市民对它都有一定了解，可分为三个阶段。 首先，是 1749 年，美国科学家 benjamin franklin(本杰明- 富兰克林)等经过科学实验，建立了雷电理论，并发明了避雷针。 这就是最早的防雷产品，富兰克林在发明避雷针时是以为金属避 雷针的尖端放电作用可以综合雷云中的电荷，使雷云和大地间的 电场降低到无法击穿空气的水平，从而避免了雷击的发生，所以 当时的避雷针一定要求是尖的。但后来的研究表明：避雷针是 4 无法避免雷击的发生的，它之所以能防止雷击是因为高高耸立的 避雷针改变了大气电场，使得一定范围的雷云总是向避雷针放电。

17、 然后，随着电的普及使用，高压电线两端的发配电设备遭受 过电压损坏的现象越来越严重，经过研究，人们发现这是“感应 雷”在作怪，并建立了感应雷和高压反击的理论，弄清了高压雷 电波在金属线路传播的规律。雷电在高压线上感应起电涌，并 5 沿导线传播到与之相连的发、配电设备，当这些设备的耐压较低 时就会被感应雷损坏，为抑制导线中的电涌，人们发明了线路避 雷器。早期的线路避雷器是开放的空气间隙。空气的击穿电压很 高，约 500kv/m，而当其被高电压击穿后就只有几十伏的低压了。 利用空气的这一特性人们设计出了早期的线路避雷器，将一根导 线的一端连在输电线上，另一根导线的一端接地，两根导线的另 一端相隔一

18、定距离构成空气间隙的两个电极，间隙距离确定了避 雷器的击穿电压，击穿电压应略高于输电线的工作电压，这样当 电路正常工作时，空气间隙相当于开路，不会影响线路的正常工 作。感应雷是因为直击雷放电而感应到附近金属导体中，其可以 通过两种不同的感应方式入侵，一是静电感应，二是电磁感应。 雷电在高压线路上感应电涌，并沿导线传播到线路两端的发配电 设备，当这些设备耐压较低时，就会被电涌损坏。基于抑制电涌、 保护线路上设备的目的，到十九世纪末人们发明了避雷器。 6 后来，到了二十世纪 70 年代，随着半导体集成技术的发展 和完善，半导体几乎应用于所有科学技术领域，由于半导体不能 耐受过电压和过电流，因此凡是

19、使用这些元件的计算机通信、微 波通信等设备受雷害损坏的现象显著增加。同时随着高层建筑和 智能建筑的数量越来越多，防雷技术进入了一个新的时代。氧化 锌避雷器（第三代） ，是世界公认的当代最先进防雷电器。 1.31.3 110kv110kv 常规防雷和弱点系统防雷技术特点常规防雷和弱点系统防雷技术特点 常规防雷方面，现行过电压保护规范gbj6483和电力行标 准dl/t6201997（以下简称规范和标准）对高压电力装置的防 雷保护规定，线路上装设保护间隙或管型避雷器，对各类电气设 备装设阀型避雷器。这表明现行防雷技术的特征是“在电力系 7 统中各种防雷器件，不分优劣兼容并用，实际使用以碳化硅避雷

20、器为主” 。其保护模式是系统中保护间隙或管型避雷器、阀型避 雷器并用，其技术水平是只注重雷电幅值限压保护，有防雷保护 功能不完全，保护性能不完善等缺点或隐患，技术水平落后，其 技术政策是容许使用原始的落后的防雷器件。应认识到使用原始 的落后的防雷器件就是容许和保护落后技术，必然会制约和阻碍 系统的防雷技术发展提高。 弱点系统防雷方面，通信设备、网络设备、计算机应用系统 等的大规模使用,雷电以及操作瞬间过电压造成的危害越来越严 重。以往的防护体系已不能满足通信、网络、计算机等安全的要 求。应从单纯一维防护(避雷针引雷入地无源防护) 转为三维 防护(有源和无源防护),包括: 防直击雷, 防感应雷电

21、波浸入, 防雷电电磁感应, 防地电位反击以及操作瞬间过电压影响等多方 面作系统综合考虑。现代防雷技术强调全方位防护、综合治理、 层层设防,综合运用分流(泄流)、均压(等电位)、屏蔽、接地和 保护(箝位)等各项技术,构成一个完整的防护体系。微机保护和 自动化装置以其高度的灵敏性,速动性和维护管理的方便性,在电 力系统中得到了飞速的发展和广泛的应用。但微机系统越是先进,芯 片的集成度就越高, 电路越复杂, 工作电压越低,对环境稳定性 的要求也越高。抗干扰和耐冲击始终是微机系统在电力工业恶劣 电磁环境下应用中的两大薄弱环节。而雷击事件由于其极高的电 压幅值和不可预测性更是微机系统的“天敌”。它极大的

22、威胁着 现代化变电所的运行安全, 应该引起我们足够的重视。改革、发 展、进步是新世纪时代科学技术发展趋向，历史时代前进主流。 因此现行防雷技术有必要技术改革，改革其落后的防雷保护模式， 提高其防雷技术水平，促进其防雷技术政策现代化。下图为 110kv变电所双母线分段主接线图。 图1,4 110kv双母线分段主接线图 1.41.4 110kv110kv 变电所的防雷原则及主要防雷设备变电所的防雷原则及主要防雷设备 变电所的防雷应做到设备先进、保护动作敏、安全可靠、维 护试验方便，在此前提下，力求经济合理的原则。 防止雷电直击的主要设备有避雷针、避雷线; 防止雷电波沿 架空线路侵入电气设备和建筑物

23、内部的主要设备有避雷器等。避 雷针有单支、多支, 等高和不等高之分; 避雷器有阀型避雷器和 金属氧化物避雷器等。 8 2 2 变电所的常规防雷变电所的常规防雷 2.12.1 110kv110kv 母线防雷设备的选择母线防雷设备的选择 根据电力设备过电压保护设计技术规程的要求, 变电所 的每组母线上, 都应安装避雷器, 作为防止高压雷电波沿架空线 路、设备侵入变电所的最主要措施。在母线防雷设备选择上应 18 尽量按以下三个方面选择: 按额定电压选择: 避雷器的额定电压必须大于或等于安装 处的电网额定电压。 按工作环境温度选择: 选择工作环境温度在- 40至+ 40之间, 适用高寒、高温工作环境设

24、备。 应首先采用高新技术产品, 并有一定可靠运行记录的新产 品。选用通流能力强, 工频续流小, 放电时间短, 稳定性高, 残 压低的避雷器。硅橡胶金属氧化物避雷器是当前高新技术应用的 代表性产品, 具有良好的电气绝缘性能、防潮、抗老化性能。同 时还具有使用寿命长, 试验周期长, 运行维护。 2.2.2 2 110kv110kv 进线段的防雷进线段的防雷 2.2.12.2.1 一般变电所的进线保护一般变电所的进线保护 变电所防止雷电直击线路的措施是安装避雷线;根据线路的 负荷性质、地形地貌特点, 该地区雷电活动的强弱以及土壤电阻 率高低等情况,合理选用。进线段保护对于110kv 无避雷线的线 9

25、 路在靠近变电所的一段进线上必须架设避雷线以保证雷电波只在 此进线段外出现, 进线段内出现雷电波的概率将大大减小,其长 度一般取1 2km。 在线路绝缘水平很高的情况下, 为了限制入侵雷电波的幅值, 可在进线段首端处装设一组管型避雷器。对于110kv 的小容量变 电所, 可根据其重要性和雷电活动强度等情况采取简化的进线保 护。由于110kv 小容量变电所范围小, 避雷器距变压器的距离一 般在10m 以内, 故入侵波陡度允许增加, 进线段长度可以缩短到 500600m。为限制流入变电所避雷器的雷电流, 在进线首端可 装设一组管型避雷器或保护间隙。110kv 变电所, 如进线段装设 避雷线有困难或

26、进线段杆塔接地电阻难于下降, 不能达到要求的 耐雷水平时, 可在进线的终端杆上安装一组1000lh 左右的电抗 线圈来代替进线段。 2.2.22.2.2 采用电缆段的进线保护采用电缆段的进线保护 （1）在雷击架空进线保护段之外的侵入波情况下, 对于目 前运行给定的电缆段长度, 电缆和变电站设备上的雷电过电压均 未超过设备的雷电冲击绝缘水平(b il ) , 并有一定的裕度, 仅 在电缆与架空线连接处安装避雷器的防雷保护方式是安全可行的。 （2） 单带一个变电站运行, 进线电缆段长度大于50m 且不 超过300m 时, 电缆和变电站设备上的过电压较高, 需考虑在变 电站内部安装避雷器。在其他情况

27、下, 仅靠电缆与架空线连接处 安装的避雷器已能满足防雷保护的要求。 图2.1 含电缆段的110kv变电站电气接线 2.32.3 变电站开关场防雷设计变电站开关场防雷设计 装设避雷针、避雷线是直击雷保护的主要措施，他们是保护 电气设备、建筑物不受直接雷击的雷电接受器。避雷针、避雷 10 线位置的确定是变电站防雷设计的关键步骤。首先应根据变电站 设备平面布置图初步选定安装位置，其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、避雷线的安 装位置后，再根据下列公式进行计算，校验保护范围。 2.42.4 避雷线、避雷针的设计避雷线、避雷针的设计 2.4.12.4.1 避雷线的保护

28、范围避雷线的保护范围 当避雷线的高度h大于或等于2hr时，无保护范围；当避雷线 的高度h小于2hr时，应按下列方法确定（图2.2）。确定架空 11 避雷线的高度时应计及弧垂的影响。在无法确定弧垂的情况下， 当等高支柱间的距离小于120m时架空避雷线中点的弧垂宜采用 2m，距离为120150m时宜采用3m。 a）hrh2hrb）hhr 图 2.2 单根避雷线的保护范围 (1)距离地面 hr 处作一平行于地面的平行线； (2)以避雷线为圆心、hr 为半径，作弧线交于平行线的 a、b 两点； (3)以 a、b 为圆心，hr 为半径作弧线，两弧线相交或相切并 与地面相切，从该弧线起到地面止就是保护范围

29、； (4)当 h 小于 2hr 且大于 hr 时，保护范围的最高点的高度 h0 按下式计算： (公式 3.3) (5)避雷线在 hx 高度的 xx平面上的保护宽度 bx，按下式： （公式 3.4） 式中 bx避雷线在 hx 高度的 xx平面上的保护宽度， m； h避雷线的高度，m； hr滚球半径，m； hx被保护物的高度，m。 (6)避雷线两端的保护范围按单支避雷针的方法确定。 2.4.22.4.2 滚球法确定接闪器的保护范围滚球法确定接闪器的保护范围 单支避雷针的保护范围应按下列方法确定（图2.3） 。 （1）当避雷针高度h小于或等于hr时： 距离地面hr处作一平行地面的平行线；（2）以针尖

30、为圆心， hr为半径，作弧线交于平行线的a、b两点； 以a、b为圆心，hr为半径作弧线，该弧线与针尖相交并与 地面相切。则从此弧线起到地面止就是保护范围。保护范围是一 个对称的锥体； 避雷针在hx高度的xx 平面上和在地面上的保护半径，按 下式求得： (公式 3.1) (公式 3.2) 式中 rx避雷针在 hx 高度的 xx 平面上的保护半径，m； hr滚球半径，第一、二、三类防雷建筑物分别为 30 m、45 m、60 m ； hx被保护物的高度，m； r0避雷针在地面上的保护半径，m。 （2）当 h 大于 hr 时 在避雷针上取高度 hr 的一点代替单支避雷针的针尖作为圆 心。其余做法同本款

31、第（1）项。8 和9 式中的 h 用 hr 代入 图 2.3 单支避雷针的保护范围 2.4.32.4.3 变电所避雷针设计计算软件的应用变电所避雷针设计计算软件的应用 (1) 运行环境 pc486及以上的微机，需配置软驱、硬盘。操作系统为 windows95、windows98、windows2000；应用软件为 autocad12.0、autocad14.0 和autocad2000。 (2) 运行过程 软件运行过程见图2.4。在进行避雷针布置、计算和绘图时, 本软件和autocad 软件要同时运行,相互调用数据,最终完成发电 厂、变电所的防雷保护图。具体步骤如下: (1) 运行 windo

32、ws95； (2) 运行autocad12. 0 软件,调入电气总平面布置 图；(3) 运行防雷保护软件,在下拉菜单中选择“避雷针布置距 离”,输入数据,计算结果由打印机输出(现在用的比较多的是利 用滚球法原理的ese、opengl防雷计算软件)； (4) 用鼠标切换至 电气总平面布置图,根据(3) 的计算结果布置避雷针,并生成避雷 针数据文件； (5) 用鼠标切换至防雷保护软件,在下拉菜单中选 择“避雷针的防雷保护计算”,调用“避雷针数据文件”,计算保 护范围,输出“防雷保护计算书”,生成“绘图数据文件”;如果 保护范围不满足要求,在修改避雷针数据后,重复以(3) 、(4) 、(5) 步骤；

33、(6) 在下拉菜单中选择“绘制保护范围图”,输入 绘图比例,调用“绘图数据文件”,生成“ 3.dxf 名的图形文件” ； (7) 用鼠标切换至电气总平面布置图,调用“ 3.dxf 名的图 形文件”,在电气总平面布置图上生成防雷保护图,由绘图输出。 图2.4 软件运行步骤 (3) 设计计算程序 首先,对避雷针间的布置距离进行计算,这样可以减少布置时 的盲目性。根据计算结果在电气总平面上用鼠标布置避雷针，生 成有关避雷针所在位置的坐标、高度、序原始数据文件。然后分 析计算结果。在下拉菜单中选择“避雷针的防雷保护计算”,计 算保护范围,保护半径计算结果,各针间的保护范围计算结果。由 计算结果可知,等

34、高或不等高避雷针所组成的三角形中, bx 值均 大于0 ,满足保护要求。 最后选择菜单的“绘制保护范围图”。输入绘图比例,生成3 . dxf 图形文件,在autocad 绘图环境中调入该文件,即可在电气总 平面布置图上绘制出防雷保护范围图。 2.4.42.4.4 装设避雷针时的注意事项装设避雷针时的注意事项 架设避雷针是变电所防止直击雷的常用措施, 其作用是将雷 电吸引到避雷针本身上来并安全地将雷电流引入大地, 从而保护 了设备。变电所装设避雷针时,应该使所有设备都处于避雷针 12 保护范围之内, 此外, 还应采取措施, 防止雷击避雷针时的反击 事故。所有被保护设备均应处于避雷针# 线的保护范

35、围之内，以 免遭受雷击。当雷击避雷针时，避雷针对地面的电位可能很高， 如它们与被保护电气设备之间的绝缘距离不够，就有可能在避雷 针遭受雷击后，使避雷针与被保护设备之间发生放电现象，这种 现象叫反击。此时避雷针仍能将雷电波的高电位加至被保护的电 气设备上，造成事故。不发生反击事故的避雷针与电气设备之间 的距离称为避雷针与电气设备之间防雷最小距离。 13 雷击避雷针时的反击事故,是由于避雷针与被保护设备或构 架之间的空气间隙被击穿及避雷针接地装置和被保护设备接地装 置之间在土壤中的间隙被击穿而造成的。装设避雷针的配电构 14 架应装设辅助接地装置, 此接地装置与变电所接地网的连接点离 主变压器接地

36、装置与变电所接地网的连接点之间的距离不应小于 15m , 目的是使雷击避雷针时在避雷针接地装置上产生的高电位, 在沿接地网向变压器接地点传播的过程中逐渐衰减, 以便到达变 压器接地点时不会造成变压器的反击事故。 对于110 kv 及以下的变电所，因其绝缘水平较高, 故允许 将避雷针装设在配电构架上, 110 kv设备均在户外，设备布置为 水平排列，尽量选多个高度低些的等高的独立避雷针，以求布置 均称，整体美观的效果。充分利用进线终端杆的高度，设计安装 避雷针。选择两支避雷针时，两针距离与避雷针高度之比不宜大 于5。 14 避雷针与主变压器应尽量保持1520m的距离，避免对主变 压器的逆闪络和逆

37、变换电压。应充分考虑跨步电压的危险。建议 避雷针距主控室的距离不宜小于10m，避雷针距道路应在3m以上。 接地电阻必须符合各种规程、规范的要求。在设计标准和设备选 型应考虑留有适当的裕度。 15 2.5 滚球法确定的变电所纺雷保护范围示意图 2.52.5 变电所对雷电侵入波的保护变电所对雷电侵入波的保护 变电所必须装设避雷器以限制雷电波入侵时的过电压, 这是 变电所防雷保护的基本措施之一。现在大部分110 kv 变电所已 用氧化锌避雷器取代了原来的阀型避雷器。为了保证变电所电气 设备的安全运行, 在装设避雷器时, 一要限制避雷器的残压, 也 就是说必须限制流过避雷器的电流使之不大于5 ka ,

38、 同时还要 把侵入波的陡度限定在一定值以内; 二要使所有设备到避雷器的 电气距离都在保护范围内。 110kv变电所电气主接线及防雷器的安装，工程设计中全部采用 了moa保护，并采用清华大学的基于雷电过电压形成和传播的物 图2.6某110kv变电所电气主接线及防雷器的安装 理过程的防雷计算程序（flfx）。通过计算，moa放在并 16 联电抗前安全裕度大于后者，更为合适(如图2.6)。 2.62.6 变电所电源系统的防雷配置变电所电源系统的防雷配置 根据感应雷电引入的途径，对于开关电源常采用在系统交流 输入端和直流输出端选型安装合适的防雷装置对开关电源系统进 行前级后级的避雷保护。以下是tt型、

39、tn-s 型、tn-c供电系统 下高频开关电源交流配电输入部分的防雷器配置。 17 图3.5 tt型、tn-s 型、tn-c供电系统下高频开关电源交流配电输入部分的防雷器配置 具体方式根据现场供电情况，对于不知供电情况的，建议按 tt供电方式加装防雷器。 2.72.7 变压器防雷变压器防雷 是变电所的重要电气设备,电力变压器绕组各侧设防的耐雷 可靠性应一致，众所周知, 电力变压器不论哪一侧绕组损坏, 变 压器都要停运和修理。因此变压器绕组各侧设防的耐雷可靠性应 一致。电力变压器防雷保护的简繁应根据容量大小、其防雷措施 除了在母线侧装设避雷器外, 还必须考虑其中性点的保护。 18 “规程”规定,

40、 35kv 变压器中性点一般不需保护, 但对110kv 且为单进线的变电所, 则宜在中性点上加装避雷器, 这些避雷器 的额定电压可按线电压或相电压选择。对变电站避雷器的保护距 离进行计算, 当母线避雷器到主变压器的电气距离大于下列数据 时, 应在变压器附近增设一组避雷器, 所增设的避雷器与变压器 的电气距离一回应不小于15 m、二回应小于23 m。 图2.7变压器防雷保护接线 图3.9中的防雷保护接线方式优点在于变压器主绝缘只承受 避雷器残压作用，但变压器外壳电位升高，为防止低压线圈击穿， 将低压线圈中性点与外壳相连，这将同时抬高低电压线圈对地电 位，使之处在同一水平线上，此时，低压线圈必须装

41、有避雷器保 护。 2.82.8 接地接地装置的设计装置的设计 严格按照电力预防性试验规程和国电公新反措25 条 的规定, 定期进行地网开挖试验。运行10 年以上或腐蚀严重 19 地区的接地网, 应按要求进行抽样开挖检查, 并根据接地网开挖 检查的结果斟酌延长或缩短周期。按规定要求放长线按3d -5d 要求测量接地网接地电阻。在设计和施工时, 避免构架无专用接 地扁铁接地现象的发生。将垂直安装的110 kv 变压器中性点放 电间隙, 改为水平放置。变电所要根据安全和工作接地要求敷设 一个统一的接地网, 以做好防雷保护。接地是防雷的基础，标准 规定的接地方法是采用金属型材铺设水平或垂直地极，在腐蚀

42、强 烈的地区可以采用镀锌和加大金属型材的截面积的方法抗腐，也 可以采用非金属导体做地极 。如石墨地极和硅酸盐水泥地极。 更合理的方法是利用现代建筑的基础钢筋做地极，有事半功倍之 效。同时,变电所所址的地质情况及土壤电阻率确定了变电所防雷 及保护接地网的设计，以下是主控室接地网的具体设计方案。 图2.8采用均压等电位原理主控室系统接地网 2.92.9 防止地电位的反击过电压防止地电位的反击过电压 根据有关部门接地规程,110kv 及以上变电站接地网接地电 阻不大于0. 5 ,那么当雷电流或故障电流经过接地网入地时, 会使地网电位与大地间产生电位差u ， u = rz 3 if ( rz 为地 网

43、接地电阻, if 为入地电流) 。如果流入地网的电流不对称,还 会使地网的各点间产生电位差,在站内的屏蔽双绞线两端形成纵 向电压进入现场总线上的微机装置,对装置正常通信和绝缘造成 威胁。对地电位反击的问题除了改善变电站接地网,降低接地电 阻,合理布置雷电流入地点在地网上的位置,例如雷电流引下线尽 量接在地网水平接地体的交叉点上,尽可能使入地电流对称以外, 还可以采取如下措施: （1) 提高设备的对地绝缘水平,应能耐受可能的地电位反击 过电压,屏蔽双绞线芯线之间、芯线与地网及屏蔽层之间要有足 够的绝缘水平。 （2) 构造等位面,即严格按有关“反措”要求,在主控制室 构造与主接地网绝缘的铜排网,所

44、有微机装置接地点与铜排连通, 铜排与主接地网单点接地。穿越开关场的屏蔽双绞线屏蔽层只在 一点接地。这样在接地网上出现反击电位时,降低整个综自系统 承受的反击电位差。 2.102.10 模拟雷电冲击实验模拟雷电冲击实验 为检验变电所防雷效果所作的模拟雷电冲击实验情况，并对实验结果进行 分析，反映防雷效果的好坏。在自然雷击中占多数的负极性冲击。为减 20 少冲击放电回路阻抗，架空冲击引流线采用lgj-70导线组成间距为60厘米 的双分裂导线，冲击引流线与微波塔垂直轴线夹角为60，立视图如图 2.9。试验时冲击电流波形如图2.10。通过实验测出冲击电位升高和冲击阻 抗、接触电势及跨步电势等看是否满足

45、安全要求。 2.9 实验时冲击电流波形 2.10冲击实验现场立体图 3 3 变电所弱电系统防雷变电所弱电系统防雷 3.13.1 雷电波主要侵入过程雷电波主要侵入过程 雷电波主要是通过通讯、信号采样电缆和电源部分两条途径 入侵。特别是低压电源的防雷保护, 尤其应该引起足够的重视。 雷电波通常是通过变电所临近的10kv 线路侵入10kv 母线, 再经 过10kv 所用变压器高、低压绕组间的静电和电磁耦合, 闯入低 压出线。途中经过了10kv 线路避雷器、母线避雷器和所用避雷 器3 级削峰, 再经过所用变低压出线的平波作用, 电压幅值大为 下降。但由于雷电波的电压、能量极高,避雷器等设备技术上 21

46、 的局限性, 虽然绝大部分的雷电能量都能在到达设备之前得以消 除, 但雷电波仍可能以幅值相对很高, 但作用时间很短的低能量 尖峰脉冲的形式, 通过所用变压器的低压出线, 加到变电所内所 有的220v 交流回路中。还有一种情况, 就是感应雷电波通过调 度远动系统的rtu 设备和信号采集的二次电缆入侵, 以很高的电 压直接加到远动系统的信号和传送端上, 造成接收和发送端模块 烧坏。 图3.1雷电波侵入过程示图意 3.23.2 变电所对过电压的变电所对过电压的主要主要防护措施防护措施 3.2.13.2.1 低压电源的防雷保护低压电源的防雷保护 变电站自动化系统电源一般由两部分:继电保护及自动装 22

47、 置、现场总线设备等一般由变电站直流系统供电;采用工业微机 的当地监控系统则由站用电系统以单相交流供电,一般经过ups 供给不间断的交流电源,而ups 逆变装置在交流正常情况下并不 工作。这种供电方式存在两个问题: (1) 变电站一次系统的雷电或内部过电压以及电磁干扰只有 站用变高压侧一级避雷器防护,其残压和高频暂态冲击仍然可以 通过站用变绕组传递耦合、经过站用电系统侵入当地监控计算机。 如果站用变低压侧装有一组避雷器,则情况会有所改善,但仍然不 能彻底解决。 (2) 目前通用的工控计算机其串行口的地与主板地是统一 的并与计算机开关电源地和机壳连接。这就造成经现场总线侵入 的过电压可直接进入计

48、算机敏感数字系统,经站用电系统侵入的 过电压也可以进入现场总线。 解决措施: (1) 取消目前当地监控系统由站用电系统和ups供电的方式, 改为由变电站直流系统经逆变电源供电。目前已经有厂家提供变 电站专用的逆变电源,这样也解决目前商用ups 在变电站使用存 在故障率高的问题。 (2) 如果保留站用电系统供电方式,则应根据站用电配电系 统情况,如低压电缆长度、低压配电型式,站用变低压侧、室内馈 电屏进线、分路馈线后设置两级或三级过电压保护,当级间距离 较短时,还要考虑退耦的问题，引到开关场的电缆使用屏蔽电缆, 屏蔽层两端可靠接地。 (3) 将当地监控计算机与现场总线上的通信主站间的串行通 信线

49、从直接连接改为经光电隔离的长线驱动器连接,以有效切断 过电压干扰的传播途径。必要时可在设备的接口处加装压敏电阻、 tv s 管或专用的防雷模块构成的单级或多级保护。 同时，对于电源部分, 难以用单一级的避雷装置一步到位地 解决问题。而应该采用多级防护的手段, 逐步把雷电压降低到允 许的范围之内。 23 自控电源系统一般采用三级保护方案，第一级在变压器二次 侧，主要泄放外线等产生的过电压，其雷通量大，启动电压高。 第二级在各控制站plc专用隔离器前，主要泄放第一级残压、配 电线路上感应出的过电压和其他用电设备的操作过电压其电流通 量居中，具体保护方案如图所示： 图3.2采用多级防护的示意图 3.

50、2.23.2.2 防止由通信电缆、控制电缆等侵入的过电压防止由通信电缆、控制电缆等侵入的过电压 （1）如果微机监控系统位于主控制室,微机保护分布安装在 开关柜上或开关场保护小间,那么监控系统与微机保护通信介质 最好采用光缆,如果条件不允许,那么从开关场保护小间到主控制 室的穿越室外的一段应尽可能采用光缆。光缆沿二次电缆沟敷设,可 以不考虑遭受直击雷的情况。在考虑光缆外护层绝缘强度采用有 金属外护层的光缆时,金属护层可以不引入室内接地。 （2） 采用屏蔽双绞线通信的系统,通信线一般采用总线方 式,实际接线往往是双绞线在保护屏间形成若干段,每相邻两段电 缆两端芯线和屏蔽层都在端子排连接,屏蔽层则未

51、与保护屏接地 铜排连通,末端悬空。连接示意图如下图: 图3.3不合理的网络通信电缆连接 这种连接方式存在两个问题: （1） 屏蔽层只在两端接地,当屏蔽层和地网有感应电流时, 当双绞线长度较长(如开关场保护小间与主控制室之间的连接) , 造成两端地电位不一致,将对正常通信电平产生影响甚至损坏装 置通信接口。 （2） 两端悬空,由于波阻抗不匹配,在数据通信中将产生反 射帧,对基于冲撞检测的现场总线通信方式,当距离较长时将严重 影响数据通信。侵入的过电压波在两端反射,将产生更高的过电 压冲击。 图3.4合理的网络通信电缆连接 合理的连接方式: （1） 相邻两段双绞线屏蔽层在保护屏端子排上连接,并与

52、保护屏接地铜排相连,保证与主控制室联网微机的地电位在同一 个水平,并可随地电位上下浮动。 （2） 在双绞线悬空的两端应端接与电缆波阻抗相匹配的电 阻,一般为100102。 （3） 屏蔽双绞线和屏蔽电缆在引入室内时,最好用不短于 15m 的金属穿管引入,金属穿管要与主接地网可靠连接。 （4） 考虑到双绞线芯线上的差模干扰有较强的抑制作用, 但当屏蔽层有感应电流流过时,或由于磁场及电容耦合效应,会在 芯线对地产生较大的共模干扰电压(如前文) ,这个干扰电压侵入 计算机设备,会对设备内部绝缘较为薄弱的电子线路产生损坏,因 此在雷击频繁的地区和感应过电压严重的变电站,电缆两端应考 虑采取抑制共模过电压

53、的措施。现场我们采用在连接主控制室与 保护小间的一段屏蔽双绞线两端加双绞线专用的防雷和过电压的 保护器。 3.33.3 计算机网络系统的防雷计算机网络系统的防雷 3.3.13.3.1 遭受雷害的主要原因遭受雷害的主要原因 变电所的保护和合闸电源直流系统的整流充电系统设计容量 都比较大, 电压耐受能力也比较好。而且由于大容量电池组吸 24 收尖峰脉冲的作用, 和整流回路的平波作用, 加到保护装置上的 脉冲电压大大降低。再加上常规的电磁式保护装置的元器件多为 单元件的电阻、电容和电感线圈等, 耐热容量大, 对尖锋脉冲的 耐受能力也比较强, 所以能安全度过低能量、高电压的冲击暂态 过程。但对于使用超

54、大规模集成电路, 运行电压只有数伏, 信号 电流仅为 la 级的微机装置来说, 就不一定能经受得住。这就是 造成微机装置损坏而常规保护装置却能安全运行。 3.3.23.3.2 采取的防雷措施采取的防雷措施 主机由u ps 供电,u ps 经过过电压防护插座插入电源插座, 终端服务器如果由u ps 供电, 防护方法同上; 如果电源直接取 自市电插座, 则也必须经过过电压防护插座插入市电电源插座。 25 主机及服务器的输出接口经过信号防雷器再与网络连接, 如需集 中监控, 监控器电源进线也需经过过电压防护插座再插入电源插 座, 控制信号线经过信号防雷器再与网络连接。 3.43.4 弱电系统具体的防

55、雷方案弱电系统具体的防雷方案 弱电设备防雷对象主要有: 网络设备、通信设备、相关的电 源等附属设备及其相互传输的各类信号。图为雷电过电压保护配 置示意图，其中s1 为dehn ventil 280/ 4 型电源1、2 级复合 防雷器, s2 为dehn guard t385 型电源2 级防雷器, s3 为dehn rail 48fml 型电源3 级防雷器(直流48 v) , a 为ugk/ n(215 g) 天馈线防雷器, b 为yg20 - a 音频隔离变压器, c 为zh 型中和 变压器, d 为同轴防雷器。 图 3.5 雷电过电压保护配置示意图 4 4 总结总结 4.14.1 变电所防雷

56、保护的特点变电所防雷保护的特点 变电所常规防雷保护是一个系统工程:第一道防线,即第一 26 子系统的作用是防止雷直击变电所电力设备。雷击是无法阻止的,只 能通过拦截导引改变其入地路径。好的设计和建设, 能避免破坏 性后果。这道防线由拦截受雷(接闪)、引流、接地散流防护系统 组成。接闪器有避雷针(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, 或这两者结合, 对引流线和接地装置都有严格的要求。事实上, 避雷针(线) 的 拦截雷效应, 即对被保护物的保护作用(保护范围) , 与雷电极 性、雷电通道电荷分布、空间电荷分布、先导头部电位、放电定 位高度、避雷针的

57、数量和高度、被保护物的高度以及相互之间的 位置、当时的大气条件和地理条件等因素有关。 第二道防线, 即第二子系统为进线保护段。雷击进线保护段 首端及以外时, 绝大部分雷电流被引入地中,只有很小部分的雷 电流沿架空线路导线侵入变电所。雷电波沿架空线路导线传播时,受 冲击电晕和大地效应影响而衰减, 能降到变电所电气装置绝缘强 度的允许值。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, 反击导线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雷水平。不管如何, 反击和绕击仍是可能 的。因此,变电所设防(第三道防线) 要

58、求的进线保护段(危险段) 愈短愈好, 这样允许侵入波的陡度和幅值较大。 第三道防线, 即第三子系统期望将侵入变电所的雷电波降低 到电气装置绝缘强度允许值以内。我国主要是采用金属氧化物避 雷器(moa ) , 西方国家除用moa 外, 还在所有电气装置上安装 空气间隙,在moa失效后空气间隙可作为后备保护。由这三个子系 统的三道防线构成一个完整的变电所防雷保护系统。这三道防线 各负其责, 缺一不可, 不存在谁替代谁的问题。只是视具体情况 不同,哪一道防线设置保护元件多少不同而已。现在市场上的各 种防雷保护装置, 实际上只是整个防雷保护系统中的一个保护元 件, 只起某一方面的保护作用,那种把这三道防线割裂开来, 孤 立设置的方法是错误的。三道防线之间关系密切,互相影响, 尤 其是二、三道防线之间, 若第三道防线能力强, 可缩短第二道防 线危险段的长度, 提高变电所耐雷可靠性; 若第二道防线能 力很强, 可以减轻第三道防线负担,变电所耐雷可靠性将得到提 高。选用沿架空输电线路导线侵入到变电所的雷电陡度和幅值不 应“一刀切”。 在弱点系统防雷上, 通信设备、网络设备、计算机应用系统 等的大规模使用, 雷电以及操作瞬间过电压造成的危害越来越严 重