最新110KV变电站防雷设计

1、目录第 1 章 雷电的特性及危害 . . 错误！未定义书签。1.1雷电的形成 . 21.2雷电的种类 . 31.2.1直击雷 . 31.2.2感应雷击 . 41.2.3球雷 . 41.2.4雷电侵入波 . . 41.3雷电的威力及危害 . 51.4雷电入侵途径 . 51.4.1对各种雷击的解决方案 . . 51.4.2接地 . . 71.5雷击电子设备的途径及其原理 . 71.6 雷电日和雷电小时 . 8第 2 章 变电站的防雷设备 . . 102.1避雷针 . 102.2避雷器 . 112.2.1避雷器的种类 . . 112.2.2各避雷器的特点 . . 112.3变电所建筑物的防雷 . 1

2、3第 3 章 变电站的防雷区及系统设计原则 . . 143.1第一级防护区的处理措施 . 153.2第二级防护区的处理措施 . 163.2.1进出所管线的处理.163.2.2二次电缆及端子箱.163.2.3所用电系统的保护.173.3 第三级防护区的主要任务. 173.3.1多重屏蔽 . 173.3.2地电位均压 . 183.3.3浮点电位牵制 . 183.4变电所综合防雷措施 . 183.4.1避雷针对直击雷的防护 . . 18第 4 章 变电站防雷保护的分类 . . 204.1 雷电过电压的保护 . 204.2 变电站雷击电流的防护 . 204.3变电站对最大冲击电压和残压的防护 . 21

3、4.4变电站微波机房的接地保护 . 214.5变电站配电箱的保护 . 224.6变压器中性点接地的配置原则 . 224.6.1并联间隙的特性. 22462中性点间隙与继电保护 . 234.7单相接地时的工频电压 . 244.8变电所配电变压器的保护 . 244.8.1正反变换过电压. 254.8.2变压器不同接线对正反变换过电压的影响 . 254.8.3避雷器安装的具体要求 . 264.8.4 防雷接地装置的形式及其电阻的算法 . 26第五章 西 110K 变电所防雷接地系统设十. 285.1 城西 110KV 变电所及环境气象条件 . 285.2 城西 110KV 变电所的直击雷防护方案及计

4、算 . 295.2.1 直击雷防护方案 . 295.2.2避雷针的计算及其安装 . 305.2.3短路计算. 335.2.4接地电阻的计算. 415.3 城西 110KV 变电所感应雷的防护 . 465.3.1 变电所进线段保护 . 545.3.2 变电所内变压器的防雷接地保护 . 565.3.3 城西 110kV 变电所馈线段防雷保护 . 585.4 城西 110KV 变电所避雷器的选择 . 585.4.1 进线段母线上避雷器的选择 . 595.4.2 变压器架设避雷器的选择 . 59参考文献. 59设计心得. 61致谢. 错误！未定义书签。第 1 章雷电的特性及危害1.1雷电的形成雷电放电

5、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1.5-2

6、km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

7、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0) )第争冲丄炳二伞曲J. w -.t冲击工雄电余汕箱武壬战电122 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

8、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20c m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

9、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1030v,次雷电的时13间大约为千分之一秒,平均一次雷电发出的功率达2X10 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

10、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10K V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

11、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

12、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

13、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,

14、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

15、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

16、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

17、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

18、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

19、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

20、。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

21、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 Td有关.一般，Td较大的地区，其 值也较大。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：Ng壯0.023!；3（1.1）式中：为每年每平方公里地面落雷数：Td为雷电日数；由此可以推得：亍-0.023Td03（1.2）根据式（1.2），对 Td=40的地区，按我国标准取值=0.07。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

22、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，如果咼压配电室、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= 0.015nk(l+5h) (b

23、+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0.000454次，而加1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

24、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

25、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

26、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

27、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

28、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

29、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

30、、 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

31、 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

32、、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

33、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

34、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5Q

35、,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

36、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

37、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

38、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。M0失效率 较高，虽说经改进后的

39、MOVS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（YD201

40、1-93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。332 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，

41、在 变电所主控室电缆层敷设不小于100mm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

42、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=1.5h,其中h为避雷针高。单支 避雷针在被保护物高度hx水平面上的保护半径：当 hx- h/2时,rx=( h-hx)p； 当 hx h/2时，rx=(1.5 h-2hx)p。其中6为避雷针在 hx水平面上的保护半径；p为高度影响系数。h30m时,p=1;30m70.5m2（包括站区围墙）。变压器：两台三绕组变压器连接组别YN,yn0,d11出线规模：110k

43、V出线4回，向北架空出线；35kV出线6回，向东架空出线；10kV出线通过电缆沟均由本所南侧出线。5.2 城西 110kV 变电所的直击雷防护方案及计算5.2.1 直击雷防护方案变电所对于直击雷的保护一般采取装设避雷针和采用沿变电所进线段一定距离内架设避雷线的方法解决，其作用是将雷电吸引到避雷针（线）本身上来并 安全地将雷电流引入大地从而保护了设备。为免遭受雷击，所有被保护设备均应处于避雷针的保护范围之内，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

44、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。由以上原则， 再考虑到城西变电所设备、建筑的实际布局情况，设计城西110kV变电所其防直击雷的保护是采用安装四只构架避雷针的方法（安装位置如图4-1所示），在配电装置的构架或房顶上安装两支避雷针予以保护。因为110KV变电所的电压等级的绝缘水平较高，即使遭受直接雷击，一般也不易引起反击，因此采用构架 避雷针。避雷针图 5-1 变电所避雷针安装位置图5.2.2 避雷针的计算及其安装1避雷针高度计算已知城西110kV变电所长72m,宽60m,变电所内最高建筑为7m.则 h

45、x=7m,D12=72m,D24- 60m。由前面关于多支等高避雷针的介绍可知， 要使城西变电所全面积都在避雷针 的保护范围内，则要使四针所构成四边形的对角线L满足 L 空 8haP 且满足任意两针间水平面上保护范围一侧的保护范围最小处的最大保护宽度bx- 0。城西110kV变电所采用4针联合保护，四针所构成四边形的对角线为L仝62270.52二93.72假设避雷针高度h乞30，则 p =1由 L 乞 8haP 可得到ha丄8P 8h =hahx-18.72为了留有裕量h取20m，即避雷针的高度取为20m下面来检验下 bx是否满足 bx- 0。由ho = h - -D可得到7ph012=9.7

46、17p793.728=11.72Ud=iLRcjD?460ho24二 h二 20=11.437p7bx=1.5 h。-hx则bx12-1.5 ho1 _hx-4.60=4.01bx24= 1.5%24 -hx=6.65此时bx12二bx34二 4.01 丄0bx24 -bx23= 6.65 一0故变电所全面积得到保护。2.避雷针与电气设备之间防雷最小距离的确定雷击避雷针时，雷电流流经避雷针及其接地装置，为了防止避雷针与被保护 设备或构架之间的空气间隙被击穿而造成反击事故， 空气间隙必须大于最小安全 净距。1变压器；2母线0图 5-2独立避雷针与配电构架应有的距离雷击避雷针时，雷电流流经避雷针及

47、其接地装置，如图5-2所示。在避雷针的h高度处和接地装置上，将出现高电位 Uk和 Ud，即：Uk=Lgt -iLRcjdt式中：Lgt避雷针咼度为h段的等效电感;Rq避雷针的冲击接地电阻;d 实际中取雷电流 iL幅值为150kA，雷电流的平均上升速度 亠 为30kA/us,dt避雷针电感为1.7uH/m，则可得相应电位幅值为：uk=150Rcj50h KV(5-1)Ud=150RcjKV(5-2)上两式表明，避雷针与避雷针接地装置的电位幅值Uk和 Ud与冲击接地电阻Rcj有关，Rq 越小则 Uk和 Ud越低。为了防止避雷针与被保护设备或构架之间的空气间隙Sk被击穿而造成反击事故，Sk必须大于设

48、备最小安全净距。若取空气的平均击穿场强为500kV/m，则最小安全净距 Skmin应满足下式要求：Skmin0.3Rcj0.1h m(5-3)为了防止避雷针接地装置与被保护装置或构架之间在土壤中的间隙Sd被击穿，要求 Sd设定必须大于设备接地最小安全净距。若取土壤的击穿场强为500kV/m，则与设备接地最小安全净距，Sd m in应满足下式要求：Sdmin0.3Rcjm（5-4）通过实验测得，避雷针工频接地电阻不超过10欧，冲击接地电阻一般不做规定，但 Rcj不宜大于40Q,所以在一般情况下，Sdmin大于5m，Sdmin大于3m， 满足规程设计要求。3.避雷针的安装：1）避雷针安装的要求选择

49、独立避雷针的装设地点时，避雷针及其接地装置与配电装置之间应保持 以下规定距离：在地上，由独立避雷针到配电装置的导电部分间，以及到变电所电气设备与构架接地部沙间的空气距离一般不小于5米。didt-流经避雷针的雷电流和雷电流的平均上升速度在地下，由独立避雷针本身的接地装置与变电所接地网间最近的地中距离一般不小于3米2）装设避雷针的注意事项1为防止雷击避雷针时雷电波沿电线传入室内， 危及人身安全，所以照明线 或电话线不要架设在独立避雷针上。2独立避雷针及其接地装置， 不应装设在人畜经常通行的地方并应距离道路 不小于3米，否则应采取均压措施，或铺设厚度为50mm到80mm的沥青加碎 石层。523 短路

50、计算1 原始资料计算基准值表 5.1 变电站网络等值电路参数基准值取值电气量关系式基准值SB(MV A)100UB(kV)UB=Uav1153710.5IB(kA)lb二SB八3UB0.5021.565.5等值电路图由前面的已知条件可以得出下面的等值电路k-d3图 5.3 系统等值网络图3参数标幺值系统侧正、负序电抗:Xs1=0.123556XS2=1.418182系统侧零序电抗Xs10=0.1758XS20=1.6384变压器电抗X1= X3二-0.00793X2二 X4=0.34127X5二 X6=0.2142862 短路计算短路计算过程说明：在变电站的电气设计中，短路电流计算是其中一个重

51、要环节，在计算最大允许接地电阻时，需要用到短路电流。其中一定要注意以下几点：(1)接线方式：计算短路电流时方式，应是可能发生最大短路电流的正常接 线方式，即最大运行方式。(2)短路种类：因为是三绕组变压器，所以选择的是单相和两相接地短路， 因为其入地电流比较大。(3)短路计算点的选择：短路计算点是指在正常接线方式时，通过电器设备的短路电流为最大的地点。本变电站系统的短路计算点为110kV高压侧、35kV母线和10kV母线处，分别记为 d1、d2、d3。I计算序阻抗(1)110kV母线侧短路(即d1短路) 正序、负序网络的合成阻抗等值电路由图5.4可得：X：X1X2/ X3X4=0.1667X6

52、= 1.58485正序输入阻抗竺=0.11462Xff 2二Xff 1二 O.11462图 5.4 di 正序、负序网络的合成阻抗等值电路图零序网络的合成阻抗等值电路S?图 5.5di 零序网络的合成阻抗等值电路图! XAEX 理13乂 fi?1,diJ37kV37kV115UVKE115kvXiX4Xfcdi负序输入阻抗SiX rim115kX*?0X叭口37kVU5VX uX L/X3X t/ X n 5扁钢接地网总面积：S=62 70.5 =4371 m2水平接地极总长度：L= 558+634.5=1192.5 m（-50 5热镀锌扁钢）垂直接地极深度：H=2.5m，共设置81根垂直地极

53、接地极总长度：L=1192.5（-50热镀锌扁钢）+81X2.5（L50X5垂直角钢）=1395 m水平接地极埋深：h=0.8 m水平接地极：d=0.025 m地网主边缘长度：L0=258 m=0.94341 46s1恋4371= 5.63580.5427Re二 0.213 1 B2 叫 kn9hd 5BJ= 0.213900437110.94349002 二 139543719 0.8 0.025-5 0.9434= 6.1785Losa =31n - 0.2. SLo=3in258-0.2竺1 0.820.4 4371n= 0.0725Ta=0.8 即跨步距离Usmax二0.0725Ug7

54、由接触电位差和跨步电位差允许值反推接地电阻要求值算出的接触电压和跨步电压允许值如下:Utmax= 691.3 VUsmax= 1798.7 V(1)根据接地网设计接触电位差允许值反推接地电阻值要求值的得:Ut max Kt maxUgU - U Kgt max t max=691.3/0.1989=3475.6V接地电阻值要求值 R 二 Ug/I=3475.6/11170= 0.3仁(2)根据接地网设计跨步电位差允许值反推接地电阻值要求值的得:UsmaxKsmaxUgU - U / Kgs max s max=1798.7/0.0725=24809.7V接地电阻值要求R=Ug/l=24809.

55、7/11170= 2.211(3)若考虑绝缘地面=5 00 0mUt =：174 0.17 订 / t则：二 1740.17 5000 / 0.2= 2289.7R =Ug/I =Ut/Ktmaxl= 2289.7/ 0.1989 11170=1.03门计算结论综上所述，变电站的接地电阻不能超过接地网表面的最大接触点位差的接地电阻 值，即R乞2.2，由上述的计算结果可知 人工接地装 置的接 地电阻的值 为 Rw=6.15，不满足接地电阻、跨步电压和接地电压的要求，故本站的人工接地 装置需要进行降阻处理。改善电阻率的办法有：换土法，即使用电阻率p较低 的土壤来置换掉土壤电阻率较高的土壤。工业废渣

56、填充法，即利用附近工厂的废渣，做到综合利用。置换材料的特性应保证：电阻率低，性能稳定，易于吸收 和保持水分，无强烈的腐蚀作用，并且施工方便、经济合理。目前最常用的是采 用各种降阻剂法。5.3 城西 110kV 变电所感应雷的防护变电所对感应雷防护的主要措施是在进线 (或母线上)装设阀型避雷器。避雷器与被保护的电气设备之间的电气距离直接影响避雷器的保护效果。装设避雷器是限制侵入波过电压的主要措施， 所以必须正确选择避雷器的型式，合理确定 保护接线方式如避雷器的台数、装设位置等。同时采取相应的措施限制入侵波的 幅值和陡度。变电所中所有设备的绝缘都要受到避雷器的可靠保护。 变压器在变电所中是最重要的设备，且其绝缘水平低，故避雷器安装位置应尽量靠近变压器。 为了对变压器进行有效的保护避雷器伏特性的上限应低于变压器伏特性的下限。 避雷器还应安