高电压技术课题研究

1、高电压技术课题研究题目：变电站的防雷保护 专业班级：电自111班 年级：2011级组员：李得菘、郑佳辉、张达、张玉敏、陈朝明、王安民、余海琴、熊亚烜指导教师：李思奇日期：2014.6.5 摘要 变电站是电力系统的枢纽和心脏，一旦发生雷害事故，往往导致变压器、变电机等重要的电气设备的损坏，并造成大面积停电，严重影响国民经济和人民生活。因此，跟输电线路相比，变电站的防雷保护必须更加可靠。如果说，一般高压线路允许每年或每几年发生一次跳闸事故的话，那么，对变电站的无雷害事故周期一般应达到百年以上。本课题针对目前变电站设备中防雷技术的中存在的问题，提出详尽的防雷解决方案，还介绍了变电站接地设计的必要性和

2、设计原则，阐述了变电站接地电阻的测量和降阻措施，提出了变电站电气设备防雷措施。关键字：变电站、防雷保护、接地电阻。 目录1、摘要-22、课题的主要工作-43、课题的研究背景-454、变电站防雷接地的意义-565、防雷保护的发展-676、变电站的防雷保护-714 （1）变电站遭受雷击的主要原因-79 （2）变电所防雷的原则-8 （3）变电站防雷的具体措施-8157、变电站的防雷接地-15 （1）变电站接地的类型-15 （2）变电站接地网遵循的原则-158、 结论-16189、 参考文献-1819一、课题的主要工作随着电力工业的发展，自动化程度越来越高，对安全供电的要求也越来越高。为了防止各种电气

3、事故，保障人民生产、生活的正常有序进行，电气安全已成为社会关注对象，各种电气安全措施也正在建立与完善。电气安全工作是一项综合性的工作，有工程技术的一面，也有组织管理的一面。工程技术和组织管理相辅相成，有着十分密切的联系。电气安全工作主要有两方面的任务。一方面是研究各种电气事故，研究电气事故的机理、原因、构成、特点、规律和防护措施；另一方面是研究用电气的方法解决各种安全问题，即研究运用电气监测、电气检查和电气控制的方法来评价系统的安全性或获得必要的安全条件。本课题分析变电站的防雷接地设计。分为五个部分来进行阐释；第一部分是介绍本次课题的研究背景；第二部分介绍变电站防雷接地的意义；第三部分讲述了变

4、电站防雷保护的发展情况；第四部分讲述变电站的防雷保护。第五部分阐述了变电站的防雷接地；最后进行总结，说明了变电站防雷保护的三道防线。 二、课题的研究背景上世纪70年代中期发展起来的基于磁场定位和时差定位原理的雷电定位系统，使雷电测量更为准确和及时。长期以来，国内外学者在雷电活动规律、雷击线路物理过程方面做了大量的研究工作，建立起较为完善的输电线路防雷理论体系。雷电流幅值、波形、地闪密度以及线路落雷次数对于分析线路防雷性能极为重要。目前，雷电定位系统组成的雷电监测网络已在我国和北美、日本、韩国、欧洲等世界许多国家得到运用，它能帮助电力部门实现故障定位、分类、准确计算地面落雷密度等雷电参数，但雷电

5、数据分散性较大，需要长期统计雷电数据。但总体上变电站的防雷安全形势不容乐观，主要表现在：一是社会公众防雷安全意识不强,对雷电灾害的危害性认识不够,存在侥幸心理；二是随着社会经济的发展,雷电灾害的危害途径增多,防雷安全理念已发生巨大变化,不仅要有传统的防御直击雷,还要防感应雷的新时代,而许多措施仍然停留在传统的防雷阶段。在现代社会里，电力已成为国民经济和人民生活必不可少的二次能源，它在现代工农业生产、人们日常生活及各个领域中已获得了广泛应用。我国城乡各行各业广泛使用的电力，绝大部分由电网供给，所以，“电业事故是国民经济的一大灾难”。由于我国农村变电站大多建于旷野开阔的偏僻地区，附近高层建筑较少，

6、是雷电的多发区，加之农村变电站一般是110KV以下的小型变电站，对变电站设计重视不够，考虑问题不尽全面，造成农村变电站成为易受雷击的“重灾区”。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。三、变电站防雷接地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，对于处在雷电频发地区的电力设备来说，防雷保护就显得至关重要。我国是雷电活动十分频繁的国家，全国有2

7、1个省会城市雷暴日都在50天以上，最多可达134天。据不完全统计，我国每年因雷击造成人员伤亡达30004000人，损失财产50100亿元人民币。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1。变电站的作用是改变电压，在电力系统中起着很重要的作用，不幸遭遇雷击，极有可能对电器设备造成严重的损坏，以至于正常的运行受到影响而导致大面积的停电，现在的变电站都有较为完善的防雷接地保护措施，变电站的设备遭雷击损坏的概率较小，变电站的防雷措施得以进一步完善，基本能够确保电力系统运行的正常。电力系统的安全运行有两方面的要求，一是要保证设备及人身

8、的安全，二是要保证电力系统的正常运行。这些都与接地装置的设计是分不开的。在以往电力的规程中，在跨步电压满足的前提下，发电厂、变电站的接地电阻应小于0.5欧姆的标准。然而在新的电力规程交流电气装置的接地中2，对接地电阻有了更高的要求；另一方面，在电力系统的规模逐渐扩大的同时，而短路电流却随之增加，这也对接地设计的难度大大加高了。在高土壤电阻率区，这一问题尤为突出，因此对降低接地的电阻必须采用各种措施。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。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、

9、雷电侵入波应采取相应的防雷保护措施。因此要求变电站的防雷保护措施必须十分可靠。四、防雷保护的发展19世纪7080年代是电力网发展的初期阶段，几乎无任何过电压保护装置。80年代末期，在电力网中才采用了电话的保护装置-导雷器，实际就是保护间隙串联一个熔断器，或只装间隙。后来在20世纪30年代初，发展成去游离避雷器，即由纤维管制成的管型避雷器。19世纪90年代初期，E. Tomson制出了磁吹间隙，用来保护直流电力设备，可以说，这是现代磁吹避雷器的前身。20世纪初，开始注意限制工频续流问题。1901年德国制成用串联线性电阻限流的角形间隙，这是现代阀型避雷器的前身。1908年瑞士Moscick提出利用

10、高压电容器作防雷元件的方案，通常是与电抗线圈配合使用，构成防雷吸波器。30年代初，前苏联莫斯科电力系统曾用电感线圈保护几个33kV变电所，但因阀型避雷器装于电感线圈外侧，电感与变压器入口电容谐振，使变压器损坏，可惜未很好总结经验，后来多数电感元件没有继续使用。只是到了60年代，波兰才在35110kV变电所，利用装于进线入口的电感元件取得良好的防雷效果(阀型避雷器装于变压器与电感元件之间，防止了L-C谐振)。直到现在，电容电感元件还是我国和国外保护旋转电机的有效保护装置。1907年在美国出现了铝电解避雷器，它曾用于100kV高压电网。1922年美国西屋公司（WH）制出了自动阀型避雷器。1929年

11、美国通用电力公司（GE）制出契得特阀型避雷器，使系统雷击损坏率下降，包括它的危害程度，但因工程规模小而未引人注目。从避雷针到出现简单间隙、电容、线圈，经过了漫长的158年，到制出原始型避雷器，又经过了10年。这绝非因为人类智慧贫困，而是电力工业的发展，才有了防雷的需要。直到出现几千万和上亿千瓦的联合电力系统(如华北500kV网架连接的系统装机容量已近4000万千瓦，与华东、东北联网后超过1亿千瓦)，其一次雷击足以导致大面积的灾难，如美国有名的雷击35kV线路引起的纽约大停电和芝加哥大停电，才迫使人们利用几千万元的高压试验设备进行不断的研究，使防雷系统日臻完善。与此相似，正是由于早期室内只有电灯

12、和马达这类电器，其防雷要求不高，建筑物独特之处不多。近年电子设备的广泛应用，而且多数装在户内，才使防雷逐渐引起人们的重视，其防雷理论和防雷手段才与日俱增。五、变电站的防雷保护1、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

13、体表现形式如下：（1）直击雷过电压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4。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

14、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、变电所防雷的原则 针对变电所的特点，其总的防雷原则是：（1）将绝大部分雷电流直接引入地下泄散(外部保护)；（2）阻塞沿电源线或数据、信号线引入的过电压波(内部保护及过电压保护)；（3）限制被保护设备上浪涌过压幅值(过电压保护)。这三道防线,相互配合,各行其责,缺一不可。3、变电站防雷的具体措施（1）变电站的直击雷保护架设避雷针是变电所防直击雷的常用措施。变电所装设避雷针时应使所有设备都处于避雷针保护范围之内，此外，还应采取措施，防止雷击避雷针时的反击事故。对于35 kV变电所

15、,保护室外设备及架构安全,必须装有独立的避雷针。独立避雷针及其接地装置与被保护建筑物及电缆等金属物之间的距离不应小于5米, 主接地网与独立避雷针的地下距离不能小于3米,独立避雷针的独立接地装置的引下线接地电阻不可大于10,并需满足不发生反击事故的要求；对于110kV及以上的变电所,装设避雷针是直击雷防护的主要措施。由于此类电压等级配电装置的绝缘水平较高,可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。对避雷针的简单介绍：避雷针是防直击雷的有效装置。它的作用是将雷电吸引到自身并泄放到大地中，从而保护其附近的建筑物、构筑物和电气设备等免遭雷击。避雷针

16、的保护原理是：当雷云中的先导放电向地面发展，距离地面一定高度时，避雷针能使先导通道所产生的电场发生畸变，此时，最大电场强度的方向将出现在从雷电先导到避雷针顶端（接闪器）的连线上，致使雷云中的电荷被吸引到避雷针，并安全泄放入地。(2)变电站的侵入波保护雷击输电线路的次数远多于雷击变电站，所以沿线路侵入变电所的雷电侵入波较常见。再加上输电线路的绝缘水平（即绝缘子串50%冲击放电电压U50%）比变压器及其他电气设备的冲击绝缘水平高得多，因此，变电所对雷电侵入波的防护显得很重要。由于变电所通常会有多条出线，因此各线路万一遭受雷过电压后，线路雷过电压或雷电流一定会沿着线路进入变电所，威胁变电所内设备，把

17、这种雷害统称入侵波。变电所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所的电气设备。FS系列阀型避雷器，主要用来保护小容量的配电装置。变电所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。对避雷器的简单介绍：避雷器是用来限制沿线路侵入的雷电压（或因操作引起的内过电压）的一种保护设备。避雷器主要作用是降低入侵的雷电波，使之能够达到电气系统设备绝缘强度允许值

18、以内。我国主要的避雷器是采用金属氧化物避雷器。(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。保护接线如下图所示：对避雷线的简单介绍：避雷线是由悬挂在保护物上空的镀锌钢绞线（即接闪器，截面

19、不得小35mm2）、接地引下线和接地体组成。下面简单介绍避雷针与避雷器的保护范围的计算：1.110KV变电站年预计雷击次数N由于110KV变电站，占地面积长100m，宽40m,变电站的最高点高度为20m,当地年平均雷电日为80，故有：=0.124104k=1；Td=40；=401.3=360.97故N=0.024×1×120.97×0.1241=0.8700次/a即该变电站可能平均运行9年就要遭受一次雷击。2. 避雷针的保护范围装设避雷针应该使变电站的所有设备和构筑物处于保护范围内。避雷针的设计一般有以下两种类型：单支避雷针的保护和两针或多支避雷针的保护。(1)

20、单根避雷针的保护范围如图4-1所示。设避雷针的高度为(m)，被保护物体的高度为(m)，则避雷针的有效高度为，在高度上避雷针保护范围的半径(m)由以下公式计算：当时： 当<时： 式中 高度校验系数；当30m时，=1；当30m<120m时，实际设计中30m，取=0.98。公式可由几何图表示图4-1。从避雷针顶尖向下作斜线，此斜线旋转而成的锥体，构成时的保护范围。从地平面距离避雷针1.5处向避雷针0.75高处作连线，此连线旋转成的锥体，构成<时的保护范围。单根避雷针的保护范围(2) 工程上多采用两支以及多支(等高或不等高)避雷针以扩大保护范围。等高避雷针的联合保护范围要比两针各自保

21、护范围的和要大。避雷针的外侧保护范围同样可以由公式4-1和4-2确定，而击于两针之间单针保护范围边缘外侧的雷，可能被相邻避雷针吸引而击于其上，从而使两针间保护范围加大，如图4-2所示。保护最底点高度(0点的高度)： 避雷针保护宽度。按交流电气装置的过电压保护和绝缘配合(DL/T6211997)中的两等高避雷针间保护范围的一侧最小宽度与的关系)确定。当时，取。求得后，可按图绘出两针间的保护范围。两针间距离与针高之比不宜大于5。图2.2 两根等高避雷针的保护范围图2.3 两等高h避雷针间保护范围的一侧最小宽度bx与D/haP的关系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

22、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。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。避雷器能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，作为MOA失效后的后备保护。3. 避雷器的选择根据安装地点电网额定电压的不同，选择氧化锌避雷器如表。表21氧化锌避雷器参数表安装地点型号额 定电 压有效值k

23、V最大持续运行电压有效值kV操作冲击(30100s)10kA残压（峰值）kV雷电冲击（8/20s）10kA残压（峰值）kV陡坡冲击（1s）10kA残压（峰值）kV110kV侧Y10W-100/2601007822126029135kV侧HY5WZ-51/1345140.811413415410 kV侧HY5W-16.5/4516.513.64556.838.3六、 变电站的防雷接地1、变电站接地的类型变电站接地包含工作接地、保护接地、雷电保护接地。（1）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；（2）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

24、，为防止其危及人身和设备的安全而设的接地；（3）雷电保护接地即为雷电保护装置向大地泄放雷电流而设的接地。2、变电站接地网遵循的原则（1）为了将各种不同用途和各种不同电压的电气设备接地，一般应使用一个总的接地装置；（2）变电所的接地装置，除充分利用直接埋入地中或水中的自然接地体外，还应敷设人工接地体；（3）在高土壤电阻率地区采用降低接地电阻的措施；（4）人工接地网应围绕设备区域连成闭合形状，并在其中敷设若干水平均压带；（5）屋内接地网由敷设在房屋每一层的接地干线组成，在各层的接地干线用几条上下联系的导线连接，而后将屋内接地网的几个地点与主接地网连接。 七、结论变电所常规防雷保护是一个系统工程，可

25、以说它由三道防线组成。第一道防线,即第一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

26、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