牵引变配电所的防雷变配电所滴防雷毕业设计论文

兰州交通大学成人高等教育毕业设计（论文）题目牵引变配电所的防雷专业电气化铁道技术班级电气化13学生王仅供参考指导教师请勿全抄请勿复制，以免乱码2014年10月毕—1毕—1函授站教务主任批准日期兰州交通大学毕业设计（论文）任务书电气化铁道技术专业电气化13班学生王亮一、毕业设计（论文）课题牵引变配电所的防雷与接地二、毕业设计（论文）工作自2014年9月3日起至2014年10月25日止三、毕业设计（论文）进行地点四、毕业设计（论文）的内容要求：课题；牵引变配电所的防雷1、防雷措施的确定2、防雷装置选择3、避雷针和避雷线保护范围的确定4、接地方案确定5、人工接地题尺寸及规格的计算6、总结7、致谢要求：1、综合本专业的基本理论、基本知识和基本技能，得到一次全面解决问题的能力检验，训练的机会。2、尽可能结合本专业、本学科领域内，有实用价值的技术或管理方面的经验。3、结合生产、科研、实验室建设等实际问题的课题数不少于70﹪。负责指导教师指导教师接受设计（论文）任务开始执行日期学生签名摘要电能是现代工业生产的主要能源和动力，随着现代文明的发展与进步，社会生产和生活对电能供应的质量和管理提出了越来越高的要求。电能既易于由其它形式的能量转换而来，又易于转换为其它形式的能量以供应用；电能的输送的分配既简单经济，又便于控制、调节和测量，有利于实现生产过程自动化；电能在工业生产中的重要性，在于工业生产实现电气化以后可以大大增加产量，提高产品质量，提高劳动生产率，降低生产成本，减轻工人的劳动强度，改善工人的劳动条件，有利于实现生产过程自动化。变电站作为电力系统中的重要组成部分，直接影响整个电力系统的安全与经济运行。工厂变电站，在工厂电力系统中起着汇聚和分配电能的作用，担负着工厂供电的重要任务。工厂变电站的安全，不仅增强了工厂电网的网络结构，而且为该工厂生产提供了足够的电能，从而达到使工厂电网安全、可靠、经济地运行的目的。工厂供电系统的核心部分是变电所，因此，它是防雷的重要保护部位。雷电具有很强的危害性，因此应该重视工厂变配电所雷电的防护。如果变配电所发生雷击事故，将造成大面积的停电，给社会生产和人民生活带来不便，这就要求防雷措施必须十分可靠。本文讲述了雷电、雷电压和雷电流的形成过程，并给出了雷电参数，阐述了防雷装置如避雷针、避雷器的防雷原理以及保护范围，给出了直击雷和感应雷的防护方案，介绍了目前我国牵引变电所防雷接地设计中常用的几种措施，如：架设避雷针，同时对几种防雷措施进行了深入的论述和定量的计算分析。通过对牵引变电所的防雷接地设计，全面剖析了电力系统中如何让提高牵引变电所的防雷水平，从而有效地降低牵引变电所的雷击事故，减少雷电对电网安全运行的影响。关键词：雷电参数避雷针避雷器防雷接地；目录TOC\o"1-3"\u一、雷电的来由及防护 11雷电 11.1.雷电的形成 11.2.雷电放电 11.3.雷电的危害 22防护措施 32.1.雷电的防护 32.2.保护措施 4二、防雷装置选择 61.雷电参数 61.1.雷击时的等值电路 61.2.雷电流 72保护原理 10三、避雷器，避雷针和避雷线保护范围的确定 111.避雷器的分类及比较 112.避雷针和避雷线 143.保护范围 14四、接地方案的确定 201.防雷接地的概述 201.1.防雷接地的发展概况 201.2.接地与防雷接地 212.变电所内变压器的防雷接地保护 222.1.双绕组变压器的防雷保护 222.2.三绕变压器的防雷保护 222.3.自耦变压器的防雷保护 232.4.变压器中性点的防雷保护 25五、接地尺寸及规格的计算 271.接地装置的电感效应及利用率 272.防雷接地装置的形式及其电阻的算法 282.1.接地装置的形式 282.2.接地体的选择 282.3.发电厂和变电所的防雷接地 293．接地尺寸的计算 31结论 33致谢 35参考文献 37一、雷电的来由及防护1雷电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。主放电时电流可达数千安，最大可达200~300kA。余辉,雷云中剩下的电荷继续沿主放电通道下移，称为余辉放电阶段。余辉放电电流仅数百安，但持续的时间可达0.03~0.15s。1.2.雷电放电雷电放电是由带电荷的雷云引起的放电现象。一般认为雷云是在某种大气和大地条件下，由强大的潮湿的热气流不断上升进入稀薄的大气层冷凝的结果。强烈的上升气流穿过云层，水滴被撞分裂带电。轻微的水沫带负电，被风吹得较高，形成大块的带负电的雷云；大滴水珠带正电，凝聚成雨下降，或悬浮在云中，形成一些带正电的区域。雷云的底部大多数是带负电，它在地面上会感应出大量的正电荷。这样，在带有大量不同极性或不同数量电荷的雷云之间，或者雷云和大地之间就形成了强大的电场，其电位差可达几兆伏甚至几十兆伏。随着雷云的发展和运动，一旦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。大多数雷电放电发生在雷云之间，对地面上的设备和建筑没有什么直接影响。雷云对地的放电虽占少数，但危害是十分严重的，是造成雷电事故的主要因素。要避免产生雷电事故，就必须对雷电的放电过程、活动规律和雷电参数加以研究。1.3.雷电的危害雷电是自然界存在的物理现象，打雷是指带正负电荷的雷云之间或是带电荷的雷云对大地快速放电而产生的声和光。雷云之间正负电荷放电现象，就是我们平时看到天空闪光和随之而来的巨大隆隆声。天空打雷对现代微电子的电气设备有伤害，但对自然界生物和净化空气十分有好处。但是天空中带电荷的雷云对大地放电。这种强烈直击雷，不仅产生刺眼闪光和巨大雷声，而且打雷所产生的强大雷电流(几十KA～几百KA)、炽热高温(6000~10000℃)。猛烈冲击波，对打雷附近的人畜生命安全造成严重威胁，使建筑房屋损坏，森林着火，石油、电力、气象、通信、航空航天建筑设施造成严重破坏。沿着雷电流流动方向，使周围数公里空间造成强大剧变电磁场，静电场和强烈电磁辐射等物理效应。把感应出来雷电压、雷电流通过供电线路、信号线路和各种金属管线传到各家各户造成人员伤亡，特别对微电子设备(计算机、电视、通信设备、电气设备等)造成严重破坏，导致重大经济损失，打雷是年年重复发生的自然现象，根据有关方面统计资料报告，全球每年因雷电灾害造成的损失高达数十亿美元。我国每年因雷击造成伤亡人员达一万多人，造成的各种经济损失也达数亿人民币。2防护措施2.1.雷电的防护雷电灾害年年有，我们人类对雷电防护认识和经验也是逐年提高。200多年前，美国科学家富兰克林发明了避雷针(实际上是引雷针，使雷电沿引雷针引入地下)，开创了人类雷电防护新纪元。由避雷针、避雷带、引下线、接地网构成了建筑防雷措施，大大减少了建筑物因雷击造成的损失。随着科学技术发展，新型电子设备广泛应用，雷电流引起的感应雷击已成为电子时代的一大公害，上面提到全球每年因雷击造成经济损失达数十亿美元，电子设备损坏占绝大部分。因此，我国上世纪90年代就颁发了中华人民共和国国家标准《建筑物防雷设计规范》，同时通信、电力、广播电视、石油和铁路等电子产品密集部门，根据国家防雷规范，结合自身情况又制定出更加具体的行业防雷技术标准规范和要求。1999年我国又颁布《中华人民共和国气象法》，要求各级气象主管机构要统一领导协调全国对雷电灾害防御工作的组织管理。现代防雷技术原则是全方位防护，综合治理。把防雷减灾工程看作是一个系统工程。不但建筑物楼房要做好防雷电的直接雷击，而且还要在供电线路、通信线路上做好防护，防止由雷电引起感应雷对我们各种各样电子设备(计算机、电视、通信设备、电气设备等)损坏。这方面防护首先尽可能将供电线路、通信线路由明线改为埋地电缆。由地下引到各楼内。其次，再在供电线路、信号线路上加装防雷器件，防止雷电流电磁感应而引起感应雷通过电源线、信号线传入电子设备，把电子设备损坏。第三，将建筑防雷地，供电交流接地，电气设备安全保护地和通信及计算机系统接地(也称逻辑接地)组成联合接地系统。雷击时，使和电子设备相连接的地都处在同一电位(消除地的电位差)。所有电气设备都应使用有安全保护地电源插座(若电源插座带有防过电压装置更好)。在防雷问题上我们大家都要按照国家和行业规范去做，就可以确保建筑楼房、电子设备、人员的安全。另外，应大力宣传雷电防护知识，增强自我保护意识。打雷时，不在室外打，不要靠近高大建筑物，不在大树下避雨，不在公园靠近建筑物的防雷针、引下线旁坐着休息，就可以免除雷电对我们造成的意外伤害。雷电放电是由雷云引起的放电现象。所谓雷云是指带有电荷的云，云是如何带点的呢？地面的水分在太阳的照射下受热化为水蒸汽，形成上升的热气流。由于太阳不能直接使空气变热，所以空气每上升1km，温度就下降10℃。热气流上升到一定的高度后，因温度降低是水蒸气凝结成水滴，在足够冷的高空，水滴会进一步冷却成冰晶。水滴和冰晶因其复杂的电荷分离过程及强烈气流的作用更使会形成带电的雷云。2.2.保护措施避雷针，避雷线，避雷网，避雷带及避雷器都是经常采用的防雷装置。避雷针主要用来保护露天变配电设备及保护建筑物：避雷线主要用来保护输电线路：避雷网和避雷带主要是用来保护建筑物：避雷器则主要用来保护电力设备，属一种专用的防雷设备。牵引变电所通常一般采用下列防雷措施。(1).装设避雷针为保护整个变电所设备和建筑物免遭受直接雷击，变电所内应装设避雷针。避雷针的功能实质是引雷作用，它能使雷电产生畸变，从而将雷云放电通道由原来可能向被保护物体发展的方向吸引到避雷针本身，然后经与避雷针相连接的引下线与接地装置将雷电流泄放到大地中去，使被保护物免受直接雷击，变电所通常装设多根避雷针来满足保护要求。避雷针可单独立杆，也可利用户外配电装置的构架或投光灯的杆塔：但变压器的门型构架不能用来装设避雷针，以防止雷击产生的过电压对变压器闪络放电。避雷针一般采用镀锌圆钢(针长1m以下时直径不应小于12mm，针长1至2m时直径不应小于16mm)或镀锌钢管(针长1m以下时直径不应小于20mm，针长1至2m时直径不应小于25mm)制成，通常安装在电杆或构架，建筑物上。它的下端要经引下线与接地装置相连接。(2).装设架空避雷线避雷线也称架空地线，在变电所进出线上方架设避雷线，可避免进出线遭受直接雷击，危害变电所内部设备：当进出线在避雷线保护范围外遭受直接雷击或感应过电压时，可以降低过电压的幅值，减轻对变电所内部设备的危害。在变电所110KV进线和馈出线均装设架空避雷线进行保护。(3).装设避雷器避雷器是为防止沿线路期侵入变电所的雷电冲击波对电气设备的破坏，把雷电波(或感应雷电波)限制在避雷器残压值范围内，从而使变压器及其他电气设备免受过电压的危害，其接地电阻不得大于10Ω。在变电所每路进线终端，主要变压器的低压侧出线，主变压器器中性点到出线，馈出现上，一般都应装设避雷器。(4).装设抗雷线圈在变电所馈出线上，串联抗雷线圈，和避雷器配合使用，可有效地降低雷电入侵波的陡度，加强防雷效果。二、防雷装置选择1.雷电参数1.1.雷击时的等值电路雷击地面由先导放电转变为主放电的过程可以用一根已经充电的垂直导线突然于被击物体接同来比拟，如图（a）所示。图中是被击物体于大地（零地位）之间的阻抗，是先导放电通道中电荷的线密度，开关S未闭合之前相当于先导放电阶段。当先导通道到达地面或与地面目标上发出迎面先导相遇时，主放电即开始，相当于开关S合上。此时将有大量的正、负电荷沿先导通道逆向运动，并使其中来自雷云的负电贺中和，如图（b）所示。与此同时，主放电电流即雷电流流过雷击点A并通过阻抗，此时A点电位u也突然升至。显然，电流的数值于先导通道的电荷密度及主放电的发展速度v有关，并且还受阻抗的影响。因为先导通道的电荷密度很难测定，主放电的发展速度也只能根据观测大体判断，唯一容易测知的量是主放电以后（相当于S合上以后）流过阻抗的电流。因此利用雷电放电过程简化成一个数学模型，进而用到彼德逊等值电路[如图2.1(c)、(d)所示]以求得比较统一的分析方法。图2.1(c)、(d)中为主放电通道的波阻抗。和则式从雷云向地面传来的行波的电压和电流。(a)模拟电路（b）主放电电路（c）主放电通道电（d）等值电路图2.1雷击放电计算模型1.2.雷电流因为雷电波流经被击物体时的电流与被击物体的波阻抗有关，因此，我们把流经被击物体的波阻抗为零时的电流被定义为“雷电流”，用来表示。根据雷电放电的等值电路，可知流经被击物体的波阻抗为时的电流与雷电流的关系为：（）目前，我国规程建议雷电通道的波阻抗为300～400Ω。雷电流为一非周期的冲击波，它与气象、自然等条件有关，是一个随机变量。下面我们介绍它的幅值、波头、陡度、波长及其波形。1）幅值雷电流的幅值与气象、自然等条件等有关，只有通过大量实测才能正确估计其概率分布规律。我国现行标准推荐雷电流幅值分布的概率如下：（）式中：为雷电流幅值，kA；为幅值大于的雷电概率。例如，当雷击时，出现大于88kA的雷电流幅值的概率p约为10%。我国西北地区内蒙古等雷电活动较弱，雷电流幅值较小，可按下式计算：（）2）波头、陡度及波长根据实测结果，雷电冲击波的波头是在1～5µs的范围内变化，多为～µs；波长在20～100µs的范围内，多数为50µs左右。波头及波长的长度变化范围很大，工程上根据不同情况的需要，规定出相应的波头于波长的时间。在线路防雷计算时，规程规定取雷电流波头的时间为µs，波长对防雷计算结果几乎无影响，为简化计算，一般可视为无限长。雷电流的幅值与波头，决定了雷电流的上升陡度，也就是雷电流随时间的变化率。雷电流的陡度对雷击过电压影响很大，也是一个常用参数。可认为雷电流的陡度α与幅值I有线性关系，即幅值愈大，陡度愈大。一般认为陡度超过50kA/µs的雷电流出现的概率已经很小了。3）波形实测结果表明，雷电流的幅值、陡度、波头、波尾虽然每次不同，但都是单极性的脉冲波，电力设备的绝缘强度实验和电力系统的防雷保护设计，要求将雷电流波形等值为典型化、可用公式表达、便于计算的波形。常用的等值波形有三种，如图所示。（a）(b)(c)图2.2雷击主放电时的电流波形图（a）是标准冲击波，它可表示为。试中为某一固定电流值，、是两个常数，为作用时间。当被击物体的阻抗只是电阻R时，作用在R上的电压波形u于电流波形相同。双指数波形也用做冲击绝缘强度实验的标准电压波形。我过采用国际电工委员会（IEC）国际标准。图2.2(b)为斜角平顶波，其陡度α可由给定的雷电流幅值I和波头时间决定，α=I/在防雷保护计算中，雷电流波头采用µs。这样，α可取为µs.图2.2(c)为等值余弦波，雷电流波形的波头部分，接近半弦波，其表达式为（）式中：为雷电流幅值，kA；ω为角频率，,为波头时间（）。这种等值波形多用于分析雷电流波头的作用，因为用余弦函数波头计算雷电流通过电感支路时所引起的压降比较方便。此时最大陡度出现波头中间，即,其值为（）2保护原理避雷针（线）的保护原理可归纳为：能使雷云电场发生突变，使雷电先导的发展沿着避雷针的方向发展，直击于其上，雷电流通过避雷针（线）及接地装置泻入大地而防止避雷针（线）周围的设备受到雷击。避雷针需要有足够截面的接地引下线和良好的接地装置，以便将雷电流安全地引入大地。避雷针一般用于保护发电厂和变电站，可根据不同情况将避雷针或装设在配电构架上或独立架设。避雷线主要用于保护线路，一般架设在线路三相导线的上方，也可用于保护发电站和变电站。三、避雷器，避雷针和避雷线保护范围的确定1.避雷器的分类及比较目前使用的避雷器主要有四种类型：①保护间隙；②排气式避雷器；③阀式避雷器；④金属氧化物避雷器。保护间隙和排气式避雷器主要用于变电所进线段保护；阀式避雷器和金属氧化物避雷器用于变电所和发电厂的保护。下面主要介绍以下阀式避雷器：在变电所和发电厂大量使用阀式避雷器，它相对与排气式避雷器来说在保护性能上有重大改进，是电力系统中广泛采用的主要防雷设备，阀式避雷器的保护特性是决定高压电气设备绝缘水平的基础。它分普通型和磁吹型两大类。普通型有FS和FZ型；磁吹型有FCZ和FCD型。1）普通型阀式避雷器结构与工作原理阀式避雷器是由火花间隙和非线性电阻这两基本部件组成。在系统正常工作时，间隙将电阻阀片与工作母线隔离，以免由工作电压在阀片电阻中产生电流使阀片烧坏。当系统中出现过电压且其幅值超过间隙放电电压时，间隙击穿，冲击电流通过阀片流入大地，从而使设备得到保护。当过电压消失后，间隙中由工作电压产生的工频续流仍将继续流过避雷器，此续流是在工频恢复电压作用下，其值远较冲击电流为小，使间隙能在工频续流第一次经过零值时就将电弧切断。这样，避雷器从间隙击穿到工频续流的切断不超过半个周期，而且工频续流数值也不大，继电保护来不及动作系统就已恢复正常。①磁吹型阀式避雷器（磁吹避雷器）为了改善阀式避雷器的保护特性，在普通型基础上发展了磁吹型阀式避雷器。与普通型相比较，它具有更高的熄弧能力和较低的残压，因此它更合适用于电压等级较高的变电所电气设备的保护以及绝缘水平较低的旋转电机的保护。磁吹避雷器的原理和基本结构与普通型避雷器相同，主要区别在于采用了磁吹式火花间隙。它是由许多单个间隙串联而成的，它利用磁场对电弧的电动力，迫使间隙中的电弧加快运动并延伸，使间隙的去游离作用增强，从而提高了灭弧能力。②金属氧化物避雷器金属氧化物避雷器（MOA）也称为氧化锌避雷器，是20世纪70年代初开始出现的种新型避雷器。氧化锌避雷器是由氧化锌非线性电阻片组成的。由于氧化锌电阻片具有优异的非线性伏安特性，可以取消串联火花间隙，实现避雷器无间隙无续流，且造价低廉，因此氧化锌避雷器已得到越来越广泛的应用，取代炭化硅避雷器是大势所趋。金属氧化物避雷器的主要优点：与普通阀型避雷器相比，氧化锌避雷器具有优越的保护性能：(1)保护性能好。虽然10KA雷电流下残压目前仍与炭化硅阀型避雷器相同，但后者串联间隙要等到电压升置较高的冲击放电电压时才可将电流泄放，而金属氧化物避雷器在整个过电压过程中都有电流通过，电压还未升置很高的数值之前不断的泄放过电压的能量，这对抑制过电压的发展是有利的。由于没有间隙，金属氧化物避雷器在陡波头下伏秒特性上翘要比炭化硅型避雷器小的多，这样在陡波头下的冲击放电电压的升高也小很多。金属氧化物避雷器的这种优越的陡波响应特性（伏秒特性），对于具有平坦伏秒特性的SF6气体变电所（GIS）的过电压保护尤为合适，易于绝缘配合，，增加安全裕度。(2)无续流和通流容量大。金属氧化物避雷器在过电压作用后，流过的续流为微安级，可视为无续流，它只吸收过电压能量，不吸收工频续流能量，这不仅减轻了其本身的负载，而且对系统的影响甚微。再加上阀片通流能力要比炭化硅阀片大4～倍，又没有共频续流引起串联间隙烧伤的制约，金属氧化物避雷器的通流能力很大，所以金属氧化物避雷器具有耐受重复雷和重复动作的操作过电压或一定持续时间短时过电压的能力。并且进一步可通过并联阀片或整只避雷器并联的方法来提高避雷器的通流能力，制成特殊用途的重载避雷器，用语长电缆系统或大电容器组的过电压保护。(3)无间隙。无间隙可以大大改善陡度响应，提高吸收过电压能力，以及可采用阀片并联以进一步提高通流容量；可以大大缩减避雷器尺寸和重量；可以使运行维护简化；可以使避雷器有较好的耐污秽和带电水冲洗的性能。有间隙的阀式避雷器瓷套在严重污秽，或在带电水冲洗时，由于瓷套表面电位分布的不均匀或发生局部闪络，通过电容耦合，使瓷套内部间隙放电电压降低，甚至此时在工作电压下动作，不能熄灭电弧而爆炸。无间隙还可以使避雷器易于制成直流避雷器。因为直流续流不象工频续流那样会自然过零，而金属氧化物避雷器当电压恢复到正常时，其电流非常小，所以只要改进阀片电阻的配合以使其能长期陈承受直流电压作用，就可以制成直流避雷器。由于金属氧化物避雷器具有这些炭化硅所没有的缺点，使得其在电力系统中得到了越来越广泛的应用，特别是超高压电力设备的过电压保护和绝缘配合已完全取决于金属氧化物避雷器的性能。2.避雷针和避雷线避雷针（线）是防止直击雷的主要设备，它的作用是将雷吸引到金属针（线）上并安全导入地中，从而保护附近的被保护物免受雷击。为了有效地引雷并将雷电流安全导入地中，避雷针由接闪器（针头）、引下线和接地装置三部分构成。避雷线本身就相当于接闪器，它也必须经引下线与接地装置可靠连接。避雷针和避雷线[5]可以防止雷电直接击中被保护物体，因此也称为直击雷保护。3.保护范围避雷针（线）的保护范围是指被保护物在此空间范围内不致遭受雷击。我国标准中使用的避雷针（线）保护范围的计算方法，是根据雷电冲击小电流下的模拟实验研究确定的，并以多年运行经验做了校验。保护范围是按保护概率99.9%确定的。实践证明，此雷击概率是可以接受的。由于雷电的路径受到很多偶然因素的影响，因此要保证被保护物绝对不受直接雷击是不现实的，一般，保护范围是指具有0.1%左右雷击概率的空间范围，实践证实，此概率是可以被接受的。1）单支避雷针的保护范围是一个以避雷针为轴的近似锥形的空间。她的侧面边界原为一根曲线，《规程》中近似地用折线代替，如图所示。图2.3单支避雷针的保护范围高度为的被保护物距离避雷针的水平最大允许距离也是避雷针在高度截面的保护半径可按下式计算：当时（）当时（）式中─避雷针的高度；─避雷针的有效高度，；─考虑避雷针的高度影响的校正系数，，时，（）2）两支等高避雷针当两根避雷针距离不太远时，由于两根针的联合屏蔽作用，使两针中间部分的保护范围比单针时有所扩大。图表示两等高避雷针的保护范围。两针外侧的保护范围按式和式计算。两针间保护范围的上部边缘应按通过两针顶点及中间最低点O的圆弧确定。O点的高度按式计算。（）式中─两针的距离，m。图2.4高度为h的二等高避雷针保护范围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按式计算。（）为了保证两针联合保护的效果，《规程》建议两支避雷针之间的距离不宜大于5。3）两支不等高避雷针其保护范围按下法确定：如图两针内侧的保护范围先按单针作出高针1的保护范围，然后经过较低针2的顶点作水平线与之交于点3，再设点3为一假想针的顶点，做出两等高2和3的保护范围，图中，二针外侧的保护范围仍按单针计算。图2.5两支不等高避雷针保护范围4）多支等高避雷针三支等高避雷针的保护见图，三针所形成的三角形1、2、3的外侧保护范围分别按两支等高的针的计算方法确定，如在三角形内被保护物最大高度的水平面上各自相邻避雷针间保护范围的一侧宽度时，则全部面积受到保护。图2.6三支等高避雷针的保护范围图5）避雷线因为避雷线对雷云与大地间电场畸变的影响比避雷针小，所以其引雷作用和保护宽度比避雷针要小。但因避雷线的保护长度是与线等长的，故特别适于保护架空线路及大型建筑物，目前世界上大多数国家已转而用避雷线来保护500kV大型超高压变电站。单根避雷线的保护范围如图所示。在水平面上每侧保护范围的宽度，可按下列公式计算:图2.7单根避雷线的保护范围当时（）当时（）式中—每侧保护范围的宽度，m。两根等高避雷线外侧的保护范围仍按单根避雷线时确定。两避雷线间横截面的保护范围应由通过两避雷线1、2及保护范围边缘最低点o的圆弧确定，o点的高度应按式计算。（）式中—两避雷线间保护范围上部边缘最低点的高度，m；—两避雷线间的距离，m；—避雷线的高度，m。图中称为避雷线的保护角，它是杆塔上避雷线的铅垂线同杆塔处避雷线与导线连线间所组成的夹角，保护角愈小，避雷线就愈可靠地保护导线免受雷击。单根避雷线的保护角不能做的太小，一般在～。220～330kV双避雷线线路，一般采用左右，500kV一般不大于。图2.8两根平行避雷线的保护范围四、接地方案的确定1.防雷接地的概述1.1.防雷接地的发展概况1749年富兰克林发明第一支避雷针，开创了人类有意识防雷的历史。自此，避雷针及其派生出的避雷带、避雷网、避雷线、法拉第等传统避雷装置，以“引雷烧身”的大无畏精神，伴随人类度过了两个半世纪。近代，随着科技进步，人工建筑的高度越来越高，电子设备的应用越来越广泛，由于避雷针保护范围具有不确定性，引雷过程中产生电磁感应过电压，雷电反击产生二次雷击和跨步电压等，避雷针已跟不上时代的步伐。避雷针的安装本身，可能导致感应雷害的增加。目前已投入使用的各种防雷装置，各有所长，也都各有局限性。对于现代建筑和电子设备，进雷通道不外乎三个方面：1.天上下来的直雷击。2.各种金属线路、管道感应或引进的感应雷。3.地下出来的反击雷。那么，按照“系统论”的观点，建立一套完善而健全的综合立体防雷系统[2]，就能实现有效的防雷安全。一套完善而健全的综合立体防雷系统包括：①架设避雷针，避雷线防直击雷。②地面或室内外各种天线、信号线、电源线进入室内或设备前，装设线路避雷器。③各种金属管线入户处进行接地处理。④埋地电缆用金属裸线平行屏蔽。⑤具有良好的接地装置，包括尽可能小的接地冲击阻抗、接地体的有效屏蔽及各种接地的联通。1.2.接地与防雷接地所谓接地[7]，就是把设备与电位参照点的地球作为电气上的连接，使其对地保持一个低的电位差。其办法是在大地表面土层中埋设金属电极，这种埋入地中并直接与大地接触的金属导体，叫做接地体，有时也称为接地装置。按其目的接地可分为四种：(1)工作接地：电力系统为了运行的需要，将电网某一点接地，其目的是为了稳定对地电位与继电保护上的需要。(2)保护接地：为了保护人身的安全，防止因电气设备绝缘劣化，外壳可能带电而危及工作人员安全。(3)静电接地：在可燃物场所的金属物体，蓄有静电后，往往爆发火花，以致造成火灾。因此要对这些金属物（如储油罐等）接地。(4)防雷接地：导泄雷电流，以消除过电压对设备的危害。顾名思义，防雷接地装置的作用用于防雷保护中，防雷接地装置性能的好坏将直接影响到被保护设备的耐雷水平和防雷保护的可靠性。我们知道避雷针或避雷器因雷击而动作时，幅值极高的雷电流将经过避雷针或避雷器及其接地装置而流入大地，如果接地装置不符合要求，接地电阻过大时，被击物（如避雷针、避雷线等）仍将会有很高的电位，以致被保护设备有可能遭到反击，因此防雷接地装置起着十分重要的作用。下面将重点讨论防雷接地。2.变电所内变压器的防雷接地保护2.1.双绕组变压器的防雷保护_Toc323200511双绕组变压器在正常运行时，高压侧与低压侧断路器都是闭合的，两侧都应该装设避雷器。所以一侧有雷电波入侵，传递到另一侧去的电压也不会对绕组造成损害，无须再加其他的保护。2.2.三绕变压器的防雷保护110kV以上的变电所有的采用三绕组变压器，即具有高压、中压和低压三个绕组。当高压侧雷电流入侵时，通过绕组间的静电耦合和电磁耦合租用，会使低压侧出现过电压。三绕组变压器在正常运行时，可能出现只有高、中压绕组工作，低压绕组开路的情况。此时，在高压或中压侧有雷电波的作用时，由于低压绕组对地电容较小，开路的低压绕组上的静电感应分量可达很高的数值以至危及低压绕组的绝缘。由于静电感应分量将使低压绕组三相的电位同时升高，故为了限制这种过电压，只要在任一相低压绕组直接出口处对地架装一个避雷器即可。中压绕组虽也有开路的可能，但其绝缘水平较高，一般不装。2.3.自耦变压器的防雷保护_Toc323200512自耦变压器除有高、中压自耦绕组外，还采用三角形连接的低压非自耦绕组，以减小零序阻抗和改善电压波形。在低压非自耦绕组上，为限制静电感应电压需装一台避雷器。此外，当雷电波从高、中压绕组的一侧侵入而另一侧开路时，将在开路侧出现过电压，因此，必须在自耦变压器的两个自耦合的绕组出线上装设避雷器，此避雷器应该装在自耦变压器和断路器之间。如图所示。图2.9自耦变压器的防雷保护接线图自耦变压器过度过程如下：高，低压绕组运行，中压侧开路：入侵波自高压端侵入时，中压段开路时。绕组中的初始电压分布，稳态电压分布及最大电位包线，都和前面分析中性点接地的单相变压器相同。开路的中压端子出现的最大电压约为高压测电压的2U0/K倍，可能使中压段套管闪络。所以应在中压端套管与断路器间装设一组避雷器FV2.如图所示。图3.0中压端套管与断路器间装设一组避雷器FV2中，低压绕组运行，高压侧开路：中压端有入侵波U’0，类似分析可知，中压端子到中性点的稳态电压分布和末端接地的变压器绕组相同，从中压端子到高压端子的稳态电压分布由电磁感应形成。在震荡中，高压端子最大电压可能达2K,会危及开路状态高压端的绝缘，因此应在高压端和断路器间加装一组避雷器FV1。图3.1高压端和断路器间加装一组避雷器FV1同时应注意：当中压侧接有出线时（相当于点经线路波阻抗接地），如高压侧有过电压波入侵，点的电位接近于零，大部分电压作用在AA’段，是很危险的；同样的，高压侧有出线，中压侧进波也会造成类似的结果。AA’越短（K越小），危险性越大。一般在K＜时，还应在AA’之间再跨接一组避雷器FV3。如图所示。图3.2跨接一组避雷器FV3。2.4.变压器中性点的防雷保护1）中性点绝缘水平中性点绝缘水平可分为全绝缘和分级绝缘[11]两种。凡中性点绝缘与相线端的绝缘水平相等，叫全绝缘。一般在60kV及以下的电力变压器的中性点是全绝缘的。如果中性点绝缘低于相线端绝缘水平，叫分级绝缘。一般在110kV及以上时，大多中性点是分级绝缘的。本次设计中平北站中变压器中性点即为分级绝缘。2）不同电压等级的中性点保护（1）60kV及以下的电网中的变压器我国60kV及以下的电网，变压器的中性点是非直接接地的。这种电网因额定电压较低，所以线路绝缘不高，加上35kV及以下的线路又不架避雷线，所以常有沿线路三相来雷电波的机会，这理论上会造成威胁。但运行经验表明，这种电网的雷害故障一般每一百台一年只有次，实际上是可以接受的。35～60kV中性点雷害之所以较少，是由于以下几方面的原因：①流过避雷器的雷电流小于5kV，一般只有～；②实际上变电所进线不只是一条，它是多路进线，一条线的来波可由其他的线路流走一部分电流，这就减少了流经避雷器的雷电流；③大多数来波是以线路远处袭来的，其陡度很小；④变压器绝缘有一定的裕度；⑤避雷器到变压器的距离实际值比允许值近一些；⑥三相来波的概率很小。因此我国有关标准规定，36～60kV变压器中性点一般不需要保护。对于多雷区、单路进线的中性点非直接接地的变电所，宜在中性点上加装避雷妻保护。避雷器可任选金属氧化物避雷器或者阀式避雷器。（2）110kV及以上电网我国110kV以上的电网的中性①点一般是直接接地的，但为了继电保护的需要，其中一部分变压器的中性点是不接地的，如中性点采用分级绝缘且未装设保护间隙，应在中性点加装避雷器，且宜选变压器中性点金属氧化物避雷器。如果变压器的中性点是全绝缘的，但变电所为单进线且为单台变压器运行，也应该在中性点加装避雷器。这些保护装置应同时满足下列条件：其冲击放电电压应低于中性点冲击绝缘水平；避雷器的灭弧电压应大于因电网一相接地而引起的中性点电位升高的稳态值，以免避雷器爆炸。保护间隙的放电电压应大于电网一相接地而引起的中性点电位升高的暂态最大值，以免继电保护不能正确动作。对110kV分级绝缘变压器中性点来说，如选用FZ—35或FCZ—35，则其灭弧电压低于电网单相接地时中性点的电位升高稳态值，因此一般不可采用，因考虑选用FZ—40阀型避雷器或氧化锌避雷器。五、接地尺寸及规格的计算1.接地装置的电感效应及利用率当工频电流流经接地装置时，由于电流频率不高，接地装置的利用程度最高；当冲击电流流经接地装置时，由于电流变化很快，接地装置本身电感的作用不能再忽视。其分布电感阻碍了电流流经接地装置较远的部分，此时冲击电流在接地装置全部长度上的电流扩散密度是不相同的，这使接地装置的利用程度降低，使冲击接地电阻增加，接地装置的长度愈长，则电感的效应愈显著，冲击接地电阻增加的也愈多，因此对于水平铺设的升长接地体，为了得到在冲击电流作用下较好的接地效果，要求单根水平铺设的升长接地体的长度有一定限制。综上述可知，流经冲击电流时接地装置的接地电阻与雷电流幅值、土壤电阻率和接地装置的长度及其结构形状有关，通常将冲击接地电阻与工频接地电阻之比称为接地装置的冲击系数，由于考虑到雷电流幅值大，土壤中会发生局部火花放电，使土壤电导率增加，接地电阻减小，所以其值一般小于1；但由于雷电流频率高，对于伸长接地装置因有电感效应，阻碍电流向接地体远端流去，故冲击系数可能大于1。2.防雷接地装置的形式及其电阻的算法2.1.接地装置的形式接地装置一般可分为人工接地体装置和自然接地体装置。人工接地体装置有水平接地体、垂直接地体以及既有水平又有垂直的复合接地装置，水平接地一般是作为变电所和输电线路防雷接地的主要方式；垂直接地一般作为集中接地方式，如避雷针、避雷线的集中接地；在变电所和输电线路线路防雷接地中有时还采用复合接地装置。对钢筋混泥土杆、铁塔基础、发电厂、变电所的构架基础等等我们称之为自然接地装置。2.2.接地体的选择人工接地体的规格[8]，水平铺设的接地体可用圆钢、扁钢，垂直接地体可用钢管、角钢，接地体和接地引线的截面应不小于下表所列规格。此外还应该从实际施工的角度来选择。如人工接地体常采用直径50mm、长度的钢管。因为从埋设方便来考虑，比直径50mm更小的钢管由于机械强度较小，容易发生弯曲，不适宜采用机械方法打入土中。直径大于50mm，从实验结果来看性能改善的有限，所以从经济角度来看并不合算。表3.1钢接地体和接地线的最小规格种类规格及单位地上地下屋内屋外圆钢直径（mm）6810扁钢截面（mm）厚度（mm）484484484角钢厚度（mm）342.3.发电厂和变电所的防雷接地发电场和变电所内需要有良好的接地装置以满足工作、安全和防雷保护的接地要求。一般的做法是根据安全和工作接地要求敷设一个统一的接地网，然后再在避雷针和避雷器下面增加接地体以满足防雷接地的要求。人工接地网的外缘应闭合，外缘各角应做成圆弧形，圆弧半径不宜小于均压带间距的一半。接地网内应铺设水平均压带。接地网的埋设深度不宜小于，有条件的埋设在1m以下。北方冻土区应埋设在冻土层以下。接地网可以采用长孔网或者方孔网，但方孔网的均压，特别是在冲击电流作用下的均压效果要好的多。接地网的均压带可采用等间距或不等间距的布置。35kV以上变电所接地网边缘经常有人出入的走道外，为降低跨步电压应铺设砾石、沥青路面或者在地下装设两条与地网相连接的均压带。接地网由扁钢水平连接，埋入地下～处，其面积S大体与变电所的面积相同，如图所示，这种接地网的总接地电阻可按下式估算：（）式中—接地体（包括水平的与垂直的）总长度，m；—接地网的总面积。（a）长孔（b）方孔图3.3接地网示意图接地网构成网孔形的目的，主要在于均压。接地网中两水平接地带之间的距离，一般可取为3～10m，然后校核接触电位差和跨步电位差后给予以调整。方形和矩形地网接地电阻的计算方形地网。考虑到保持周长不变将圆环变为方框后，占地面积将由原来的缩小为，把计算圆环或圆盘的接地电阻公式（）（）中的用取代，在考虑方板的修正后，得方形地网的接地电阻共公式为（）（）式中—地网面积；—地网周长；—水平接地体长度；—接地体直径；—土壤电阻率；（）3．接地尺寸的计算根据该变电站的实际情况需要设置四只避雷针分布在四周。因为土壤电阻率ρcm,仍宜装设独立避雷针,以免发生反击;选取避雷针高h=50m相邻两针的距离D=60m对角的两针相距D=被保护物高当时相邻两针间外侧保护半径为：相邻两针间保护范围为：相邻两针高水平面上的保护范围为：对角两针间的保护范围为：对角两针高水平面上的保护范围为：

结论本文首先论述了牵引变电所防雷接地的必要性，并对我国防雷接地的发展情况进行了概述。接着讲述了雷电,并给出了雷电参数，阐述了防雷装置如避雷针、避雷器的防雷原理以及保护范围，给出了直击雷和感应雷的防护方案，介绍了目前我国牵引变电所防雷接地设计中常用的几种措施，如：架设避雷针、敷设接地网，在进线段装设避雷器，同时对几种防雷措施进行了深入的论述和定量的计算分析。最后基于常用的防雷接地的设计方法，对牵引变电所进行了详细的防雷接地设计。通过对上述内容的研究分析，可得出以下结论：（1）牵引变电所是供电系统的枢纽，因此牵引变电所一旦发生雷击事故时，就有可能造成铁路运输系统的瘫痪，给生产和生活造成巨大的损失，所以应十分的重视牵引变电所的防雷接地。（2）牵引变电所直击雷的防护应在变电所范围内架设避雷针，使牵引变电所的全面积都在避雷针的保护范围之内。（3）牵引变电所感应雷的防护应在进线段、变压器的高压侧和低压侧和馈线段装设避雷器，并在进线