【《110KV变电站防雷系统设计》8800字】

KV变电站防雷系统设计摘要变电站在电力系统中的位置十分关键,变电站确保着电力系统的稳定运转,可以使电能升压并提供给高压电网。变电站的主要威胁是来自于雷电,对变电站进行安全防雷系统的建造可以促使其有效地避免遭到雷击从而实现对变电站安全进行维修的目标。此次设计是针对110kv交流变电站进行的防雷系统设计,完成了短路电流的测量,避雷器的数量与种类的选择与接地网的设计。为110kv变电站设计一个可靠的防雷系统也是十分重要的,在对进行变电站短路数值的计算时为了计算得出接地电阻允许值,取决于电气设备在正确的接线模式下可能发生短路且其中一个短路电流最多的地方作为一个短路点。接地网的设计在防雷系统设计中是重中之重,避雷器的选择也要根据不同的放置地点进行考虑。关键词：电力系统110kv变电站防雷系统目录摘要…………………2Abstract……………3绪论…………………71设计原始资料……………………81.1设计变电站的基本情况………81.2接地网与防雷保护的目的…………………81.3变电站规模、容量与站区地理条件………81.4系统容量及阻抗值…………91.5变电站电气平面布置总图…………………91.6短路电流计算接线图………92短路电流计算……………………102.1短路点的选择原则与确定……………………102.2计算基准值……………………102.2.1等值电路图…………………112.2.2参数标幺值…………………112.2.3短路计算过程注意事项……………………112.2.4计算序阻抗…………………102.3短路电流详细计算………152.4入地短路电流计算结果…………………173接地网设计……………………183.1变电站接地分类……………183.2变电站接地设计的必要性……………………183.3变电站接地设计原则…………193.4接地网设计方案………………193.5接地电阻与其降阻方法…………………193.6接地网设计的计算……………203.6.1入地短路电流………………203.6.2接地电阻允许值计算………203.6.3接触电压和跨步电压允许…………………203.6.4人工接地极工频接地电阻…………………213.6.5接地网表面最大接触电位差………………223.6.6求电位差……………………223.6.7求接地电阻要求值…………233.6.8接地网计算结论……………234变电站的防雷设计………………244.1防雷保护装置…………………244.1.1防雷保护装置概述…………244.1.2避雷针的保护范围…………244.2保护范围计算结果…………304.3避雷器的配置…………………314.4避雷器的选择…………………31参考文献……………33总结………………34绪论第一章是最初的资料部分,介绍了变电站建设的基础和技术。第二章为短路计算,对三个电压侧进行了短路计算求出最大短路电流。第三章为接地网设计部分,接地装置可将雷电引入地下,是防雷系统中最关键的部分。第四章为变电站的防雷设计,是对前几章内容的总结,介绍了对110KV变电站的分析从而完成对其的防雷系统设计。通过对110KV变电站的基本信息进行分析比对,使用短路计算求出最大短路电流确保所设计的接地网的可靠性,然后对安置的避雷针的保护范围加以计算确保避雷针可以使整个110KV变电站处于保护范围内,最后根据三个母线侧的额定电压有效值等因素选择加装了不同型号的氧化锌避雷器。本次设计为该110KV变电站的四个角落附近分别加装了4根等高的h=25米的避雷针,用1根引下线连接单柱设备,2根引下线连接双柱设备,相互焊接设备同样使用2根引下线连接。用25×3扁钢连接变电站中全部角铁支架,保证扁钢与设计的主接地网至少要有2个接地点。选择新型氧化锌压电避雷器装置作为压电避雷器的装置主要原因取决于三个不同变电站的三处临界电压侧额定的临界电压不同避雷行为,分别在110kv的三处母线侧、35kv的三处母线侧、10kv的三处母线侧分别设计安装了一种避雷型号分别为:hy10w-100/260的新型氧化锌压电避雷器、hy5wz-51/134氧化锌压电避雷器、hy5w-16.5/45氧化锌采用了硫化锌式的压电避雷仪。1设计原始资料1.1设计变电站的基本情况1.1防雷系统的目的对变电站的情况进行分析，针对其特点设计出防雷系统，防雷系统可以有效保护变电站免受雷电的危害，从而使变电站的安全系数提高确保变电站稳定安全的运作。1.2变电站规模变电站类别：110kV变电站。变电站占地面积：62.2×67.5平方米（包括围墙）。变压器：2台三绕组变压器量程：120兆伏安连接组别：YN，yn0，d11出线规模：110kV出线4回，向北架空出线；35kV出线6回，向东架空出线；10kV出线由电缆沟均从南侧出线。1.3站区地理条件土质主要为黑黄沙土，石土组成，变电站处于旱地与山地地型，周围无产田，根据相关要素土壤的电阻率定为每米100欧姆。1.4系统的容量及阻抗值分别为计算基准值:＝100MVA＝115、37、10.5kV系统零序阻抗:=0.1758=1.63841.5短路电流计算接线图短路电流计算接线图1.6变电站电气平面布置总图变电站电气平面布置总图2短路电流计算2.1短路点的选择原则与确定为了计算得出接地电阻允许值,取决于电气装置在正确的连接方式下可能发生短路且其中一个短路电流最高的一个点作为短路地。挑选的点要确保是发生短路故障事故最严重的地方,这样数值的准确性。这里我选择这三个点作为计算点:110kV高压侧,35kV中压侧,10kV低压侧2.2计算基准值在对电路进行交流短路功率计算时还需要注意选择一个能够进行交流短路功率计算的交流变电站并在网络中以等值作为电路设计参数的两个基准值,电气量(mva)的两个基准值为100,电气量(kv)(之间的两个关系式为=)两个基准值为11=115/37/10.5,电气量(ka)(之间的两个关系式的值为)两个基准值分别为0.502/1.56/5.5。2.2.1等值电路图系统等值网路图2.2.2参数标幺值系统侧正序电抗：=0.123556系统侧负序电抗：=1.418182系统侧零序电抗：=0.1758=1.6384变压器电抗：2.2.3短路计算过程注意事项短路计算是在设计防雷系统中一个十分重要的环节,如果不进行计算会无法进行接地设计,在进行短路计算时为确保计算准确性与安全性更加需要注意以下几点:(1)选择可以发生短路电流使其为最大值的接线。(2)该变电站的变压器为三绕组变压器,其中短路的类型采用单相接地式短路与双绕组接地式短路的方式,这两种方式可确保电流流向地面的电流值大于其他类型。(3)选择以下三个点作为短路计算的短路点:110kV高压侧,35kV母线与10kV母线,将这三个点各记作、、2.2.4计算序阻抗(1)d1母线侧线的短路频率计算(110kv侧线与母线侧有可能同时发生一侧短路)①求出该点的正序输入阻抗与负序输入阻抗以下为等值电路图：根据上图和已知条件可以求出：=0.16671.58485则d1点的正序输入阻抗：=负序输入阻抗：=0.11462②求出该点零序输入阻抗以下为等值电路图根据已知条件与上图可以求出：=-0.00397=0.0171=0.1071==0.1005=0.1176该点的零序输入阻抗：=0.0705(2)d2母线侧线的短路频率计算(35kv侧线与母线侧有可能同时发生一侧短路)①求出该点的正序输入阻抗与负序输入阻抗以下为等值电路图根据已知条件与上图可求出：=0.1667=0.29022则该点的正序输入阻抗：=负序输入阻抗：=0.2409②求出零序输入阻抗以下为等值电路图根据上图和已知条件可以求出：==0.0689=0.0649则该点的零序输入阻抗：=0.0620(3)d3母线侧线的短路频率计算(10kv侧线与母线侧有可能同时发生一侧短路)①求出该点的正序输入阻抗与负序输入阻抗以下为等值电路图根据已知条件与上图可求出：=-0.00397=0.0171=0.1071==0.1279则该点的正序输入阻抗：==0.235负序输入阻抗：=0.235②求出该点的零序输入阻抗：由于d3母线侧采用的是三角形接线线路中不存在零序电流，所以d3点不存在零序输入阻抗等值电路图，也无需求出零序输入阻抗。2.3短路电流详细计算(1)当d1点发生短路时：①两相接地短路：=0.1583正序电流：=6.316零序电流：3.915d1点直流短路保护电流的有名功率值为标幺电位数值与该点基准电位数值的功率乘积;求出d1点电流基准值是：=0.502kA有名===6.316×0.502=3.1706kA有名===3.915×0.502=1.6021kA②单相短路：=0.29974正序电流：3.336零序电流：3.336各短路电流的有名值：有名===3.336×0.502=1.6747kA有名=有名=1.6747kA(2)当d2点发生短路时：①两相接地短路：=0.2886正序电流：=3.465零序电流：2.779d2点的短路电流的有名值为标幺数值与基准数值的乘积;求出d2点的电流基准值为：=1.56kA有名===3.465×1.56=5.4054kA有名===2.779×1.56=4.3352kA②单相短路：=0.5413正序电流：1.847零序电流：1.847各短路电流的有名值：有名===1.847×1.56=2.881kA有名=有名=2.881kA(3)当d3点发生短路时：①两相短路接地：=0.235+0.235正序电流：=2.128kAd3点短路保护电流的有名功率值为标幺电位数值与一个基准电位数值的功率乘积;求出d3点的电流基准值为：=5.499kA有名===2.128×5.499=11.70kA②单相短路：无短路电流。2.4入地短路电流计算结果从这张图中我们可以清楚地看到,当d2点(35kv母线侧)之间发生短路时,两相接地在短路类型下,求得的两个接地之间的短路电流平均值最大。根据式可知,系统的两相短路电流之间为d2点,在发生两相短路接地短路时电流之间的3倍于此,求出该系统的两相短路电流。可以根据公式：=3×4.3352=13.01kA3接地网设计3.1变电站接地分类变电站的接地设计是进行对变电站的防雷设计中最重要的部分。本章主要对110KV变电站的接地网进行设计,求出人工接地电阻并判断是否需要对其进行降租。一般将一个变电站的接地类型划分为三种,即有工作接地,保护性接地与防雷性接地下面就是对这三种接地类型进行介绍:(1)电动机的工作接地就是指在电力系统的各种电气设备中进行工作时所必须的接地;(2)保护接地是指电力系统的电气装置的绝缘材料,使用结构等,为确保可能由于材料因素的损耗而是设备带电进而采用的接地方式来保护工作人员的安全。(3)防雷接地指的是由于防雷器将一个装置射入到地面时所产生的防雷电流。3.2变电站接地设计的必要性接地是防雷技术中最重要的部分。防雷的方式主要是通过避雷装置将不管任何方式的雷电（直击雷，感应雷等）引入地下，从而确保电气设备安全。因为雷电的电流十分巨大，将其通过接地网引入地下也要确保接地网在可承受范围的安全值内，对其是否可以可靠的引导电流入地有十分重大的依赖性。这需要对接地网设计的要合理而可靠，接地装置要将雷电引入地下让其与地球中的不同电荷中和，为了防止系统的电位相差太大而引起的重大安全事件需要重点对接地网加以设计。3.3变电站接地设计原则（1）在进行接地网的选取时，选择变电站原有的材料为接地网，使其与地面相连接。（2）选取自然物体作为接地材料，可在其基础上添加人工材料，在结构中选择闭环型（3）接地网为一个整体，使用单点引雷入地。3.4接地网电阻与其降阻方法接地电阻一般与接地网中的导线的形状、大小、面积和材料因素有关，接地电阻指的是连接接地装置与接地母线导线的电阻。连接接地母线的接地装置的自身电阻与接地电阻一样都是受自身因素影响，根据原始资料已知土壤的电阻率为每米100欧姆，土质条件在原始资料中已经给出，而接地装置与大地表面的电阻与这些因素有关。对于该110KV变电站本次设计预计采用挖地压力接地或爆破接地的两种常见的降阻方式。3.5接地网设计方案该站属于110kv大型低压变电站,占地面积4198.5。加装4根避雷针,设计一个独立的接地器装置,让这4根避雷针被连入到变电站特别设计的接地网中。水平接地体选择采用50×5扁钢,沿整个工位线均按网格分层布置。网格孔的尺寸分别为8000×8000,水平接地体埋深800。竖向接地体选择2500长∠50×50×5角铁桩。角铁桩沿着一个水平的接地体以各个栅格之间的相邻区域进行布置,并且各个接地区域被分别布置成各个栅格都具有一个相邻区域的接地。使用40×4的扁钢作为主接地网连到至主接地网上的接地导向引下线。用1根引下线进行连接的是单柱装置,2根引下线进行双柱装置,相互焊接设备同样使用2根引下线连接。用25×3扁钢连接到变电站中的全部三角铁作为支架,保证扁钢与设计的主接地网至少要有2个接地点。3.6接地网设计的计算3.6.1入地短路电流在第二章中已经求出了最大短路电流，其为d2点发生两相短路接地时短路电流的三倍：13.01kA根据最大短路电流求出变电所的中性点最大接地电流：==12.41kA由以下公式：对与之进行比较=0.3kA=11.17kA大于则电流入和出地的电流短路输出电流的最大输出值:I的电流入和出地=11.17ka。3.6.2接地电阻允许值计算求出接地网接地电阻允许值：=0.179即：0.1793.6.3接触电压和跨步电压允许值求出接触电压与跨步电压，根据公式：接触电压：跨步电压：式中——土壤电阻率；——故障切除时间；=0.2s代入土壤电阻率和故障切除时间求出：==427.1V==545.6V3.6.4人工接地接地电阻（水平复合接地网）根据设计规范，取该接地网的参数如下：(1)水平复合接地网：50×5扁钢（主边缘闭合）(2)接地网面积：=4198.5m2；(3)在水平面范围可接地的长度L设置为1167.3米(4)向下深入地面挖深2.5米，总安置81根在垂直面上作为地极(5)设置于地的接地地极总长设置为1339.3米(6)水平角度的接地地极应向下深埋:0.8米； (7)水平接地极:d=0.025m；(8)所设置接地网络的最大长度设置为258米；0.9463等值方形接地网的接地电阻：人工接地接地电阻：0.6963.6.5接地网表面最大接触电位差(3-6)(3-7)式中为最大接触电势差；为最大接触电势差系数；——接地装置的电势；==1.201（接地网使用方孔布置）n=10.017=0.1535=0.9842===0.18143.6.6接地网外部的电位土壤与外接地面在表面上的最大最小跨步间的电位差最大跨步电势差：(3-8)式中——最大跨步电势差；——最大跨步电势差系数；式中——跨步距离；由上式可得：=0.0722Ug；3.6.7从贴地接触驱动电阻相位差与接地跨步驱动电阻相位差的正反比中推出了对接地驱动电阻的基本要求和差值根据上文中求出的接触电压与跨步电压：=427.1V=545.6V(1)可以求出电阻要求值：(2)再求出电压要求值：=545.6/0.0722=7556.8V=7556.8/11170=0.677(3)若考虑绝缘地面：ρ=5000则：=(174+0.17×5000)/=2289.7V =2289.7/(0.1814×11170)=1.133.6.8接地网计算结论 根据本章的计算内容，所设计防雷系统的变电站的接地电阻应小于或等于1.13欧姆（），而根据计算求出的人工接地电阻为0.696欧姆（），因此人工接地电阻满足所设计接地网的要求，所以所设计的人工接地装置不需要再降低其电阻。4变电站的防雷设计要是变电站遭受了雷电的危害,变压器有可能会发生故障不能完成变压操作,从而对电力系统造成巨大的打击,无法确保用户获得电能,使国民经济损失严重。本章即使对前面所述内容进行总结,为110kv交流变电站做好了防雷系统的规划,稳固了变电站的工作状态,使其能够有效地避免受到雷击。本章内容是对前面内容的总结,根据计算结果来确定所设计的避雷系统是否可靠。4.1防雷保护装置4.1.1防雷保护装置概述根据变电站的情况与设计任务的要求，选取最基本的防雷设备避雷针，采用氧化锌避雷器作为防雷装置（本设计不考虑防雷线）。4.1.2避雷针的保护范围四支等高避雷针的保护范围变电站电气平面布置图110kV出线断面图35kV出线断面图根据已知信息：由原始资料与变电站平面图为该110KV变电站加装4根避雷针分别位于图中的标记处。在110KV变电站110kV侧的东西两部分别加装两根等高的25米的避雷针3号和4号,并为它们分别铺设半径为4米的圆形接地网，接地电阻不能超过5欧姆。1号避雷针与2号避雷针的安装如变电站电气平面图中，这两根避雷针的可以使整个变电站应对直击雷的危害，使其距离墙面1米，为其安置良好的独立接地网，且要确保就离主接线网的距离要大于3米。根据不同的设备选择不同的引下线连接,相互焊接设备同样使用2根引下线连接。用25×3扁钢连接到变电站中全部的角铁作为支架,保证变电站的扁钢和设计中的主接地网必须有2个相同的接地。由出线断面图可知110KV设备端需要保护的高度为10米，35KV设备端需要保护的高度为7.3米。(1)分别计算每根避雷针的保护范围：①设高度为可得：避雷针：1号、2号确保110kV设备安全，；避雷针：3号、4号确保35kV设备安全，。②设半径：1号、2号、3号、4号全部避雷针的等高度为h,h=25米全部避雷满足高度大于两倍需要保护范围的情况,使用下列公式可以计算其内部受到高度保护的避雷半径,式中为高度对每号避雷针的保护影响程度系数,高度小于30取=1机行计算。避雷针1号、2号：=避雷针3号、4号：=(2)求取4根避雷针的互相保护范围：使用公式：公式中是2根避雷针之间的距离单位为米；——是2根避雷针之间边缘最低高度单位米;两等高的避雷针之间的保护区域范围一侧最低宽度和的关系根据公式求出，比较度与大小，选择图中的比值关系，由求出的值，最后求出。两针间的保护范围：避雷针号、2号：==19.8m＞10m==2.413=0.9=13.5m避雷针3号、4号：==16.4m＞7.3m==3.401=0.85=15.0m避雷针2号、4号：==16.0m＞10m==4.313=0.6=9m避雷针1号、3号：==16.4m＞10m==4.02=0.62=9.3m3根避雷针互相关联保护：分别将两根避雷针的关联保护范围求出在与第三根避雷器关联避雷针#2、#3：==14.6m＞10m==4.28=0.7=10.5避雷针#1、#4：==13.3m＞10m==5.46=0.45=6.75m4.2保护范围计算结果将以上的计算结果进行整理，4根避雷针的高度相等为h=25米，由于3号避雷针与4号避雷针位于110KV侧其高度为7.3米，因此3号与4号避雷针的关联保护的高度只为7.3米，其它避雷针相互关联的保护高度都为10米。1号、2号关联，两根避雷针的距离为D=36.2米，最小保护宽度=13.5m1号、3号关联，两根避雷针的距离为D=60.3米，最小保护宽度=9.3m1号、4号关联，两根避雷针的距离为D=81.9米，最小保护宽度=6.75m2号、3号关联，两根避雷针的距离为D=72.6米，最小保护宽度=10.5m2号、4号关联，两根避雷针的距离为D=63.2米，最小保护宽度=9m3号、4号关联，两根避雷针的距离为D=60.2米，最小保护宽度=15m根据以上的计算结果可知：最小保护宽度全部大于0，并且避雷针的高度h要大于需要保护的高度,因此，所设计安装的避雷系统的保护范围符合设计的要求，保护了整个110KV变电站。4.3避雷器的配置本次设计选用的氧化锌避雷器最为主要避雷装置,要根据加装在变电站处的额定工作电压,最大可以持续地运行的有效值,操作冲击,雷电冲击,陡坡式式冲击,接线方式等因素来选择氧化锌避雷器的类型。避雷器的设置存在安全距离,可以根据进线数来确定也与变电站所处的季节与雷电有关。4.4避雷器的选择由于三处移动变电站的三处移动交流侧额定电压输出输入电压各不相同,其中110kv侧的额定交流输出输入电压的有效电阻值为100kv,35kv侧的额定交流输出输入电压的有效电阻值分别为51kv,10KV侧的额定电压为16.5KV,因此需要安置不同型号的避雷器,根据实际情况选择氧化锌避雷器作为避雷装置。以下为在不同电压侧加装的氧化锌避雷器参数:在110KV侧：加装Y10W-100/260型最大持续运行电压有效值（KV):78操作冲击（30~100μs)10KA残压（KV)：221雷电冲击（8/20μs）10KA残压（KV）：260陡坡冲击（1μs)10KA残压（KV）：291在35KV侧：加装HY5WZ-51/134型最大持续运行电压有效值（KV):40.8操作冲击（30~100μs)10KA残压（KV)：114雷电冲击（8/20μs）10KA残压（KV）：134陡坡冲击（1μs)10KA残压（KV）：154在10KV侧：加装HY5W-16.5/45型最大持续运行电压有效值（KV):13.6操作冲击（30~100μs)10KA残压（KV)：45雷电冲击（8/20μs）10KA残压（KV）：56.8陡坡冲击（1μs)10KA残压（KV）：38.3参考文献[1]水利电力部西北电力设计院.电力工程电力设计手册水利电力出版社，1987.