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35KV变电站防雷接地技术合格版本
网络教育学院
本科生毕业论文（设计）
题目：
35KV变电站防雷接地技术
学习中心：
奥
层次：
专科起点本科
专业：
电气工程及其自动化
年级：
学号：
学生：
指导教师：
完成日期：
内容摘要
随着我国的经济的发展，电能作为发展的基本动力，其电力系统的规模也在不断扩大，现代各种电气设备的普遍应用，对接地的要求也越来越高，一旦有雷电波侵入，容易造成二次设备损坏，有的甚至使整个系统瘫痪，造成无可挽回的损失。
而变电所正是电力系统的枢纽，因此它是防雷的重要保护部位。
变电站接地系统的合理设计与应用会直接关系到人身和设备的安全。
本文就以农村某35KV变电站为研究对象，以国家《防雷接地标准》为依据且结合变电站具体情况，对变电站的防雷接地进行保护设计，具有一定代表性。
首先根据变电站的电气主接线图等实际情况，在了解雷电参数、雷电机理以及学习各种防雷装置的基础上，采用设计避雷针并计算验证其保护范围实现对变电站直击雷的防护；对变电站雷电侵入波的防护实现，则通过选择安装避雷器型号和设计变电站进线段的保护接线。
最后在了解接地基本知识后，计算其接地电阻、最大土壤电阻率、垂直接地体根数等，实现对此35KV变电站的接地保护设计。
关键词：
变电站；防雷措施；接地设计；接地电阻
目录
内容摘要I
1绪论1
1.1变电站防雷接地的意义1
1.2本次课题的研究背景2
1.3本次论文的主要工作3
2变电站的防雷保护4
2.1变电站的直击雷保护4
2.2变电站的侵入波保护5
2.3变电站的进线段保护6
3变电站的防雷接地7
3.1接地概述7
3.2接地电阻7
3.3变电站的接地原则10
4变电所防雷接地设计实例11
4.1变电所的规模11
4.2避雷针的设置及防雷保护校验13
4.335KV变电站接地设计18
5结论21
参考文献22
1绪论
1.1变电站防雷接地的意义
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。
离开了电力，要想实现人类社会的物质文明和精神文明是根本不可能的；供不好电力，要实现国家的现代化也是办不到的。
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”。
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21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3000~4000人，损失财产50~100亿元人民币。
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。
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。
电气安全工作是一项综合性的工作[1]，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。
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。
1.2本次课题的研究背景
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，但雷电数据分散性较大，需要长期统计雷电数据。
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[2]，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，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。
变电站的防雷安全形势不容乐观，主要表现在：
一是社会人民防雷安全意识不强,对雷电灾害的危害性认识不够,事不关己的态度旁观此事；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,而许多地方还是采用传统的防雷方式，防雷效果较差。
所以变电站的防雷接地措施必须要高度的重视起来。
1.3本次论文的主要工作
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。
本课题是针对我国农村35KV变电站进行防雷接地保护设计；根据变电站国家防雷接地标准，结合35KV变电站电气接线图以及具体情况，学习利用各种防雷接地装置等，实现对变电站的直击雷防护、雷电侵入波防护以及变电站的接地保护设计，具有一定广泛性。
2变电站的防雷保护
变电站遭受雷击的主要原因[3]：
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。
防雷措施总体概括为2种:
①避免雷电波的进入；
②利用保护装置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。
2.1变电站的直击雷保护
避雷针的装设原则及其接地装置的要求[4]
1、独立避雷针宜设独立的接地装置。
在非高土壤电阻率地区，其工频接地电阻不宜超过10
。
当有困难时，该接地装置可与主接地网连接，使两者的接地电阻都得到降低。
但为了防止经过接地网反击35kV及以下的设备，要求避雷针与主接地网的地下接地点至35kV及以下的设备与主接地网的地下连接点，沿接地体的长度不得小于15m。
经15m长度，一般能将接地体传播的雷电过电压衰减到对35kV及以下的设备不危险的程度。
独立避雷针不应设在人经通行的地方，避雷针及其接地装置与道路或出入口等的距离不宜小于3m，否则应采取均压措施，或铺设砾石或沥青地面。
2、电压110kV及以上的配电装置，一般将避雷针装在配电装置的架构或屋顶上，但在土壤电阻率大于1000
的地区，宜装设独立避雷针。
否则，应通过验算，采取降低接地电阻或加强绝缘等措施，防止造成反击事故。
装在架构上的避雷针应与接地网连接，并应在其附近装设集中接地装置。
装有避雷针的架构上，接地部分与带电部分间的空气中距离不得小于绝缘子串的长度；但在空气污秽地区，如有困难，空气中距离可按非污秽区标准绝缘子串的长度确定。
避雷针与主接地网的地下连接点至变压器接地线与接地网的地下连接点，沿接地体的长度不得小于15m。
在变压器的门型架构上，不应装设避雷针、避雷线。
这是因为门型架构距变压器较近，装设避雷针后，架构的集中接地装置距变压器金属外壳接地点在地中距离很难达到不小于15m的要求。
2.2变电站的侵入波保护
变电站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站的电气设备。
FS系列阀型避雷器，主要用来保护小容量的配电装置。
变电站中限制侵入波的主要设备是避雷器[5]，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。
1.雷电保护措施
变电站配电装置对侵入雷电波的过电压保护是采用氧化锌避雷器及与氧化锌避雷器相配合的进线保护段等保护措施。
110kV及35kV的配电装置电器设备绝缘与氧化锌避雷器以雷电冲击10kA为基准，配合系数取不小于1.4；10kV的配电装置电器设备绝缘与氧化锌避雷器以雷电冲击5kA为基准进行配合。
进线保护段的作用，在于利用其阻抗来限制雷电流幅值和利用其电晕衰耗来降低雷电波陡度，并通过进线段上避雷器的作用，使之不超过绝缘配合所要求的数值。
2.变压器的防雷保护
变压器是变电站最重要的电器设备，但由于其绝缘较为薄弱，因而必须对变压器装设防雷保护。
（1）三绕组变压器正常运行时，有时会出现只有高、中压绕组工作而低压绕组开路的运行情况，这时，万一高、中压绕组有雷电波入侵，由于通过绕组间的静电和电磁耦合，使其低压侧出现过电压而危及变压器的绝缘，因此，必须在低压绕组任一相直接出口处对地加装一个氧化锌避雷器。
（2）对于中性点不接地或经消弧线圈接地的系统，变压器是全绝缘的，由于三相受雷电波入侵的概率很小，而且一般变电站的进线不止一条，当发生雷击时，非雷击进线起到分流作用，因而其中性点一般不需保护；对于中性点接地系统，变压器通常是分级绝缘的，此时需要在中性点上装设氧化锌避雷器或间隙保护。
2.3变电站的进线段保护
变电站因雷电侵入波形成的雷害事故有50%是离变电站1km以内雷击线路引起的[6-7]，约有71%是3km以内雷击线路引起的。
要限制流经避雷器的雷电电流幅值和雷波的波度，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。
应为雷电侵入波沿导线传播时有损耗，具体是雷电压在线路上感应产生的地点离变电站愈远，它流动到变电站时的损耗就愈大，其波陡度和幅值就降得愈低。
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1～2km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。
3变电站的防雷接地
接地装置的设计对于电力系统的安全运行至关重要，变电站接地系统的合理与否是直接关系到人身和设备安全的重要问题。
随着电力系统规模的不断扩大，接地系统的设计越来越复杂。
变电站接地包含工作接地、保护接地、雷电保护接地。
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；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，为防止其危及人身和设备的安全而设的接地；雷电保护接地即为为雷电保护装置向大地泄放雷电流而设的接地。
变电站接地网安全除了对接地阻抗有要求外，还对地网的结构、使用寿命、跨步电位差、接触电位差、转移电位危害等提出了较高的要求。
3.1接地概述
接地就是将电力或建筑电气装置、设施中某些导电部分，经接地线接至接地极。
接地根据工作内容划分为以下几种[8]：
1．工作接地
工作接地是为系统正常工作而设置的接地。
如为了降低电力设备的绝缘水平，在及以上电力系统中采用中性点接地的运行方式，在两线一地的双极高压直流输电中也需将其中性点接地。
除主设备的接地外，在微电子电路中，根据电路性质不同，还有各种不同的工作接地比如直流地、交流地、数字地、模拟地、信号地、功率地、电源地等。
2．防雷接地
为了避免雷电的危害，避雷针、避雷线和避雷器等防雷设备都必须配以相应的接地装置以便将雷电流引入大地。
3．安全接地
为了保证人身的安全，将电气设备外壳设置的接地。
任何接地极都存在着接地电阻，正因为如此，当有电流流过接地体时，在接地电阻上的压降将引起接地极电位的升高电流在地中扩散时，地面会出现电位梯度。
3.2接地电阻
接地电阻就是电流由接地装置流入大地再经大地流向另一接地体或向远处扩散所遇到的电阻[9-10]，它包括接地线和接地体本身的电阻、接地体与大地的电阻之间的接触电阻以及两接地体之间大地的电阻或接地体到无限大远处的大地电阻。
从降低工程造价以及技术与经济性相结合的角度出发，变电站接地电阻设计值为1欧，全所接地网沿水平接地体、垂直接地体敷设降阻剂，必要时可加打垂直接地桩；全所做绝缘高阻地面，以满足接触电位差及跨步电位差的要求。
施加降阻剂后的接地电阻：
在具体施工中施加降阻剂后，有效地扩大接地体与土壤接触面积，施加CFJ-1型降阻剂，按18公斤/米计算，按接地极总长度1563米计算，约需30吨。
根据：
ρ：
平均土壤电阻率560Ω·m。
L：
接地极的总长度水平加垂直L=1563m。
d：
接地极的等效直径0.025m。
h：
接地极的埋深0.8m。
η：
降阻剂的利用率50℅。
R=2.12（Ω）
加打接地深井后的接地电阻：
在站内与复合接地网配合，在四个边的中间打4×40米的深井接地，深井直径200mm，接地极热镀锌钢管Ф=100mm，侧壁钻Ф=15mm的溢流孔。
井内用压力灌装机灌注降阻剂。
根据公式：
ρ：
深40米土壤电阻率估计1200Ω·m。
L：
深井接地极的总长度40m。
d：
深井接地极的等效直径0.20m。
h：
深井接地极的埋深0.8m。
n：
深井数4口。
R=10.994（Ω）。
并接水平地网后，根据：
（k为屏蔽系数，取1.1）
R=1.95（Ω）
外沿接地体后的接地电阻：
在站内四个角加打4口5米深的外沿接地井，后采用钻探配合，探头感应的方法施工，分别向6个方向斜向外沿（其中有两个角同时向二个方向外沿），使原有接地网等效半径增加3—4倍，在变电站内向外延伸的深埋接地极（变电站内采用机械施工，无需站外开挖），每根长度约80米。
接地井均灌注降阻剂，深井降阻剂用量约16吨。
采用钻孔深度5米外延接地网80米、孔径Φ300mm，放置Φ＝100mm无缝镀锌圆管，在钢管内外施放长效降阻剂的理论依据:
ρ:
深层土壤在考虑季节系数后土壤的电阻率取560Ω·m
ρ1:
降阻剂的电阻率0.4Ω·m
d1:
圆柱形的等效直径0.3m
d：
接地体（圆钢管）的直径0.1m
k1、k2:
为接地体和降阻剂的计算系数，从有关列表中查得k1=0.98，k2=1。
L:
接地体埋设在地面下的长度6根×5m/根＝30m，外延6根×80m/根=480m。
合计510m。
深井地网与原变电站地网并接后
根据：
（k为屏蔽系数，取1.1）
R=0.95（Ω）
并接部分模块：
考虑在实际施工中存在不良因素，确保接地电阻达到R≤1.0Ω,并且在20～30年保持稳定性,在水平接地网中并接部分模块，根据经验估算：
选用FMY-1209型模块约150个。
3.3变电站的接地原则
变电站接地网设计时应遵循以下原则[11]：
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. 发电厂、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下列降低接地电阻的措施：
当在发电厂、变电所2000M以内有较低电阻率的土壤时，可敷设引体接地
体；
当地下较深处的有较低电阻率的土壤时，可采用井式或深钻式接地体； 填充电阻率较低的物质和降阻剂； 敷设水下接地网。
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，并尽量利用固定电缆支、吊架用预埋扁铁作为接地干线，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。
6. 应采用统一接地网，用一点接地的方式接地。
4变电所防雷接地设计实例
4.1变电所的规模
此变电站为降压变电站与我国大多数农村变电站相似，建在视野开阔的偏僻地区，附近无高层建筑。
占地面积长为50m,宽为40m。
变电站最高点为20m，且当地平均雷电日为40。
有三种规格的变压，分别为35/10.5KV（主变压器）、35/0.4KV与10.5/0.4KV的形式。
1、此变电站的相关参数为：
表1-135KV变电站相关参数
名称
型号规格
单位
容量（KVA）
数量
变压器
（主）
KVY/Δ-11
台
2500
1
变压器
KVY/Y0-12
台
50
1
变压器
KVY/Y0-12
台
30
1
氧化锌
避雷器
Y5WZ-42/135G
只
3
电压互
感器
JDJ2-3535/0.1KV
只
1
2、变电站电气主接线图
图1-135KV变电站电气接线图
4.2避雷针的设置及防雷保护校验
变电站所处地区土壤电阻率2×102Ω·m，虽然不大于500Ω·m，但由于是35KV电压级的配电装置，故不宜采用构架式避雷针。
1、采用两根等高避雷针进行防护设计
由于此35KV变电站，占地面积长50m，宽40m,变电站的最高点高度为20m,在变电站宽两侧对称位置上距5m处设立两等高避雷针。
如图2-1所示。
图2-1两等高避雷针位置图
具体有：
两针间距D=5+50+5=60m。
设避雷针高度为h，又变电站的最高点为20m，故hx=20m。
（4）在避雷针1或2的一侧按单避雷针来计算
显然有hx且要
m，故
m。
（5）在避雷针1号2号之间，D12=60m,两等高避雷针针在hx=20m高度处的最小保护宽度有
，故有
m；
又
且
所以
m。
综上所述，只用两根等高避雷针实现对变电站的直击雷防护，需要求避雷针高度不小于56m。
由于不宜采用构架式避雷针，只能用两根60m的避雷针按图3-4-1设计联合保护。
其中支架高58m，接闪器选2m长，直径为12～16mm的圆钢，引下线选截面12mm×4mm扁钢。
接闪器和引下线要做防腐处理。
2、采用四根等高避雷针进行防护设计
变电站的最高建筑物是门型框架，高度为20m，35KV与10.5KV母线架高度都为15m,变电装置屋高为8m。
采用四根等高避雷针对变电站进行防护，避雷针1号与2号，3号与4号处于水平位置上，如图2-2所示。
图2-2四等高避雷针的位置图
（1）门型框架两侧，1号和2号针之间，假设选高度为40m的避雷针，即40m,20m。
显然hx=h/2故1号2号单根保护半径rx为：
=（40-20）×0.79
=15.8m
两等高避雷针针联合保护范围D12=60mh0=40-60/（7×0.79）=29.2m
bx=1.5×（29.2-20）=13.8m
（2）35KV侧，3号和4号之间，选用40m高的避雷针即h=40m,hx=15m。
显然hx=（1.5×40-2×15）×0.79
=23.7m
两等高避雷针针联合保护范围D34=60mh0=40-60/（7×0.79）=29.2m
bx=1.5×（29.2-15）=21.3m
（3）35KV与10.5KV同一侧，2号与4号避雷针之间，选用40m高的避雷针即h=40m,hx=15m。
显然hx=（1.5×40-2×15）×0.79
=23.7m
两等高避雷针针联合保护范围D24=36mh0=40-36/（7×0.79）=33.5m
bx=1.5×（33.5-15）=27.8m
（4）35KV与10.5KV对角线一侧，2号和3号针之间,选用40m高的避雷针即h=40m，hx=15m。
显然hx=（1.5×40-2×15）×0.79
=23.7m
两等高避雷针针联合保护范围D24=62mh0=40-62/（7×0.79）=28.8m
bx=1.5×（28.8-15）=20.7m
由以上计算结果可见,这四根针可以将整个变电站站都保护到位。
所以可选四根40m的避雷针按图3-4-2设计联合保护。
其中
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