变电站的防雷设计文档格式.docx
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3.3.1多重屏蔽17
3.3.2地电位均压17
3.3.3浮点电位牵制18
3.4变电所综合防雷措施18
3.4.1避雷针对直击雷的防护18
第4章变电站防雷保护的分类19
4.1雷电过电压的保护19
4.2变电站雷击电流的防护20
4.3变电站对最大冲击电压和残压的防护21
4.4变电站微波机房的接地保护21
4.5变电站配电箱的保护22
4.6变压器中性点接地的配置原则22
4.6.1并联间隙的特性22
462中性点间隙与继电保护23
4.7单相接地时的工频电压24
4.8变电所配电变压器的保护24
4.8.1正反变换过电压25
4.8.2变压器不同接线对正反变换过电压的影响25
4.8.3避雷器安装的具体要求26
4.8.4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计28
5.1城西110KV变电所及环境气象条件28
5.2城西110KV变电所的直击雷防护方案及计算29
5.2.1直击雷防护方案29
5.2.2避雷针的计算及其安装30
5.2.3短路计算33
5.2.4接地电阻的计算41
5.3城西110KV变电所感应雷的防护46
5.3.1变电所进线段保护54
5.3.2变电所内变压器的防雷接地保护56
5.3.3城西110kV变电所馈线段防雷保护58
5.4城西110KV变电所避雷器的选择58
5.4.1进线段母线上避雷器的选择59
5.4.2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！
第1章雷电的特性及危害
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。
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1.5-2km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。
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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。
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20cm左右，最大直径可达
数M以每秒数M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2X10W（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10KV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,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。
进行纵向雷击实验的目的，在于检验设备在纵向过电压下元器件对地的绝缘。
横向雷击实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。
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《规范》推荐采用国际大电网会
议（CIGRE）1980年提出的以下关系式：
N^0.023Td1'
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：
=O.O23Td0.3（1.2）
根据式（1.2），对Td=40的地区，按我国《规范》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=0.015•n•k（l+5h）（b+5h）计算。
其中n为年雷暴日数，K为校正系数金属结构取2。
I、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咼，受雷击概率为每年0.000454次，而加1根30m咼避雷针后，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。
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
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。
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。
通流量大反应时间快
残压相对较高
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。
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1〜2km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3〜10kV配电变压器，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。
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、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规范进行过防雷处理外，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、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。
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