电力系统防雷及接地研讨

1、 电力系统防雷及 接地研讨 广西地凯防雷工程有限公司 王 东 生 雷电是什么 雷电是伴有闪电和雷鸣的一种雄伟壮观而又有点令人生畏的放电现象。雷电一般产生于对流发展旺盛的积雨云中，因此常伴有强烈的阵风和暴雨，有时还伴有冰雹和龙卷,云的上部常有冰晶。冰晶的凇附，水滴的破碎以及空气对流等过程，使云中产生电荷。云中电荷的分布较复杂，但总体而言，云的上部以正电荷为主，下部以负电荷为主。因此，云的上、下部之间形成一个电位差。当电位差达到一定程度后，就会产生放电，这就是我们常见的闪电现象。闪电的的平均电流是3万安培，最大电流可达30万安培。闪电的电压很高，约为1亿至10亿伏特。带有电荷的雷云与地面的突起物接

2、近时，它们之间就发生激烈的放电。放电过程中，由于闪道中温度骤增，使空气体积急剧膨胀，从而产生冲击波，导致强烈的雷鸣。在雷电放电地点会出现强烈的闪光和爆炸的轰鸣声。 闪电的温度，从摄氏一万七千度至二万八千度不等，闪电距离近，听到的就是尖锐的爆裂声；如果距离远，听到的则是隆隆声。你在看见闪电之后可以开动秒表，听到雷声后即把它按停，然后以3来除所得的秒数，即可大致知道闪电离你有几千米。枝状闪电的通道如被风吹向两边，以致看来有几条平行的闪电时，则称为带状闪电。 闪电的两枝如果看来同时到达地面，则称为叉状闪电。 闪电在云中阴阳电荷之间闪烁，而使全地区的天空一片光亮时，那便称为片状闪电。未达到地面的闪电，

3、也就是同一云层之中或两个云层之间的闪电，称为云间闪电。 曲折开叉的普通闪电称为枝状闪电。雷电的感应 静电感应 电磁感应雷云电荷对地面的感应雷云对输电线路的感应静电感应对输电线路影响雷云电荷除了对架空避雷线感应产生异性电荷外，还会对下方的输电线路产生感应- - - - - - - - - - - - - - - - -+ + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + 静电感应对输电线路影响架空避雷线上的电荷，还会对下方的输电线路产生感应- - - - - - - - - - - - - - - - -+ + +

4、 + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + 静电感应电荷的流动100kA50kA50kA50kA避雷接闪雷电后的 雷电流分布100kA50kA50kA50kA避雷线接闪雷电后 的电位分布接地电阻10铁塔电位抬升500kV至1000kV100kA50kA50kA50kA避雷线接闪雷电后 的电位分布接地电阻10铁塔电位抬升500kV至1000kV100kA50kA避雷线接闪雷电后 避雷线电位分布避雷线的分布电感和分布电阻使得雷电在流过避雷线时会产生与输电线路间的电压差:避雷线长X100X100(V)接地电阻10电磁感应（雷电电磁脉冲）I=1

5、00kAR=1U=I*R=100kV防雷地建筑物设备设备I=100kAR=1U=I*R=100kV电源线信号线计算机设备地防雷地建筑物设备I=100kAR=1U=I*R=100kV电源线信号线计算机设备地防雷地建筑物I=100kAR=1U=I*R=100kV电源线信号线计算机设备地防雷地建筑物设备设备R=1i=100kAU=100kV3m3m设备接地与防雷接地分开设备i=100kAU=100kVU=0V220V信号线设备接地与防雷接地分开的电位i=100kAU=100kVU=0V220V设备设备与防雷接地分开人身不安全i=100kAU=100kVU=0V220V设备设备与防雷接地分开设备损坏设

6、备i=100kAU=100kVU=100kV220V设备采用共用接地方式i=100kAU=100kVU=100kV220V设备设备采用共用接地方式设备i=100kAU=100kV220V连接SPD的等电位防雷效果直击雷、静电感和电磁感应都会使雷电沿高压输电线路引入用户端高压输电线路雷电引入配电柜L1L2L3接地线10kAR=410kAU=40kV雷电进入变压器前端配电柜L1L2L3接地线10kAR=410kAU=40kV雷电进入变压器前端配电柜L1L2L3接地线SPDU=40kVU=40kVR=410kA10kA雷电进入变压器前端配电柜L1L2L3接地线SPD设备接地线信号线U=40kV雷电进

7、入变压器后雷电流流向分配建筑物内有电源线(三芯)和服务牲管线,设雷电流I=100kA,雷电流50%入地,进入电源线的雷电流:I线=100/2/2/3=8.3kA雷电流流向分配 KA It us1035010/350S模拟直接雷击流波0.1Imax0.5Imax0.9ImaxImax直接雷击模拟波 KA It us8208/20S模拟感应雷电流波0.1Imax0.5Imax0.9ImaxImax雷击过电压是高达几千甚至上万伏，微秒级的电脉冲。感应雷击模拟波it20 S8 S10 S350 S从能量守恒定律得:i82 * R * t8 = i102 * R * t10Ri10/350S与8/20S

8、的关系i对两个电流波进行积分得: 0 i82(t) * R * dt = 0 i102(t) * R * dt解得: i8 = 5.6 i10, 取值:i8 = 6 i10Rt20 S8 S10 S350 Si电源线路浪涌保护器标称放电电流参数值保护分级LPZ0区与LPZl区交界处LPZl与LPZ2、LPZ2与LVZ3区交界处 直流电源标称 放电电流(kA)第一级标称放电电流*(kA)第二级标称放电电流(kA)第三级标称放电电流(kA)第四级标称放电电流(kA)8/20s10/350/s8/20s8/20s8/20s8/20sA级20804020lO lOB级15604020 直流配电系统中根

9、据线路长度和工作电压选用标称放电电流l0kA适配的SPDC级12.55020D级l2.55010 注：SPD的外封装材料应为阻燃型材料。 *第一级防护使用两种波形的说明见条文说明。假设：设备与设备和配电柜的接地线是独立分开设备A（机房）设备B(现场)信号线电源线电源线信号线设备A设备B电源线电源线PE-APE-BL1L2L3N配电柜PE电源线电源线信号线设备A设备BPE-APE-Bi=5kAii地面雷电损坏设备的路径电源线电源线信号线设备A设备BPE-APE-Bi=5kA地面i=5kASPDR=1SPD与设备接地电源线电源线信号线设备A设备BPE-APE-Bi=5kA地面i=5kASPDR=1

10、雷电损坏设备的两大参数1.过电流 2.过电压电源线电源线信号线设备A设备BPE-APE-Bi=5kA地面i=5kASPDR=1U=5kVU=5kVU=0VU=5kVSPD与设备接地分开的防雷效果电源线信号线设备A设备BPE-APE-Bi=5kA地面i=5kASPDR=1U=5kVU=VU=5kV设备电源耐压:15002500V设备电源耐压电源线信号线设备A设备BPE-APE-Bi=5kA地面i=5kASPDR=1U=5kVU=V设备电源耐压:15002500VU=5kVSPD与设备接地连接的防雷效果电源线信号线设备A设备BPE-APE-Bi=5kA地面i=5kASPDR=1U=5kVU=5kV

11、U=5kV信号耐压:100V,200VSPD等电位连接的防雷效果电源线信号线设备A设备BPE-APE-Bi=5kA地面i=5kASPDR=1U=5kVU=5kVU=5kV信号耐压:100V,200VSPD等电位连接的防雷效果电源线信号线设备A设备BPE-APE-Bi=5kA地面i=5kASPDR=1U=5kVU=5kV 信号耐压:100V,200VSPD连接信号SPD的防雷效果电源线设备A设备BPE-APE-Bi=5kA地面i=5kASPDR=1U=5kVU=5kVSPDU=5kVU=5kV连接信号SPD的防雷效果it10 S350 S设,铜导线长1m, 截面积10mm2, 电感L=1H, 电

12、阻R=1/1000, 雷电流i=1kA, 导线两端残压U1mi=1kAUU =didt* L + i * R=10310*10-6* 1*10-6 + 103*10-3 = 100+1 = 100 V导线的残压2m SPD1000Vi=10kA2000V3000V设备防雷工程设计定律1m长导线 流过1kA雷电流 产生100V残压电源线设备A设备BPE-APE-Bi=5kA地面i=5kASPDR=1SPD2m2000V1500V100V一级SPD的防雷效果电源线设备A设备BPE-APE-Bi=5kA地面i1=kASPDR=11500Vi2=1kA多级SPD的防雷效果：前一级分流的雷电流1800V

13、电源线设备A设备BPE-APE-Bi=5kA地面i1=kASPDR=1i2=1kA1500V1200V多级SPD的防雷效果1800V电源线设备A设备BPE-APE-Bi=5kA地面SPDR=11200Vi4i4=200Ai3串联多级SPD的防雷效果, 安全阀值: 1500V/200A设备Ai=20kASPDR=116kA4kA800A160A串联电源SPD 输入接线路 输出接设备信号SPD设备A设备BPE-APE-BSPDSPD信号电源电源、信号使用示意等电位接地SPD设备a设备b设备c220VABCIG错误的局部串联接地方式3mi=1kA300V正确的接地方式设备a设备b设备cSPDi=1k

14、Ai设备A设备BPE-BSPDSPD信号电源1m1m不正确的接地方式: 信号接地线太长正确的接地汇集方法i设备C1设备C2PE-BSPDSPD信号电源1miiiCRPEi1i2RCRPE RPE: 1*250 mm2i1 i2 RC :2.5mm2大型机房的接地方式 变电站接地网接地整改理由：变电站接地网建设年久，接地装置金属材料 严重腐蚀断裂， 接地电阻升高。目的：保证均压以及跨步电压和接触电势满足设计 和运行要求 。办法：按常规设计要求新增接地网装置。难点：接地装置接地电阻满足设计要求。降低接地电阻方案在高土壤电阻率地区要降低接地电阻，需要很大的接地面积，按接地网接地电阻公式： 变电站的接

15、地面积一定,如L1=100米,L2=80米, 接地面积 S=100*80平方米设土壤接地电阻率=1000mR=0.5*1000/8000=5.6 假设：变电站所在位置的土壤电阻率=1000m， 设计接地电阻R=0.5，则需接地面积S： =*=1000*1000（m2）1000m1000m变电站地网面积 传统方法 扩大面积:根据公式R=0.5* /S，S，R变电站征地面积一定,扩大面积,成本高;原地网扩大地网大扩地网扩大接地网增加地网的埋设深度:如深埋均压网水平接地体，根据公式R=0.5* /S， ，R效果不明显;地网埋深1-3米均压网增加地网的埋设深度 利用自然接地体:变电站均压接地网与控制室

16、建筑基础地网相连，属站内地网，基本没有效果;均压网基础地网利用自然接地体 换土法:将变电站范围内的高土壤电阻率土质换成低土壤电阻率土质，降低，此办法在站内施工，工作量大,成本高，基本没有效果。均压网高土壤电阻率土质低土壤电阻率土质换成低土壤电阻率土质 传统方法 化学处理:如施放降阻剂,腐蚀性大,地网寿命在5年以内,成本高,效果不明显 禁止使用降阻剂的呼声越来越高采用降阻剂处理水平地网效果差： 主要作用降低接触电阻 海勃湾220kV发电厂采用60t降阻剂处理水平地网，接地电阻基本没变 胶南110kV变电站地网动用30万元的降阻剂，基本没效采用降阻剂处理接地地网 传统方法 长垂直接地极： 如：打深

17、井或深孔爆破法，有一定效果，但不一定达到接地电阻设计值，深孔爆破法的效果与地质结构有关，成本较高打深井或深孔爆破法 由于接地网内的土壤电阻率极高，接地电阻很难降下来， 如果采用电阻率较低的材料如降阻剂，将接地网内的所有土壤用降阻剂来替换，并辅助打多口深井，即将接地网等效于一个半球接地体，如下图所示： 半球接地体示意图r为半球接地体的半径 其接地电阻的公式：半球接地体设,变电站土壤电阻率=1000m，设计接地电阻值R=0.5, 需将半球接地体的半径r扩至：r=/(2)=1000/(23.140.5)=318(m)如用打深井放降阻剂，则应打很多个300多米深的井，这样做成本很高,也不是理想的解决办

18、法。 318mr=318m半球接地体的 半径与深井半球接地体的半径与深井 如果能将大于接地半球r的土壤电阻率降下来，接地电阻值R就可以降下来。我们采用向土壤施放电解质的方法来降低土壤电阻率。 降阻方案 DK-AG电解地极，是在铜管内填装无毒化合物晶体，铜管上的呼吸孔吸收土壤的水分，使化合物晶体变为电解质溶液，并向四周流入土壤，在土壤中形成了成片导电率良好的电解质离子土壤，电解质液可向砂质粘土的纵深方向和岩石表面的四周渗透，使原来导电率极差的砂岩地质结构形成了一个良好的电解质导电通道，从而大范围地降低了土壤电阻率。电解地极降阻原理最新技术电解质电解质电解质电解质斜井口外引接地体电解地极降阻原理D

19、K-电解地极 设N为电解地极的数量，由公式： R0为原地网（或地基）的接地电阻； R 为地网设计接地电阻；为土壤电阻率； k为系数 当：200.m，k取3 200500.m，k取4 5001000.m，k取4.5 1000.m，k取5电解地极的数量变电站接地 在地网改造的过程中做了一组比较数据：斜井打完后，先放入505的热镀锌扁钢，灌水后测量接地电阻，后放置DK-AG电解地极灌水后测量接地电阻。见下表：钻井后扁钢与电解地极的效果比较表：钻井编号扁钢接地电阻（）电解地极接地电阻（）扁钢长度（m）电解地极（套）9.51.520099.21.420098.21.03001312.51.7200911

20、.31.620099.11.23001311.21.6200910.91.32009惠州500kV博罗变电站地网改造工程斜井施工现场施工现场施工现场施工现场施工现场地壤电阻率的测量原理 变电站与电力大楼 二次设备防雷技术 雷电入侵楼内设备简单地说有路与场两条途径，其中路是指设备的配电线路、通信线路、接地线路等，场是指雷击电磁场。引下线、附近雷击等引起的楼内电磁场地线通信线配电线地网雷电入侵变电站与电力大楼二次设备途径电源线路：交流电源线路:380V/220V低压配电线路直流电源线路:220V/110V直流配电线路通信线路：通信、控制、采样、语音线路、RS485（RS232等）等数据线、RJ45

21、以态网线、PT、CT、YX、YC等室内线路相互感应：电源线、通信、控制、采样线路等都在电缆层布设，线与线之间可能相互感应变电站与电力大楼二次设备雷电防护原理二次设备感应雷击防护基本原理：接地与等电位，安装SPD，屏蔽，合理布线。使得线路与空间都“干净”。接地与等电位：C、设备就近用10mm2铜线接到接地母排A、采用共用接地方式， 两条主地线， 4*40扁铜（钢）D、SPD就近接到接地母排B、4*40扁铜作接地母排直流屏380V其它设备交流SPD直流SPD或交直流SPD测控等设备信号SPDE信号线电源线其它设备安装SPD屏蔽：一端接地效果差两端接地效果良好套金属管双层屏蔽能屏蔽90%的雷电。合理

22、布线：非屏蔽的室外可能感应到雷电的线路与室内线路分开0.5米以上。非屏蔽的强弱电线路分开0.5米以上。强弱电线路各自套金属线槽屏蔽。 可能感应到雷电的交流电源安装交流SPD,直流电源线应安装直流SPD(或交直流共用SPD)来保护。 变电站线路特别是控制线路非常多，不可能每条都安装SPD保护，应在主要通道上安装SPD来保护。 目前主要参考标准为： GB50057建筑物防雷设计规范 GB50343建筑物电子信息系统防雷技术规范 DL548电力系统通信站防雷运行管理规定二次设备雷电防护原则及相关标准总配电、楼层配电、机房配电、 UPS输出安装电源防雷器直流输出配电根据情况安装电源防雷器微波馈线、栽波

23、通信线安装高频信号防雷器楼内五类线、语音线、2M口线等根据情况安装通信防雷器各机房设置接地母排强弱电线路分开布设，并各自屏蔽，设备外壳良好接地通信中心微波信息中心自动化中心调度中心客服中心配电室380V48VUPS输出载波光纤网线数据线二级交换机交直流配电线防雷方案站用变备份交流屏直流屏通信保护测控主控后台监控UPS48V整流直流母线中控室主要通道信号线防雷方案交流屏直流屏通信保护测控主控后台监控PT、CTM光纤载波等GPSRJ45网线485CAN485语音线等CTPT去调度经布线层等的主要通信线安装SPD。屏内的232等通信线不须安装SPD接地与屏蔽屏蔽措施:机柜接地有良好的屏蔽作用,采用屏蔽电缆.C、设备及需接地的点就近接地排(槽钢)。B、主地线4*40扁铜以上铜或钢(2条以上)A、共用接地方式变电站地网野外电网变压器 防雷接地工程农村电网现状整改方案农村用电变压器防雷示