变电站防雷保护与防雷范围计算2017.6.22

1、变电站防雷保护与防雷范围计算二0七年六月变电站防雷保护与防雷范围计算雷电知识简述变电站防雷措施避雷针保护范围计算（滚球法）接地体及接地网晋煤供电第晋煤供电第一章雷电知识简述雷电的实质是一种气体放电现象，叫做大气过电压。雷电的实质是云团在大气中上下翻滚不断的摩擦碰撞而使某些云团带正电荷，而某些云团带负电荷,当两个云团接近到一定距离时，击穿大气互相放电的过程，这就是人们在天空经常看到的雷电，当带电云团接近大地附近的比较高的建筑物或者物体时，会在建筑物或比较高的物体中感应出相反的电荷，会产生雷云对大地的放电，即我们经常说的雷击现象，遭受雷击时，会产生很大的雷电流和雷电压，对于建筑物及设备甚至人身都会

2、产生极大的威胁。通常建筑物遭受雷击都是下形雷造成的，下形雷主要是指雷电由雷云向地面建筑物行进的，反之称为上形雷，比较少见。雷电的种类通常有三类，比较常见的是线形雷。片形雷比较少见，另外有时候还能看到球形雷。雷电通常有直击雷.感应雷和雷电侵入波三种形式。直击雷带电荷的雷云电压可以达到几亿伏特，当雷云接近地面并对地面物体放电时，就是我们常说的雷击，这种情况会发生激烈放电，并伴随着闪电和雷鸣称为直击雷，雷电的放电过程通常分为先导放电.主放电和余光三个阶段。感应雷也叫作感应过电压或雷电过电压，一般有静电感应和电磁感应两种。静电感应的产生是由于雷云接近地面建筑物，在建筑物顶端感应出大量异性电荷，而雷云并

3、没有对建筑物放电，当雷云对其它物体或雷云放电时，建筑物中的电荷会失去束缚，而沿着建筑物传播，这就形成了静电感应。电磁感应是因为雷电流会在周围产生强烈变化的电磁场，而变化的电磁场会使周围的导体产生很高的感应电压。雷电侵入波指的是雷击过程中,产生的冲击波沿着高压输电线路传播；探危害雷击的破坏主要包括电作用的破坏、机械作用的破坏和热作用的破坏三个方面。电隹用鱼破坯主要有产生几百万伏的冲击电压能损坏电气设备的绝缘，造成大面积停电甚至设备的报废，高电压损坏绝缘的同时，产生电火花或者爆炸事故的发生，另外，巨大的雷电流可能引发周围产生强电场，可能导致触电伤亡事故的发生。机械作用主要是雷电流通过被击物时，产生

4、大量的热量，使气体气化膨胀可能导致爆炸，另外，由于电动力的产生，也可能损坏电气设备。热作用的破坏主要是雷电流通过导体,产生的大量的热量可能引发火灾，如果接触到易燃易爆物，则可能发生爆炸。雷电的放电过程基本上可以分为三个阶段，即先导放电.主放电和余光三个阶段。雷电放电原理雷电放电的雷电流波形晋煤供电晋煤供电第二章变电站防雷措施通过前面对雷电知识的简单介绍，大家都知道雷电的危害极大。对于电力系统中的变电站而言，站内电气设备正常运行时，设备的绝缘水平都处于正常的工作电压之下，设备的绝缘不会遭到损坏，但是当雷电发生时，雷电过电压和雷电过电流会侵入电力设备，使电力设备的绝缘遭到破坏，超过了电气设备正常的

5、绝缘水平，雷电直接击中电气设备，会产生巨大的雷电流和雷电压，当通过设备时，会产生电作用和热作用甚至机械作用的破坏。另外雷云在空中漂浮时，会在架空线路上感应出相反的电荷，当雷云离开时或者雷云对地建筑物放电时，架空线路中的感应电荷失去束缚，会沿着输电线路传播进入变电站，这就是我们说的感应过电压也就是感应雷。都会造成变电站电气设备的损害。所以对变电站的雷电防护尤其重要。第二章变电站防雷措施变电站的防雷措施主要分为外部防护和内部防护。外部防护即把雷电通过接闪器接收，通过引下线导入大地把雷电流泄露到大地中。第二是阻塞防护，即阻塞沿着输电线路或信号线侵入的过电压，此种防护不仅用于雷电过电压防护也适用于内部

6、过电压防护。第三，限制被保护设备上的过电压幅值，主要由避雷器实现。避雷针.避雷网和避雷带及其引下线和接地体构成了外部防雷系统，主要是对建筑物实施防雷保护的。内部防雷则是防止内部过电压对电力设备的危窖,是外部防雷系统无法满足对于内部过电压的危害，为了防止内部过电压的危害，需要对电缆及保护设备进行等电位连接。因为雷电引起损害的原因也是有巨大电位差的存在，对于防雷的等电位连接，需要对进出线电缆，信号线，金属管道等都需要与避雷器进行等电位连接，首先进行局部等电位连接，最后还要进行主等电位连接。第二章变电站防雷措施具体防护措施：因为对于下形雷来说，雷电直接击打变电所电气设备上，或者架空线路上的感应过电压

7、都会以雷电波的形式侵入变电所，所以如何对直击雷和雷电侵入波的防护称为变电站防雷的关键点。直击雷的防护，主要釆用的措施是避雷针，避雷针把雷电引向自身，并把雷电流泄漏到大地中，整个变电站的建筑物和整个电力设备的全部必须在避雷针的保护范围内，对于避雷针的保护范围，在下章会做整体介绍。雷电侵入波的防护，主要是在进线上加装避雷器。第三章避雷针保护范围计算变电站防雷装置种类繁多，但是常用的防雷装置主要有避雷针、避雷线.避雷网.避雷带以及避雷器比较常见。避雷针主要是对整个变电站的建筑物实施防雷。避雷线主要是对高压输电线路以及进出变电站的线路实施防雷保护。避雷网和避雷带也同样是对建筑物防雷。避雷器主要对电力设

8、备实施防雷保护的O无论哪种防雷装置，总体上都是由三大部分组成分别称为接闪器、引下线和接地装置三部分。接闪器主要是接受雷击的部件，一般突出于建筑物或建筑物的金属屋顶梆可做接闪器，主要是把雷电引向自身，通过自身放电保护周围建筑物的，例如避雷针.避雷线、避雷网和避雷带突出上面的部分都称为接闪器。引下线主要作用是通过雷电流，保证雷电流通过时不至于融化引下线，一般用直径不小于10mm的圆钢或截面不小于80mm2的扁钢制成。接地装置指的是埋在地下的部分，防雷装置的接地装置与一般的接地装置基本相同，所不同的是防雷装置的接地体更大。避雷针避雷针也称为引雷针，主要是把雷电引向自身，通过自身放电保护建筑物,避雷针

9、高于被保护建筑物，避雷针保护建筑物的大体范围如下图所示。一般称避雷针的保护范围为伞状保护，避雷针在雷云的作用下，其顶端电场强度最大,所以吸引雷电流过来通过避雷针放电，之后通过引下线和接地体把雷电流泄入大地，保护建筑物安全。避雷针图常见接闪器外形图避雷针一般用镀锌钢管制成，避雷针的直径不得小于下列数值：针长lm以下圆钢12mm，钢管20mm针长l-2m16mm,钢管25mm探避雷针的保护范围计算避雷针的保护范围的计算方法，国际电工委员会IEC推荐使用滚球法来确定，也可以使用折线法来确定，对于同一类型的避雷针，采用滚球法的精确度要高于折线法。GB50057-2016规定采用滚球法来确定接闪器的保护

10、范围。雷电的放电过程比较复杂，收到很多因素的影响，所以绝对保证不受雷击是不现实的。在保护范围内，尽可能的保护被保护物不会遭受雷击，我国的保护概率是按照99.9%确定的，这个雷击概率是完全可以接受的。雷云:建筑物：雷云:建筑物：避雷针的保护范围计算滚球法:假想有一个以雷击距为半径的假想球体从天空而降，沿随机路径逼近地面或地面上物体，球体最先触及的且处于地电位的点，是最可能的雷击点。晋煤供电晋煤供电避雷针的保护范围计算（滚球法）当雷云的下行先导向地面上被保护物体发展时，处在高处的接闪器率先将先导引向自身，使雷击发生在接闪器上，让强大的雷电流经引下线和接地装置泄入大地，从而使被保护物体免遭直接雷击。

11、因此，常规接闪器一一避雷针的真正功能不是避雷，而是引雷,靠靛自我牺牲,来换取其下面的物体得到保护。定义滚球法：是指以某一定半径hr的球体，沿需要防直击雷的部位滚动,当球体只触及接闪器（包括被利用作为接闪器的金属物），或只触及接闪器和地面（包括与大地接触并能承受雷击的金属物），而不触及需要保护的部位，则该部分就得到接闪器的保护。图中阴影部分为该接闪器的保护范围。滚球法特点以雷击距为基础，将滚球半径与雷电流幅值联系起来，其保护范围能反映与雷电流幅值的相关性。建筑物防雷设计规范GB50057-2016中取雷击距经验公式为:hr=10Im-65Im=（hr/10）154Im:雷电流幅值（kA）hr:滚

12、球半径（吸引半径）（m）强雷（雷电流幅值较大）对应的滚球半径大;弱雷（雷电流幅值较小）对应的滚球半径小。典型值：30m5.4kA;45m10.lkA;60m15.8kAh；接闪器建筑物同样的接闪器，选择不同的滚球半径，确定的保护范围是不同的；滚球半径越小，确定的保护范围就越小:也就是说弱雷（雷电流幅值较小）时.保护范围较小。幅值较小的雷电流可能穿越较大滚球半径对应的保护范围，击中被保护物体。晋煤供电晋煤供电避雷针的保护范围计算(滚球法)滚球半径的选择根据廷筑物的防雷类别，选择合适的滚球半径，确定接闪器的保护范围，设计建筑物的直击雷防护系统。建筑物防雷设计规范GB50057-2016中规定：建筑

13、物防雷类别滚球半径(m)一类30二类45三类60拦截雷电流(kA)拦截效率25.490%M10.180%215.870%避雷针的保护范围计算（滚球法）滚球法的应用1.确定接闪器的保护范围2设计直击雷防护装置以下针对1.单支避雷针2双支避雷针（等高的）晋煤供电晋煤供电单针的保护范围计算单针保护范的立体图，为一对称的圆弧曲面锥体根据滚球法定义，通过作图法确定单支避雷针的保护范围，分两种情形:1避雷针的高度hVh2.避雷针的高度hhh1dh二h4V4/高建巩物r1Tfhhr时，在避雷针上截取高度为山的一点，代替避雷针针尖为圆心，其他步骤同hhf时，避雷针保护范围不随针高再增大2)在h-S部分，将会出

14、现侧向暴露区，在避雷针的该部分上将会避雷针遭受侧面雷击。避雷针地面h-hr晋煤供电晋煤供电双针的保护范围计算D各按单针设计roD各按单针设计ro夸离双针分析条件：h2r0,两圆不交，各按单针设计D=Jh（2h_.h）丁九（21忙）共有四个变量：h,hr,hx，rx,已知三个，可求另一个,求避雷针高度h,因此必须已知h”hx，rxo分析：滚球半径片已知，hx（被保护物体的高度）已知，rxh“上的保护半径）未知般，（避雷针在2.几何图解法确定c步骤如下:(1)做避雷针A.B的垂直平分线CDGG在垂直平分线上找到一点G,使GH=n=Jhx(2hrhJ,H是CD线上建筑物边上的点o以G为圆心，以GH长

15、为半径做弧S连接AG,BG,与弧S相交于E.F点以A.B为圆心，以AE.BF为半径作圆，即为所求q圆AE=BF=rx(6)用勾股定理求出,或者量出长度,按比例计算(比例图)将代入公式心=丿2（2丸_/2）=斤+/；,（门已知）求解一元二次方程得出h=hr土jh；（l；+q）2因为，讨论的hhr的情形F-Jh；（rx+rj即为避雷针高度晋煤供电晋煤供电第四章接地体及接地网变电站的接地主要是为了安全考虑而设计的,接地的合理性决定了人身和电气设备的安全，接地系统中主要包含两部分，分别称为接地体和接地线，接地体是指直接埋入土壤中的部分，而接地线指的是连接接地体和设备的部分。如下图所示，接地系统中包括接

16、地干线和支线。把多个接地体组成的接地系统称为接地网O接地网示意称为接地网O接地网示意第四章接地体及接地网变电站接地的分类变电站接地比较常见的有三种分别为:工作接地保护接地探防雷接地第四章接地体及接地网工作接地三相电力系统的连接方式有星形连接和三角形连接，当电源如果采用星形连接的时候，会有一个中性点的存在，中性点可以引出接地，也可以不接地。是要根据电力系统运行的需要设置的，如果是要求接地的，根据电力系统电压等级的要求，接地电阻一般在0.5-10Q范围内，如果超出此范围，势必彩响系统的妥全性。保护接地把电气设备裸露的金属外壳通过接地线接入接地体，主要是为了人身安全而设置的，它在设备外壳故障时才发挥

17、作用，正常运行时是对系统没有影响的。防雷接地为了泄放雷电流而设置的接地体，防雷接地电阻值也不能过高，防止泄放雷电流的时候地电位的升高。第四章接地体及接地网变电站接地网的敷设要求:接地体和接地线构成了变电站的接地网，对于接地体而言，主要包括两种，宜然接地体和人工接地体。当自然接地体满足接地电阻的阻值要求和热稳定要求时，可以不专门装设人工接地体，自然接地体的好处是比人工接地体投资小很多，一般来说,建筑物埋设与地下的钢筋结构，埋设在地下的金属水管、井管等等，但是不能是输送可燃性或爆炸性的管道，当自然接地体不满足要求时，必须装设人工接地体。接地体内部的连接需要进行焊接以保证连接的可靠性。人工接地体一般

18、采用圆钢或角钢，不能埋设在垃圾处或有腐蚀性场所的地方，如果不得不这样做，需要采用换土的方法来进行处理。同理接地线也分为人工接地线和自然接地线两种，选择的方法与接地体的选择类似。笫四章接地网与接地体接地装置的埋设常见的有两种，垂直埋设的接地体和水平埋设的接地体。如下图所示。20.6m接地引卜线20.6m/TT，/丿TV2.5m520m(a)ip4按地休水平接地体接地体埋设方法第四章接地网与接地体一.水平接地网的设计GB/T50065-2011中规定变电站水平接地网应符合下列要求:K水平接地网应利用直接埋入地中或水中的自然接地极，变电站接地网除应利用自然接地极外，还应敷设人工接地极。2、当利用自然

19、接地极和引外接地装置时，应采用不少于2根导线在不同地点与水平接地网相连接O变电站的接地网，应与llOkV及以上架空线路的地线直接相连，并应有便于分开的连接点。6kV-66kV架空线路的地线不得直接和变电站配电装置架构相连。变电站接地网应在地下与架空线路地线的接地装置相连接，连接线埋在地中的长度不应小于15m。第四章接地网与接地体变电站接地网除应利用自然接地极外，应敷设以水平接地极为主的人工接地网，并应符合下列要求:1、人工接地网的外缘应闭合，外缘各角应做成圆弧形，圆弧的半径不宜小于均压带间距的1/2,接地网内应敷设水平均压带，接地网的埋设深度不宜小于0.8m。2.接地网均压带可采用等间距或不等

20、间距布置。35kV及以上变电站接地网边缘经常有人出入的走道处，应铺设沥青路铺设沥青、绝缘水泥或鹅卵石。4、6kV和10kV变电站和配电站，当采用建筑物的基础作接地极，且接地电阻满足规定值时，可不另设人工接地。第四章接地网与接地体人工接地极：水平敷设时可采用圆钢、扁钢;垂直敷设时可采用角钢或钢管。腐蚀较重地区采用铜或铜覆钢材时，水平敷设的人工接地极可采用圆铜、扁铜、铜绞线、铜覆钢绞线、铜覆圆钢或铜覆扁钢;垂直敷设的人工接地极可采用圆铜或铜覆圆钢等。在接地导体俄）引进建筑物的人口处应设置标志。明敷的接地导体（线）表面应涂15mm-100mm宽度相等的绿色和黄色相间的条纹。笫四章接地网与接地体变电站

21、电气装置中电气装置接地导体（线）的连接，应符合下列要求：1）采用铜或铜覆钢材的接地导体（线）应采用放热焊接方式连接。钢接地导体（线）使用搭接焊接方式时，其搭接长度应为扁钢宽度的2倍或圆钢直径的6倍。2）当利用钢管作接地导体俄）时，钢管连接处应保证有可靠的电气连接。当利用穿线的钢管作接地导体（线）时，引向电气装置的钢管与电气装置之间，应有可靠的电气连接。3）接地导体（线）与管道等伸长接地极的连接处宜焊接。连接地点应选在近处,在管道困检修而可能断开时，接地装置的接地电阻应符合本规范的要求。管道上表计和阀门等处，均应装设跨接线。笫四章接地网与接地体4）采用铜或铜覆钢材的接地导体（线）与接地极的连接，应采用放热焊接;接地导体（线）与电气装置的连接，可采用螺栓连接或焊接。螺栓连接时的允许温度为250。Co连接处接地导体（线）应适当加大截面，且应设置防松螺帽或防松垫。5）电气装置每个接地部分应以单独的接地导体（线）与接地母线相连接，严禁在一个接地导体（线）中串接几个需要接地的部分。6）接地导体（线）与接地极的连接，接地导体（线）与接地极均为铜（包含铜覆钢材）或其中一个为铜时，应