110kV牵引变电所防雷接地的设计

1、精选优质文档-倾情为你奉上精选优质文档-倾情为你奉上专心-专注-专业专心-专注-专业精选优质文档-倾情为你奉上专心-专注-专业摘 要雷电具有很强的危害性，因此应该重视牵引变电所雷电的防护。本文讲述了雷电、雷电压和雷电流的形成过程,并给出了雷电参数，阐述了防雷装置如避雷针、避雷器的防雷原理以及保护范围，给出了直击雷和感应雷的防护方案，介绍了目前我国牵引变电所防雷接地设计中常用的几种措施，如：合理选择牵引变电所修建的地理位置，架设避雷针、敷设接地网，在进线段装设避雷器，同时对几种防雷措施进行了深入的论述和定量的计算分析。基于常用的防雷接地的设计方法，对平北站110kV牵引变电所进行了详细的防雷接地

2、设计。设计中，结合当地现状，综合考虑了气候、地形、环境等多种因素，给出了较好的防雷接地保护方案。通过对牵引变电所的防雷接地设计，全面剖析了电力系统中如何提高牵引变电所的防雷水平，从而有效地降低牵引变电所的雷击事故，减少雷电对电网安全运行的影响。最后绘制了平北接地网的平面设计图。关键词：牵引变电所；防雷接地；雷电放电；雷电流 AbstractThe lightning has very strong harmfulness, so we should pay attention to drawing the shelter of the lightning of transformer subs

3、tation.This text tells the forming process that the lightning, the lightning voltage and current, provide the lightning parameter. At the same time, it expounds the lighting protecting principles and protecting scopes of lighting protecting devises, such as the lightning rod, the lighting arrester.

4、It provides the shelter scheme of reacting lighting and attacking lighting directly, and has recommended several kinds of the daily method which is during the design of lighting protecting and grounding in the transformer substation at present, for instance: To Choose the geographical position where

5、 to built the transformer substation, erect the lightning rod, lay the earthing network, install the lighting arrester on the stock of line segment. It carries on exposition and quantitative computational analysis to several kinds of lighting protecting measures srespectively also. On the basis of l

6、ightning protecting and groundings design method commonly used, it designs lightning protecting and grounding on the 110kV Ping Bei transformer substation. In the design, combines the local current situation, has considered many kinds of factors such as the climate, topography, and environment synth

7、etically, provides better programs of lightning protecting and grounding. Through the designs of lighting protecting and grounding of transformer substation, analyzing how to improve the level of lighting protecting of the transformer substation completely in power system, thus reduce the accident o

8、f lightning striking effectively, and the impact on safe operation of the electric wire. Drew the level design drawing of the Ping Bei earthing network finally.Keyword: The transformer substation; Lightning protecting and grounding; Lightning discharge; Lightning current.目 录 TOC o 1-3 h z u 附录：（1）避雷

9、器保护图（2）平北站110kV牵引变电所接地网的平面布置图 （3）平北站110kV牵引变电所主接线图第一章 前 言雷电(Lightning)是一种大气自然现象，对人类社会而言，雷电有时也会造成自然灾害。随着社会的发展，雷电给社造成的危害越来越严重，同时雷电防护(Lightning Protection)科学技术也在人类认识自然、抵御自然灾害的过程中不断发展。全球任何时刻大约有2000个地点遏上雷暴，平均每天约发生800万次闪电，每次闪电在微秒级的瞬间释放出约55kW.h的能量。我们生存的环境既被动地接受自然灾害的侵袭，又能动地为灾害的形成和发展提供条件。从久远的过去开始，雷电就对人类、人类赖以

10、生存的自然资源和人类创造的物质文明构成巨大的威胁，例如，森林火灾有50以上因雷电引发；人们居住生活的建筑物屡遭雷击破坏；电力、石化等工业设施常因雷击而发生灾难性事故。不难看出，雷电灾害的范围随社会经济发展而扩大，其表现形式随其范围扩大而复杂。因此，提高雷电防护科技水平势在必行。一、 牵引变电所防雷接地的必要性牵引变电所是铁路供电系统的枢纽，它担负着电网供电的重要任务。在电力系统中的各种电气设备，都是按一定电压制造的，都有一定的绝缘强度。当电压过高，超过其绝缘强度时，就要产生闪络(击穿)，它能使绝缘破坏，引起事故。这种对绝缘有危险的电压和高于正常运行时的电压，均称为过电压。根据产生过电压的原因，

11、我们把过电压分为内部过电压和大气过电压两种。内部过电压1是指由于电力系统内部的原因（如闭合空载线路、空载变压器，以及发生单相接地故障等）所引起的过电压。产生内部过电压的根本原因是由于系统内能量分布发生瞬间突变。内部过电压分为两大类:一类是由于在操作（如断路器的合闸、分闸）或故障（断线、接地等）时的过渡过程中所产生的过电压叫操作过电压，其持续时间较短;另一类是在某些操作或故障后所形成的回路中，由于电感和电容相等而产生的谐振过电压叫做谐振过电压（或称共振过电压），其持续时间较长。大气过电压又叫外部过电压。它是由于雷电放电而引起的过电压，所以又叫做雷电过电压。大气过电压又分为直击雷过电压和感应雷过电

12、压。直击雷过电压指带电的雷云直接对架空电力线路和电气设备放电。其过电压数值可达几百万伏，对电气设备的危害极大。感应雷过电压指当雷击于线路附近地面时在雷电放电的先导阶段，先导路径中充满了电荷，因而对导线产生静电感应，在先导路径附近的导线上积累了大量的异性束缚电荷。当雷击大地后，主放电开始，先导路径中的电荷自上而下被迅速中和，这时导线上的束缚电荷变为自由电荷，沿导线两侧流动。由于主放电的速度很快，所以导线中的电流很大，感应电压就会达到很大的数值，这就是感应雷过电压。变电所是电力系统的枢纽，它担负着电网供电的重要任务。由于变电所和架空线路直接连接，而线路的绝缘水平又比变电所内的电气设备为高，因此沿着

13、线路侵入到变电所的雷电进行波的幅值也是很高的。如无完善的保护设施，就有可能使变电所内的主变压器或者其它电器的绝缘损坏。变电所一旦发生雷害事故，使设备受到损坏，就有可能造成大面积停电，给生产和生活带来重大损失和影响，其后果是十分严重的。二、 防雷接地的发展概况1749年富兰克林发明第一支避雷针，开创了人类有意识防雷的历史。自此，避雷针及其派生出的避雷带、避雷网、避雷线、法拉第等传统避雷装置，以“引雷烧身”的大无畏精神，伴随人类度过了两个半世纪。近代，随着科技进步，人工建筑的高度越来越高，电子设备的应用越来越广泛，由于避雷针保护范围具有不确定性，引雷过程中产生电磁感应过电压，雷电反击产生二次雷击和

14、跨步电压等，避雷针已跟不上时代的步伐。避雷针的安装本身，可能导致感应雷害的增加。目前已投入使用的各种防雷装置，各有所长，也都各有局限性。对于现代建筑和电子设备，进雷通道不外乎三个方面：1.天上下来的直雷击。2.各种金属线路、管道感应或引进的感应雷。3.地下出来的反击雷。那么，按照“系统论”的观点，建立一套完善而健全的综合立体防雷系统2，就能实现有效的防雷安全。一套完善而健全的综合立体防雷系统包括：架设避雷针，避雷线防直击雷。地面或室内外各种天线、信号线、电源线进入室内或设备前，装设线路避雷器。各种金属管线入户处进行接地处理。埋地电缆用金属裸线平行屏蔽。具有良好的接地装置，包括尽可能小的接地冲击

15、阻抗、接地体的有效屏蔽及各种接地的联通。第二章 雷电参数及防雷装置一、 雷电放电雷电是一种极为壮观的自然现象，由于其强大的威力和破坏作用，自古以来，一直吸引着人们的注意力。雷电起源于云中水气的起点和同极性电荷的积累，带电的云块称为雷云，雷云是产生雷电的先决条件。雷电放点可能是在云中两块异性的雷云尖发生，称之为云中放电。也可能是雷云对大地间放电，称之为云-地放电。雷云电荷向下发展而形成的雷电放电称为下行雷，下面以下行雷为例来分析雷电放电3的三个阶段。1)先导放电阶段雷云对大地有静电感应，在雷云电场下，大地感应出异种电荷，两者形成一个特殊的大电容器，随着雷云中电荷的逐步积累，空间的电场强度不断增大

16、。当雷云中电荷密集处的电场强度达到空气击穿场强（2530kV/cm）时，就产生强烈的碰撞游离，形成指向大地的一段导电通道，称为雷电先导。先导放电不是连续向下发展的，而是一段接着一段地向前推进。2)主放电阶段当下行先导接近地面时，会从地面较突出的部分发出向上的迎面先导。当迎面先导与下行先导相遇时，便产生强烈的“中和”过程，引起极大的电流，这就是雷电的主放电阶段，伴随出现闪电和雷鸣现象。主放电阶段的特点是：主放电存在的时间极短，约为50100s。电流极大，可达数十乃至数百千安。3)余光放电阶段主放电到达云端就结束了，然后云中残余电荷经主放电通道流下来，称为余光放电阶段。由于雷云中的电阻较大，余光放

17、电阶段对应的电流不大（约数百安），持续时间则较长（0.030.05s）。雷云中的电荷分布是不均匀的，往往形成多个电荷密集中心，所以第一个电荷中心完成上述放电过程后，可能引起第二个、第三个甚至多个的中心向第一个中心放电，并沿原先的通道到达大地，因此雷电可能是多重性的。第二次及以后的主放电电流一般较小，不超过30kA。二、 雷电参数（一）雷击时的等值电路 雷击地面由先导放电转变为主放电的过程可以用一根已经充电的垂直导线突然于被击物体接同来比拟，如图2-1（a）所示。图中是被击物体于大地（零地位）之间的阻抗，是先导放电通道中电荷的线密度，开关S未闭合之前相当于先导放电阶段。当先导通道到达地面或与地面

18、目标上发出迎面先导相遇时，主放电即开始，相当于开关S合上。此时将有大量的正、负电荷沿先导通道逆向运动，并使其中来自雷云的负电贺中和，如图5-1（b）所示。与此同时，主放电电流即雷电流流过雷击点A并通过阻抗，此时A点电位u也突然升至。显然，电流的数值于先导通道的电荷密度及主放电的发展速度v有关，并且还受阻抗的影响。因为先导通道的电荷密度很难测定，主放电的发展速度也只能根据观测大体判断，唯一容易侧知的量是主放电以后（相当于S合上以后）流过阻抗的电流。因此利用雷电放电过程简化成一个数学模型，进而用到彼德逊等值电路如图2-1(c)、(d)所示以求得比较统一的分析方法。图2-1(c)、(d)中为主放电通

19、道的波阻抗。和则式从雷云向地面传来的行波的电压和电流。 (a)模拟电路 （b）主放电电路 （c）主放电通道电路 （d）等值电路图2-1 雷击放电计算模型（二）雷电流因为雷电波流经被击物体时的电流与被击物体的波阻抗有关，因此，我们把流经被击物体的波阻抗为零时的电流被定义为“雷电流”，用来表示。根据雷电放电的等值电路，可知流经被击物体的波阻抗为时的电流与雷电流的关系为： （2-1）目前，我国规程建议雷电通道的波阻抗为300400。雷电流为一非周期的冲击波，它与气象、自然等条件有关，是一个随机变量。下面我们介绍它的幅值、波头、陡度、波长及其波形。1）幅值雷电流的幅值与气象、自然等条件等有关，只有通过

20、大量实测才能正确估计其概率分布规律。我国现行标准推荐雷电流幅值分布的概率如下： （2-2）式中：为雷电流幅值，kA；为幅值大于的雷电概率。例如，当雷击时，出现大于88kA的雷电流幅值的概率p约为10%。 我国西北地区内蒙古等雷电活动较弱，雷电流幅值较小，可按下式计算： （2-3）2)波头、陡度及波长根据实测结果，雷电冲击波的波头是在15s的范围内变化，多为2.52.6s；波长在20100s的范围内，多数为50s左右。波头及波长的长度变化范围很大，工程上根据不同情况的需要，规定出相应的波头于波长的时间。在线路防雷计算时，规程规定取雷电流波头的时间为2.6s，波长对防雷计算结果几乎无影响，为简化计

21、算，一般可视为无限长。雷电流的幅值与波头，决定了雷电流的上升陡度，也就是雷电流随时间的变化率。雷电流的陡度对雷击过电压影响很大，也是一个常用参数。可认为雷电流的陡度与幅值I有线性关系，即幅值愈大，陡度愈大。一般认为陡度超过50kA/s的雷电流出现的概率已经很小了。3)波形实测结果表明，雷电流的幅值、陡度、波头、波尾虽然每次不同，但都是单极性的脉冲波，电力设备的绝缘强度实验和电力系统的防雷保护设计，要求将雷电流波形等值为典型化、可用公式表达、便于计算的波形。常用的等值波形有三种，如图2-2所示。 （a） (b) (c)图2-2 雷击主放电时的电流波形图2-2（a）是标准冲击波，它可表示为。试中为

22、某一固定电流值，、是两个常数，为作用时间。当被击物体的阻抗只是电阻R时，作用在R上的电压波形u于电流波形相同。双指数波形也用做冲击绝缘强度实验的标准电压波形。我过采用国际电工委员会（IEC）国际标准。图2-2(b)为斜角平顶波，其陡度可由给定的雷电流幅值I和波头时间决定，=I/在防雷保护计算中，雷电流波头采用2.6s。这样，可取为I/2.6kA/s.图2-2(c)为等值余弦波，雷电流波形的波头部分，接近半弦波，其表达式为 （2-4）式中： 为雷电流幅值，kA；为角频率，,为波头时间（2.6）。这种等值波形多用于分析雷电流波头的作用，因为用余弦函数波头计算雷电流通过电感支路时所引起的压降比较方便

23、。此时最大陡度出现波头中间，即,其值为 （2-5）（三）雷暴日与雷暴小时由于地理条件及气象条件等因素的不同，各地雷电活动的强烈程度不大相同，因此在进行防雷设计和采取防雷措施时必须要从该地区的雷电活动具体情况出发。为了统计雷电的活动强度，可以用雷暴日与雷暴小时表示。雷暴日是每年中有雷电的日数，雷暴小时是每年中有雷电的小时数（即在1天或1h内只要听到雷声就作为一个雷暴日或者一个雷暴小时）。我国有关标准建议采用雷暴日作为计算单位。根据统计，我国大部分地区雷暴小时与雷暴日的比值大约为3。根据长期统计的结果，在我国规程中绘制了全国平均雷暴日分布图，可作为防雷设计的依据。全年平均雷暴日数为40的地区为中等

24、雷电活动强度区，如长江流域和华北的某些地区；年平均雷暴日不超过15日的为少雷区，如西北地区；超过40日的为多雷区，如华南某些地区。（四）地面落雷密度雷暴日和雷暴小时中，包含了雷云之间的放电，而防雷实际中关心的是云地之间的放电。地面落雷密度4表征了雷云对地放电的频繁程度，其定义为每平方千米每雷暴日的对地落雷次数，用表示。世界各国根据各自的具体情况，的取值不同。根据我国标准规定，对雷暴日为40日的地区，=0.07次/km2.雷暴日。三、 避雷针和避雷线避雷针和避雷线5可以防止雷电直接击中被保护物体，因此也称为直击雷保护。（一）保护原理避雷针（线）的保护原理可归纳为：能使雷云电场发生突变，使雷电先导

25、的发展沿着避雷针的方向发展，直击于其上，雷电流通过避雷针（线）及接地装置泻入大地而防止避雷针（线）周围的设备受到雷击。避雷针需要有足够截面的接地引下线和良好的接地装置，以便将雷电流安全地引入大地。（二）保护范围由于雷电的路径受到很多偶然因素的影响，因此要保证被保护物绝对不受直接雷击是不现实的，一般，保护范围是指具有0.1%左右雷击概率的空间范围，实践证实，此概率是可以被接受的。1.单支避雷针的保护范围是一个以避雷针为轴的近似锥形的空间。她的侧面边界原为一根曲线，规程中近似地用折线代替，如图2-3所示。图2-3 单支避雷针的保护范围高度为的被保护物距离避雷针的水平最大允许距离也是避雷针在高度截面

26、的保护半径可按下式计算：当时 （2-6） 当时 （2-7）式中 避雷针的高度； 避雷针的有效高度，； 考虑避雷针的高度影响的校正系数，时， （2-8）2.两支等高避雷针当两根避雷针距离不太远时，由于两根针的联合屏蔽作用，使两针中间部分的保护范围比单针时有所扩大。图2-4表示两等高避雷针的保护范围。两针外侧的保护范围按式2-1和式2-2计算。两针间保护范围的上部边缘应按通过两针顶点及中间最低点O的圆弧确定。O点的高度按式2-9计算。 （2-9）式中 两针的距离，m。图2-4 高度为h的二等高避雷针保护范围两针间水平面上保护范围一侧的保护范围最小处的最大保护宽度按式2-10计算。 （2-10）为了

27、保证两针联合保护的效果，规程建议两支避雷针之间的距离不宜大于5。3.两支不等高避雷针其保护范围按下法确定：如图2-5两针内侧的保护范围先按单针作出高针1的保护范围，然后经过较低针2的顶点作水平线与之交于点3，再设点3为一假想针的顶点，做出两等高2和3的保护范围，图中，二针外侧的保护范围仍按单针计算。 图2-5 两支不等高避雷针保护范围4.多支等高避雷针三支等高避雷针的保护见图2-6，三针所形成的三角形1、2、3的外侧保护范围分别按两支等高的针的计算方法确定，如在三角形内被保护物最大高度的水平面上各自相邻避雷针间保护范围的一侧宽度时，则全部面积受到保护。图2-6 三支等高避雷针的保护范围图5.避

28、雷线因为避雷线对雷云与大地间电场畸变的影响比避雷针小，所以其引雷作用和保护宽度比避雷针要小。但因避雷线的保护长度是与线等长的，故特别适于保护架空线路及大型建筑物，目前世界上大多数国家已转而用避雷线来保护500kV大型超高压变电站。单根避雷线的保护范围如图2-7所示。在水平面上每侧保护范围的宽度，可按下列公式计算: 图2-7 单根避雷线的保护范围当时 （2-11） 当时 （2-12） 式中 每侧保护范围的宽度，m。两根等高避雷线外侧的保护范围仍按单根避雷线时确定。两避雷线间横截面的保护范围应由通过两避雷线1、2及保护范围边缘最低点o的圆弧确定，o点的高度应按式2-13计算。 （2-13）式中 两

29、避雷线间保护范围上部边缘最低点的高度，m； 两避雷线间的距离，m； 避雷线的高度，m。图2-8中称为避雷线的保护角，它是杆塔上避雷线的铅垂线同杆塔处避雷线与导线连线间所组成的夹角，保护角愈小，避雷线就愈可靠地保护导线免受雷击。单根避雷线的保护角不能做的太小，一般在。220330kV双避雷线线路，一般采用左右，500kV一般不大于。 图2-8 两根平行避雷线的保护范围四、 避雷器当发电厂、变电所用避雷针保护以后，电力设备几乎可以免受直接雷击，但是长达数十、数百公里的输电线，虽然有避雷线的保护，但由于雷电的饶击和反击，仍不能完全避免输电线上遭受大气过电压的侵袭，其幅值可达一、二百万伏。此过电压还会

30、沿着输电线侵入变电所，直接危及变压器等电气设备，造成事故。为了保护电器设备的安全，必须限制出现在电气设备绝缘上的过电压的峰值，就需要装设避雷器6。为了使避雷器达到预期的保护效果，必须正确选择避雷器，一般有如下基本要求：(1)雷电击于输电线路上时，过电压会沿导线入侵发电场或变电所，在危及被保护绝缘时，要求避雷器能瞬时动作。(2)避雷器一旦在冲击电压作用下放电，就造成对地短路，此时瞬间的雷电过电压虽然已经消失，但工频电压却相继作用在避雷器上，此时流经间隙的工频电弧电流，称为工频续流，此电流将是间隙安装处的短路电流，为了不造成跳闸，避雷器应具有能自行截断工频续流，恢复绝缘强度的能力，使电力系统能继续

31、正常运行。(3)应具有平直的伏秒特性曲线，并与被保护设备的伏秒特性曲线之间有合理的配合。这样，在被保护物可能击穿以前，避雷器便发生动作，将过电压波截断，从而起着可靠的保护。(4)具有一定通流容量，且其残压应低于被保护物的冲击耐压。（一）避雷器的分类及比较目前使用的避雷器主要有四种类型：保护间隙；排气式避雷器；阀式避雷器；金属氧化物避雷器。保护间隙和排气式避雷器主要用于变电所进线段保护；阀式避雷器和金属氧化物避雷器用于变电所和发电厂的保护。表2-1是各种避雷器的有关特性总结。表2-1 各种避雷器的有关特性比较避雷器 类型比较项目保护间隙管式避雷器阀式避雷器普通阀式避雷器磁吹避雷器氧化锌避雷器放电

32、电压的稳定性由于火花间隙暴露在大气中周围的大气条件（气压、气温、湿度、污秽等）对放电电压有影响；由于火花间隙是不均匀电场，存在极性效应 大气条件和电压极性对放电电压无影响有十分稳定的起始动作电压伏秒特性与绝缘配合保护间隙和管式避雷器的伏秒特性曲线很陡，难以与设备绝缘的伏秒特性曲线取得良好的配合，但能与线路绝缘的伏秒特性曲线取得配合此类避雷器的伏秒特性曲线很平坦，能与设备绝缘的伏秒特性曲线很好地配合具有最好的陡波响应特性续表2-1 各种避雷器的有关特性比较避雷器 类型比较项目保护间隙管式避雷器阀式避雷器普通阀式避雷器磁吹避雷器氧化锌避雷器灭弧能力（能否自动切断工频续流）无灭弧能力，需与自动重合闸

33、配合使用有很强几乎无续流流通容量大相当大较小较大能否对内部过电压实施保护不能，但在内部过电压下动作，本身并不会损坏不能（在内部过电压下动作，本身将损坏）能结构复杂程度最简单较复杂复杂最复杂较简单价格最便宜较贵贵最贵较便宜应用范围低压配电网，中性点非有效接地电网输电线路的绝缘弱点、变电所、发电厂的进线段保护变电所变电所、旋转电机所有场合下面主要介绍以下阀式避雷器：在变电所和发电厂大量使用阀式避雷器，它相对与排气式避雷器来说在保护性能上有重大改进，是电力系统中广泛采用的主要防雷设备，阀式避雷器的保护特性是决定高压电气设备绝缘水平的基础。它分普通型和磁吹型两大类。普通型有FS和FZ型；磁吹型有FCZ

34、和FCD型。1. 普通型阀式避雷器结构与工作原理阀式避雷器是由火花间隙和非线性电阻这两基本部件组成。在系统正常工作时，间隙将电阻阀片与工作母线隔离，以免由工作电压在阀片电阻中产生电流使阀片烧坏。当系统中出现过电压且其幅值超过间隙放电电压时，间隙击穿，冲击电流通过阀片流入大地，从而使设备得到保护。当过电压消失后，间隙中由工作电压产生的工频续流仍将继续流过避雷器，此续流是在工频恢复电压作用下，其值远较冲击电流为小，使间隙能在工频续流第一次经过零值时就将电弧切断。这样，避雷器从间隙击穿到工频续流的切断不超过半个周期，而且工频续流数值也不大，继电保护来不及动作系统就已恢复正常。1）磁吹型阀式避雷器（磁

35、吹避雷器）为了改善阀式避雷器的保护特性，在普通型基础上发展了磁吹型阀式避雷器。与普通型相比较，它具有更高的熄弧能力和较低的残压，因此它更合适用于电压等级较高的变电所电气设备的保护以及绝缘水平较低的旋转电机的保护。磁吹避雷器的原理和基本结构与普通型避雷器相同，主要区别在于采用了磁吹式火花间隙。它是由许多单个间隙串联而成的，它利用磁场对电弧的电动力，迫使间隙中的电弧加快运动并延伸，使间隙的去游离作用增强，从而提高了灭弧能力。2）金属氧化物避雷器金属氧化物避雷器（MOA）也称为氧化锌避雷器，是20世纪70年代初开始出现的种新型避雷器。氧化锌避雷器是由氧化锌非线性电阻片组成的。由于氧化锌电阻片具有优异

36、的非线性伏安特性，可以取消串联火花间隙，实现避雷器无间隙无续流，且造价低廉，因此氧化锌避雷器已得到越来越广泛的应用，取代炭化硅避雷器是大势所趋。金属氧化物避雷器的主要优点：与普通阀型避雷器相比，氧化锌避雷器具有优越的保护性能：(1)保护性能好。虽然10KA雷电流下残压目前仍与炭化硅阀型避雷器相同，但后者串联间隙要等到电压升置较高的冲击放电电压时才可将电流泄放，而金属氧化物避雷器在整个过电压过程中都有电流通过，电压还未升置很高的数值之前不断的泄放过电压的能量，这对抑制过电压的发展是有利的。由于没有间隙，金属氧化物避雷器在陡波头下伏秒特性上翘要比炭化硅型避雷器小的多，这样在陡波头下的冲击放电电压的

37、升高也小很多。金属氧化物避雷器的这种优越的陡波响应特性（伏秒特性），对于具有平坦伏秒特性的SF6气体变电所（GIS）的过电压保护尤为合适，易于绝缘配合，增加安全裕度。(2)无续流和通流容量大。金属氧化物避雷器在过电压作用后，流过的续流为微安级，可视为无续流，它只吸收过电压能量，不吸收工频续流能量，这不仅减轻了其本身的负载，而且对系统的影响甚微。再加上阀片通流能力要比炭化硅阀片大44.5倍，又没有共频续流引起串联间隙烧伤的制约，金属氧化物避雷器的通流能力很大，所以金属氧化物避雷器具有耐受重复雷和重复动作的操作过电压或一定持续时间短时过电压的能力。并且进一步可通过并联阀片或整只避雷器并联的方法来提

38、高避雷器的通流能力，制成特殊用途的重载避雷器，用语长电缆系统或大电容器组的过电压保护。(3)无间隙。无间隙可以大大改善陡度响应，提高吸收过电压能力，以及可采用阀片并联以进一步提高通流容量；可以大大缩减避雷器尺寸和重量；可以使运行维护简化；可以使避雷器有较好的耐污秽和带电水冲洗的性能。有间隙的阀式避雷器瓷套在严重污秽，或在带电水冲洗时，由于瓷套表面电位分布的不均匀或发生局部闪络，通过电容耦合，使瓷套内部间隙放电电压降低，甚至此时在工作电压下动作，不能熄灭电弧而爆炸。无间隙还可以使避雷器易于制成直流避雷器。因为直流续流不象工频续流那样会自然过零，而金属氧化物避雷器当电压恢复到正常时，其电流非常小，

39、所以只要改进阀片电阻的配合以使其能长期陈承受直流电压作用，就可以制成直流避雷器。由于金属氧化物避雷器具有这些炭化硅所没有的缺点，使得其在电力系统中得到了越来越广泛的应用，特别是超高压电力设备的过电压保护和绝缘配合已完全取决于金属氧化物避雷器的性能。（二）阀式避雷器电气特性的基本参数1.普通型阀式避雷器电气特性参数。1)额定电压（有效值，kV）。上指施加到避雷器端部的最大允许的工频电压（有效值）。在选用避雷器时，应保证其端部的工频电压升高在任何情况下都不会超过值，否则避雷器将因不能灭弧而发生爆炸。根据分析计算，在中性点直接接地电网中，最大工频电压和相应的值取最高运行线电压的75%80%；在中性点

40、经消弧线圈接地的电网中，取电网最高运行线电压的100%；在中性点不接地的电网中，则取电网最高运行线电压的110%。2)残压（峰值，kV）。放电电流通过避雷器时，其端子间的最大电压值称为避雷器的残压。220kV及以下避雷器的残压是以通过5kA的电流计；330550kV的避雷器则以通过10kA的电流计，分别用和表示。3)冲击放电电压（峰值,kV）。避雷器的 冲击放电电压时指雷电压（1.2/50s）作用下避雷器的放电电压（峰值）。2.金属氧化物避雷器电气特性参数。1)额定电压（有效值，kV）。氧化锌避雷器的额定电压仍按电网中单相接地条件下健全相的最大暂态工频过电压选取。2)最大持续运行电压（有效值，

41、kV）。指避雷器能长期持续运行的最大工频电压有效值。它一般应等于系统的最高运行相电压。3）压比。指避雷器在波形为8/20us的冲击电流规定值（例如10kA）作用下的残压U10kA与起始动作电压U1mA之比。压比（U10kA/U1mA）越小，表明非线性越好，通过冲击大电流时的残压越低，避雷器的保护性能越好。目前产品制造水平所能达到的压比约为1.62.0。4）荷电率。指最大长期工作电压的幅值与起始动作电压之比。它是表示电阻片上电压负荷程度的一个参数。设计氧化锌 避雷器时为它选择一个合理的荷电率是很重要的，应综合考虑电阻片特性的稳定度、漏电流的大小、温度对伏安特性的影响、电阻片预期寿命等因素。选定的

42、荷电率大小对电阻片的老化速度有很大的影响，一般选用45%75%或更大。在中性点非有效接地系统中，因单相接地时健全相上的电压会升至线电压，所以一般选用较小的荷电率。我国国家标准所规定的氧化锌避雷器的电气特性如表2-2所示。表2-2 110kV500kV变电站用氧化锌避雷器电气特性 避雷器额定电压（有效值kV）系统额定电压（有效值kV）容许最大持续运行电压有效值直流1mA参考电压峰值（kV），不小于残压峰值（kV）雷电冲击电流下，不大于操作冲击电流下，不大于陡度冲击电流下，不大于避雷器等级（标称放电电流，kA）510205102051020510201001107300145145-260260-

43、221221-299291-290290-247247-334325-126214-332-382-200220146290290-520520-442442-598582-580580-494494668650288330210-408-698-593-782-300215-424-727-618-814-312220-441-756-643-847-396500312-532532-905986-804808-10151104420318-565565-9601046-852858-10751170444324-597597-10151106-900907-11371238468330-6

44、30630-10701166-950956-11981306第三章 防雷接地一、 接地与防雷接地所谓接地7，就是把设备与电位参照点的地球作为电气上的连接，使其对地保持一个低的电位差。其办法是在大地表面土层中埋设金属电极，这种埋入地中并直接与大地接触的金属导体，叫做接地体，有时也称为接地装置。按其目的接地可分为四种：(1)工作接地：电力系统为了运行的需要，将电网某一点接地，其目的是为了稳定对地电位与继电保护上的需要。(2)保护接地：为了保护人身的安全，防止因电气设备绝缘劣化，外壳可能带电而危及工作人员安全。(3)静电接地：在可燃物场所的金属物体，蓄有静电后，往往爆发火花，以致造成火灾。因此要对这

45、些金属物（如储油罐等）接地。(4)防雷接地：导泄雷电流，以消除过电压对设备的危害。顾名思义，防雷接地装置的作用用于防雷保护中，防雷接地装置性能的好坏将直接影响到被保护设备的耐雷水平和防雷保护的可靠性。我们知道避雷针或避雷器因雷击而动作时，幅值极高的雷电流将经过避雷针或避雷器及其接地装置而流入大地，如果接地装置不符合要求，接地电阻过大时，被击物（如避雷针、避雷线等）仍将会有很高的电位，以致被保护设备有可能遭到反击，因此防雷接地装置起着十分重要的作用。下面将重点讨论防雷接地。二、 冲击电流流经接地装置入地时的基本现象（一）土壤中的电位分布当接地装置流过电流时，电流从接地体向周围土壤流散，由于大地并

46、不是理想的导体，它具有一定的电阻率，接地电流将沿大地产生电压降。在靠近接地体处，电流密度和电位梯度最大，距离接地体越远，电流密度和电位梯度也越小，一般接地装置约在2040m处电位便趋于零。电位分布曲线如图3-1所示。 图3-1 接地装置在地表面电位分布接地点电位与接地电流的关系服从欧姆定律，即，称为接地体的接地电阻，根据接地电流的性质，若冲击电流或工频电流，接地电阻R可分别称为冲击接地电阻或工频接地电阻。当为定值时，接地电阻愈小，电位愈低，反之就愈高，这时地面上的接地物也具有了电位。由于接地点电位的升高，有可能引起大的接触电压和跨步电压，从而不利于电气设备的绝缘以及人身安全，这就是为什么要力求

47、降低接地电阻的原因。（二）土壤中的电场强度当冲击电流流经接地装置时，在接地装置附近的土壤中出现了很大的电流密度，因而在接地装置附近的土壤中产生很大的电场强度E，土壤中的电场强度E由下式决定 （3-1）式中 冲击电流在土壤中的密度； 土壤电阻率。当土壤中的电场强度大于36kV/cm时，土壤中就可能产生火花击穿，出现火花击穿后，此部分土壤的电阻率就大为降低而成为良好的导体，因而接地装置好像被良好的导电介质包围一样，其作用相当于扩大了接地装置的直径，这样，就会使接地装置流过冲击电流时的冲击接地电阻低于流过工频接地电阻。由式3-1可知，冲击电流愈大（即愈大）、土壤电阻率愈大，则土壤中的电场强度也愈大；

48、土壤中的火花击穿程度愈激烈，冲击接地电阻下降得就愈多。（三）接地装置的电感效应及利用率当工频电流流经接地装置时，由于电流频率不高，接地装置的利用程度最高；当冲击电流流经接地装置时，由于电流变化很快，接地装置本身电感的作用不能再忽视。其分布电感阻碍了电流流经接地装置较远的部分，此时冲击电流在接地装置全部长度上的电流扩散密度是不相同的，这使接地装置的利用程度降低，使冲击接地电阻增加，接地装置的长度愈长，则电感的效应愈显著，冲击接地电阻增加的也愈多，因此对于水平铺设的升长接地体，为了得到在冲击电流作用下较好的接地效果，要求单根水平铺设的升长接地体的长度有一定限制。综上述可知，流经冲击电流时接地装置的

49、接地电阻与雷电流幅值、土壤电阻率和接地装置的长度及其结构形状有关，通常将冲击接地电阻与工频接地电阻之比称为接地装置的冲击系数，由于考虑到雷电流幅值大，土壤中会发生局部火花放电，使土壤电导率增加，接地电阻减小，所以其值一般小于1；但由于雷电流频率高，对于伸长接地装置因有电感效应，阻碍电流向接地体远端流去，故冲击系数可能大于1。（四）防雷接地装置的形式及其电阻的算法1.接地装置的形式接地装置一般可分为人工接地体装置和自然接地体装置。人工接地体装置有水平接地体、垂直接地体以及既有水平又有垂直的复合接地装置，水平接地一般是作为变电所和输电线路防雷接地的主要方式；垂直接地一般作为集中接地方式，如避雷针、

50、避雷线的集中接地；在变电所和输电线路线路防雷接地中有时还采用复合接地装置。对钢筋混泥土杆、铁塔基础、发电厂、变电所的构架基础等等我们称之为自然接地装置。2.接地体的选择人工接地体的规格8，水平铺设的接地体可用圆钢、扁钢，垂直接地体可用钢管、角钢，接地体和接地引线的截面应不小于下表所列规格。此外还应该从实际施工的角度来选择。如人工接地体常采用直径50mm、长度2.50m的钢管。因为从埋设方便来考虑，比直径50mm更小的钢管由于机械强度较小，容易发生弯曲，不适宜采用机械方法打入土中。直径大于50mm，从实验结果来看性能改善的有限，所以从经济角度来看并不合算。表3-1 钢接地体和接地线的最小规格种类

51、规格及单位地上地下屋内屋外圆钢直径（mm）6810扁钢截面（mm）厚度（mm）484484484角钢厚度（mm）2.5343.发电厂和变电所的防雷接地发电场和变电所内需要有良好的接地装置以满足工作、安全和防雷保护的接地要求。一般的做法是根据安全和工作接地要求敷设一个统一的接地网，然后再在避雷针和避雷器下面增加接地体以满足防雷接地的要求。人工接地网的外缘应闭合，外缘各角应做成圆弧形，圆弧半径不宜小于均压带间距的一半。接地网内应铺设水平均压带。接地网的埋设深度不宜小于0.6m，有条件的埋设在1m以下。北方冻土区应埋设在冻土层以下。接地网可以采用长孔网或者方孔网，但方孔网的均压，特别是在冲击电流作用

52、下的均压效果要好的多。接地网的均压带可采用等间距或不等间距的布置。35kV以上变电所接地网边缘经常有人出入的走道外，为降低跨步电压应铺设砾石、沥青路面或者在地下装设两条与地网相连接的均压带。接地网由扁钢水平连接，埋入地下0.60.8m处，其面积S大体与变电所的面积相同，如图3-1 （3-2）式中 接地体（包括水平的与垂直的）总长度，m； 接地网的总面积。 （a）长孔 （b）方孔图3-1 接地网示意图接地网构成网孔形的目的，主要在于均压。接地网中两水平接地带之间的距离，一般可取为310m，然后校核接触电位差和跨步电位差后给予以调整。方形和矩形地网接地电阻的计算方形地网。考虑到保持周长不变将圆环变

53、为方框后，占地面积将由原来的缩小为，把计算圆环或圆盘的接地电阻公式 （3-3） （3-4）中的用取代，在考虑方板的修正后，得方形地网的接地电阻共公式为 （3-5） （3-6）式中 地网面积； 地网周长； 水平接地体长度； 接地体直径；土壤电阻率； （3-7）第四章 平北站110kV牵引变电所防雷接地系统设计一、 平北站110kV牵引变电所及环境气象条件平北站110kV牵引变电所长70.5m宽62.0m建筑物高7m。平北站110kV牵引变电所电压等级为110/27.5kV，通过2回110kV线路与系统相连，通过2回27.5kV线路向临近的接触网供电。进线选择LGJ-185/30型钢芯铝绞线，避雷

54、线采用GJ-35型镀锌钢绞线。平北站所在地环境条件：环境温度: -5+35。最热月平均温度35。相对湿度：月平均90%，日平均95%。海拔高度:1000m。地震烈度:不超过8度。风速:25m/s。年平均雷暴日：50天。当地的电阻率为=900二、 平北站110kV牵引变电所的直击雷防护方案及计算（一）直击雷防护方案变电所对于直击雷的保护一般采取装设避雷针和采用沿变电所进线段一定距离内架设避雷线的方法解决，其作用是将雷电吸引到避雷针（线）本身上来并安全地将雷电流引入大地从而保护了设备。为免遭受雷击，所有被保护设备均应处于避雷针的保护范围之内，当雷击避雷针时，避雷针对地面的电位可能很高，如它们与被保

55、护电气设备之间的绝缘距离不够，就有可能在避雷针遭受雷击后，使避雷针与被保护设备之间发生放电现象，这种现象叫反击。此时避雷针仍能将雷电波的高电位加至被保护的电气设备上，造成事故。不发生反击事故的避雷针与电气设备之间的距离称为避雷针与电气设备之间防雷最小距离。由以上原则，再考虑到平北站牵引变电所设备、建筑的实际布局情况，设计中平北站110kV牵引变电所其防直击雷的保护是采用安装四只构架避雷针的方法（安装位置如图4-1所示），在配电装置的构架或房顶上安装两支避雷针予以保护。因为11OKV牵引变电所的电压等级的绝缘水平较高，即使遭受直接雷击，一般也不易引起反击，因此采用构架避雷针。图4-1 变电所避雷

56、针安装位置图（二）避雷针的计算及其安装1.避雷针高度计算9已知平北站110kV牵引变电所长70.5m，宽62.0m,变电所内最高建筑为7m.则=7m，m,m。由前面关于多支等高避雷针的介绍可知，要使平北站牵引变电所全面积都在避雷针的保护范围内，则要使四针所构成四边形的对角线L满足且满足任意两针间水平面上保护范围一侧的保护范围最小处的最大保护宽度。平北站110kV牵引变电所采用4针联合保护，四针所构成四边形的对角线为 =假设避雷针高度,则由可得到则为了留有裕量取20m，即避雷针的高度取为20m。下面来检验下是否满足。 由可得到 则=4.60 此时 故牵引变电所全面积得到保护。2.避雷针与电气设备

57、之间防雷最小距离的确定雷击避雷针时，雷电流流经避雷针及其接地装置，为了防止避雷针与被保护设备或构架之间的空气间隙被击穿而造成反击事故，空气间隙必须大于最小安全净距10。 1变压器；2母线 图4-2 独立避雷针与配电构架应有的距离雷击避雷针时，雷电流流经避雷针及其接地装置，如图4-2所示。在避雷针的h高度处和接地装置上，将出现高电位和，即：式中：避雷针高度为h段的等效电感；避雷针的冲击接地电阻；、流经避雷针的雷电流和雷电流的平均上升速度。实际中取雷电流幅值为150kA，雷电流的平均上升速度为30kA/us，避雷针电感为1.7uH/m，则可得相应电位幅值为： （4-1） （4-2）上两式表明，避雷

58、针与避雷针接地装置的电位幅值和与冲击接地电阻有关，越小则和越低。为了防止避雷针与被保护设备或构架之间的空气间隙被击穿而造成反击事故，必须大于设备最小安全净距。若取空气的平均击穿场强为500kV/m，则最小安全净距应满足下式要求： （4-3）为了防止避雷针接地装置与被保护装置或构架之间在土壤中的间隙被击穿，要求设定必须大于设备接地最小安全净距。若取土壤的击穿场强为500kV/m，则与设备接地最小安全净距，应满足下式要求： （4-4）通过实验测得，避雷针工频接地电阻不超过10欧，冲击接地电阻一般不做规定，但 不宜大于40，所以在一般情况下，大于5m，大于3m，满足规程设计要求。3.避雷针的安装：1

59、）避雷针安装的要求选择独立避雷针的装设地点时，避雷针及其接地装置与配电装置之间应保持以下规定距离：在地上，由独立避雷针到配电装置的导电部分间，以及到变电所电气设备与构架接地部沙间的空气距离一般不小于5米。在地下，由独立避雷针本身的接地装置与变电所接地网间最近的地中距离一般不小于3米。2）装设避雷针的注意事项为防止雷击避雷针时雷电波沿电线传入室内，危及人身安全，所以照明线或电话线不要架设在独立避雷针上。独立避雷针及其接地装置，不应装设在人畜经常通行的地方并应距离道路不小于3米，否则应采取均压措施，或铺设厚度为5Omm到80mm的沥青加碎石层。三、 平北站110kV牵引变电所感应雷的防护变电所对感

60、应雷防护的主要措施是在进线（或母线上）装设阀型避雷器。避雷器与被保护的电气设备之间的电气距离直接影响避雷器的保护效果。装设避雷器是限制侵入波过电压的主要措施，所以必须正确选择避雷器的型式，合理确定保护接线方式如避雷器的台数、装设位置等。同时采取相应的措施限制入侵波的幅值和陡度。变电所中所有设备的绝缘都要受到避雷器的可靠保护。变压器在变电所中是最重要的设备，且其绝缘水平低，故避雷器安装位置应尽量靠近变压器。为了对变压器进行有效的保护避雷器伏特性的上限应低于变压器伏特性的下限。避雷器还应安装在变电所母线上，在任何情况下，变压器均应受到避雷器的保护，所以各段母线上都应装设避雷器。被保护设备上的电压