35kv变电所接地装置与防雷的设计

35kv变电所接地装置与防雷的设计工学院机械系09电气090128045黄旭一、前言变电所是电力系统中对电能的电压和电流进行变换、集中和分配的场所,是联系发电厂与电力用户的纽带,担负着电压变换和电能分配的重要任务。如果变电所发生雷击事故,会给国家和人民造成巨大的损失。所以变电所的防雷是不可忽视的问题。随着电力系统的快速发展,使得电能这一清洁能源在人民生产、生活中得到了普遍使用。但当高压输电网在为人们提供动力和照明时,不能忽视自然界产生的雷电对高压输变电设备产生的大量危害。因此,必须加强变电所雷电防护问题的认识与研究。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。电气安全工作是一项综合性的工作，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。二、设计任务本设计针对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。三、设计方案及相关计算3.1雷电参数3.1.1雷电流的幅值、波头、波长和陡度（1）雷电流幅值的概率分布我国现行标准推荐按下式计算式中：I是雷电流幅值，kA；P是幅值等于大于I的雷电流概率。例如幅值等于和超过50kA的雷电流，计算可得概率为33%。上述雷电流幅值累积概率计算公式适用于我国大部分地区。对于雷电活动很弱的少雷地区(年平均雷电活动20日以下)，例如陕南以外的西北地区及内蒙古自治区的部分地区。雷电流幅值概率可按以下公式求得：（2）雷电流的波头和波长虽然雷电流幅值随各国的自然条件不同而差别很大，但是各国侧得的雷电流波形却基本一致。据统计，波头长度大多在1µs～5µs的范围内，平均2µs～2.5µs。我国在防雷保护设计中建议采用2.6µs的波头长度。至于雷电流的波长，实测表明在20µs～100µs范围之内，平均约为50µs,大于50µs的仅占18%～30%。根据以上分析，在防雷保护计算中，雷电流的波形可采用2.6/50µs。(3)雷电流陡度由于雷电流的波头长度变化范围不大，所以雷电流的陡度和幅值必然密切相关。我国采用2.6µs的固定波头长度，即认为雷电流的平均陡度石和幅值线性相关：即幅值较大的雷电流同时也具有较大的陡度。雷电流的各项主要参数---幅值、波头、波长和陡度的实测数据具有很大的分散性。许多研究者发表过各种结果，虽然基本规律大体相近，但其具体数值却有差异。其原因一方面在于雷电放电本身的随机性受到自然条件多种因素的影响;另一方面也在于测量条件和技术水平的不同。我国幅员辽阔，各地自然条件千差万别。雷电观测工作的基础还比较薄弱，有待于进一步加强。3.1.2雷电流极性及波形国内外实测结果表明，75%～90%的雷电流是负极性，加之负极性的冲击过电压波沿线路传播衰减，因此电气设备的防雷保护中一般按负极性进行分析研究。在电力系统的防雷保护计算中，要求将雷电流波形用公式描述，以便处理,经过简化和典型化可得以下三种常用的计算波形，如图3-1所示。T1tT1tiI0.5I0tT2T1iI0.5I0T1iI0(a)标准冲击波形(b)等值斜角波头(c)等值半余弦波头图3-1雷电流的等值波形图3-1(a)标准波形，它是由双指数公式所表示的波形这种表示是与实际雷电流波形最为接近的等值波形，但比较繁琐。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和电流波形i是相同的。双指数波形也取作冲击绝缘强度试验电压的波形，对它定出标准波前和波长为1.2/50µs。图2-2-1（b）为斜角平顶波，其陡度α可由给定的雷电流幅值I和波前时间定。斜角波的数学表达式最简单，便于分析与雷电流波前有关的波程，并且斜角平顶波用于分析发生在10µs以内的各种波过程，有很好的等值性。图3-2-1（c）为等值半余弦波，雷电流波形的波前部分，接近半余弦波，可用下式表达：这种波形多用于分析雷电流波前的作用，因为用余弦函数波前计算雷电流通过电感支路所引起压降比较方便。还有在设计特高杆塔时，采用此种表示将使计算更加接近于实际。3.1.3雷电波阻抗(Z0)雷电通道在主放电时如同导体，使雷电流在其中流动同普通分布参数导线一样，具有某一等值波阻抗，称为雷电波阻抗(Z0)。也就是说，主放电过程可视为一个电流波阻抗Z0的雷电投射到雷击点A的波过程。若设这个电流入射波为I0，则对应的电压入射波。根据理论研究和实测分析，我国有关规程建议Z0取300Ω左右。3.1.4地面落雷密度雷云对地放电的频繁和强烈程度，由地面落雷密度来表小。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，值与年平均雷电日有关。一般，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，我国标准推荐采用国际大电网会议推荐标准:式中，Ng为每年每平方公里地面落雷数；Td雷电日数；由此可得：对的地区，按我国标准取值。3.2变电所遭受雷击的主要原因

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,通常情况下变电所雷击有两种情况:一是雷直击于变电所的设备上;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所。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。

因此,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所,是导致变电所雷害的主要原因,若不采取防护措施,势必造成变电所电气设备绝缘损坏,引发事故。

3.3变电所防雷的原则

针对变电所的特点,其总的防雷原则是将绝大部分雷电流直接接闪引入地下泄散(外部保护);阻塞沿电源线或数据、信号线引入的过电压波(内部保护及过电压保护);限制被保护设备上浪涌过压幅值(过电压保护)。这三道防线,相互配合,各行其责,缺一不可。应从单纯一维防护(避雷针引雷入地———无源保护)转为三维防护(有源和无源防护),包括:防直击雷,防感应雷电波侵入,防雷电电磁感应等多方面系统加以分析。（1）外部防雷和内部防雷

避雷针或避雷带、避雷网引下线和接地系统构成外部防雷系统,主要是为了保护建筑物免受雷击引起火灾事故及人身安全事故;而内部防雷系统则是防止雷电和其它形式的过电压侵入设备中造成损坏,这是外部防雷系统无法保证的。为了实现内部防雷,需要对进出保护区的电缆,金属管道等都要连接防雷、及过压保护器,并实行等电位连接。

（2）防雷等电位连接

为了彻底消除雷电引起的毁坏性的电位差,就特别需要实行等电位连接,电源线、信号线、金属管道等都要通过过电压保护器进行等电位连接,各个内层保护区的界面处同样要依此进行局部等电位连接,各个局部等电位连接棒互相连接,并最后与主等电位连接棒相连。

3.4变电站防雷具体措施分类3.4.1避雷针或避雷线避雷针是防直接雷击的有效装置。它的作用是将雷电吸引到自身并泄放入地中，从而保护其附近的建筑物、构筑物和电气设备等免遭雷击。1、避雷针的结构和保护原理避雷针是由接闪器、支持构架、引下线和接地体四部分构成。（1）接闪器是避雷针顶端1～2m长的一段镀锌圆钢或焊接钢管。圆钢直径应大于12～16mm；钢管直径应大于20～25mm。通过接闪器和雷云发生闪络放电。（2）支持构架高度在15～20m一下的独立避雷针可采用水泥杆；较高时宜采用钢结构支柱；110KV及以上电压级变电站，当条件允许时，可将避雷针安装在高压门型构上；对于建筑物或构筑物可装于顶部。（3）引下线采用经过防腐处理的圆钢或扁钢。圆钢直径不得小于8～12mm；扁钢截面不得小于12mm×4mm。引下线应沿支持构架及建筑物外墙以最短路径入地，以便尽可能减小雷电流通过时在引下线上产生的电感下降。（4）接地体埋于地下的各种型钢，工程中多采用垂直打入地中的钢管、角钢或水平埋设扁钢、圆钢。入L50×50×5，长2.5m的角钢和截面为4mm×25mm的扁钢。接地体是直接泄放雷电流的，所以其选用既要考虑经济，又要满足接地电阻值的规定要求。避雷针的保护原理是：当雷云中的先导放电向地面发展，距离地面一定高度时，避雷针能使先导通道所产生的电场发生畸变，此时，最大电场强度的方向将出现在从雷电先导到避雷针顶端（接闪器）的连线上，致使雷云中的电荷被吸引到避雷针，并安全泄放入地。2、避雷针的保护范围（1）单根针的保护范围如图3-2所示。hxhx45°0.75hh/2hahAB1.5hhx水平面上保护范围的截面rx图3-2单根避雷针的保护范围由上图有，在被保护高度为hx水平面上,其保护半径rx为当时，当时，式中，为考虑避雷针太高时，保护半径不成正比增大的系数。当m时，；当时，；当m时，按120m计算。两根等高避雷针的保护范围如图3-3所示。bbxhxD/7ph0bxbxrx1.5hDh/2R0rxhahxh12hx水平面上保护范围的截面h01.5h0O-O`截面图3-3两根等高避雷针的保护范围首先根据被保护物的长、宽和高度及避雷针理想的安装位置等客观情况，初步确定两等高针之间的距离，并按照，初步选取ha。根据D和ha，进行两等高针联合保护范围验算：两针之间保护范围如图2-4所示，计算公式有：式中:h0——为等高双针的联合保护范围上部边缘最低点的高度(m)，p同上。3、避雷线避雷线是由悬挂在保护物上空的镀锌钢绞线（即接闪器，截面不得小35mm2）、接地引下线和接地体组成。（1）单根避雷线的保护范围如图3-4所示。hhhh/2hhahx250图3-4单根避雷线的保护范围单根避雷线的一侧，在高度为hx平面上的保护宽度rx按下式计算：当时，hDhrxh/2hDhrxh/2hxhaR01D/4p2（2）两条平行架设的避雷线的保护范围图3-5双避雷线的保护范围在两根避雷线的外侧的保护范围按单根线方法确定；而两避雷线内侧保护范围的横截面，是由通过避雷线1和2及保护范围上部边缘的最低点O的圆弧来确定，O点的高度（h为避雷线悬挂高度；D为两避雷线的水平间距；p的意义同前）。两避雷线端部的保护范围分别按单根避雷线确定端部的保护范围，两线间端部保护范围最小宽度有：bx为两避雷线端部最小保护宽度；hx为被保护物高度；h0为两避雷线间保护最低点高度。3.4.2避雷器避雷器能将侵入变电所的雷电波降低到电气装置绝缘强度允许值以内。我国主要是采用金属氧化物避雷器（MOA）。被保护设备避雷器过电压波被保护设备避雷器过电压波线路图3-6避雷器的连接为了使避雷器能够达到预想的保护效果，必须满足如下两点基本要求。具有良好的伏秒特性，以实现与被保护电气设备绝缘的合理配合。如图3-7所示utut123图3-7避雷器与电气设备的伏秒特性合理配合1-电气设备的伏秒特性；2-避雷器的伏秒特性；3-电器上可能出现的最高工频电压伏秒特性，是表达绝缘材料（或空气间隙）在不同幅值的冲击电压作用下，其冲击放电电压值与对应的放电时间的函数关系。间隙绝缘强度自恢复能力要好，以便快速切断工频续流，保证电力系统继续正常工作。对于有间隙的避雷器以上两条都适宜，这类避雷器主要有保护间隙、管式避雷器及带间隙的阀式避雷器。对于无间隙的金属氧化物避雷器，基本技术要求则不同，它没有灭弧问题，相应的却产生了独特的热稳定性问题。目前大部分变电站防雷电侵入波使用的氧化锌避雷器的保护效果如图3-8所示：uuu1u2tSiC避雷器限制的过电压ZnO避雷器限制的过电压侵入的雷电过电压图3-8氧化锌避雷器的保护效果3.4.3直击雷防护装设避雷针是直击雷防护的主要措施,避雷针是保护电气设备、建筑物不受直接雷击的雷电接受器。它将雷吸引到自己的身上,并安全导人地中,从而保护了附近绝缘水平比它低的设备免遭雷击。变电站装设避雷针时,应该使站内设备都处于避雷针保护范围之内。此外,装设避雷针时对于35KV变电站必须装有独立的避雷针,并满足不发生反击的要求；对于110KV及以上的变电站,由于此类电压等级配电装置的绝缘水平较高,可以将避雷针直接装设在配电装置的架构上,因此,雷击避雷针所产生的高电位不会造成电气设备的反击事故。年预计累计次数计算假设35KV变电站，占地面积长50m，宽40m,变电站的最高点高度为20m,当地年平均雷电日为40，故有：据=0.024104k=1；Td=40；=401.3=120.97故N=0.024×1×120.97×0.0241=0.0700次/a由于年/次，即该变电站可能平均运行14年就要遭受一次雷击。反击所谓反击是指雷击避雷针（线）瞬间，强大的雷电流通过避雷针顶端的接闪器及引下线和接地体向大地泄放时产生的高电位。如果避雷针（线）与附近的金属物体的空间距离，或者其接地装置与其他接地装置之间的地中距离不符合要求，将会发生放电现象，成为反击或为逆闪络。2121hGiSkSdAL图3-9雷击独立避雷针时的高电位分析如图3-9所示，高度为h的A点电位记为Uk，避雷针辅助接地装置上的电位记为Ud，则有：式中，i为雷电流，kA，幅值取150kA，斜角波长2.6µs；Rch为独立避雷针辅助接地装置的冲击接地电阻，Ω；L为A点到地面，接地引下线h长度上的电感,µH,可取L0=1.6µH/m，L=L0h。为防止发生反击，避雷针距金属物体空间间隙Sk应满足：避雷针辅助接地装置与其他接地装置的地中间隙Sd应满足：和分别为空气间隙和土壤的击穿场强，单位kV/m，可取Ek=500kV/m，Ed=300kV/m。《标准》规定：一般情况下，要求；。对于35KV及以下电压级的配电装置和土壤电阻率大于500Ω·m的地区，不宜采用构架式避雷针。装设避雷针的构架应埋设辅助集中接地装置。辅助接地装置与变电站的主接地网相连接时，其连接点距离变压器与主接地网的连接点不得小于15m，目的是保证雷击避雷针时，在接地装置上产生的高电压波经过这段距离的衰减，传播到变压器连接点不会对变压器造成反击。特别指出，变压器的进线门型构不允许装设避雷针，因为变压器是变电站的重要电气设备，其绝缘较弱，万一发生反击，必将造成严重后果。(3)35kv变电站直击雷防护避雷针设计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3-10所示。10.5KV母线架变配电装置10.5KV母线架变配电装置35KV母线架门型框架50m60m避雷针1避雷针220m20m图3-10两等高避雷针位置图据题有：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。在避雷针1或2的一侧按单避雷针来计算显然有hx<h/2且要m，故m。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3-11所示。避雷针1避雷针1避雷针2避雷针3避雷针42m10.5KV母线架变配电装置35KV母线架门型框架50m60m2m图3-11四等高避雷针的位置图门型框架两侧，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)=29.2mbx=1.5×(29.2-20)=13.8m35KV侧，3号和4号之间，选用40m高的避雷针即h=40m,hx=15m。显然hx<h/2故3号4号单根保护半径rx为：=（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)=29.2mbx=1.5×(29.2-15)=21.3m35KV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<h/2故2号4号单根保护半径rx为：=（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)=33.5mbx=1.5×(33.5-15)=27.8m35KV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<h/2故2号3号单根保护半径rx为：=（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)=28.8mbx=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。其中支架高38.5m，接闪器选1.5m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。3.4.4变电站雷电侵入波防护（1）变电站对雷电侵入波防护概述雷击输电线路的次数远多于雷击变电站，所以沿线路侵入变电站的雷电侵入波较常见。再加上输电线路的绝缘水平（即绝缘子串50%冲击放电电压U50%）比变压器及其他电气设备的冲击绝缘水平高得多，因此，变电站对雷电侵入波的防护显得很重要。在变电站内装设避雷器是变电站对侵人波防护的主要措施。现阶段,大部分变电站都采取使用氧化锌避雷器代替原来的阀型避雷器。主要由于氧化锌避雷器除具有较理想的非线性伏安特性外,还有无间隙、无续流、电气所受过电压可以降低和通流容量大,可以用来限制内部过电压等等优点。然而，要有效及经济地保护变电站所有电气设备，不仅要正确选择避雷器，还要合理地确定避雷器的接线；同时还要限制由线路传来的雷电波陡度及流过避雷器的雷电流幅值。（2）避雷器的设计①避雷器的防护距离以主变压器为保护对象，雷电波沿变电站进线侵入，避雷器连接点距离变压器连接点的最大允许电气距离。在此称为避雷器的防护距离，参见图3-12。atat2TF1图3-12分析避雷器保护距离的简单回路当雷电波入侵时,变压器上的电压具有振荡性质,其振荡轴为避雷器的残压。主要原因是由于避雷器动作后产生的电压波在避雷器和变压器之间多次反射引起,因此,只要变压器离避雷器有一段距离,变压器所受冲击电压的最大值必然要超过避雷器的残压,有时会对变压器绝缘造成威胁,因此变压器与避雷器之间的安装距离要进行限制,该距离不能太远；变压器上所受冲击电压的最大值。式中，波速为定值；a为侵入波的时间陡度（kV/s）；为侵入波的空间陡度（kV/m）。在平常的设计要求中,根据上述公式,只要距离满足要求即认可,但是,随着变电站设备的老化,其耐雷水平或承受过电压的能力都会存在不同程度的下降,对变电站来说,最重要的设备是变压器,其承受过电压的能力相应低于其他设备,因此,在电气设备的绝缘配合中,通常应以变压器作为绝缘配合的核心,站内母线避雷器的安装,要尽可能做到与主变压器之间的距离最短；在一些变电站,比如10kV(35kV)母线避雷器与TV安装于同一间隔内,该间隔可以安装于该母线段的任何位置,但从其与主变最小距离考虑,该间隔尽可能做到挨着主变侧开关间隔安装,在实际设计、施工中也是容易做到的,对保护变压器侧的绝缘是有好处的。以此35kV电压等级为例进行说明:由于此变电站1km进线段有避雷线，若取a0=1.0kV/m,若与变压器减小5m,则变压器所受冲击电压将减少10kV,这对保护变压器的绝缘是很有利的。同时,还应对被保护设备与避雷器之间的安装距离进行校核,即雷电防护要有一定裕度。而不应当用公式来校核,因为只要被保护设备与避雷器有一定距离,被保护设备上的电压明显要高于,若用进行校核,在较大的情况下可能存在没有保护裕度。K—是一个大于1的配合系数,可取1.05～1.1；—被保护设备的雷电冲击耐受电压；—避雷器的雷电冲击残压；—设备上所受冲击电压的最大值。②避雷器与变压器的最大电气距离35KV变压器允许的距离当运行进线为1条时：根据，令（35KV变压器的雷电冲击耐受电压为185kV，35KV进线1km有避雷线，其陡度取1.0kV/m）。185=134+2×1×=25（m）35KV进线2km或全线有避雷线，其陡度取0.5kV/m。185=134+2×0.5×=51（m）当进线数增加时，可参考表3-1的数据。表3-1进线数与的关系进线避雷线长度（km）进线路数123>=41254050552(全线)50759010510.5KV变压器允许的距离当运行进线为1条时：根据，令（10kV变压器的雷电冲击耐受电压为75kV,10kV全线无避雷线,其陡度a0取1kV/m）。75=45+2×1×=15(m)当进线增加，参照表3-2的数据表3-2进线数与的关系雷季经常运行的进线数123>=4最大电气距离（m）15232740故由计算可知，在35KV变电站里面距变压器（35/10.5KV、35/0.4KV）25m内必须要安装避雷器，距变压器（10.5/0.4KV）15m内须安装避雷器。依据分析和运行经验，对于本35KV电压级的变电站，实际上只要保证在每一段（包括分段母线）可能单独运行的母线上都装设一组避雷器，就可以使整个变电站得到保护。3.4.5变电站的进线段雷电防护设计①进线段防护必要性当一经确定，为使避雷器能可靠地保护设备，还必须设法限制侵入波陡度。对于已安装好的电气距离，可求出最大允许陡度。同时，应限制流过避雷器的雷电流的大小，以降低残压，尤其不能超过避雷器的额定通流能力，否则避雷器就会烧坏。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，约有71%是3km以内雷击线路引起的。说明加强变电站进线段的雷电防护的必要性和重要性。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。为此，可以在变电站进线段，即距变电站1～2km的这段线路上加强防雷保护。对全线无架设避雷线的，应在这段线路增设避雷线；当全线有避雷线时，应使该段线路具有更高的耐压水平，减少进线段内绕击和反击形成侵入波的概率。这样，侵入变电站的雷电过电压波主要来自进线段外，并经过1～2km线路的冲击电晕影响，不但削弱了侵入波的幅值和陡度，而且因进线段波阻抗的作用，也限制了通过避雷器的雷电流，使其不超过规定值，保证了避雷器的良好配合，这一措施就是变电站进线段保护。②进线保护段接线设计图3-1335KV进线保护段接线图由于此35KV变电站全线无避雷线线路，故变电站进线保护段接线方案可根据图3-13设计。方案中架设1～2km避雷线可防止进线段遭受直接雷击和屏蔽雷电感应。图中管型避雷器GB1和GB2在一般线路不必装设，但对于冲击绝缘强度特别高的木杆线路或者钢筋混凝土杆木横担线路，应在进线保护段首端加装一组管型避雷器GB1，其工频接地电阻一般不得超过10Ω。GB1的作用是限制从进线段外沿导线侵入的雷电流幅值。在进线保护末端装设一组GB2的目的是保护断路器QF。当雷雨季节，QF处于开断状态，且线路侧带工频电压，无GB2保护时会出现较高的折射波电压（2倍的侵入波电位），引起触头闪络，甚至烧坏触头。母线上装设一组阀型避雷器FZ的作用是保护变压器及其他电气设备。QFTQFTFZGB2或JXGB1或JX150~200m150~200mQFTFZJX150~200m图3-143150kV·A以下35KV变电站的简化进线保护由于此变电站容量在3150kV·A以下（本变电站容量为2560kV·A），可采用图3-14两种简化接线。管型避雷器GB1、GB2可采用保护间隙JX代替，其工频接地电阻应小于或等于5Ω。假设对此35KV变电站，当在进线区域架设避雷线较困难，为此不能保证要求的耐雷水平。在这种情况下，可以在进线终端杆上安装一组1000µH的电抗器（L），以限制雷电侵入波的陡度a`和雷电流幅值I，起到进线段保护的作用。接线见图3-15所示。另外，35KV变电站有进线段采用电缆线路，在电缆线与架空线连接处，考虑波过程可能产生过电压，故应装设一组避雷器保护，并且使避雷器的接地端与电缆的金属外皮连接。如图3-16所示。QFQFTFZGBL图3-15用电抗器代替进线段保护QFTQFTF2F1图3-1635KV变电站电缆进线段的保护接线3.5接地装置的设计接地按其作用分两类，一位功能（或工作）接地，二为保护接地。功能接地为电力系统正常运行需要设置的接地，如三相交流系统中的发电机和变压器中性点接地，双极直流输电系统的中性点接地等。保护接地，也称为安全接地，是为保证人身和设备安全，将电气设备的金属外壳、底座。配电装置的金属框架和输电线路杆塔等外露导电部分接地，防止一旦绝缘损坏或产生漏电，人员触及发生电击。保护接地，是在故障条件下发挥作用的。另外，属于功能接地范畴的还有：在电子设备中，为获得稳定的参考电位（零电位）所设置的逻辑接地；为防止电磁干扰的屏蔽接地；为保证信号有稳定基准电位所设置的信号接地。而属于接地保护的还有防静电接地（将静电聚积电荷引入大地）和防电蚀接地（在地下埋设金属体作为牺牲阳极或牺牲阴极，以保护与其连接的金属体）等。1、接地计算：大地并非理想的导体，它具有一定的电阻率。所以当外界强制施加于大地内部某一电流时，大地就不能保持等电位。流进大地的电流经过接地线、接地体注入大地后，以电流场的形式向周围远处扩散，如图5-1所示。图3-17半球接地极的电流场设接地装置（接地体）为一半径为r0的半球体，并认为接地体周围土质均匀，其电阻率为ρ，当电流Id接地体注入地中时，电流Id将从半球表面均匀地散流出去，在接地半球表面上的电流密度为：而在距半球球心为x的球面上，电流密度为：于是，大地中呈现出相应的电场分布，其电场强度为：在地中沿电流散流方向，在dx段内的电压降落为：所以，在距离球心为x的球面上的电位为：而在半球接地体表面上的电位应为：故散流电阻为：Rd=Ud/Id由此可知，距离接地体（即电流注入点）越远，电流密度越小，电场强度越弱，电位越低。若在相当远处（一般距球心20m以外），地中电流密度很小（可近似为零），电场强度可视为零，则该处的电位仍保持为零电位。假设条件：土壤电阻率取280欧·米，考虑季节系数K=2，土壤电阻率按560欧·米考虑。变电站最大短路电流为三相短路电流20.45kA；最大接地短路电流Imax为单相接地短路电流15.04kA（有效值）；最大接地短路电流时，流经变电站接地中性点的最大接地短路电流为3.88kA（有效值）。根据公式I=(Imax-In)Kf，（Kf取0.5）求得入地短路电流为5.58kA，再由公式R=2000/I可得，变电站接地电阻应不大于0.36欧姆。根据《电力工程电气设计手册》(电气一次部分)912页表16-8的估算公式：R=0.5×计算（=560，S=62*44=2728平米），求得变电站复合接地网自身接地电阻为5.36欧姆，大于0.36欧姆，达不到要求,必须采取降阻措施。因为变电站面积只有62米*44米共2、跨步电压及接触电位允许值计算计算接触电位差和跨步电位差允许值：式中：Ut——接触电位差，V；Us——跨步电位差，V；t——人脚站立处地表面的土壤电阻率，欧·m；t——接地短路(故障)电流的持续时间，s。t取值：为保护动作时间加相应的断路器全分闸时间。取1.12s。t取值：在未做任何提高接触电压和跨步电位允许值的措施之前，变电站的土壤电阻率实测为280欧·m，考虑季节系数后取560欧·m。经计算=254.4(V)（允许值）=534.8(V)（允许值）3、接地方案及计算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。=1\*GB3①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……………0.025mh：接地极的埋深………………...0.8mη：降阻剂的利用率……………….50℅。R=2.12(Ω)=2\*GB3②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=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……………0.20mh：深井接地极的埋深………………..0.8mn：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)=3\*GB3③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，深井降阻剂用量约采用钻孔深度5米外延接地网80米、孔径Φ300mm，放置Φ＝ρ:深层土壤在考虑季节系数后土壤的电阻率取560Ω·mρ1:降阻剂的电阻率0.4Ω·md1:圆柱形的等效直径0.3md：接地体（圆钢管）的直径0.1mk1、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=480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)=4\*GB3④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。4、变电所的接地设计（1）在变电站集中安装了最重要的电气设备和电气装置，如变压器、断路器及各种控制屏、保护柜等。这些设备需要避雷针（线）和避雷器来实现防雷保护；同时，这些电气设备带电运行时，还要考虑值班人员的人身安全。因此，在变电站就需要有良好的接地装置，以实现综合满足工作接地、保护接地及防雷接地等的要求。在实际工程中，为保证安全及工作需要，一般是统一敷设——接地网，而在避雷针（线）和避雷器附近下面，在加设一组集中的防雷接地体，加强泄放雷电流作用，从而构成了变电站完整的接地装置。变电站的接地装置要充分利用自然接地体，若自然接地体满足不了接地电阻值要求，则要加设人工接地体，而且多数是敷设以水平接地体为主的人工接地体。对大电流接地系统的变电站，不管自然接地体情况如何，必须装设人工接地体。对面积较大的接地网来说，装设水平人工接地体对均压、散流、降阻以及减小跨步电压和接触电压效果最好。变电站的接地网常采用40mm×4mm的扁钢或直径为20mm的圆钢排列成方孔形或长孔形，埋地0.6～0.8m，在北方应埋在冻土层以下，其面积与变电站的面积相同或稍大，埋在变电站的围墙外侧，距墙1.5～2m，四周外缘应闭合，外缘各角做成圆弧形，圆弧的半径不宜小于接地网内均压带间距的一半。网内敷设的均压带间距一般取3～10m，可以等间距布置，也可以不等间距布置，但应按一定规律变化。（2）变电所的设计要求在中性点直接接地或经低电阻接地的变电站中，保护接地电阻要求：式中，为考虑季节变化时的最大接地电阻值，Ω；I为流经接地装置入地的计算短路电流，A，其大小按下式计算。当变电站内发生接地短路时，流经接地装置的入地电流为：式中，为接地短路电流的最大值，A；为发生最大接地短路电流时，流经变电站接地中性点的最大接地短路电流，A；为变电站内发生接地短路时避雷线的工频分流系数。当在变电站外发生接地故障时，流经接地装置入地的短路电流为：式中，为发生最大短路电流时，流经变电站接地中性点的最大短路电流，A；为在变电站外发生接地短路时避雷线的工频分流系数。在中性点不接地、经消弧线圈接地的变电站中，保护接地电阻应符合如下要求。当高、低压电气装置及设备共用接地装置时：且应使Ω。仅供高压电气装置接地保护用时：且要求Ω。两式中，都是考虑季节变化时的最大接地电阻值，Ω；I为经接地装置入地的计算短路电流，A，有：式中，为相电压，kV；为有电气连接的电缆线路总长，km；为有电气连接的架空线路总长，km。对变电站电气装置及设备防雷保护接地电阻要求：独立避雷针（线）在一般土壤电阻率地区（Ω·m）其冲击电阻应满足：Ω但在高土壤电阻率地区，接地电阻达到要求值很有困难，允许采用较高电阻值，但必须满足：独立避雷针与电气装置带电部分及电气设备接地部分和构架接地部分的空间距离为：同时，独立避雷针的集中接地体与变电站接地网之间的地中距离应为：两式中，为防雷电过电压的冲击接地电阻值，Ω；为防雷电反击的空间距离，m；为防雷电反击的地中距离，m；h为避雷针上用来校验反击的高度，m。（3）35KV变电站接地设计该35KV变电站主变压器容量2500kV·A，电压为35/10.5kV，中性点不接地，经消弧线圈接地。最大运行方式下，低压母线三相短路电流为4.25kA，单相短路电流为10.8kA。低压侧主保护动作时限为0.7s。变电站范围为长为50m,宽为40m。变电站电源进线为一回35KV架空线路，导线型号为LJ-95，3km长。电源变电站35KV母线最大运行方式下短路容量500MV·A，单相接地电容电流为15A。35kV出线继电保护动作时限为1.4s。功率因数要求不小于0.9。1.5m1.5m1.5m变压器室值班室工具间高压配电室低压配电室水平接地体及均压带；垂直接地体；接地线图3-1835/10.5KV变电站接地网示意图最热月平均温度27.9oC，最热月平均最高温度31.9oC，极端最高温度38.9oC，极端最低温度-9.4oC，最热月地下0.8m深处平均温度27.2oC，年平均雷电日数40日/年。土壤电阻率2×104Ω·cm，中等含水量，土壤热阻系数80oC·cm/W。接地设计步骤如下。①接地电阻要求值因为中性点不接地、经消弧线圈接地，仅供高压电气装置接地保护用时，要求，Ω②确定土壤电阻率考虑季节变化，土壤电阻率应乘以季节系数，所以最大电阻率为：Ω·cm③选择接地体及确定接地装置型式选角钢L50×50×5，长3.5m做垂直接地体；并选扁钢40mm×5mm做水平接地体，构成以垂直接地体为主的复式接地装置。接地装置在距变电站建筑物外墙1.5m处，呈环路闭合的长孔型布置，中间加一条均匀带。垂直接地体间距取6～7m，沿闭合环路垂直打入地中，上端用扁钢连接，扁钢埋地0.5～0.7m。高、低压配电装置角钢基础及变压器底部钢轨均通过不少于2根的接地线连接到接地装置上。变电站各室出入口敷设帽檐式均压带或铺设沥青路面（变电站无自然接地体）。④接地装置计算1）单根垂直接地体的接地电阻=68.72Ω2）初定垂直接地体根数，确定屏蔽系数因闭合接地装置的周长L=[(1.5×2+50)+(1.5×2+40)]×2=192m，接地体间距a=6～7m，故垂直接地体根数约为n`=L/a=32～27.5根实取n=30根按n=30及，查得⑤接地装置的接地线（即连接扁钢）热稳定性校验mm2实选接地线40×5=200mm2>Smin合格⑥防雷接地35KV变电站用独立避雷针,避雷针接地引下线埋在地中部分与配电装置构架的接地导体埋在地中部分在土壤中的距离大于3m,变电站电气装置的接地装置采用水平接地极为主的人工接地网,水平接地极采用扁钢50mm×5mm,垂直接地极采用角钢50mm×5mm,垂直接地极间距5m～6m,主接地网接地装置电阻不大于4Ω,主接地网埋于冻土层1m以下。人工接地网的外缘应闭合,外缘各角应做成圆弧形。5、接地网的腐蚀由于地网腐蚀引起的安全事故屡有发生,如接地引下线断开使高压运行设备处于无接地状态,地下主网腐蚀断裂使地网分割成几块,发生接地时使二次设备烧坏等。另外,由于地网属隐蔽工程,埋于地下后不易检查、修复等,因此,从设计的角度应加大对地网腐蚀的调查研究,以便有利于系统的安全运行。一般变电所的设计年限按25～30年考虑,但地网的实际安全寿命只有10～15年左右,与变电所的设计年限极不配套。加之,由于系统容量的增加,短路水平的提高,腐蚀后的地网更不能满足安全运行的要求。接地网的防腐设计接地网的材料一般为扁钢和圆钢,其腐蚀状态应根据变电所当地的腐蚀参数进行计算。但一般情况下其腐蚀参数很难测定。因此,在工程设计没有实际数据时(参见表1：接地线和接地体年平均最大腐蚀速度(总厚度)土壤电阻率(Ω.m)腐蚀速度(mm/a)扁钢圆钢热镀锌扁钢50—3000.2—0.10.3—0.20.065>3000.1—0.070.2—0.070.065)。在计算时,还应考虑不同敷设部位腐蚀情况不同的影响,可参考表2有关数据。（表2采用扁钢接地网的年腐蚀率接地网部位水平接地体设备引下线电缆沟中的接地带年腐蚀率mm/a(总厚度)0.1～0.120.2～0.30.47）。对于一般变电所地网的设计年限不应小于30年,对于重要枢纽变电站的地网寿命应按50年考虑。这两种情况都不大于规程规定的设计年限,但更接近于实际。关于地网材料的选用问题,常规选用扁钢和圆钢两种,相同截面的扁钢与圆钢与周围土壤介质的接触面不一致,扁钢约为50%左右,但由于其腐蚀机理不完全一致,腐蚀结果基本上一致。这从陕西电网和青海电网地网腐蚀调查中已得到确认,而且规程中也提供了不同的腐蚀数据。因此,关于接地材料选用扁钢还是圆钢没有很大差别。关于防腐的设计问题,一般应考虑在设计年限内,采用热镀锌材料。6、接地网敷设深度接地网敷设深度对最大接触系数的影响最大接触电势是地网设计中的一个重要参数,地网设计的问题之一就是如何降低地网的最大接触电势。地网的接触电势的最大接触系数Kjm与地网的埋深有如图2所示的关系。从图2可以看出,接地网的埋深由零开始增加时,其接触系数是减少的,但埋深超过一定范围后,Kjm又开始增大。这是因为地网图2最大接触系数Kjm和埋深h的关系曲线(接地网面积A=40×40m2,接地体直径d=0.01m,网孔个数n=400个)敷设深度的不同,在网孔中心地面上产生的电场强度的变化决定的,引起网孔中心地面与地网之间产生的电位差不同。当埋深增加到一定深度后,电流趋向于地层深处流动,地面上的电流密度越来越小,因而网孔中心地面与地网之间的电位差又开始增大,因此,规程中规定的敷设深度是合理的。敷设深度对接地电阻的影响目前所遇到的变电所一般都是处于季节性冻土地区。如按规程规定,将地网敷设在0.6m深度时,冬季将使地网处于冻土层中。由于土壤冻结后其电阻率将增大为原来的3倍以上,对地网接地电阻有一定的影响。目前采用的地网是以水平接地线为主边缘带有垂直接地极的复合型地网,冬季垂直接地极大部分伸于下层非冻结土壤中。此时土壤结构可以等效为两层电阻率不同的土壤结构。有研究表明,对于处于双层土壤介质中的垂直电极,其各部分的散流密度与周围介质的电阻率成反比,除了在电极尖端处,具有ρiJi=常数(其中Ji为处于电阻率为ρi土壤中的电极部分的散流密度)。此时,当电极有一部分进入下层土壤时,整个电极的散流电阻将主要取决于下层土壤。此时地网的接地电阻也将主要取决于地网的非冻结土壤。因此,在季节性冻土地区,采用这种带有垂直接地极的复合型地网是有很大的优点的,如果在冬季由于土壤的冻结,而对接地电阻没有很大的影响时,就没有必要把地网都埋于冻土层以下。将地网埋于冻土层以下,对地网的接地电阻来讲肯定是有利的。如果结合变电所基础的开挖敷设地网还可以,如果冻土深度为2m,如大武变电所等最大冻土深度为2.4m,单纯为地网敷设,将使工程开挖土方量大大增加,施工困难。工程造价也随之上升。规程中还规定,接地电阻应满足一年四季变化的要求,这在实际工程中很难做到,冬季土壤的冻结对接地电阻肯定有影响,但可通过其安全要求的各种因素进行综合比较,合理控制。因此,在工程设计中应合理的确定地网的埋设深度。7、关于接地引下线发生接地短路时,首先通过接地电流的就是设备接地引下线。接地线截面的热稳定校验根据热稳定条件,接地线的最小截面应符合下式要求:S≥Igt/c式中:S——接地线的最小截面mm2Ig——流过接地线的短路电流稳定值Ac——材料热稳定系数(钢c=70)t——短路等效持续时间s对于引下线可按上式校验,对于主网,考虑主网的分流作用,可按上式的0.7倍考虑。关于短路等效持续时间的取值问题,也是近年来引起争论的问题之一。t值取值的合理与否,对材料使用量有较大的影响。目前各类变电所保护配置不同,是否考虑主保护失灵,采用后备保护动作时间,以及主保护拒动与接地短路同时发生的概率等,都是值得探讨的问题。参照有关方面的规定及专题研究,建议对于100kV变电所,取t=1.0s。其次,主网的截面略小些也比较合理,这也是合理设计地网的一种措施。接地引下线设计应注意的几个问题：（1）接地引下线应就近入地,并以最短的距离与地中的主网相连。设备引下线不应与电缆沟中的通长扁钢连接,因其敷设于电缆沟内壁表面的混凝土上,不起散流作用。发生短路时,易造成局部电位升高,引起电缆绝缘破坏等。（2）带有二次回路的电气设备如CT、PT等,为减小接地引下线的阻抗,保证与主网可靠连接,应采用两根截面相同的,每根都能满足热稳定和腐蚀要求的接地线,在不同的部位与主网连接。（3）加强主控室及弱电系统与地网连接的可靠性。（4）不得使用钢筋混凝土电杆中