35KV变电站防雷接地保护设计

35KV变电站防雷接地保护设计 第1章 前言1.1课题的提出和意义 在现代社会里，电力已成为国民经济和人民生活必不可少的二次能源，它在现代工农业生产、人们日常生活及各个领域中已获得了广泛应用。离开了电力，要想实现人类社会的物质文明和精神文明是根本不可能的；供不好电力，要实现国家的现代化也是办不到的。我国城乡各行各业广泛使用的电力，绝大部分由电网供给，所以，“电业事故是国民经济的一大灾难”。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。防雷接地技术不仅是电气安全工程技术的一方面，更是电气安全工作的重中之重。变电站是电力系统的心脏和枢纽，一旦遭受雷击，引起变压器等重要电气设备绝缘毁坏，不但修复困难，而且造成大面积、长时间停电，必然给国民经济带来严重损失，跟人民生活带来诸多不便。因此，变电站的防雷接地保护技术必须十分可靠。由于我国农村变电站大多建于旷野开阔的偏僻地区，附近高层建筑较少，是雷电的多发区，加之农村变电站一般是110KV以下的小型变电站，对变电站设计重视不够，考虑问题不尽全面，造成农村变电站成为易受雷击的“重灾区”。近年来在农村变电站中多次发生因雷电而造成设备破坏、爆炸甚至引起“火烧连营”的事故：例如，2004年8月6日，某35KV变电站在雷电活动时造成该综合自动化插件损坏，并使35KV开关误动；2002年7月20日，某110KV变电站遭受雷击，高压设备安然无恙，该站保护装置电源模块损坏；2001年8月2日，某山区35KV变电站遭雷击，导致35KV母线避雷器爆炸，进线也有多处放电痕迹。像此类变电站遭受雷击例子还有很多，因此很有必要对农村变电站在目前防雷接地保护措施上，进行更系统化的防雷接地保护设计。本论文就以农村某35KV变电站为对象，对其进行防雷接地保护的设计。1.2国内外研究现状长期以来，国内外学者在雷电活动规律、雷击线路物理过程方面做了大量的研究工作，建立起较为完善的输电线路防雷理论体系。雷电流幅值、波形、地闪密度以及线路落雷次数对于分析线路防雷性能极为重要。上世纪70年代中期发展起来的基于磁场定位和时差定位原理的雷电定位系统，使雷电测量更为准确和及时。目前，雷电定位系统组成的雷电监测网络已在我国和北美、日本、韩国、欧洲等世界许多国家得到运用，它能帮助电力部门实现故障定位、分类、准确计算地面落雷密度等雷电参数，但雷电数据分散性较大，需要长期统计雷电数据。但总体上变电站的防雷安全形势不容乐观，主要表现在：一是社会公众防雷安全意识不强,对雷电灾害的危害性认识不够,存在侥幸心理；二是随着社会经济的发展,雷电灾害的危害途径增多,防雷安全理念已发生巨大变化,不仅要有传统的防御直击雷,还要防感应雷的新时代,而许多措施仍然停留在传统的防雷阶段。1.3本课题的主要工作1.3.1研究目标本课题是针对我国农村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，具有一定广泛性。1.3.2主要研究内容1、对雷电的产生、参数、危害等做到一个系统化了解掌握；学习各种用于变电站的防雷装置，包括避雷针、避雷线、避雷器等，它们的原理、作用以及保护范围。2、采用各种相应的防雷装置，结合变电站实际情况，实现对变电站直击雷防护和雷电侵入波防护的设计。3、了解基本接地常识，结合变电站基本情况，实现对变电站的接地保护设计。1.4变电站防雷接地国家相关标准变电站是保证国民经济生产所需电能的供应中心，是要害部门，一旦遭受雷击破坏，其后果相当严重。故应按国家第一类建筑物标准作防雷保护。1、应装设独立避雷针或架空避雷线(网)，使被保护的建筑物及风帽、放散管等突出屋面的物体均处于接闪器的保护范围内。架空避雷网的网格尺寸不应大于5m5m或6m4m。2、独立避雷针的杆塔、架空避雷线的端部和架空避雷网的各支柱处应至少设一根引下线。对用金属制成或有焊接、绑扎连接钢筋网的杆塔、支柱，宜利用其作为引下线 3、独立避雷针和架空避雷线(网)的支柱及其接地装置至被保护建筑物及与其有联系的管道、电缆等金属物之间的距离，应符合下列表达式的要求，但不得小于3m： 1、地上部分：当hx5Ri时，Sa10.4(Ri+0.1hx) 当hx5Ri时，Sa10.1(Ri+hx) 2、地下部分：Se0.4Ri 式中 Sa1空气中距离(m)；Se1地中距离(m)； Ri独立避雷针或架空避雷线(网)支柱处接地装置的冲击接地电阻()； Hx被保护物或计算点的高度(m)。 4、独立避雷针、架空避雷线或架空避雷网应有独立的接地装置，每一引下线的冲击接地电阻不宜大于10。在土壤电阻率高的地区，可适当增大冲击接地电阻。 5、建筑物内的设备、管道、构架、电缆金属外皮、钢屋架、钢窗等较大金属物和突出屋面的放散管、风管等金属物，均应接到防雷电感应的接地装置上。金属屋面周边每隔1824m应采用引下线接地一次。 6、平行敷设的管道、构架和电缆金属外皮等长金属物，其净距小于100mm时应采用金属线跨接，跨接点的间距不应大于30m；交叉净距小于100mm时，其交叉处亦应跨接。当长金属物的弯头、阀门、法兰盘等连接处的过渡电阻大于0.03时，连接处应用金属线跨接。对有不少于5根螺栓连接的法兰盘，在非腐蚀环境下，可不跨接。 7、防雷电感应的接地装置应和电气设备接地装置共用，其工频接地电阻不应大于10。屋内接地干线与防雷电感应接地装置的连接，不应少于两处。 8、低压线路宜全线采用电缆直接埋地敷设，在入户端应将电缆的金属外皮、钢管接到防雷电感应的接地装置上。当全线采用电缆有困难时，可采用钢筋混凝土杆和铁横担的架空线，并应使用一段金属铠装电缆或护套电缆穿钢管直接埋地引人，其埋地长度应符合下列表达式的要求，但不应小于15m：在电缆与架空线连接处，尚应装设避雷器。避雷器、电缆金属外皮、钢管和绝缘子铁脚、金具等应连在一起接地，其冲击接地电阻不应大于10。 9、架空金属管造，在进出建筑物处，应与防雷电感应的接地装置相连。距离建筑物100m内的管道，应每隔25m左右接地一次，其冲击接地电阻不应大于20，并宜利用金属支架或钢筋混凝土支架的焊接、绑扎钢筋网作为引下线，其钢筋混凝土基础宜作为接地装置。1.5本论文涉及的35KV变电站1.5.1变电站的概况 此变电站为降压变电站与我国大多数农村变电站相似，建在视野开阔的偏僻地区，附近无高层建筑。占地面积长为50m,宽为40m。变电站最高点为20m，且当地平均雷电日为40。有三种规格的变压，分别为35/10.5KV（主变压器）、35/0.4KV与10.5/0.4KV的形式。1.5.2变电站相关参数 表1-1 35KV变电站相关参数 名称 型号规格 单位 容量（KVA） 数量 变压器 （主）KV Y/-11 台2500 1 变压器 KV Y/Y0-12 台50 1 变压器KV Y/Y0-12 台30 1 氧化锌 避雷器Y5WZ-42/135G 只 3 电压互 感器JDJ2-35 35/0.1KV 只 11.5.3变电站电气主接线图 图1-1 35KV变电站电气接线图 第2章 雷电与防雷装置2.1雷电2.1.1雷电及其放电过程雷电是一种恐怖而又壮观的自然现象，这不仅在于它那划破长空的耀目闪电和令人震耳欲聋的雷鸣，重要的是它给人类生活带来巨大的影响。且不说雷电促成有机物质的合成可能在地球生命起源中占有一定的地位，以及雷电引起的森林火灾可能启发了远古人类对火的发现和利用；仅在现代生活中，雷电威胁人类的生命安全，常使航空、通讯、电力、建筑等许多部门遭受破坏，就一直引起人们对于雷电活动及其防护问题的关注。雷电放电是一种气体放电现象，由其引起的过电压，叫做大气过电压。它可以分为直击雷过电压和感应雷过电压两种基本形式。雷电放电是由于带电荷的雷云引起的。雷云带电原因的解释很多，但还没有获得比较满意的一致的认识。一般认为雷云是在有利的大气和大地条件下，由强大的潮湿的热气流不断上升，进入稀薄的大气层冷凝的结果。强烈的上升气流穿过云层，水滴被撞分裂带电，轻微的水沫带负电，被风吹得较高，形成一些局部带正电的区域。雷云的底部大多数是带负电，它在地面上会感应出大量的正电荷。这样，在带有大量不同极性或不同数量电荷的雷云之间，或者雷云和大地之间形成了强大的电场，其电位差可达数兆伏甚至数十兆伏。随着雷云的发展和运动，一旦空间电场强度超过了大气游离放电的临界电场强度（大气中约30kV/cm，有水滴存在时约10kV/cm）时，就会发生云间或对大地的火花放电；放出几十乃至几百安的电流；产生强烈的光和热（放电通道温度高达15000至20000），使空气急剧膨胀振动，发生霹雳轰鸣。这就是闪电伴随雷鸣，叫做雷电之故。大多数雷电发生在雷云之间，它对地面没有什么直接影响。雷云对大地的放电虽然只占少数，但是一旦发生就有可能带来严重的危险。这正是我们主要关心的问题。实测表明，对地放电的雷云绝大多数带负电荷，根据放电雷云的极性来定义，此时雷电流的极性也为负电荷。雷云中的负电荷逐渐积聚，同时在附近地面上感应出正电荷。当雷云与大地之间局部电场强度超过大气游离临界场强时，就开始有局部放电通道自雷云边缘向大地发展。这一放电阶段称为先导放电。先导放电通道具有导电性，因此雷云中的负电荷沿通道分布，并继续向地面延伸，地面上的感应正电荷也逐渐增多，先导通道发展临近地面时，由于局部空间电场强度的增加，常在地面突起处出现正电荷的先导放电向天空发展，称为迎面先导。当先导通道到达地面或者与迎面先导相遇以后，就在通道端部因大气强烈游离而产生高密度的等离子区，此区域自下而上迅速传播，形成一条高导电率的等离子通道，使先导通道以及雷云中的负电荷与大地的正电荷迅速中和，这就是主放电过程。与先导放电和主放电对应的电流变化同时表示时，先导放电发展的平均速度较低，约1.5105m/s，表现出的电流不大，约为数百安。由于主放电的发展速度很高，约为21071.5108m/s，所以出现甚强的脉冲电流，可达几十乃至二、三百千安。以上描述的是雷云负电荷向下对地放电的基本过程，可称为下行负闪电。在地面高耸的突起处（如尖塔或山顶），也可能出现从地面开始的上行正先导向云中的负电荷区域发展的放电，称为上行负闪电。与上面的情况类似，带正电荷的雷云对地放电，也可能是下行正闪电，或上行正闪电。雷电观测表明，先导放电不是一次贯通全部空间，而是间歇性的脉冲发展过程，称为分级先导。每次间隙时间大约几十微秒。而且，人们眼睛观察到的一次闪电，实际上往往包含多次先导-主放电的重复过程，一般为23次，最多可达40多次。发生多重雷电放电的原因可作如下解释。雷云是一块大介质，电荷在其内部不容易运动，因此如前所述，在雷云积聚电荷的过程中，就可能形成若干个密度较高的电荷中心。第一次先导主放电冲击，主要是泄放第一个电荷中心及其已传播到先导通道中的负电荷，这时第一次冲击放电过程虽已结束，但是雷云内两个电荷中心之间的流注放电已开始，由于主放电通道仍然保持着高于周围大气的导电率，由第二个及多个电荷中心发展起来的先导主放电以更快的速度沿着先前的放电通道发展，这就出现了多次重复的冲击放电。实际观测表明，第二次及以后的冲击放电的先导阶段发展时间较短，没有分叉。观测还表明，第一次冲击放电的电流幅值最高，第二次及以后的电流幅值都比较低，但对GIS变电站的运行可能造成一定程度的危险；而且它们增加了雷云放电的总持续时间，对电力系统的运行同样会带来不利的影响。带有大量电荷的雷云（实测表明多为负极性），在其周围的电场强度达到使空气绝缘破坏的程度（约2530kV/cm），空气开始游离，形成导电性的通道，通道从云中带电中心向地面发展。在先导通道发展的初级阶段，其方向受偶然的因素影响而不定。但当距离地面达某一高度时，先导通道的头部至地面某一感应电荷的电场强度超过了其它方向，先导通道大致沿其头部至感应电荷的集中点的方向连续发展，至此放电发展才有方向。如果配电网中的线路或设备遭受雷击时，将通过很大的电流，产生的过电压称为直击雷过电压。带有负电荷的雷云接近输电线路时，强大的电场在导线上产生静电感应。由于带有负电荷雷云的存在，束缚着导线上的正电荷。当雷云对导线附近地面物体放电后，雷云电荷被中和而失去对导线上电荷的束缚作用，电荷便向导线两侧流动，由此而产生的过电压称为感应过电压，其能量很大，对供电设备的危害也很大。2.1.2雷电参数 雷电参数是雷电过电压计算和防雷设计的基础，参数变化，计算结果随之而变。目前采用的参数是建立在现有雷电观测数据的基础上的，这些参数是：1、雷电日 为了统计雷电的活动频繁度，采用雷电日为单位。在一天内只要听到雷声就算一个雷电日。每年的雪电日数相差较大，故采用的是多年平均值。我国的平均雷电日分布图可查阅电力设备过电压保护设计技术规程。 我国各地雷电日的多少和该地的纬度及距海洋的远近有关。海南省及雷州半岛雷电活动频繁而强烈，平均年雷电日高达100133，北纬23.6度以南，一般在80以上，北纬23.5度到长江一带约4080，长江以北大部分地区(包括东北)多在2044。西北多数地区在24以下。我国把平均雷电日不超过15的叫少雷区，4090的叫多雷区，超过90的叫强雷区。在防雷设计中，要根据雷电日的多少因地制宜。2、 雷电流的波形和极性 实测结果表明，雷电流是单极性的脉冲波，这与前述雷电放电过程的原理解释是一致的。许多雷电流波形都是在峰值附近出现明显的双峰，波尾部分也有不太大的隆起。根据国内外的实测统计，75%90%的雷电流是负极性的。因此电气设备的防雷保护和绝缘配合通常都是取负极性的雷电冲击波进行研究分析。3、雷电流的幅值、波头、波长和陡度 对于脉冲波形的雷电流，需要三个主要参数来表征。这三个参数为:幅值、波头和波长。幅值是指脉冲电流所达到的最高值;波头是指电流上升到幅值的时间;波长是指脉冲电流的持续时间。 幅值和波头又决定了雷电流随时间上升的变化率，称为雷电流的陡度。雷电流陡度对过电压有直接影响，也是常用的一个重要参数。（1）雷电流幅值的概率分布我国现行标准推荐按下式计算 (2-1) 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： (2-2) （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1s5s的范围内，平均2s2.5s。我国在防雷保护设计中建议采用2.6s的波头长度。 至于雷电流的波长，实测表明在20s100s范围之内，平均约为50s,大于50s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2.6/50s。 (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2.6s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： (2-3)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。4、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2-1所示。tT1iI0.5I 0tT1iI0tT2T1iI0.5I 0 (a)标准冲击波形 (b)等值斜角波头 (c)等值半余弦波头 图2-1 雷电流的等值波形图2-1(a)标准波形，它是由双指数公式所表示的波形 （2-4）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1.2/50s。图2-2-1（b）为斜角平顶波，其陡度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10s以内的各种波过程，有很好的等值性。图2-2-1（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： （2-5）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。 5、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300左右。6、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: （2-6）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： （2-7） 对的地区，按我国标准取值。2.1.3雷击过电压产生的机理 云对地放电的实质是雷云电荷向大地的突然释放。尽管雷云有很高的初始电位(估可达几百兆伏)，可能使大气击穿，形成先导主放电，但是地而被击物体的电位并不取决于这一初始电位，而是取决于雷电流与被击物体阻抗的乘积(被击物体阻抗是指被击点与大地零电位参考点之间的阻抗)。所以，从电源的性质看，这相当于一个电流源的作用过程。 雷电放电的物理过程虽然是很复杂的，但是从地而感受到的实际效果和防雷保护的工程角度，还是可以把它看成是一个沿着一条固定波阻抗的雷电通道向地而传播的电磁波过程，据此建立计算模型。 在雷电放电过程中，人们能够测知的电量，主要是雷击地而时流过被击物体的电流i，然后再根据计算模型反推出雷电波的参数。如图2-2的雷电流源等值电路，有:ZZ0i=2i0雷击流源被击电路 图2-2雷电流等值电路 （2-8） 显然i与Z有关。当Z=Z0时，恰好i=i0，这种巧合实际上是不可能的；当Z=0时，i=2i0，事实上Z又不可能为零；但若ZZ0，仍可测得。在雷电流的实际测量中，一般都能满足条件ZZ0，例如，Z0估计为300,即可。所以国际上都习惯把雷击低于接地阻抗(或ZZ0。)物体时，流过该物体的电流定义为雷电流。应当特别注意的是:定义中的雷电流i恰好等于沿雷电通道传播而来的雷电流波的两倍。因而在防雷保护计算的彼德逊等值电路中，如图2-1-3所示，等值雷电流源通常就直接用雷电流来表示。2.2防雷装置2.2.1避雷针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12m长的一段镀锌圆钢或焊接钢管。圆钢直径应大于1216mm；钢管直径应大于2025mm。通过接闪器和雷云发生闪络放电。 （2）支持构架 高度在1520m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812mm；扁钢截面不得小于12mm4mm。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L50505，长2.5m的角钢和截面为4mm25mm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2-3所示。hx450.75hh/2hahAB1.5hhx水平面上保护范围的截面rx 图2-3 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， （2-9） 当时， （2-10）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。（2） 两根等高避雷针的保护范围 如图2-4所示。bxhxD/7ph0bxbxrx1.5hDh/2R0rxhahxh12hx水平面上保护范围的截面h01.5h0O-O 截面 图2-4 两根等高避雷针的保护范围 图2-4 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： （2-11） （2-12） 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。2.2.2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2-5所示。 hhh/2hhahx250 图2-5 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， （2-13）当时， （2-14） （2）两条平行架设的避雷线的保护范围 hDhrxh/2hxha R0 1 D/4p 2 图2-6 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： （2-15）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。2.2.3避雷器 避雷器是用来限制沿线路侵入的雷电压（或因操作引起的内过电压）的一种保护设备。避雷器的连接如图2-7所示： 被保护 设备避雷器过电压波线路 图2-7 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。（1） 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2-8所示 ut123 图2-8 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。（2） 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2-9所示： uu1u2tSiC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 2-9 氧化锌避雷器的保护效果 第3章 变电站直击雷的防护3.1变电站直击雷防护概述 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。3.2建、构筑物年预计年雷击次数 3.2.1年预计雷击次数计算公式 建、构筑物年预计雷击次数N计算如下式 （3-1） 其中，当H100m时 （3-2） 当H100m时 （3-3） 式中，为与建筑物接收相同雷击次数的等效面积，km2；为当地年平均雷电日数；为建筑物所在地区雷击大地年平均密度，单位次/(km)2 a；L、W、H为建筑物的长、宽及最高点，m；k为校正系数，位于旷野的孤立建筑物取2，金属屋面的砖木结构建筑物取1.7，位于河边、湖边、山坡下或山地中土壤电阻率较小处、地下水露头处、土山顶处、山谷风口处的建筑物及特别潮湿的建筑物取1.5，除此之外一般取1即可。3.2.2 35KV变电站年预计雷击次数N 由于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 =0.024104 k=1；Td=40；=401.3=120.97 故 N=0.0241120.970.0241=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。3.3反击3.3.1反击的产生 21hGiSkSdAL 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。3.3.2反击的防止 图3-1 雷击独立避雷针时的高电位分析如图3-3-2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： （3-4） （3-5） 式中，i为雷电流，kA，幅值取150kA，斜角波长2.6s；Rch为独立避雷针辅助接地装置的冲击接地电阻，；L为A点到地面，接地引下线h长度上的电感,H,可取L0=1.6H/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： （3-6） 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： （3-7） 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： （3-8） （3-9） 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500m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。 3.4 35KV变电站直击雷防护的避雷针设计 变电站所处地区土壤电阻率2102m，虽然不大于500m，但由于是35KV电压级的配电装置，故不宜采用构架式避雷针。3.4.1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3-2所示。 10.5KV母线架 变配电装置 35KV母线架门型框架 50m 60m避雷针1避雷针220m20m 图3-2 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。（1） 在避雷针1或2的一侧按单避雷针来计算 显然有 hxh/2 且要m ，故m。（2） 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1216mm的圆钢，引下线选截面12mm4mm扁钢。接闪器和引下线要做防腐处理。 3.4.2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3-3所示。 避雷针1避雷针2避雷针3避雷针42m 10.5KV母线架 变配电装置 35KV母线架门型框架 50m 60m2m 图3-3 四等高避雷针的位置图（1）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=60m h0=40-60/(70.79)=29.2m bx=1.5(29.2-20)=13.8m （2）35KV侧，3号和4号之间，选用40m高的避雷针即h=40m,hx=15m。 显然 hxh/2 故3号4号单根保护半径rx为： =（1.540-215）0.79 =23.7m 两等高避雷针针联合保护范围 D34=60m h0=40-60/(70.79)=29.2m bx=1.5(29.2-15)=21.3m （3）35KV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 hxh/2 故2号4号单根保护半径rx为： =（1.540-215）0.79 =23.7m 两等高避雷针针联合保护范围 D24=36m h0=40-36/(70.79)=33.5m bx=1.5(33.5-15)=27.8m （4）35KV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=4 1 25 40 50 55 2(全线) 50 75 90 105 10.5KV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4-2的数据 表4-2 进线数与的关系 雷季经常运行的进线数 1 2 3 =4 最大电气距离（m） 15 23 27 40 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。4.3变电站的进线段雷电防护设计4.3.1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12km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12km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。4.3.2进线保护段接线设计 图4-2 35KV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4-2设计。方案中架设12km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10。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。QFTFZGB2或JXGB1或JX150200m150200m QFTFZJX150200