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题 目： 变电站防雷接地技术

内容摘要

变电所是电力系统的重要组成部分，因此它是防雷的重要保护部位。其中，变电站防雷接地系统的合理与否是直接关系到人身和设备安全的重要问题。随着变电站规模的不断扩大，其接地系统的设计越来越复杂。因而接地问题必须受到充分的重视。本论就针对此问题做出了一定的研究。
本文首先介绍了雷电的基本知识，然后分析了变电站防雷的基本方法，给出了变电站防雷接地的基本方法和原则。最后，本文结合同口变电站，分析了该变电站防雷接地系统的基本工作情况。

关键词：变电所；防雷接地；接地电阻

目 录

内容摘要 I
1 绪论 1
1.1 课题研究的意义 1
1.2 变电站防雷接地的研究背景 1
1.3 本次论文的主要工作 2
2 变电站的防雷保护 3
2.1 变电站的直击雷保护 3
2.2 变电站的侵入波保护 4
2.3 变电站的进线段保护 5
2.4 避雷针与避雷线的保护范围的计算 6
2.5浪涌保护 8
3 变电站的防雷接地 9
3.1 接地概述 9
3.2 接地电阻 9
3.3 变电所接地装置 10
3.4 变电站的接地原则 11
3.5 降低变电所接地装置工频接地电阻的措施 11
3.5.1 影响接地电阻的因素 11
3.5.2 降低接地电阻的方法 12
4 变电所防雷接地设计实例 14
4.1 变电所的规模 14
4.2 变电所位置的自然条件 14
4.3 避雷针的设置及防雷保护校验 14
4.4 接地装置的设置 16
5 结论 17
参考文献 18
附 录 19

1 绪论
1.1 课题研究的意义
雷电一直是影响电力系统安全稳定运行的重要原因，对于处在雷电频发地区的电力设备来说，防雷保护就显得至关重要。我国是雷电活动十分频繁的国家，全国有21个省会城市雷暴日都在50天以上，最多可达134天。据不完全统计，我国每年因雷击造成人员伤亡达3000~4000人，损失财产50~100亿元人民币。随着社会经济发展和现代化水平的提高，特别是信息技术的快速发展，雷电灾害程度和造成的经济损失及社会影响也越来越大。【1】
变电站是电力系统防雷的重要保护设施，如果发生雷击事故，将造成大面积的停电，严重影响社会生产和人民生活。为保证电力系统的安全运行，电力系统应根据被保护物的重要性和危险程度的不同，对于直接雷、雷电感应、雷电侵入波应采取相应的防雷保护措施。因此要求变电站的防雷保护措施必须十分可靠。
1.2 变电站防雷接地的研究背景
科学技术不断发展，避雷器制造水平得到了很大的提高，金属氧化物避雷器被广泛推广使用，使得对变电站中一次部分的雷电过电压的保护得到了保证。另一方面，大规模、高精度集成模块制成的微电子为主要元件的控制、保护、信号、通信、监控等设备在电力系统中的使用也越来越广泛，特别是在一些大型发变电站中，即使在采样和计量系统中也普遍采用，它们大大提升了电力系统自动控制水平。相对其应用程度来说，与这些高精度的二次设备的保护研究并没有得到相应的重视。当变电站遭遇雷击时，一次系统的雷电过电压将通过避雷针、避雷器等设备导入地网之中，从而保护一次设备。常规电磁保护的装置单元多为单元件的电阻、电感和电容等，耐热容量大，对尖峰脉冲的耐受能力也比较强，所以能承受高能的雷电暂态冲击，但对于运行电压只有几伏，信号电流只有微安级的二次设备来说，就不一定经受的住。怎样才能使这些微电子设备在恶劣的雷电环境下正常运行，是亟待解决的问题。
近年来氧化锌避雷器的飞速发展。在变电站接地技术上取得了一些重大的突破，在电力系统绝缘配合上日趋完善，特别是最近几年城乡电网改造对防雷设施也进行了重点改造，电网的耐雷水平有了很大的提高。但是我国对电力系统的防雷保护，主要集中在一次设备，对二次设备的防雷保护措施研究较少；按照防护范围来说，主要是外部防护，对内部防护研究较少。
综上可以看出，大部分文献论述的重点都集中在变电站电磁兼容环境及其算法的研究。针对整个变电站遭受雷击时，整个系统中各控制、信号、通讯电力设备应采取何种具体措施降低其雷电过电压，以达到保护设备正常运行，减少损失之目的研究并不多。所以本文就主要对变电站的防雷接地保护进行研究。【2】
1.3 本次论文的主要工作
本文选保定同口变电站作为设计对象，分析该变电站的防雷接地设计。本次论文主要研究同口变电站的防雷接地部分的设计。
本文第一章介绍了变电所防雷接地的研究意义和研究背景，主要介绍了避雷装置的研究现状和防雷接地的研究方向。第二章首先介绍了雷电的基本知识，然后介绍了变电站防雷的基本方法。第三章介绍了防雷接地的基本方法。最后一章结合同口变电站，分析了该变电站防雷装置的基本情况。

2 变电站的防雷保护
雷电干扰对变电站安全稳定运行的影响是相当大的。为找到有效的防护措施，彻底防止雷击干扰事故的发生，应从根源上进行研究。本章首先介绍雷电形成的原理。
雷电是雷云层接近大地时，地面感应出相反电荷，当电荷积聚到一定程度，产生云和云之间以及云和大地之间放电，迸发出光和声的现象。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，通常情况下变电站雷击有两种情况：一是雷直击于变电站的设备上，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站。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。
（3）雷电侵入波。
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站，是导致变电站雷害的主要原因，若不采取防护措施，势必造成变电站电气设备绝缘损坏，引发事故。
防雷措施总体概括为2种:
①避免雷电波的进入；
②利用保护装置将雷电波引入接地网。
防雷保护措施应根据现场常见的雷击形式、频率、强度以及被保护设施的重要性、特点安装适宜的保护装置。
2.1 变电站的直击雷保护
直接雷保护的主要措施是安装避雷针。
避雷针和避雷线这两种装置都是通过拦截措施，改变雷电波的入地路径，从而起到直击雷保护的作用。小变电所多采用独立避雷针，大变电所多在变电站构架上采用避雷针或避雷线。也或者可以两者相结合。
安装避雷针时应该注意以下问题：
①反击问题：当雷电流通过引下线和接地装置入地时，会在接地引下线和接地电阻上形成很高的电位升高，当避雷针和被保护物间的空气间隙Sa不够大时，避雷针上的高电位可击穿空气间隙而将高电位传递到被保护物上称为反击，同样当避雷针的接地装置和被保护物接地装置间的距离Se不够大时，高电位可击穿土壤反击到被保护物的接地装置上。一般：Sa不应小于5m；Se不应小于3m。
②关于接触电压和跨步电压的问题：当雷击避雷针或杆塔时，如果有人站在地面上而手去接触塔什塔身或引下线时，作用在人的手和脚间的电压（称为接触电压）。又由于雷电流在地中扩散时会在地面沿半径各点形成不同的电位，当人在附近行走时，人的两脚间将会有电压作用（称为跨步电压）根据计算：r=7.7m内都有可能有跨步电压危及的可能。一般规定“避雷针及其接地装置与道路或出入口的距离不宜小于3m”，即使如此，这一要求仍不满足要求。
③关于高电位引入的问题：如果在避雷针的杆塔上有低压线或通信线，则将沿这些线路传入相应的低压设备或通信设施，造成雷击。
④关于感应的问题：当雷击避雷针而使针体电位抬高时，在针体附近有限长的孤立导体上将出现静电感应过电压。
⑤主控楼、主控室或是网络控制楼和室内配电装置的保护，如果屋顶有金属结构或是屋顶是金属做的时，要将金属部分接地；如果屋顶是钢筋混凝土结构的，则要将钢筋焊接成网并接地；如果屋顶的结构是非导电的时候，采用避雷保护，可以在屋顶设置8m~10m 左右的金属网，并且避雷带网络设引下线接地。
⑥安装避雷针时，应该注意让设备的接地点离避雷针接地引线的入地点要尽可能的远，并且避雷针的接地引下线离电气设备也要要尽可能的远；同时，上述接地应该和总线地网相连，并且加装集中接地装置，其工频接地电阻应该大于10Ω。【3】
2.2 变电站的侵入波保护
\
2.3 变电站的进线段保护
2.4 避雷针与避雷线的保护范围的计算
雷击只能通过拦截导引措施改变其入地路径。接闪器有避雷针、避雷线。小变电所大多采用独立避雷针，大变电所大多在变电所架构上采用避雷针或避雷线，或两者结合，对引流线和接地装置都有严格的要求。
其基本原理是：利用尖端放电的原理，当雷云使地面电场畸变，在针顶端形成局部场强集中区以影响先导放电的发展方向，使雷云对其放电并将雷电流泄入地中，保护附近电力设备和建筑物。
2.4.1 避雷针保护范围
一、首先介绍单根避雷针的保护范围。

图1 避雷针保护范围
如图所示，当位于半高以上(hx≥h/2)：

当位于半高以下(hx＜h/2)：

其中，h—针高，hx—被保护物高，p—h≤30m，p＝1；30m＜h≤120m，
从h越高，修正系数p越小可知：为了增大避雷针的保护范围，单靠提高其高度是不合适的；合适的办法是采用多支避雷针作联合保护。
二、两等高避雷针保护范围

图2 两等高避雷针保护范围
由图可以看出：
外侧：保护范围仍按单针计算方法确定。
斜间：h0=h-D/7P
其中h0—两针间保护范围上部边缘最低点高度（m）
两针间hx平面上保护范围一侧最小宽度bx：bx=1.5(h0-hx)【5】
2.4.2 避雷线保护范围
避雷线原理与避雷针相同，主要用于输电线路保护，也可用来保护发电厂和变电所，近年来许多国家都采用避雷线保护500kV大型超高压变电所。
单根避雷线的保护范围：

图3 单根避雷线保护范围
如图所示：
当hx≥h/2时：

当hx＜h/2时：

其中各参数定义与避雷针相似。

2.5浪涌保护

3 变电站的防雷接地
接地装置的设计对于电力系统的安全运行至关重要。
变电站接地系统的合理与否是直接关系到人身和设备安全的重要问题。随着电力系统规模的不断扩大，接地系统的设计越来越复杂。变电站接地包含工作接地、保护接地、雷电保护接地。工作接地即为电力系统电气装置中，为运行需要所设的接地；保护接地即为电气装置的金属外壳、配电装置的构架和线路杆塔等，由于绝缘损坏有可能带电，为防止其危及人身和设备的安全而设的接地；雷电保护接地即为为雷电保护装置向大地泄放雷电流而设的接地。变电站接地网安全除了对接地阻抗有要求外，还对地网的结构、使用寿命、跨步电位差、接触电位差、转移电位危害等提出了较高的要求。【6】
3.1 接地概述
3.2 接地电阻及其对接地电阻的要求
接地电阻就是电流由接地装置流入大地再经大地流向另一接地体或向远处扩散所遇到的电阻，它包括接地线和接地体本身的电阻、接地体与大地的电阻之间的接触电阻以及两接地体之间大地的电阻或接地体到无限大远处的大地电阻。
接地电阻值是衡量接地系统好坏的主要标准之一，接地网形式、土壤结构、土壤电阻率对接地电阻有着显著的影响。由于各种原因影响，会出现接地系统不满足设计要求、施工量大等不利情况，我国就曾发生过多起由于接地系统未达到要求所导致的事故。所以在进行接地系统施工前，需对输电线路、变电站的接地系统进行合理、准确的设计，以保障其接地效果，并最大限度的减少施工量和施工难度。
根据GB50057-1994规定，对于1kV以上的小接地电流系统，公共接地装置的接地电阻应满足以下条件:
式中的计算可根据下列经验公式计算:
式中，为电网的额定电压，单位kV；为与侧有电联系的架空线路长度，单位为km；为与侧有电联系的电缆线路长度，单位为km。
1. 总降压变电所公共接地装置的接地电阻计算:
2.
因此总降压变电所公共接地装置的接地电阻可选为2. 车间变电所I公共接地装置的接地电阻计算:因此变电所公共接地装置的接地电阻可选为3.3 变电所接地装置
接地装置由水平接地体和垂直接地体组成，接地体的截面应经热稳定校验, 计及材料的腐蚀程度，并考虑一定裕度后确定。一般变电站水平接地体选用40 m m ×5mm扁钢, 垂直接地体选用L50m m ×5mm角钢,具体的设计原则可归纳总结如下:(1)避雷针接地装置与道路或出入口等的距离不应小于3m,否则应采取措施,铺设砾石或砾青地面；(2)独立避雷针的接地装置与主接地网的距离不应小于3m 。接地电阻值不应大于10Ω，当实际接地电阻大于上述值时, 可采取加钻深孔或将接地带引至围墙外敷设一小接地网;(3)主接地网的接地电阻值应不大于4Ω，当实际接地电阻值大于上述值时，采取加钻深孔或将接地带引至围墙外敷设一小接地网;(4)接地装置埋深度为0.6m为宜,接地网的外缘须闭合,外缘各角应做成圆弧型,圆弧半径应大于5m,回田土取土壤电阻率低的田园土,预留好引线,以备设备接地,扁钢搭接长度大于宽度的2倍;(5)电缆沟支架与水平接地体连通;(6)各种电气设备外壳、构架支架均须可靠接地;(7)接地网应与土建基础钢筋连接。
以下给出设计步骤：（以同口变电所为例）【7】
1.总降压变电所接地装置的设计
①现初步考虑采用直径50mm、长2.5m的镀锌钢管接地体，围绕变电所建筑四周，距变电所墙角2～3m，垂直打入地下，管间距5m，管顶距离地面0.6m， 管间用40mm×4mm的镀锌扁钢焊接。
②根据地质水文资料，经查相关资料得砂质粘土土质的电阻率为，则单根钢管的接地电阻

式中，为钢管接地体的长度，单位为m。
③确定接地钢管数和最终接地方案
根据，考虑到管子之间的电流屏蔽效应，初选6根直径50mm、长2.5m的钢管作接地体。以和（a为钢管的管间距，单位为m）查有关资料可得（为多根接地体并联时的利用系数）。利用逐步渐进法求得

因此可选择6根直径50mm、长2.5m的镀锌钢管作接地体，用40mm×4mm的镀锌扁钢焊接，环形布置。
2. 车间变电所接地装置的设计

3.4 变电站的接地原则
3.5 降低变电所接地装置工频接地电阻的措施
3.5.1 影响接地电阻的因素
下面首先介绍一些影响接地电阻的主要因素：
1. 接地引线电阻，是指由接地体至设备接地母线间引线本身的电阻，其阻值与引线的几何尺寸和材质有关。
2. 接地体本身的电阻，其电阻也与接地体的几何尺寸和材质有关。
3. 接地体表面与土壤的接触电阻，其阻值怀土壤的性质、颗粒、含水量及土壤与接地体的接触面积及接触紧密程度有关。
4. 从接地体开始向远处（20米）扩散电流所经过的路径土壤电阻，即散流电阻。决定散流电阻的主要因素是土壤的含水量。
5. 垂直接地体的最佳埋置深度是指能使散流电阻尽可能不而又易于达到的埋置深度。决定垂直接地体的最佳深度，应考虑到三维地网的因素，所谓三维地网，是指垂直接地体的埋置深度与接地网的等值半径处于同一数量级的接地网。
6. 接地体的通常设计，是用多根垂直接地体打入地中，并以水平接地体并联组成接地体组，由于名单一接地体埋置的间距仅等于单一接地体长度的两倍左右，此时电流流入名单一接地体时，将受到相互的限制而妨碍电流的流散，即等于增加名单一接地体的电阻，这种影响电流流散的现象，称为屏蔽作用。
7. 化学降阻剂的应用，化学降阻剂机理是，在液态下从接地体向外侧土壤渗出，若干分钟固化后起着散流电极的作用。
3.5.2 降低接地电阻的方法

4 变电所防雷接地设计实例
现在以河北保定同口变电所为例，说明以上所介绍的防雷接地的相关内容。
4.1 变电所的规模
河北保定500kV同口变电站地处是华北地区第一个500 kV变电站，是河北电网的重要枢纽，担负着华北电网与省网的连接和功率交换，对华北乃至整个广东省电网的安全、稳定运行起着十分重要的作用。因此安全稳定的运行环境对于该站来说是至关重要的。500kv同口变电站，站内包括500 kV，220 kV和35 kV 3个电压等级，是目前国内综合自动化水平最高的500 kV变电站之一。同口变电站系统采用分层分布式结构，综合了常规控制仪表屏、继电保护装置屏、模拟屏、变送器屏、远动装置屏、中央信号系统及保护、控制全微机化等特点，实现了测量、控制、自检、保护信息自传、电度量采集、电气五防闭锁、远传等自动化功能。同口变电站也具有和其他的500kV变电站一样的特点，比如线路和设备的电压等级高，工作电流大，设备本身外形尺寸均很大等。其中500kV变压器和并联电抗套管的对地距离近9m，断路器和隔离开关的本体高度近7m，避雷器高度近6．5m。
4.2 变电所位置的自然条件
该变电站建于华北平原上，处于雷击频繁的环境，几乎每年均要遭受雷电的危害，特别是在5，6月份的雷雨季节，该站的计算机综合自动化系统雷害事故频发。
4.3 避雷针的设置及防雷保护校验
4.3.1 避雷针设置
为了避免逆闪络这种情况发生,被保护物体与避雷针间在空气中以及地下接地装置间应有足够的距离。
按实际运行经验校验后，我国标准目前推荐和应满足下式要求:
≥0.2＋0.1h, ≥0.3
≥0.2×4.5＋0.1
≥0.3×4.5
在对此变电所进行保护时，应采用等高避雷针联合保护要比单针保护范围大。因此，为了对本站覆盖，采用四支避雷针。被保护变电所总长108.5m,宽79.5m,查手册，门型架构高15m。避雷针的摆放如图所示。
图4
＝79.5m;＝＝108.5m
＝＝135m
＝－
所以，需要避雷针的高度为: ＝15＋＝34.3m
四只避雷针分成两个三只避雷针选择。
4.3.2 校验
4.4 接地装置的设置
经过现场调研发现：
1．500kV同口变电站的站内接地网接地电阻值为0.13欧姆，符合要求，全站地网性能良好。
2．二次回路通过接入等电位接地铜排实现了国家规定的一点接地。
3．电缆屏蔽层编成股状，在端子箱和保护屏柜分别用铜缆接在盘柜外壳上，实际为双端接地。
对同口变电站二次系统接地铜网进行检查，该变电站各保护屏柜均架在槽钢上与主地网相联接，对微机进行保护的低压避雷器接地引下线接至屏柜下方的等电位接地铜排上，铜排与屏柜之间是用绝缘子支起来。同时，各屏内的接地排用铜缆一一连接起来，并且在电缆间内铜缆也用绝缘子支撑钉在支架上，最后在控制室内一点接地。
图5为同口变电站微机系统接地简图，根据实际测量，同口变电站的这种一点接地的等电位连接方法，用于等电位连接的铜缆长度达到了两百米以上，过K的的铜缆中将产生地电位差异，微机系统内部电位莲将随着铜缆电感值和雷电流陡度的增加而增加。对于一些尖峰脉冲，其d1／dt值很大，这样ud就会远远高出微机的时压水平，而导致其失旯和损坏。这种接法引入了高电位，当有雷电侵入时，避雷器不动作时，说明冲击电堰尚在微机的承受范围内。一旦避雷器动作，容易引发二次设各误动作甚至击穿。【10】

图5 系统接地简图

5 结论

参考文献

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