110KV变电站的防雷设计

目录

第1章 雷电的特性及危害 ............................................... 错误！未定义书签。 1.1 雷电的形成 ...................................................................... 2 1.2 雷电的种类 ...................................................................... 3 1.2.1直击雷 ....................................................................... 3 1.2.2感应雷击 ..................................................................... 4 1.2.3球雷 ......................................................................... 4 1.2.4 雷电侵入波 ................................................................... 4 1.3 雷电的威力及危害 ................................................................ 5 1.4 雷电入侵途径 ................................................................... 5 1.4.1 对各种雷击的解决方案 ........................................................ 5 1.4.2 接地 ........................................................................ 7 1.5 雷击电子设备的途径及其原理 ...................................................... 7 1.6雷电日和雷电小时 ................................................................. 8 第2章 变电站的防雷设备 ............................................................... 10 2.1 避雷针 ......................................................................... 10 2.2 避雷器 ......................................................................... 11 2.2.1 避雷器的种类 ............................................................... 11 2.2.2 各避雷器的特点 ............................................................. 11 2.3 变电所建筑物的防雷 ............................................................. 13 第3章 变电站的防雷区及系统设计原则 ................................................... 14 3.1 第一级防护区的处理措施 ......................................................... 15 3.2 第二级防护区的处理措施 ......................................................... 16 3.2.1 进出所管线的处理 ........................................................... 16 3.2.2 二次电缆及端子箱 ........................................................... 16 3.2.3 所用电系统的保护 ........................................................... 17 3.3第三级防护区的主要任务 .......................................................... 17 3.3.1多重屏蔽 .................................................................... 17 3.3.2地电位均压 .................................................................. 18 3.3.3浮点电位牵制 ................................................................ 18 3.4 变电所综合防雷措施 ............................................................. 18 3.4.1 避雷针对直击雷的防护 ....................................................... 18 第4章 变电站防雷保护的分类 ........................................................... 20 4.1雷电过电压的保护 ................................................................ 20 4.2 变电站雷击电流的防护 ............................................................ 20 4.3 变电站对最大冲击电压和残压的防护 ............................................... 21 4.4 变电站微波机房的接地保护 ....................................................... 21 4.5 变电站配电箱的保护 ............................................................. 22 4.6 变压器中性点接地的配置原则 ..................................................... 22

.

4.6.1 并联间隙的特性 ............................................................. 22 4.6.2 中性点间隙与继电保护 ....................................................... 23 4.7 单相接地时的工频电压 ........................................................... 24 4.8 变电所配电变压器的保护 ......................................................... 24 4.8.1 正反变换过电压 ............................................................. 25 4.8.2 变压器不同接线对正反变换过电压的影响 ....................................... 25 4.8.3 避雷器安装的具体要求 ....................................................... 26 4.8.4 防雷接地装置的形式及其电阻的算法 ............................................ 26 第五章 西110KV变电所防雷接地系统设计 ....................................................... 28 5.1城西110KV变电所及环境气象条件 .................................................. 28 5.2 城西110KV变电所的直击雷防护方案及计算 .......................................... 29 5.2.1直击雷防护方案 .............................................................. 29 5.2.2 避雷针的计算及其安装 ........................................................ 30 5.2.3 短路计算 .................................................................... 33 5.2.4 接地电阻的计算 .............................................................. 41 5.3城西110KV变电所感应雷的防护 .................................................... 46 5.3.1变电所进线段保护 ............................................................ 5.3.2变电所内变压器的防雷接地保护 ................................................ 56 5.3.3城西110kV变电所馈线段防雷保护 .............................................. 58 5.4 城西110KV变电所避雷器的选择 .................................................... 58 5.4.1进线段母线上避雷器的选择 .................................................... 59 5.4.2变压器架设避雷器的选择 ...................................................... 59 参考文献.............................................................................. 59 设计心得.............................................................................. 61 致谢 ................................................................. 错误！未定义书签。

第1章 雷电的特性及危害

1.1 雷电的形成

雷电放电是带电荷的雷云引起的放电现象，在某种大气和大地条件下，潮湿的热气流进入大气层冷凝而形成雷云，大气层中的雷云底部大多数带负电，它在地面上感应出大量的正电荷，这样，雷云和大地之间就形成了强大的电场，随着雷云的发展和运动，当空间电场强度超过大气游离放电的临界电场强度时，就会发生雷云之间或雷云对地的放电，形成雷电。按其发展方向可分为下行雷和上行雷。下行雷是在雷云产生并向大地发展的，上行雷是接地物体顶部激发起，并向雷云方向发起的。

.

雷电是一种极具破坏力的自然现象，其电压可高达数百万伏，瞬间电流更可高达数十万安培。千百年来，雷电所造成的破坏可谓不计其数。落雷后在雷击中心1.5-2km范围内都可能产生危险过电压损害线路上的设备。雷电灾害如同暴雨、飓风一样都属于气象（自然）灾害，它与水、旱、刑事犯罪、交通事故统称为影响社会安全和经济发展的六大灾害。

1.2 雷电的种类

1.2.1直击雷

雷云对地面或地面上凸出物的直接放电，称为直击雷，也叫雷击。直击雷放电过程的展开图见图1.1。

图1.1雷云放电图

雷云放电过程的展开图可以这样解释：当雷云对地面放电时，开始出现先驱放电，放电电流比较小，一经到达地面，就开始主放电，主放电由地面开始沿着先驱放电的通道直到云端，放电电流迅速增大。主放电时间很短，电流迅速衰减，以后是余光放电，电流变小。

由于雷云中同时存在着多个电荷积聚中心，当第一个电荷集聚中心放电后，其电位迅速下降。第二个电荷集聚中心向第一个电荷集聚中心位置移动，并沿着上一次的放电通道开始先驱放电、主放电、余光放电。紧接着再来第三次、第四次放电。我们平时看到电光闪闪、雷声隆隆就是这个原因。

当直击雷直接击于电气设备及线路时，雷电流通过设备或线路泄入大地，在设备或线路上产生过电压，称为直击雷过电压。

.

1.2.2感应雷击

感应雷击是地面物体附近发生雷击时，由于静电感应和电磁感应而引起的雷击现象。

例如，雷击于线路附近地面时，架空线路上就会因静电感应而产生很同的过电压，称为静电感应过电压。见图1.2

图1.2感应雷过电压

在雷云放电过程中，迅速变化的雷电流在其周围空间产生强大的电磁场，由于电磁感应，在附近导体上产生很高的过电压，称为电磁感应过电压。 静电感应和电磁感应引起的过电压，我们称为感应雷击。

1.2.3球雷

球雷是一种发红色或白色亮光的球体，直径多在20cm左右，最大直径可达数米，以每秒数米的速度，在空气中飘行或沿地面滚动。这种雷存在时间为3-5s左右。时间虽短，但能通过门、窗、烟囱进入室内。这种雷有时会无声消失，有时碰到人或牲畜或其它物体会剧烈爆炸，造成雷击伤害。

1.2.4 雷电侵入波

当雷击架空线路和或金属管道上。产生的冲击电压沿线路或管道向两个方向迅速传播的雷电侵入波，称为雷电侵入波。

雷电侵入波的电压幅值愈高，对人身或设备造成的危害就愈大。

.

1.3 雷电的威力及危害

雷电电流平均约为20000A甚至更大,雷电电压大约是1030 v, 一次雷电的时间大约为千分之一秒, 平均一次雷电发出的功率达2Х1013 W(200亿千瓦)。 雷电放电过程中，可能呈现出静电效应、电磁效应、热效应及机械效应，对建筑物或电气设备造成危害；雷电流泄入大地时，在地面产生很高的冲击电流，对人体形成危险的冲击接触电压和跨步电压；人直接遭受雷击，必死无疑。

1.4 雷电入侵途径

雷电直接击在变电所设备上，这种情况几率比较小，因为设计和施工的时候都会考虑到安装的避雷针，避雷带和避雷网。

雷电可能沿着电源线入侵，雷电波沿线路侵入到变电所，如避雷器动作，则是避雷器残压叠加两倍后，通过所用变的电磁感应耦合到低压网络，使微机保护、综合自动化的电源模块损坏的。此时，低压电网过电压的幅值主要与避雷器的残压，避雷器与变压器距离和避雷器接地引下线的长度有关。

雷电可能沿着通讯线入侵，雷电引起的过电压在通信线路与设备之间有一定电位差直接作用于串行通信口，根本原因是在10KV低压电源侧缺少必要的防雷保护措施，特别是缺少相应电压等级的避雷器保护，使低压网络中的雷电过电压得不到有效的。同时，雷电对微机监控系统、调度自动化系统和通信系统的电源又沒有与其他电源分离，或采取特别的防止雷电干扰的措施而使雷害事故发生。

1.4.1 对各种雷击的解决方案

直击雷：

对于直击雷主要是采用避雷针、避雷器、避雷线和避雷网作为接闪器，然后通过良好的接地装置迅速而安全地把雷电流引入大地。 感应雷：

（1）等电位连接：均衡电位使变电所内的各个部位都形成一个相等的电位，

.

即等电位。若变电所内的结构钢筋与各种金属设置都能连接成统一的导电体，变电所内当然就不会产生不同的电位，这样就可保证变电所内不会产生因电位不均衡所产生的反击和危及人身安全的接触电压或跨步电压，对防雷电电磁脉冲干扰微电子设备也有很大的好处。钢筋混凝土结构的建筑物最具有实现等电位的条件，因为其内部结构钢筋的大部分都是自然而然地焊接或绑扎在一起的。为满足防雷装置的要求，应有目的地把接闪器与梁、板、柱基础可靠地焊接、绑扎或搭接在一起，同时再把各种金属设备和金属管线以及局部等电位预留金属装置与之焊接卡接在一起，这就使整个建筑物成为良好的等电位体。

（2）建筑屏蔽：对于变电所内部的重要设备、设施，如大型计算机控制系统的主机，RTU、载波机等，应对建筑物采取屏蔽措施，用金属网箔壳、管等把保护对象包围起来，将闪电形成的脉冲电磁场从空间入侵的通道阻隔起来，以达到保护的目的。

（3）线缆屏蔽：电源线、信号线要进行屏蔽，并采取适当的布线方式防止电磁脉冲干扰，在全线电气连通的情况下，把线路两端的金属屏蔽线缆进行良好的接地。针对架空电力线由站内终端引下后应更换为屏蔽电缆；室外通信电缆应采用屏蔽电缆，屏蔽层两端要接地；对于既有铠带又有屏蔽层的电缆，在室内应将铠带与屏蔽层同时接地，而在另一端也要同时接地。电缆进入室内前水平埋地10m以上，埋地深度应大于0.6m；非屏蔽电缆应穿镀锌铁管并水平埋地10m以上，铁管两端应接地。 雷电侵入波：

（1）在变电所的低压侧安装相应电压等级的泄流型避雷器进行保护。对110kV低压网络要根据所带负荷情况,在各主要用电设备或每一分支线路加装限压型浪涌保护器进行保护。

（2）把向微机监控系统、调度自动化系统和通信系统供电的电源与其它办公和生活电源分开,单独采取专用的变压器供电,或采用隔离变压器进行隔离。对向微机监控系统、调度自动化系统和通信系统供电的低压电源线路要采用电缆供电,最好采用屏蔽电缆,防止在变电所近区雷电活动时,在低压电源网络上产生感应雷过电压危及微机监控系统、调度自动化系统和通信系统的电源安全。 （3）对变电所的中性线，要在变压器处接地并在低压网络各分支处重复接地,

.

防止在雷电活动时,中性线带高电压,或雷害故障时中性线断线,相电压升高到线电压,烧坏微机监控系统、调度自动化系统和通信系统的电源模块。 （4）对微机监控系统、调度自动化系统和通信系统的电源加装浪涌保护器,雷电浪涌保护器利用电感、电容和避雷器组成浪涌吸收单元,能吸收和滤掉高频雷电脉冲,雷电过电压,能有效地保护微机监控系统、调度自动化系统和通信系统的电源,使其免受雷电过电压的破坏。

1.4.2 接地

良好的接地是防雷系统中至关重要的一环。接地电阻值越小，过电压值越低。因此，在经济合理的前提下应尽可能降低接地电阻。

（1）安全接地：使用交流电的设备通过黄绿色安全地线接地，这里包含所有用电设备的机壳，金属框架及传输的金属管道等。

（2）雷电接地：设施的雷电保护系统是一个的系统，由避雷针通过引下线与接地系统相连组成。该接地系统通常与用做电源参考地及黄绿色安全地线的接地是共用的。

（3）电磁兼容接地：出于电磁兼容设计而要求的接地，包括：

屏蔽接地：为了防止电路之间由于寄生电容存在产生相互干扰、电路辐射电场或对外界电场敏感，必须进行必要的隔离和屏蔽，这些隔离和屏蔽的金属必须接地。

滤波器接地：滤波器中一般都包含信号线或电源线到地的旁路电容，当滤波器不接地时，这些电容就处于悬浮状态，起不到旁路的作用。

雷电对自动化系统造成干扰和破坏的主要原因，是过去人们对低压电源网络的防雷不重视。在变电所低压网络缺少必要的防雷保护措施，存在有较多的漏洞和缺陷，使低压电网的雷电过电压得不到有效，对微机监控系统、调度自动化系统和通信系统的电源造成了严重干扰和破坏，从而影响了微机监控系统、调度自动化系统和通信系统的安全运行。

1.5 雷击电子设备的途径及其原理

雷击过电压损坏设备可分为两种情况，一种是受雷电直击，另一种受感应雷

.

影响所致。据统计电子设备受雷电直击而损坏的机率很小，而绝大多数损坏为感应雷造成，雷电行波通过传输信息的电路线传至电子设备使其某些电子元件受损。

还有一种情况值得重视的是电子设备附近的大地或其他设备的接地体，因受直击雷引起的电位升高，会使电子设备造成反击，使之对地绝缘击穿。根据传统经验电子设备的地线与电源设备的地线分开设置是减少这种雷电侵入途径的有效措施之一。所以凡联结有输人或输出线路的电子设备应考虑以上三条侵入途径。不论那种途径侵入的雷击过电压加在电子设备上冲击引起两种过电压，一种是：使平衡电路某点出现超过允许的对地过电压，称为纵向过电压，地电位上升引起的反击也属于从地系统侵入的纵向过电压；另一种是平衡电路线间或不平衡电路线对地出现的过电压称为横向过电压。使用对称传输线的设备，横向过电压是因线路两线间存在不同的纵向过电压；或因纵向防护元件放电性能的分散性(如动作时间有快慢的差别)是造成横向过电压的原因，如果在平衡线路上的两个纵向防护元件，其中一路故障或失效这就造成了横向过电压的极限情况。对不平衡电路如对连接同轴电缆的电子设备其纵向过电压即横向过电压。雷电冲击过电压可导致绝缘击穿，也可产生过电流。进行纵向雷击试验的目的，在于检验设备在纵向过电压下元器件对地的绝缘。横向雷击试验则是检验两线间出现冲击过电压时设备耐受冲击的能力。

电子元件受雷击损坏的情况，概括起来不外下列三种：(1)受过电压损坏的，如电容器、变压器及电子元件的反向耐压。(2)受过电压冲击能量损坏的，如二极管PN结正向损坏，冲击危险程度在于流过元器件的过电流大小和持续时间，即能量大小。(3)易受冲击功率损坏的，对元件的危害决定于冲击电压峰值和由此而产生的过电流。

1.6雷电日和雷电小时

为了表征不同地区雷击活动的频繁程度，通常采用年平均雷电日作为计量单位.我国亦是如此.雷电日是指该地区一年四季中有雷电放电的天数，一天中只要听到一次以上雷声就算一个雷电日。由于不同年份的雷电日数变化较大，所以要采用多年平均值—年平均雷电日。

.

要做好防雷保护工作，还要注意观察当地雷电活动季节的开始和终了日期，我国南部雷电季节从2月开始.长江流域一般在3月，华北、东北在月，西北较迟到5月。01月以后，除江南以外，雷电活动就几乎停止了。

雷电日和雷电小时的统计，并没有区分雷云之间的放电和雷云对地的放电。实际上云间放电远多于云地放电。雷电日数越多，云间放电的比重越大云间放电与云地放电之比，在温带约为1.5-3.0，在热带约为3-6。对防雷保护设计研究更有实际意义的，还是雷云对地放电的年平均次数。可惜目前还缺乏这方面的比较充分可靠的统汁资料，观测手段也还未能准确区分出对地雷击。

雷云对地放电的频繁和强烈程度，由地面落雷密度来表示. 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，值与年平均雷电日数Td有关.一般，Td较大的地区，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(CIGRE)1980年提出的以下关系式:

（1.1）

式中:为每年每平方公里地面落雷数:Td为雷电日数；由此可以推得：

0.023Td0.3 （1.2）

根据式（1.2)，对Td=40的地区，按我国《标准》取值=0.07。

Ng0.023Td1.3

.

第2章 变电站的防雷设备

2.1 避雷针

为免遭直击雷破坏，变电所一般设有避雷针和构架避雷针，有些峡谷地带变电所则采用避雷线保护。其结构均分为接闪器、引下线和接地体，防雷原理相同。

为了防止反击，要求避雷针与被保护设备之间空中距离不小于5m，地中距离不小于3m。构架避雷针一般用于110kV及以上，且装设集中接地装置后与主地网连接。

微波塔也是一种避雷针。对于所内设有微波塔的，规程规定微波塔必须与通信室地网连接。通讯室和主控室地网一体，雷电流通过主控室地网泄放。按前面分析，如果高压配电室、主控室、通讯室内保护、监控、计量表、RTU等接于相距较远的地网，且之间又有电的联系时，所内电子设备遭受的反击机率更大。 避雷针的年雷击次数，可按经验公式N= 0.015 ·n·k（l+5h）（b+5h）计算。其中n为年雷暴日数，K为校正系数金属结构取2。l、b、h分别为建筑物的长、宽、高。按该式在年雷暴日为40的地区,35kV室外终端变电所，母线构架5.5m高，受雷击概率为每年0.0004次，而加１根30m高避雷针后，则每年将受0.027次雷击。如果一个变电所有4根针，每边相距50m，雷击概率则为0.048次／年。

避雷针大大增加雷击概率，使得依附于一次设备的目前正在大量更新的保护、监控、综自及通讯等微电子设备感受雷害的机率大大增加，损坏方式也多种

.

多样，使电力生产带来很大的损失。

2.2 避雷器

避雷器的作用是过电压以保护电气设备。为了防护感应雷和输电线路的雷电侵入波的危害，变电所采用了避雷器。以前装设的避雷器大多为装在线路端的管型避雷器和装在母线、设备处的阀型避雷器，目前均由性能更好的金属氧化物避雷器所取代。

2.2.1 避雷器的种类

从组合结构分；现在市场上的避雷器有几下几种： 1） 间隙类；开放式间隙、密闭式间隙 2） 放电管类:开放式放电管密封式放电管 3） 压敏电阻类:单片、多片 4） 抑制二极管类

5） 压敏电阻/气体放电管组合类:简单组合、复杂组合 6） 碳化硅类

按照其保护性质有可以分为：开路式避雷器、短路式避雷器或开关型、限压型； 按照工作状态（安装形式）又可分为：并联避雷器和串联式避雷器。

2.2.2 各避雷器的特点

1、开放式间隙避雷器：

间隙避雷器的工作原理：基于电弧放电技术，当电极间的电压达到一定程度时，击穿空气电弧在电极上进行爬电。

优点：放电能力强，通流量大（可以达到100KA）漏电流小 热稳定性好 缺点：残压高，反映时间慢，存在续流

工艺特点：由于金属电极在放电时承受较大电流，所以容易造成金属的升华，使放电腔内形成金属镀膜影响避雷器的启动和正常使用。放电电极的生产主要还是集中在国外一些避雷器生产企业，，电极的主要成分是钨金属的合金。

.

工程应用：该种结构的避雷器主要应用在电源系统做B级避雷器使用。但由于避雷器自身的原因容易引起火灾，避雷器动作后(飞出）脱离配电盘等事故。根据型号的不同适合与各种配电制式。

2、密闭式间隙避雷器：

现在国内市场有一种多层石墨间隙避雷器，这种避雷器主要利用的是多层间隙连续放电，每层放电间隙相互绝缘，这种叠层技术不仅解决了续流问题而且是逐层放电，无形中增大了产品自身的通流能力。

优点：放电电流大 测试最大50KA（实际测量值）漏电流小 无续流 无电弧外泻 热稳定性好

缺点：残压高，反映时间慢

工艺特点：石墨为主要材料，产品内采用全铜包被解决了避雷器在放电时的散热问题，不存在后续电流问题，最大的特点是没有电弧的产生，且残压与开放式间隙避雷器比较要低很多。

工程应用：该种避雷器应用在各种B、C类场合，与开放式间隙比较不用考虑电弧问题。根据型号的不同该种产品适合与各种配电制式。

3、简单组合避雷器：

组合式避雷器典型结构是N-PE结构形式，这种避雷器与单一结构的避雷器相比，综合了两种不同产品的优点，而减少了单一器件的缺点。 优点：通流量大 反应时间快

缺点：残压相对较高

工程应用：仅在N-PE制式使用的避雷器，适合电压波动率较大地区使用。 4、复杂型组合式避雷器 ：

这种避雷器充分发挥各种元器件的优点，再结构上一般使用数量较多的压敏电阻和气体放电管。这种结构的避雷器一般具有较高的通流能力，且残压较低。行业内也称这种结构的避雷器为一体化避雷器。

优点：通流量大 反映时间快 残压低 无续流 热稳定性好 缺点：无声音报警 无计数器

工艺特点：一体化避雷器的电路结构紧凑，充分发挥了氧化锌电阻反映时间快的特点，有结合了气体放电管具有较高通流能力的优点。在电路上避雷器使用

.

了较多的氧化锌电阻来提高整体避雷器的通流能力，用气体放电管作为备用放电通道。基于这种完善的电路结构使避雷器的使用寿命大大提高。

5、碳化硅避雷器（阀式避雷器）：

碳化硅避雷器主要应用于高压电力防雷，目前仍是电力系统使用率较高的电力防雷产品。由于雷电侵入波主要对35kV以下系统危害较大，变电所着重对35kV和10kV线路入侵波进行防护。对35kV架空进线，一般是采用进线段1～2km的架空避雷线配其两端的管型避雷器进行防护。对10kV线路，则每条进线均采用一组阀型或氧化锌避雷器进行防护。对3～10kV配电变压器，一般只规定了高压侧采用阀型避雷器的保护，对多雷区外送的Y/Y0连接的变压器的只规定了装设以防变波及低压侧雷电入侵波击穿变压器高压侧绝缘的避雷器。

6、氧化锌避雷器：

氧化锌避雷器是目前国际最先进的过电压保护器。由于其核心元件采用氧化锌电阻片，与传统碳化硅避雷器相比，改善了避雷器的伏安特性，提高了过电压通流能力，从而带来避雷器具特征的根本变化。避雷器是电力系统中主要的防雷保护装置之一，只有正确地选择避雷器，方能发挥其应有的防雷保护作用。

优点：无间隙 通流容量大 体积小 重量轻 结构简单 运行维护方便 使用寿命长

2.3 变电所建筑物的防雷

室外变电所的建筑物一般有高压室、主控室、通讯室以及部分附属住宅楼办公楼等。按建筑物防雷等级划分，变电所生产性建筑物一般被划分为第三类工业建筑。由于设计时一般将此类建筑物置于变电所避雷针保护范围，因此除通讯室按相关标准进行过防雷处理外，其它部分因不设屋面避雷针和避雷带，故均压带以及利用建筑物钢筋作分流线和组成法拉第笼屏蔽网等措施均未采用。对于防雷电波入侵，引入建筑物内的缆线等一般均通过与接地网连成一体的电缆沟支架和电缆竖井支架引入，且部分电缆作了两端屏蔽接地处理。

因变电所建筑物未考虑直击雷泄流通路，其地网处理一般是与所内主接地网相连。虽然许多规程中分出了防雷地、交流地、直流地、保护地、数据地，但是执行起来很不易，一是条件苛刻，场地狭小； 二是所用设备规模不大，没有必

.

要分得太清，于是造成了事实上的联合地网。现代研究认为，这种联合地网经济有效，并且可以解决各地网在内外过电压时产生的电位差，造成对耐受水平低的电子设备的反击。不过联合地网必须通过合理布置接地线和等电位处理技术及装置本身的电磁兼容防护来解决设备的安全问题。

第3章 变电站的防雷区及系统设计原则

变电所传统防雷措施对高压电气设备的防护是有效的，但对电子设备的防护并不恰当，为了适应智能化变电所的发展要求，必须在原定防雷措施基础上，更进一步进行防范。采取措施的原则是分区防护、三级过压保护、多重屏蔽、均衡电位、浮点电位牵制。根据1992年国际建筑物防雷会议上IEC/TC81中提出的防雷保护区的新概念，对变电的的防雷化分为三个区进行分级防护，根据设备的敏感性和重要性进行加强屏蔽可以起到事半功倍的效果。

雷击对变电所电子设备的危害主要表现在感应过电压，侵入波过电压、地电位反击，雷电二次效应等。电子设备的防雷保护重点是感应雷。

对变电所电子设备的防雷应分区分级防护，引雷、分流、散流、屏蔽、均压、

.

隔离、限幅、嵌位、滤波相结合，充分利用当代先进技术，根据电子设备工作特点选用低压避雷器，如高频避雷器、数据避雷器、放电管、硅瞬变二极管、瞬态过电压保护器、组合式避雷器等，将整个系统的雷电防护看成是一个系统工程，综合考虑，全方位保护，将雷害事故和干扰减少到最低程度。

变电所的防雷设计总的原则应做到选型设备先进,保护系统灵敏、安全、可靠,设备维护方便。针对雷电侵害的3种形式,进行变电所的防雷设计,其中防直击雷和雷电波侵入是主要任务。

3.1 第一级防护区的处理措施

第一级防护区为全所范围内的高压设备部分和高压线路的进线段保护范围。主要措施为避雷针、构架避雷针、架空避雷线、高压避雷器、设备引下线、主接地网和微波塔及其接地。其主要任务为引雷、泄流、限幅、均压，完成基本的防雷功能。

由于避雷针的采用增加了雷击概率，感应雷对电子设备的危害机率增加。为了减轻雷击感应幅射，有些工程采用了带屏蔽作用的引下线，有的采用多条引下线分流，这些措施均可起到一定作用。

另外有些变电所以前选用了导体消雷器、半导体消雷器、少长针消雷器等多种类型的无源消雷器。其评价褒贬不一，不过有一个不争的事实： 消雷器的保护范围至少与同等高度避雷针一样。对于消雷器的运行，只要其接地满足防雷规范要求，空间和地中安全距离以及保护范围满足规程要求，就应当继续使用作好观察记录。如能够消雷或部分消雷，都将会对电子设备有益。

一级防过电压区防护措施：(1)对主接地网的接地电阻、接地网之间的连通、设备的接地引下线进行大电流测试；(2)逐级分别泄流，微波塔加装接地体，接地体的接地电阻小于5Ω，如果微波塔或避雷针与主接地相接，微波塔与主接地网的连接点距35kV及以下设备与主地网的连接点的距离大于15m，以使其在遭雷击时主要通过自身的接地极泄放雷 电流，尽量少地波及到其它设备；(3)均匀地网系统电压，各个设备区之间建立良好的等电位接地，各设备区之间连接良好，主控室的低压控制部分加装均压带，使各点的接地为等电位。

防护位置： 据 IEC1312《雷电电磁脉冲的防护》中的雷电保护区域的划分

.

原则。避雷器的安装位置应在不同保护区的交界处 , 对于此网络即第一级防护应设在交流母线处。在两根母线上各加装一个同型号的B 级三相电源避雷器。

安装位置： 交流母线 (机柜内) 。

3.2 第二级防护区的处理措施

第二级防护区包括进出变电所管线、二次电缆、端子箱、所用电系统及微波天馈线。其主要任务是防感应雷过电压和侵入波过电压的传递，以及危险电位内引外送。

二级防过电压区防护措施：(1)加强屏蔽，将进入变电站的电缆线全部使用屏蔽电缆，并将屏蔽层可靠接地；(2)对低压电源，对低压供电电源加装金属氧化锌避雷器或加装电源电压瞬变抑制器，电源电压的抬高，加装隔离变压器；(3)将微波馈线的屏蔽与微波塔实现两点以上相接。

安装位置： 空气开关 (机柜内) 。

3.2.1 进出所管线的处理

进出所管线包括水管、煤气管、热力管、电源线、纵联保护导引线、信息传输线等。进所金属管类均应直埋进所，并与地网分几处连接，且宜在进所前经绝缘管道隔离后引入。所用电源一般不外送，如内引应经隔离变压器引入，引入前穿管直埋15m进所。仍采用纵联导引线保护的，导引线应按部颁反措经隔离变压器后引入，进所部分穿管直埋。进出所的信息传输线缆应穿管直埋入所并经保安单元或相应的数据避雷器后引入机房。有金属线的光缆穿管直埋入所先经接地汇接排后才能引入机房。接地的波导管本身具有良好的防雷作用，不需加避雷器，按规程沿路接地即可，对同轴电缆天馈线应加装相应高频避雷器，避雷器的地线就近与机房的接地汇接排相连。

3.2.2 二次电缆及端子箱

直接与电子设备屏柜和装置相连的控制信号电缆、电流、电压回路电缆都应该采用屏蔽电缆，且屏蔽层金属保护层及备用芯均应两端接地。端子箱及断路器

.

机构箱、汇控柜等不管内部是否安装电子设备均应避开避雷器或构架避雷针的主要散流线接地。

3.2.3 所用电系统的保护

电子设备雷害事故大多与电源相关。一方面是防护力度不够，另一方面说明从所用电入侵的雷电波能量足够大，经几级高压泄放仍具有强大的破坏力。 根据国标（GB50057-94）《建筑物防雷设计规范》规定，对微电子设备的供配电系统应采取三级过电压保护。三级分别为所用变低压出口，所用电配电柜各分路出口，各设备UPS电源出口。

低压配电系统避雷器一般以MOV（金属氧化物可变电阻）为主。MOV失效率较高，虽说经改进后的MOV通流容量越做越大，且有一些产品采用熔断器和温度断开装置予以保护，但仍有损坏，有必要采取三级冗余以增强可靠性。

3.3第三级防护区的主要任务

第三级防护区包括变电所主控室、远动通信机房及全部电子设备。其主要任务是多重屏蔽、电源过压嵌位、信号限幅滤波、地电位均压、浮点电位牵制。

3.3.1多重屏蔽

微电子设备工作电压低击穿功率小，靠单一屏蔽难以达到预期效果，必须采取多重屏蔽。利用建筑物钢筋网组成的法拉第笼，以及设备屏柜金属外壳、装置金属外壳等逐级屏蔽。

早期的变电所建筑留下了许多防雷的先天不足，新建的变电所必须按国标（GB50057-94）《建筑物防雷设计规范》及邮电部（YD2011-93）《微波站防雷与接地设计规范》、电力部（DL8-94）《电力系统通信站防雷运行管理规程》等要求利用建筑物女儿墙、天面防雷网及结构钢筋、基础钢筋焊接成一体的网，以及设备特殊要求的金属幕墙组成第一级屏蔽。设备屏柜、装置本体订货时必须注明电磁兼容防护等级，使用环境。

.

3.3.2地电位均压

室内采用联合地网，设环形地母线、接地汇集线。地母线与地网采用多条引下线对称引下连接。对于数字地、模拟地等功能地与保护地确实需要分开的，可采用地极防雷器连接。

对于电子设备之间电的联系跨度较大的部分，跨越几个防护区的部分，常因地电位不均衡造成工作出错或损害。国家电力调度通信中心曾发文制定反措，在变电所主控室电缆层敷设不小于100mm2的铜地网延伸至220kV耦合电容结合滤波器处连接。这一措施实施以来效果令人满意。不仅仅是高频保护，目前就地布置的电子设备与分控室或主控室之间的通信如果采用电的联系，同样会遭遇此问题。现场可以根据具体情况采取地电位均衡措施。

3.3.3浮点电位牵制

建筑物内金属门窗、玻璃幕墙、吊顶龙骨、灯具等均可能随雷电二次效应危害电子设备，应予就近多点接地以防不测。

变电所二次回路直流蓄电池长期为浮点运行。为防雷害，应采用直流避雷器和在绝缘监察装置内加装气体放电管。

3.4 变电所综合防雷措施

3.4.1 避雷针对直击雷的防护

为免遭直击雷破坏, 变电所一般设有避雷针和构架避雷针, 有些峡谷地带变电所则采用避雷线保护。 其结构均分为接闪器、 引下线和接地体, 防雷原理相同。防护直击雷的主要措施是装设避雷针。避雷针位置要根据变电所的建筑布局、设备分布状况确定。

1、单支避雷针在地面上的保护半径(r)。r=1.5h,其中h为避雷针高。单支避雷针在被保护物高度hx水平面上的保护半径：当hxh/2时,rx =(h-hx)p；当hx .

p 为高度影响系数。h<30m时,p=1； 30m2、两支等高避雷针的保护范围。外侧保护范围按单支避雷针的计算方法确定,两针间的保护范围应按： ho=h-D/(7p)计算,其中ho为两针间保护范围上部边缘最低点高度,D 为两支避雷针间距。两针间hx水平面上保护范围的一侧最小宽度bx=1.5(ho-hx),两针间距与针高之比D／h不宜大于5。

3、三支等高避雷针的保护范围。三角形外侧保护范围分别按两支等高避雷针的计算方法确定,如在三角形内最大高度hx水平面上,各相邻避雷针间保护范围的外侧最小宽度bx0时,则曲线所包围的面积全部得到保护。

4、四支以上等高避雷针所形成的四边形或多边形,可先将其分成2个或几个三角形,然后分别按三支等高避雷针的方法计算。

.

第4章 变电站防雷保护的分类

4.1雷电过电压的保护

IEC61312-2指出：“信息设备的主要干扰电磁源是雷电流I0和电磁场H0及沿着入户的公共设施流过局部雷电流Ii 。I0、Ii和H0都具有相同的波形。根据IEC61312-1的第二章，可以认为雷电流是由首次雷击电流If（10/350 s）和后续雷击电流Is（0.25/100s）所组成”。

我们研究的雷电电磁脉冲的属于高频（10KHZ-几百KHZ）的范围，所以工频（50HZ）下的参数及定律已经不适用了。由于许多雷击过电压导致的物理现象的物理量都是电流I的函数，例如：ULdidt，QILdidtt1t2，

WI2Ldidt，我们为了研究雷击过电压需要研究电流的参数，只有随时间瞬态变化的电流（即一定波形的斜三角冲击电流），才具有破坏力。

因此，过电压保护必须考虑到如何抑制（或分流）10/350s波形的雷电流。在IEC标准中说明，用8/20 s试验的过电压保护器其通流能量仅为以10/350

s波形试验的过电压保护器的1/20。其后应有第二级、第三级、乃至第四级的精细保护。各级之间的能量配合、解耦措施是必须的。

4.2 变电站雷击电流的防护

根据IEC1024-1：1993的表3规定，雷击电流的电荷在实践中应采用（10/350s）的波形作为雷击电流的测试脉冲，在该标准中还规定了雷击电流的三个等级和防护效果：

第一级：200KA，10/350s按此防护，防护效果可达98% 第二级：150KA，10/350s按此防护，防护效果可达95% 第三级：100KA，10/350s按此防护，防护效果可达90%

.

雷击电流和幅值概率IEC标准公布如下：

虽然只有1%的雷电会达到200KA的雷电流幅值，但变电站及其通信系统等对不间断工作的要求相当高，应按第一级考虑。由于变电外部防雷设施的引下线与建筑物自身的总和电感的分流和电磁场自身辐射衰减，IEC规定有50%的雷电能量会由外部防雷装置引入大地，剩余的100KA将会对周围导体形成干扰、感应电压。这些雷击感应电流将会根据电网的类型按照电源传输线的线数平均分布。例如：

单相电源每相50KA， TN-C-S和TT网每相25KA， TN-C每相33KA…

4.3 变电站对最大冲击电压和残压的防护

IEC规定使用波型为1.2/50s的冲击电压作来雷击过电压的测试脉冲,由于我国的电源行业的开关电源及逆变电源主振晶体管的绝缘耐压行业标准为550Vdc,一般厂家考虑到中国电网正向10%的波动,那么对于被保护的设备的输入电压的保护,要求过电压保护的末级残压要求在600v左右。而进口的电源一般可以达到900-1000v。

IEC因此结论为只有分级保护才能达到这一要求。根据被保护设备的不同的安装位置和耐压程度，一般采用三级保护。

一般，采用B类加C类保护的两级保护配置, 残压可降为900Vdc，采用B加C加D的三级保护残压可降到600伏。

4.4 变电站微波机房的接地保护

经过现场的勘察，微波机房有三个设备机柜，低压配电柜和整流器位于另外一个房间，相距15米以上，地线分别引至不同的接地点。建议：

1、在微波机房设一个地基准点，有基准点引一35mm2地线到公共地； 2、将三个机柜用16mm2地线连接起来，然后分别引一地线到基准点形成等

电位联结；

.

3、低压配电柜和整流器的等电位联结同微波机房。

这样进行等电位联结，以达到消除建筑物和建筑物内所有设备之间危险的电位差并减小内部磁场强度。由于基站地板下的等电位连接带与建筑物主钢筋多重连接从而建立了一个三维的、法拉第金属笼的连接网络。在此网络中通过提供多条并联通路，因其具有不同的谐振频率，由大量的具有频率相关性阻抗的各条通路组合起来，就可以获得一个在所考虑频谱范围内具有低阻抗的系统。

4.5 变电站配电箱的保护

在低压配电输入端，我们采用防雷器MC 50系列和再加一条专用接地电缆直接连接到均压等电位基准点达到分流的目的，同时由于并联电感小于其中最小的一个电感，也进一步减小了感应过电压。这样可将125KA，10/350s的雷电流大部分泄入大地，并将剩余的能量衰减为8/20s的浪涌冲击电流。经过保护，系统残压仅能达到800V，设备能承受该电压的冲击。

从整流器到设备有大约15米的距离，这段距离所感应的电压超过设备承受电压，因此需在设备输入端加一个防雷器V20-C系列产品，确保系统残压在800V以下。

4.6 变压器中性点接地的配置原则

变压器中性点接地的配置原则是：在有效接地系统发生单相接地故障时，系统的中性点不允许失地，且必须保证其有效（x0x13，x0为零序电抗，x1为正序电抗）。对不接地的分级绝缘变压器中性点，因绝缘水平的要求，通常接有相应的避雷器及保护间隙，所以，中性点保护间隙的配置应从继电保护和过电压保护两方面考虑。

4.6.1 并联间隙的特性

装并联间隙的初衷是防止避雷器在内部过电压下动作时因承受不住过电压而爆炸,损坏主变压器及附近设备，因而要求间隙的配合特性是：在雷电过电压

.

作用时，避雷器动作，间隙不动作；在内部过电压作用时，避雷器不动作，间隙动作。两者的分工是清晰的。间隙要满足动作值和不动作值两个条件，这对220 kV变压器中性点来说易办到，而对110 kV变压器中性点则较难。以往只按电力试验单位提供的间隙尺寸装配，并不要求再做试验。而试验室提供的数据是分别在施加工频电压和雷电波的情况下测试到的，与实际运行工况相差很大。在多雷区，变电所近区线路单相接地时，大气与内部过电压往往同时出现，叠加后传递到并有间隙的中性点，此时的过电压既不是纯工频的过电压,也不是标准雷电波，在试验室得出的两项的数据很难代表所遇到的真实情况。另外,空气间隙受气象条件、电极形状及本身放电电压的离散性的影响，可靠性较差。

4.6.2 中性点间隙与继电保护

110 kV及以上电网是有效接地系统，今日的电网结构通常由220 kV变电所以辐射状向110 kV变电所供电。110 kV接地系统的中性点设置在220 kV变电所的220 kV／110 kV降压变压器上，是零序电抗的主通道，是系统有效性（X0）的主导成分，是不允许失地的。不管站内有几台主变压器，至少应有1台变压器的110 kV中性点必须接地运行，并且x0x13。DL／T620—1997《交流电气装置的过电压保护和绝缘配合》第4．1．1条指出：“应避免110 kV及220 kV有效接地系统中偶然形成局部不接地系统，并产生较高的工频过电压。”但这并不能保证110 kV系统会永远不失地，当下述情况出现时，仍需有中性点保护间隙：

1、有两台及以上主变压器的220 kV降压变电所（一般为并列运行），按最不利的情况考虑，当110 kV中性点接地运行的主变压器发生内部故障跳闸后，剩下一台中性点不接地的变压器继续运行，会形成失地系统，此时应立即合上另一台没有接地运行的110 kV中性点接地刀闸，使系统恢复接地，这就是现场运行规程和调度规程中防止失地的具体措施。而在110 kV中性点接地刀闸合上之前（一般认为是几分钟）又相继发生单相接地时（机会极少），靠另一台变压器供电的不接地的主变压器110 kV中性点保护间隙击穿，仍等效于接地系统。故障线路的主保护仍然会瞬时动作跳闸，电源端的零序电压和间隙保护的零序电流仍有后备作用。文献［1］2.3.9.2条规定：“中性点装设放电间隙时，应按2．3．8

.

条的规定装设零序电流保护，并增设反应零序电压和间隙放电电流的零序电流电压保护。当电力网单相接地且失去接地中性点时，零序电流电压保护约经过0．3～0．5 s时限动作于断开变压器各侧断路器”。保证了原配置的继电保护按有效接地系统的正常程序动作。

2、通过110 kV变压器低压侧与主网相连的地方电源，因某种原因110 kV侧与主网解列后会形成局部的失地系统，此时的变压器已成为电源端的升压变压器，必须合上中性点接地刀闸，程序同上。其间110 kV中性点再发生单相接地时，就要靠变压器中性点保护间隙击穿，才能使的110kV系统中性点不失地。当主保护或开关拒动时，主变压器近后备作出反应。文献［2］4．2．14．2条规定：“对中性点直接接地系统的主网终端变电所，如果变压器的中性点不直接接地，且负荷侧接有地区电源，则变压器还应装设零序电压和间隙零序电流解列装置，三倍零序电压定值一般整定为10～15 V（额定电压为300 V），间隙零序电流一次定值为40～100 A，保护动作后带0．3～0．5 s延时，跳地区电源联络线路的断路器。”靠保护间隙最大限度地维持有效接地系统运行。

4.7 单相接地时的工频电压

单相接地发生在终端变电所110 kV母线上时，110 kV变压器感受到的零序电压最高 ，等值零序电抗也最大。有效接地系统以X0／X1小于3为界，并不是说一定等于3，不同地区电网及每个变电所有着不同的X0／X1值，且差异很大，变压器中性点处的过电压水平自然也不一样。1．15 Un（Un为系统的额定电压，本计算取Un＝126 kV）和X0/X1＝3取极值，使估算裕度过高，有时会将过电压值推向避雷器所能承受的电压的边缘，严格的电压管理和先进的电压调整手段都不会使电压达到126 kV。可以看出110 kV变压器中性点的X0／X1值在0.6135～2.0682之间，稳态和暂态过电压在17．07～37．00 kV及25．61～56．79 kV之间，远低于变压器中性点绝缘的工频耐受电压。

4.8 变电所配电变压器的保护

雷击损坏配变过去单纯认为是雷电波进入高压绕组引起，实际上这种认识带

.

有程度的片面性。理论分析和实际试验表明：配变雷害事故的主要原因是由于配电系统遭受雷害时的“正反变换”的过电压引起，而反变换过电压损坏事故尤甚。现就正反变换过电压发展过程进行分析，讨论配变的防雷保护。

4.8.1 正反变换过电压

正变换过电压当低压侧线路遭受雷击时，雷击电流侵入低压绕组经中性点接地装置入地，接地电流Idj在接地电阻Rdj上产生压降。这个压降使得低压侧中性点电位急剧升高。它叠加在低压绕组出现过电压，危及低压绕组。同时，这个电压通过高低压绕组的电磁感应按变比升高至高压侧，与高压绕组的相电压叠加，致使高压绕组出现危险的过电压。这种由于低压绕组遭受雷击过电压，通过电磁感应变换到高压侧，引起高压绕组过电压的现象叫“正变换”过电压。

反变换过电压当高压侧线路遭受雷击时，雷电流通过高压侧避雷器放电入地，接地电流Idj在接地电阻Rdj上产生压降。这个压降作用在低压侧中性点上，而低压侧出线此时相当于经电阻接地，因此，电压绝大部分加在低压绕组上了。又经电磁感应，这个压降以变比升高至高压侧，并叠加于高压绕组的相电压上，致使高压绕组出现过电压而导致击穿事故。这种由于高压侧遭受雷击，作用于低压侧，通过电磁感应又变换到高压侧，引起高压绕组过电压的现象叫“反变换过电压”。

4.8.2 变压器不同接线对正反变换过电压的影响

Yzn11接线： 当低压侧线路落雷时，雷电流进入低压侧的两个“半绕组”中，

大小相等，方向相反，在每个铁心柱上的磁通正好互相抵消，因而也就不会在高压绕组中产生正变换过电压。在高压侧线路落雷时，实际上由于变压器结构和漏磁等原因引起磁路不对称，因而磁通不可能完全抵消，正反变换过电压仍然存在，但是较小，可认为有较好的防雷作用。

Yyn0接线：这种接法的变压器是我国的一种标准接线。它有很多优点：①正常时能保持各相电压不变，同时能提供380/220V两种不同的电压以满足用户要

.

求；②发生单相接地短路时，可避免另两相电压的升高；③可避免高压窜入低压侧的危险。因此，配电网中几乎所有配变均采用此种接法。

Yyn0接线配变的防雷保护，高压侧装设避雷器以防止雷击过电压。在配变高

压侧装设避雷器，能有效防止高压侧线路落雷时雷电波袭入而损坏配变，工程中常在配变高压侧装设FS—10阀型避雷器。

高压侧装设避雷器后。避雷器接地线应与变压器外壳以及低压侧中性点连接后共同接地，以充分发挥避雷器限压作用和防止逆闪络。低压侧装设避雷器以正变换过电压。

4.8.3 避雷器安装的具体要求

避雷器应安装在高压熔断器与变压器之间。

避雷器防雷接地引下线采用“三位一体”的接地方法。即避雷器接地引下线、配电变压器金属外壳与低压侧中性点这三点连在一起，然后共同与接地装置相连接。

在多雷区、在变压器低压侧出线出处应安装一组低压避雷器。

4.8.4 防雷接地装置的形式及其电阻的算法

⑴ 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、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。

⑵ 接地体的选择

人工接地体的规格，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4-1 钢接地体和接地线的最小规格

种类 圆钢 扁钢 角钢

规格及单位 直径（mm） 截面（mm） 厚度（mm） 厚度（mm）

地上

屋内 6 48 4 2.5

屋外 8 48 4 3

地下 10 48 4 4

⑶ 变电所的防雷接地

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。

（a）长孔 （b）方孔

图4-2 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3～10m，然后校核接触电位差和跨步电位差后给予以调整。

.

第五章 城西110kV变电所防雷接地系统设计

5.1城西110kV变电所及环境气象条件

城西110kV变电所长70.5m宽62.0m建筑物高7m。城西110kV变电所电压等级为110/35/10kV，通过4回110kV线路与系统相连，通过6回35kV线路向临近的接触网供电。进线选择LGJ-185/30型钢芯铝绞线，避雷线采用GJ-35型镀锌钢绞线。

变电所所在地环境条件：

①环境温度: -42℃～+35℃。 ②最热月平均温度35℃。

③相对湿度：月平均≤90%，日平均≤95%。 ④海拔高度:﹤1000m。 ⑤地震烈度:不超过8度。 ⑥风速:≤25m/s。 ⑦年平均雷暴日：40天。

.

⑧当地的电阻率为900m 变电站规模：

变电站性质：110kV变电站。

变电站土建面积：62.0×70.5m2（包括站区围墙）。 变压器：两台三绕组变压器 连接组别 YN，yn0，d11

出线规模：110kV出线4回，向北架空出线； 35kV出线6回，向东架空出线；

10kV出线通过电缆沟均由本所南侧出线。

5.2 城西110kV变电所的直击雷防护方案及计算 5.2.1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，再考虑到城西变电所设备、建筑的实际布局情况，设计城西110kV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110KV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。

.

避雷针

图5-1 变电所避雷针安装位置图

5.2.2 避雷针的计算及其安装

1.避雷针高度计算

已知城西110kV变电所长72m，宽60m,变电所内最高建筑为7m. 则hx7m,D1272m,D2460m。

由前面关于多支等高避雷针的介绍可知，要使城西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L8haP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bx0。

城西110kV变电所采用4针联合保护，四针所构成四边形的对角线为

L62270.5293.72

假设避雷针高度h30,则p1

LL由L8haP可得到ha

8P8则haL93.7211.72 88hhahx18.72

为了留有裕量h取20m，即避雷针的高度取为20m。 下面来检验下bx是否满足bx0。

由h0hD可得到 7p.

h012hD127220=9.71 7p7 h024hD246020=11.43 7p7bx1.5hohx

则

bx121.5ho12hx4.60=4.01

bx241.5h024hx6.65

此时

bx12bx344.010 bx24bx236.650

故变电所全面积得到保护。

2.避雷针与电气设备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。

1—变压器；2—母线

图5-2 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5-2所示。在避雷针的h高度处和接地装置上，将出现高电位uk和ud，即：

.

ukLgtdiLdtiLRcj

udiLRcj

式中：Lgt—避雷针高度为h段的等效电感；

Rcj—避雷针的冲击接地电阻；

iL、

diLdt—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iL幅值为150kA，雷电流的平均上升速度避雷针电感为1.7uH/m，则可得相应电位幅值为：

uk150Rcj50hKV

diLdt为30kA/us，

（5-1） （5-2）

ud150RcjKV

上两式表明，避雷针与避雷针接地装置的电位幅值uk和ud与冲击接地电阻

Rcj有关，Rcj越小则uk和ud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Sk被击穿而造成反击事故，Sk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Skmin应满足下式要求：

Skmin0.3Rcj0.1hm

（5-3）

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Sd被击穿，要求Sd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，Sdmin应满足下式要求：

Sdmin0.3Rcjm

（5-4）

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Rcj不宜大于40Ω，所以在一般情况下，Sdmin大于5m，Sdmin大于3m，满足《规程》设计要求。

3.避雷针的安装： 1）避雷针安装的要求

选择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

①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避雷针上。

②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50mm到80mm的沥青加碎石层。

5.2.3 短路计算

1原始资料

①

计算基准值

表5.1 变电站网络等值电路参数基准值取值

电气量

关系式

基 准 值 100

115 0.502

37 1.56

10.5 5.5

SB(MVA) UB(kV) IB (kA)

UB=Uav

IbSB/3UB

②等值电路图

由前面的已知条件可以得出下面的等值电路

图5.3 系统等值网络图

.

③参数标幺值 系统侧正、负序电抗：

Xs1=0.123556 Xs2=1.418182

系统侧零序电抗

Xs10=0.1758 Xs20=1.6384

变压器电抗

X1X30.00793 X2X40.34127

X5X60.214286

2短路计算

① 短路计算过程

说明：在变电站的电气设计中，短路电流计算是其中一个重要环节，在计算最大允许接地电阻时，需要用到短路电流。其中一定要注意以下几点：

(1)接线方式：计算短路电流时方式，应是可能发生最大短路电流的正常接线方式，即最大运行方式。

(2)短路种类：因为是三绕组变压器，所以选择的是单相和两相接地短路，因为其入地电流比较大。

(3)短路计算点的选择：短路计算点是指在正常接线方式时，通过电器设备的短路电流为最大的地点。本变电站系统的短路计算点为110kV高压侧、35kV母线和10kV母线处，分别记为d1、d2、d3。 Ⅰ 计算序阻抗

(1)110kV母线侧短路（即d1短路）

① 正序、负序网络的合成阻抗等值电路由图5.4可得：

X5X1X2//X3X4=0.1667

X61.58485

.

正序输入阻抗 Xff1X6Xs10.11462

X6Xs1负序输入阻抗 Xff2Xff10.11462

图5.4 d1正序、负序网络的合成阻抗等值电路图

② 零序网络的合成阻抗等值电路

图5.5 d1零序网络的合成阻抗等值电路图

由已知条件和网络化简可得：

.

X1//X3= -0.00397

X2//X4=0.0171

X5//X6=0.1071

X7Xs20X1//X3X5//X6=0.1005

X8X2//X4=0.1176

零序输入阻抗 Xff0X8Xs10=0.0705

X8Xs10(2) 35kV母线侧短路（即d2短路） ①正序、负序网络的合成阻抗等值电路

图5.6 d2正序、负序网络的合成阻抗等值电路图

由已知条件和网络化简可得：

X5X1X2//X3X4=0.1667 X6X5Xs1=0.29022

.

正序输入阻抗Xff1X6Xs20.2409

X6Xs2负序输入阻抗 Xff2Xff1=0.2409 ② 零序网络的合成阻抗等值电路

图5.7 d2零序网络的合成阻抗等值电路

X7Xs10X2//X4//X5//X6=0.06

X8X7X1//X3=0.09

零序输入阻抗 Xff0X8Xs20=0.0620

X8Xs20(3)10kV母线侧短路（即d3短路）

① 正序、负序网络的合成阻抗等值电路 如图5.8可得：

X1//X3-0.00397

X2//X4=0.0171 X5//X6=0.1071

X7Xs2X1//X3//Xs1X2//X4

=0.1279

正序输入阻抗

Xff1X7X5//X6

= 0.235

.

负序输入阻抗

Xff2Xff1=0.235

图5.8 d3正序、负序网络的合成阻抗等值电路

② 零序网络的合成阻抗等值电路图

因为10kV侧的变压器都是三角形接线，零序电流流不进去，所以当d3点短路时不存在零序电流，既而也不存在零序等值电路。

Ⅱ 短路电流计算 (1)110kV侧 d1点短路： ①两相接地短路：

XjsXff1Xff2//Xff0=0.1583

正序电流 Id1''1= 6.316 Xsj零序电流 Id0Xff2Xff2Xff0=3.915

该短路点短路电流的有名值： 有名值=标幺值×基准值 在d1点的电流基准值是

IB1003115kA=0.502 kA

.

''''1有名=IdId1IBId11003115

=6.316×0.502=3.1706 kA

Id0有名 =Id0IBId01003115

=3.915×0.502=1.6021 kA

②单相短路：

XjsXff1Xff2Xff0=0.29974 正序电流

''Id113.336 Xjs零序电流

''Id0Id1=3.336

各短路电流的有名值：

''''1有名 =IdId1IBId11003115

= 3.336×0.502=1.6747 kA

1有名 Id0有名 =Id= 1.6747 kA

(2) 35kV侧 d2点短路： ① 两相接地短路：

XjsXff1Xff2//Xff0=0.2886 正序电流

''Id21=3.465 Xsj零序电流

Id0Xff2Xff2Xff0''Id12.779

该短路点短路电流的有名值： 有名值=标幺值×基准值

在d2点的电流基准值是

.

IB100337kA=1.56 kA

100337''''2有名 =IdId2IBId2

=3.465×1.56=5.40 kA

Id0有名 =Id0IBId01003115

= 2.779×1.56=4.3352 kA

② 单相短路：

XjsXff1Xff2Xff0=0.13

正序电流

''Id21=1.847 Xjs零序电流

''Id0Id21.847

各短路电流的有名值：

''''2有名 =IdId2IBId2100337

= 1.847×1.56=2.881 kA

2有名 = 2.881 kA Id0有名 = Id(3) 10kV侧 d3点短路：

① 两相短路接地：

XjsXff1Xff2=0.235+0.235

'' 正序电流 Id31=2.128 kA Xsj该短路点短路电流的有名值： 有名值=标幺值×基准值

在d3点的电流基准值是

IB100310.5kA=5.499 kA

.

''''3有名 =IdId3IBId3100310.5 =2.128×5.499=11.70 kA

② 单相短路：

因为不存在零序输入阻抗，因此单相短路时不存在短路电流。

3入地短路电流计算结果

表5.2 短路计算结果

短路类型

两相短路接地

（kA） 单相短路 （kA）

短路点 d1 d2 d3

1有名 =3.171 Id2有名 =5.405 Id3有名 = 11.70 IdId0有名 =1.602 Id0有名 =4.335

1有名 =1.675 Id2有名 =1.847 Id

Id0有名=1.675 Id0有名=2.881

从（表5.2）中的计算结果可知35kV母线上发生两相接地短路时，短路电流具有最大值，因此将d2点两相接地短路时的短路零序电流作为接地装置接地电阻计算时的短路电流值。因为短路电流经过变压器中性点入地时将变为原来数值的三倍，所以，即Imax3I0：入地短路电流

Imax3I0=3×4.3352=13.01kA

5.2.4 接地电阻的计算

1已知条件 土壤电阻率

根据所给的已知条件中的土壤测试报告和其他的条件可知土壤电阻率： 900m 入地短路电流

由上一节计算结果可得，最大短路电流为35kV母线（即d2点）两相接地短路时的短路电流：

Imax=13.01 kA

因为系统短路时三倍的短路零序电流一部分经短路点入地，一部分经变压

.

器中性点的入地电流的，所以要根据（图4.7 d2点短路是的零序阻抗图）来计算其变压器中性点入地短路电流。

流经变电所接地中性点的最大接地电流为：

In=

Xs20Imax

Xs20X81.638= 12.41 kA

1.6380.0779由《交流电气装置的接地》（DL/T621-1997）中入地短路电流最大值的计算式可得：

In1Ke1 Ke10.5 I1Imax（5.5）

I2In1Ke2 Ke20.1 （5.6）

入地电流I入地为I1与I2之间的较大者 将数据带入（式5.5和式5.6）得：

I1ImaxIn1Ke1=0.3 kA

I2In1Ke2=11.17 kA

取两者较大值，因此本站入地短路电流最大值为：

I入地=11.17 kA

2 接地电阻允许值计算

由《交流电气装置的接地》（DL/T621-1997）中变电站接地网接地电阻的允许计算规程可得接地网接地电阻允许值

R2000/I入地 R2000/11170= 0.179 

所以：R0.179 

3 接地电压和跨步电压允许值

根据据《交流电气装置的接地》（DL/T621-1997）中的接触电压和跨步电压

计算部分可知:

接触电压 Ut1740.17t/t

.

跨步电压 Us1740.7t/t

t— 土壤电阻率

t — 故障切除时间

900m t=0.2 S

将带土壤电阻率t和主保护动作时间t入式上面的公式得：

Ut1740.17t/t1740.17900/0.2=691.3 V Us1740.7t/t1740.7900/0.2=1798.7 V

4 人工接地极工频接地电阻（方孔形接地网）

根据《交流电气装置接地》（DLT621—1997）中对110kV变电站接地网设计的规定，该变电站的接地网设计如（接地网平面图），该接地网的参数如下：

方孔形接地网采用主边缘闭合的50×5扁钢 接地网总面积：S6270.5 =4371 m2

水平接地极总长度: L= 558+634.5=1192.5 m（-50×5热镀锌扁钢） 垂直接地极深度: H=2.5m，共设置81根垂直地极

接地极总长度: L=1192.5（-50×5热镀锌扁钢）+81×2.5（L50×5垂直角钢）=1395 m

水平接地极埋深: h=0.8 m 水平接地极: d=0.025 m 地网主边缘长度: L0=258 m

B114.6hs114.60.84371=0.9434

Re0.2130.213s9001Bsl5Bn2l9hd900437150.9434 ln2139590.80.02543715.63580.276.178510.9434.

L0sa13l0.2nLs043712583l0.2n258

43710.9948Rwa1Re0.99486.17856.15

Re—等值(即等面积、等水平接地极总长度)方形接地网的接地电阻

Rw——人工接地装置的接地电阻

5 接地网表面最大接触电位差 根据接地网表面最大接触电位差计算 最大接触电压UtmaxKtmaxUg

KtmaxKdKLKnKs

Utmax—最大接触电位差 Ktmax—最大接触电位差系数 Ug—接地装置的电位 Kd0.8410.225lgd

=0.8410.225lg0.025=1.201

KL=1.0（本接地网采用方孔布置方式，故取1.0）

Ln2LoLo1192.525829.13 44371258443711212Kn0.0760.7760.16

nKs0.2340.4141lgs=0.988

UtmaxKtmaxUgKdKLKnKsUg1.2011.00.160.988Ug0.19Ug

6接地网外的地表面最大跨步电位差 根据接地网表面最大接触电位差计算

.

最大跨步电位差

UsmaxKsmaxUg

Usmax—最大跨步电位差 Ksmax—最大跨步电位差系数

0,1n0.19.130.3021

20.35n2n1.14s309.1320.359.130.3351.144371300.3021

20.4s2K1.5l/ldhhhT20.80.80.82/l20.44371 1.50.335l0.0250.80.80.80.82h2hT22smax2n2n22n22n0.0725Ta0.8—即跨步距离 Usmax0.0725Ug

7 由接触电位差和跨步电位差允许值反推接地电阻要求值 算出的接触电压和跨步电压允许值如下：

Utmax= 691.3 V Usmax= 1798.7 V

（1）根据接地网设计接触电位差允许值反推接地电阻值要求值的得：

UtmaxKtmaxUg UgUtmaxKtmax

= 691.3/0.19

= 3475.6V

接地电阻值要求值 RUg/I=3475.6/11170= 0.31

（2）根据接地网设计跨步电位差允许值反推接地电阻值要求值的得：

UsmaxKsmaxUg

UgUsmax/Ksmax

.

= 1798.7/0.0725

= 24809.7V

接地电阻值要求 RUg/I=24809.7/11170= 2.2  （3）若考虑绝缘地面 5000m

Ut1740.17t/t 则: 1740.175000/0.2

22.7RUg/IUt/KtmaxI 22.7/0.1911170

1.03计算结论

综上所述，变电站的接地电阻不能超过接地网表面的最大接触点位差的接地电阻值，即R2.2，由上述的计算结果可知人工接地装置的接地电阻的值为

Rw6.15，不满足接地电阻、跨步电压和接地电压的要求，故本站的人工接地

装置需要进行降阻处理。改善电阻率的办法有：①换土法，即使用电阻率ρ较低的土壤来置换掉土壤电阻率较高的土壤。②工业废渣填充法，即利用附近工厂的废渣，做到综合利用。置换材料的特性应保证：电阻率低，性能稳定，易于吸收和保持水分，无强烈的腐蚀作用，并且施工方便、经济合理。目前最常用的是采用各种降阻剂法。

5.3城西110kV变电所感应雷的防护

变电所对感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

ubFB2(a)Z12u(b)2u(c)1Z1ubFBib

1—变压器；2—避雷器

图5.9 避雷器直接装在变压器旁边

（a）接线图；（b）动作前的等值电路；（c）动作后的等值电路

避雷器直接连接在变压器旁，如图5-9（a）所示，即认为变压器与避雷器之间的电气距离为零。忽略变压器对地入口电容，雷电波u自线路侵入。避雷器动作前后的电压等效电路分别如5-9 (b)所示。设阀型避雷器的伏安特性Ubfib和伏秒特性Ufft均为已知，则由图解法可求出避雷器动作前后变压器两端的电压，同时也可以求得避雷器动作前后的电压，由于避雷器上的电压具有两个峰值Ucif和Ucm，Ucif是避雷器的冲击放电电压，由于阀型避雷器的伏秒特性比较平，因此Ucif不随雷电入侵波陡度而变化。Ucm为避雷器残压的最大值，Ucm与流过阀型避雷器的雷电流的大小有关，由于阀型避雷器的阀片电阻值的非线性特性，使ib在很大范围内变动时，其残压不变。在110kV防雷保护结线的变电所中，流经阀型避雷器的雷电流一般不会超过5kA，故残压最大值取5kA以下的数值，记为UC5。在一般情况下，UC5Ucif，这样可按下图分析阀型避雷器上的电压，可近似将其电压取为一斜角平顶波其幅值为5kA下的残压UC5。

.

uUcjf2uUcmub+ibZ1ub=f(ib)ubuf=f(t)tibZ1i

u—来波；uf—避雷器伏秒特性；

ub—避雷器上的电压；ubfib—避雷器的伏安特性

图5-10 避雷器电压ub的图解法

因避雷器直接安装在变压器旁，变压器上的过电压波形与避雷器完全相同。如果变压器的冲击耐压大于避雷器的冲击放电电压Ucif和5kA下的残压UC5，变压器将得到可靠的防雷保护。

αtQBFB(a)TαtTQBl1FBl2(b)

图5-11 变电所实例及其等效电路

但是变电所内有许多电气设备，不可能在每个设备上都装设一组避雷器，常常要求尽可能减少避雷器组数，又要保护全部设备，况且由于布线上的困难，避雷器也不可能直接装设在变压器等设备的接线端上，因此避雷器到变压器和其他电气设备之间总有一段距离，那么被保护设备上最高电压就不再是避雷器的冲击放电电压或残压。以图5-11所示是一变电所电气主接线图及其等值电路图。阀

.

型避雷器装设在母线上，变压器离母线距离为l2进线刀闸离母线的距离为l1，在等效电路中忽略各电气设备的对地电容，点Q、B、T分别表示进线刀闸、避雷器和变压器的位置。雷电入侵波为一斜角波at，点Q、B、T的电压分别为UQt、

UBt、UTt，可用行波网格法求得，见图4-12。为方便描述不取统一时间起点，

而取各点出现电压时为各点的时间起点。先分析UBt的波形，从下图可得到：

at2l1l2v2l1l2atvat2lat2v2at2l1vtf2attf2attf2attf4attf2l22attfv2l1v2l2attf2v2l4attf2v2l2vtf

图4-12 计算电压用的网络图

T点的反射波到达B点前，UBtat T点的反射波到达B点后而避雷器动作前

2llUBtatat22at2

式中：v—波速。 当ttp（5-5）

2l2时，UBt与避雷器伏安特性相交，避雷器动作。相当于在ttp时刻，

在B点上加上一负电压波2attp，因此，当ttp时

llUBt2at22attp2atp2

式（5-2）表明，当ttp时，避雷器动作后电压保持定值，其值为2atp（5-6）

l2，该值应等于避雷器残压UC5，即：

lUBt2atp2UC5

UBt的数值见表5-1，波形如图5-7所示。

（5-7）

.

Ub52atf22a1tub2uLatUTf2Ub52a12atUa2b52at22tf2attf(a)2attfUa2b52Ub5t212tf21t(b)2222(c)t

（a）避雷器上的电压波形； （b）进线刀闸上的电压波形； （c）变压器上的电压波形

图5-13 接线上各点的电压波形

表5-3 避雷器上的电压

UB(t)

t 2l2UB(t) at ttpt2l2v 2llatat22at2vv ll2at22attp2atp2UC5vv tpt 同理，根据图5-7（b）可以求得进线刀闸上的电压UQt和变压器上的电压

UTt，结果分别见表5-4、表5-5和图5-13（b）、（c）。由表5-4、表5-5和图5-13

（b）、（c）可知进线刀闸上的电压最大值UQt为：

lUBUC52a1

（5-8）

变压器上的电压最大值为：

UTUC52al1 （5-9）

式5-8和式5-9表明，不论设备位于避雷器前后位置如何，只要设备与避雷器距离l0，

则电气设备上所承受的冲击电压的最大值必然高于避雷器的残压UC5。

当雷电波入侵变电所时，变电所设备上所承受冲击电压的最大值US可用下式表示：

.

USUC52al1 （5-10）

式中：l—电气设备与避雷器之间的电气距离。

表5-4 进线刀闸上的电压UQt

t 2l1l2tv UQ(t) at 2l1l22l1l2l1l22l1atat2atpttvvvv tp2l1tv 2llllll2at122attp12atp12UC52a1vvvv

表5-5 变压器上的电压UTt

t ttpttpUT(t) 2at 2atpUC52a2l2v 4l2v l2v ttp2l2l2ll2atp24atp2tp2atp2UC52a2vvvv ttp……

2atpUC52a…… l2v 由于分布参数和电晕的影响，电气设备上实际所受的冲击与上图还不完全相同，由表5-3和图5-13（c）可得，变压器上的电压波在B点与T点之间发生多次反射引起的。如果考虑Q处有电气设备电容存在或Q点左右波阻不同，则避雷器动作后产生的负电压波也将在B点Q点之间发生多次反射，同样将使Q点的电压也具有振荡性。

图5-8为雷电波侵入变电所时变压器上的电压实际典型波形，其电压具有振荡性，

.

振荡轴为避雷器残压。这种波形与全波相差很大，对变压器绝缘的作用与截波的作用较为接近。因此，常以变压器绝缘承受截波的能力来说明在运行中该变压器承受雷电波的能力。

uucat0

123456

图5-14 雷电波侵入变电所时，变压器上电压的实际典型波形

变压器承受截波是能力称为多次截波耐压值Uj，根据实践经验，对变压器而言，此值为变压器三次截波冲击实验电压Uj5的1/1.15倍，即U1Uj51.15，同样其他电气设备在运行中承受雷电波的能力也可用多次截波耐压值U1表示。 当雷电波侵入变电所时，若设备上出现的最大冲击电压值Ucjmf小于设备本身多次截波耐压值Uj，则电气设备不会发生事故，反之，则可能造成雷害事故。为了保证电气设备的安全运行，必须满足以下式：

UcjmfUj

即

（5-11）

lUC52akUj

v式中 Ucjm—f电气设备上出现的冲击电压最大值；

Uj—电气设备多次截波耐压值；

（5-12）

UC5—避雷器上5KA下的残压； a—雷电波陡度；

l—电气设备与避雷器间的距离；

v—波速；

k—考虑电气设备电容而引起的修正参数。

不同电压等级变压器的多次截波冲击耐压值Uj和避雷器5kA下的残压UC5可通过查手册得到，从手册中知，额定电压为110kV的变压器三次截波电压

.

Uj3=550kV， Uj=478kV，FZ避雷器5kA下的残压UC5=332kV。

由上面分析可得出：为保证设备安全，必须避雷器动作后流过避雷器的电流在5kA以下，同时，也必须侵入波的陡度a和电气设备与避雷器之间的电气距离l。

避雷器的保护范围

当侵入波陡度被确定后，则被保护设备与避雷器间允许的最大距离为：

lmUcjfUC5v2ak （5-13）

当母线上出线为1、2、3、4时，k值分别取1.0、1.25、1.5、1.7。 即避雷器的保护具有一定范围的，这就是距离效应，并且流过避雷器的雷电流不得超过5kA。侵入波陡度a越小，避雷器的保护范围越大。

对于一般变电所的入侵雷电波的防护设计主要是选择避雷器的安装位置，原则是任何可能的运行方式下，变电所的变压器和各设备距避雷器的电气距离均应小于最大允许电气距离。避雷器一般是安装在母线上，若一组避雷器不能满足要求，则应考虑增设。对于接线复杂和特殊的变电所，需要通过模拟实验或计算机计算来确定阀型避雷器的安装数量和位置。下表列出了我国标准推荐的采用普通阀型避雷器和氧化锌避雷器后的最大电气距离。

表5-6（a） 金属氧化物避雷器至主变压器之间的最大距离（m）

额 定 电 压 (kV) 110 220

表5-6（b） 普通阀型避雷器至变压器之间的最大电气距离（m）

额 定电 压

(kV)

35 66 110

进线段长度 （km）

1 1.5 2 1 1.5 2 1 1.5 2

进线路数

1 25 40 50 45 60 80 45 70 100

2 40 55 75 65 85 105 70 95 135

3 50 65 90 80 105 130 80 115 160

≥4 55 75 105 90 115 145 90 130 180

进线段 长度 （km） 1 1.5 2 2

进线路数 1 55 90 125 125(90)

2 85 120 170

195(140)

3 105 145 205

235(170)

≥4 115 165 230

265(190)

.

220 2 105 165 195 220

5.3.1变电所进线段保护

35～110kV电力系统中要使避雷器能可靠的保护电气设备，必须设法使避雷器电流幅值不超过5kA（在330～500kV级为10kA），而且必须保证来波陡度a不超过一定的允许值。但对35～110kV无避雷线线路来说，如果当雷击于变电所附近的导线时，流过避雷线的电流显然可能超过5kV，而且陡度也会超过允许值。因此，必须在靠近变电所的一段进线上采取可靠的防直击雷保护措施，进线段保护是对雷电侵入波保护的一个重要辅助手段。

进线段保护是指在临近变电所1～2km的一段线路上加强防雷保护措施。当线路全线无避雷线时，此段必须架设避雷线。这样，就可以认为侵入变电所的雷电波主要是来自“进线”保护段之外，使它经过这段距离后才能达到变电所。在这一过程中由于进线波阻抗的作用减小了通过避雷器的雷电流，同时由于导线冲击电晕的影响削弱了侵入波的陡度。进线段的耐雷水平如表5-5所示。

表5-5 进线段的耐雷水平

额定电压（kV） 35 耐雷水平（kA） 30

60 60 110 75 220 120 330 140 500 175 12FZGB2GB1

图5-15 无避雷线线路的变电所进线段的变电所进线段保护接线图

对于沿全线路已架设避雷线的线路，也将变电所附近的2km长的一段列为进线保护段，此段的耐雷水平也应满足上表的要求，保护角为200左右，以尽量减小绕击的机会。

当变电所进线上有了避雷线保护以后就可以防止在变电所附近的线路导线上落

.

雷。如果雷落在进线保护段的首端，雷电波就会沿着线路侵入变电所。为了从进线段以外沿导线侵入的雷电波的幅值，还应在进线段的首端装设一组阀型避雷器，保护段内的构架的工频接地电阻不宜大于10。

1.雷电侵入波经进线段后的电流和陡度的计算

采取进线段保护以后，能否满足规程规定的雷电流幅值和陡度的要求，让我们在最不利的情况下计算雷电流和陡度a。

1)进线段首端落雷，流经避雷器电流的计算

最不利情况是在进线段首端落雷，由于进线段波阻抗的作用，流经避雷器的冲击电流减小。设侵入波的幅值为线路绝缘的50%冲击闪络电压，则行波在长度1～2km的进线段内往返一次所用的时间为t2l/v6.7~13.3s（l为进线保护段的长度），而入侵波的波长又较短。故避雷器动作后，产生的负电压波折回雷击点产生的反射波到达避雷器前，流经避雷器的雷电流已过了峰值。因此，可用图中的等效电路按下式计算流过避雷器雷电流的最大值Ib：

ZU50%ZFB2U50%FBUcmIb

图5-16 流经避雷器的雷电流计算用等效电路

2U50%IbZUcm （5-14）

Ucmflb （5-15）

式中Ucm—避雷器的残压幅值；

U50%—线路的50%冲击闪络电压。

不同电压等级的Ib如表5-7所示。

表5-7 进线段外落雷流经单路进线变电所避雷器雷电流的最大值 额定电压 （kV） 35 110 220 500 避雷器型号 线路绝缘的FZ—35 FZ—110J FZ—220J FCZ—500 U50%（kA） Ib（kA） 350 700 1200～1400 2060～2310 1.4 2.6 4.35～5.38 8.63～10 上述说明，当采取进线段保护后，35～220kV流过避雷器电流不会超过5kA。

.

2）进入变电所的雷电波陡度的计算

可以认为，在最不利的情况下，出现在进线段首端的雷电侵入波的最大幅值为线路绝缘的50%冲击闪络电压U50%且具有直角波头。U50%大大超过导线的临界电晕电压，因此在侵入波作用下，导线将要发生冲击电晕，于是雷电波在行进的过程中将发生变形、波头变缓。根据下式 可求得进入变电所雷电波的陡度a（kV/μs）。

a

uu(kV/s)0.008u(0.5)lhd

（5-16）

aaa'(kV/m)300 （5-17）

式中：hd—导线平均悬挂高度，m；

l—进线段长度，km；

a'—侵入波计算陡度，kV/m。

在最不利的情况下，计算出的变电所侵入波陡度如表5-8所示。

表5-8 变电所入侵波计算陡度 额定电压 （kV） 35 60 110 入侵波陡度（kV/m） 1km进线段 1.0 1.1 1.5 2km进线段或全线有避雷线 0.5 0.6 0.75 5.3.2变电所内变压器的防雷接地保护

1.双绕组变压器的防雷保护

双绕组变压器在正常运行时，高压侧与低压侧断路器都是闭合的，两侧都应该装设避雷器。所以一侧有雷电波入侵，传递到另一侧去的电压也不会对绕组造成损害，无须再加其他的保护。

2.三绕组变压器的防雷保护

110kV以上的变电所有的采用三绕组变压器，即具有高压、中压和低压三个绕组。当高压侧雷电流入侵时，通过绕组间的静电耦合和电磁耦合租用，会使低压侧出现过电压。三绕组变压器在正常运行时，可能出现只有高、中压绕组工作，低压绕组开路的情况。此时，在高压或中压侧有雷电波的作用时，由于低压绕组对地电容较小，开路的低压绕组上的静电感应分量可达很高的数值以至危及低压绕组的绝缘。由于静电感应分量将使低压绕组三相的电位同时升高，故为了这种过电压，只要在任一相低压绕组直接出口处对地架装一个避雷器即可。中压

.

绕组虽也有开路的可能，但其绝缘水平较高，一般不装。

3.变压器中性点的防雷保护 1）中性点绝缘水平

中性点绝缘水平可分为全绝缘和分级绝缘两种。凡中性点绝缘与相线端的绝缘水平相等，叫全绝缘。一般在60kV及以下的电力变压器的中性点是全绝缘的。如果中性点绝缘低于相线端绝缘水平，叫分级绝缘。一般在110kV及以上时，大多中性点是分级绝缘的。本次设计中平北站中变压器中性点即为分级绝缘。

2）不同电压等级的中性点保护 （1）60kV及以下的电网中的变压器

我国60kV及以下的电网，变压器的中性点是非直接接地的。这种电网因额定电压较低，所以线路绝缘不高，加上35kV及以下的线路又不架避雷线，所以常有沿线路三相来雷电波的机会，这理论上会造成威胁。但运行经验表明，这种电网的雷害故障一般每一百台一年只有0.38次，实际上是可以接受的。35～60kV中性点雷害之所以较少，是由于以 下几方面的原因：

① 流过避雷起器的雷电流小于5kV，一般只有1.4～2.0kV；

② 实际上变电所进线不只是一条，它是多路进线，一条线的来波可由其他的线路流走一部分电流，这就减少了流经避雷器的雷电流；

③ 大多数来波是以线路远处袭来的，其陡度很小； ④ 变压器绝缘有一定的裕度；

⑤ 避雷器到变压器的距离实际值比允许值近一些； ⑥ 三相来波的概率很小。

因此我国有关标准规定，36～60kV变压器中性点一般不需要保护。 对于多雷区、单路进线的中性点非直接接地的变电所，宜在中性点上加装避雷妻保护。避雷器可任选金属氧化物避雷器或者阀式避雷器。

（2）110kV及以上电网

我国110kV以上的电网的中性点一般是直接接地的，但为了继电保护的需要，其中一部分变压器的中性点是不接地的，如中性点采用分级绝缘且未装设保护间隙，应在中性点加装避雷器，且宜选变压器中性点金属氧化物避雷器。如果变压器的中性点是全绝缘的，但变电所为单进线且为单台变压器运行，也应该在中性点加装避雷器。这些保护装置应同时满足下列条件：

其冲击放电电压应低于中性点冲击绝缘水平；

避雷器的灭弧电压应大于因电网一相接地而引起的中性点电位升高的稳态值，以免避雷器爆炸。

保护间隙的放电电压应大于电网一相接地而引起的中性点电位升高的暂态

.

最大值，以免继电保护不能正确动作。

对110kV分级绝缘变压器中性点来说，如选用FZ—35或FCZ—35，则其灭弧电压低于电网单相接地时中性点的电位升高稳态值，因此一般不可采用，因考虑选用FZ—40阀型避雷器或氧化锌避雷器。

5.3.3城西110kV变电所馈线段防雷保护

城西110kV变电所分别有4回出路和6回出路，分别向相邻两接触网区段供电，馈线断路器采用100%备用。其防雷保护措施是其进线段和馈线上装设两组避雷器。由于馈线电压等级为35kV,参考Y5WT、Y5WT5、Y5WT10、Y5W、Y10W系列电气设备保护用无间隙氧化锌避雷器技术数据表选择Y5WT-42/120避雷器。同时35KV侧要装设消弧线圈接地。

5.4 城西110kV变电所避雷器的选择

为了保证变电所电气设备的安全运行，在装设避雷器时一要避雷器的残压，也就是说对流过避雷器的雷电流必须加以使之不大于5kA，同时要入侵波的陡度，这两个任务将由变电所进线保护段来完成。二要使所有设备到避雷器的电气距离都在保护范围内。避雷器一般安装在母线上，若一组避雷器不能满足要求，则应考虑增设。

使用无间隙氧化锌避雷器有很多优点，它可保护供电系统中电气设备免受内外过电压的危害，因此本次设计中的避雷器均采用氧化锌避雷器。表5-9为Y5WT、Y5WT5、Y5WT10、Y5W、Y10W系列电气设备保护用无间隙氧化锌避雷器技术数据。

表5-9电气设备保护常用无间隙氧化锌避雷器技术数据

型号 避雷器额定电压有效值（kV） 42 84 42 84 42 84 42 84 系统额定电压有效值（kV） 避雷器持续运行电压有效值（kV） 直流1mA参考电压不小于（kV） 8/20µs雷电冲击波残压峰值不大于（kV） 5kA 10kA 120 240 120 240 128 240 120 240 方波通流容量2ms、 20次(A) 400 400 400 400 400 400 400 400 爬电距离最小值（cm/kV） Y5WT-42/120 Y5WT-84/240 Y5WT5-42/120 Y5WT5-84/240 Y10WT5-42/120 Y10WT5-84/240 Y5W-42/128 Y5W-84/240 27.5 55 27.5 55 27.5 55 27.5 55 31.5 63 31.5 63 31.5 63 31.5 63 65 130 72 144 65 130 65 125 3.5 3.5 3.5 3.5 3.5 3.5 .

Y5W-100/275 Y10W-42/140 Y10W-84/250 Y10W-100/295 Y10W-75/170 100 42 84 100 75 110 27.5 55 110 55 73 31.5 63 110 41 140 65 125 140 275 140 250 295 170 400 400 400 400 400 5.4.1进线段母线上避雷器的选择

由于无间隙氧化锌避雷器有很多优点，在本次设计中优先考虑选用无间隙氧化锌避雷器。参考上表，在进线段母线上选用Y5W-100/275型无间隙氧化锌避雷器。因为在中性点直接接地电网中，最大工频电压和相应的避雷器的额定电压

Ube值取最高运行线电压的75%～80%。本次设计中的变电所即为中性点直接接

地，故其进线段母线上选用避雷器的额定值应不小于其最高运行线电压（110kV）的75%～80%。经计算所选用的Y5W-100/275型无间隙氧化锌避雷器满足上述要求，所以在进线段母线上装设Y5W-100/275型无间隙氧化锌避雷器。

5.4.2变压器架设避雷器的选择

两台YN，d11接线的三相双绕组变压器，均采用中性点接地系统。由表5-9可知在靠近变压器高压侧装设2组Y5W-100/275避雷器。在变压器接牵引母线的端子和电流互感器之间装设Y5WT-42/120氧化锌避雷器。已知110kV变压器中性点的绝缘为35kV，所以考虑到变压器中性点保护在中性点与地之间加装氧化锌避雷器，因避雷器的电压等级与变压器中性点相一致，所以采用Y5WT-42/120氧化锌避雷器。 馈线段避雷器的选择

由主接线图知，两路馈线断路器100%备用，所以参考上表分别在断路器上装设两组Y5WT-42/120。

参考文献

[1]李宗强，江传国.110kV变电所继电保护技木改造.山东煤业科技，2001年，第2期.

[2]李汉明，陈维江，张翠霞，王伟坚.多雷地区110kV 和220kV 敞开式变电所的雷电侵入波保护.电网技术，2002 年.

[3]潘宇. 变电站如何防雷. 科技信息(学术研究).

[4]张建华. 避雷器在电力系统应用中的问题分析 赤峰学院学报(自然科学版).

.

[5]李素芳,谢雪飞,陈宗璋,彭敏放,何莉萍,俞东江. 变电站接地电极腐蚀与防护研究材料保护 .

[6]王润华.霍达成. 变电站二、三次设备的防雷与接地. [7]邝. 变电站自动化系统防雷技术[J]. 电工技术. [8]戴世昆. 苏可忪. 变电站遭雷击原因及防雷措施.

[9]谢广润 .电力系统过电压[M].北京：水利电力出版社，2005.

[10]吴桂芳.110KV 线路避雷器在输电线路防雷中的应用研究【J】电磁避雷器，2002（2）.

[11]刘源祺.地区电网无功优化规划方法综述【J】，山东电力技术，2002年，3月.

[12]李丽英.周庆捷，杨少坤.电力系统优化问题研究综述【J】电力情报，2002.（3）.

[13]柴玉华等编.《架空线路设计》，北京：中国水利水电出版社，2001.8. [14]吴天明编.《电力系统设计与分析》，北京:国防工业出版社，2004.10. [15]朱军编.《国家电力公司农村电网典型设计35KV及以上工程》（上、下册）

北京：中国电力出版社，2004.6.

[16]余兆忠.变电所电子设备的防雷【J】.农村电气化，2005(10). [17]李中凯.计算机网络的雷电防护【J】.电力系统自动化，2003.

[18]虞昊.现代防雷技术基础【M】第二版.北京:清华大学出版社，2005. [19]张一尘.高电压技术【M】.第一版.北京:中国电力出版社，2005.

[20]陈晓伟.雷电基础知识与防雷设计 . 山东.济南:山东省粮油工程设计院. [21]满河清.变电站综合防雷. 云南.昆明:云南电力试验研究院(集团)有限公司.

[22]马宏达.各种避雷针的结构及其防雷性能. 北京: 中国科学院电工研究所. [23]杜海鹏.变电站的防雷.河北石家庄供电公司.

[24]茅蒸.110 kV 变电站失压事故分析.甘肃省陇南供电公司.

[25]伍卓锋. 110 kV变电站二次设备防雷技术应用. 广西 南宁:广西大学电力工程学院.

[26]马宏达.张适昌、楮宗兰. 高效避雷针保护范围的确定【J】.电工电能新技

术, 2005(1).

[27]陈贤彬. 明哲.变电站二次系统防雷保护初探. 广东 汕尾.

[28]沈培坤.刘顺喜编.防雷与接地装置.化学工业出版社，2006(1).

.

设计心得

由于我对电力这方面很感兴趣，因此选择了电力方向的毕业设计题目，对于这样的题目其实并不陌生，上学期期末的电气工程课程设计中的一个题目便是变电站设计。大三下学期学习了“电力系统分析”这门电力方向的专业基础课，虽说有点难学，尤其是暂态部分，但经过老师的辛勤教导和自身的努力，虽然不是很精通，但起码有所了解。上学期又学习了两门专业课“发电厂电气部分”和“电力系统继电保护”。学习了这两门课，为这学期的毕业设计打下了理论基础。

经过三个多月的努力，我终于完成了这个题目，感觉有不少的收获：1.巩固了以前学的专业知识，并在以前的基础上理解并更加透彻，掌握的更加熟练；2.锻炼了自己的实际应用能力，将课本上学到的理论知识和实际生产联系了起来；3.增强了自己解决问题的能力。虽然，在这个过程中我也曾遇到了不少困难，但是，在老师和同学们的热情帮助和我自己的不懈努力下，所有的难题都得到一一解决，我也从中获得了胜利的喜悦。

现在，毕业设计已经结束，虽然有不足，但我也获得了不小的收获。马上就要毕业了，我的大学也即将画上一个完美的句号。在此，我还要感谢在我做毕业设计的过程中，给与我帮助的老师和同学们。