35kv變電所接地裝置與防雷的設(shè)計
35kv變電所接地裝置與防雷的設(shè)計
目錄
一. 前言………………………………………………………………1 二. 設(shè)計任務(wù)……………………………………………………………1 三. 設(shè)計方案及相關(guān)計算………………………………………………1 3.1 雷電參數(shù)………………………………………………………1 3.1.1雷電流的幅值、波頭、波長和陡度………………………1 3.1.2 雷電流極性及波形…………………………………………2 3.1.3雷電波阻抗(Z0) ……………………………………………3 3.1.4地面落雷密度………………………………………………3 3.2變電所遭受雷擊的主要原因…………………………………4 3.3變電所防雷的原則……………………………………………4 3.4變電站防雷具體措施分類……………………………………5 3.4.1 避雷針或避雷線……………………………………………5 3.4.2避雷器………………………………………………………8 3.4.3 直擊雷防護…………………………………………………9 3.4.4變電站雷電侵入波防護 …………………………………13 3.4.5變電站的進線段雷電防護設(shè)計……………………………16 3.5接地裝置的設(shè)計………………………………………………18 3.6 變電站弱電設(shè)備防雷措施……………………………………28 四. 結(jié)束語………………………………………………………………28 五. 參考文獻……………………………………………………………28 六. 調(diào)研報告……………………………………………………………29
一、前言
變電所是電力系統(tǒng)中對電能的電壓和電流進行變換、集中和分配的場所,是聯(lián)系發(fā)電廠與電力用戶的紐帶,擔(dān)負著電壓變換和電能分配的重要任務(wù)。如果變電所發(fā)生雷擊事故,會給國家和人民造成巨大的損失。所以變電所的防雷是不可忽視的問題。隨著電力系統(tǒng)的快速發(fā)展,使得電能這一清潔能源在人民生產(chǎn)、生活中得到了普遍使用。但當(dāng)高壓輸電網(wǎng)在為人們提供動力和照明時,不能忽視自然界產(chǎn)生的雷電對高壓輸變電設(shè)備產(chǎn)生的大量危害。因此,必須加強變電所雷電防護問題的認識與研究。
隨著電力工業(yè)的發(fā)展，自動化程度越來越高，對安全供電的要求也越來越高。為了防止各種電氣事故，保障人民生產(chǎn)、生活的正常有序進行，電氣安全已成為社會關(guān)注對象，各種電氣安全措施也正在建立與完善。
電氣安全工作是一項綜合性的工作，有工程技術(shù)的一面，也有組織管理的一面。工程技術(shù)和組織管理相輔相成，有著十分密切的聯(lián)系。電氣安全工作主要有兩方面的任務(wù)。一方面是研究各種電氣事故，研究電氣事故的機理、原因、構(gòu)成、特點、規(guī)律和防護措施；另一方面是研究用電氣的方法解決各種安全問題，即研究運用電氣監(jiān)測、電氣檢查和電氣控制的方法來評價系統(tǒng)的安全性或獲得必要的安全條件。
二、設(shè)計任務(wù)
本設(shè)計針對35KV變電站進行防雷接地保護設(shè)計；根據(jù)變電站國家防雷接地標(biāo)準，結(jié)合35KV變電站電氣接線圖以及具體情況，學(xué)習(xí)利用各種防雷接地裝置等，實現(xiàn)對變電站的直擊雷防護、雷電侵入波防護以及變電站的接地保護設(shè)計。
三、設(shè)計方案及相關(guān)計算
3.1雷電參數(shù)
3.1.1雷電流的幅值、波頭、波長和陡度
（1）雷電流幅值的概率分布 我國現(xiàn)行標(biāo)準推薦按下式計算
lgP??
I
88
式中：I是雷電流幅值，kA；P是 幅值等于大于I的雷電流概率。例如幅值等于和超過50kA的雷電流，計算可得概率為33%。
上述雷電流幅值累積概率計算公式適用于我國大部分地區(qū)。對于雷電活動很弱的少雷地區(qū)(年平
均雷電活動20日以下)，例如陜南以外的西北地區(qū)及內(nèi)蒙古自治區(qū)的部分地區(qū)。雷電流幅值概率可按以下公式求得：
lgP??
I
44
（2）雷電流的波頭和波長
雖然雷電流幅值隨各國的自然條件不同而差別很大，但是各國側(cè)得的雷電流波形卻基本一致。據(jù)統(tǒng)計，波頭長度大多在1?s～5?s的范圍內(nèi)，平均2?s～2.5?s。我國在防雷保護設(shè)計中建議采用2.6?s的波頭長度。
至于雷電流的波長，實測表明在20?s～100?s范圍之內(nèi)，平均約為50?s,大于50?s的僅占18%～30%。
根據(jù)以上分析，在防雷保護計算中，雷電流的波形可采用2.6/50?s。 (3)雷電流陡度
由于雷電流的波頭長度變化范圍不大，所以雷電流的陡度和幅值必然密切相關(guān)。我國采用2.6?s的固定波頭長度，即認為雷電流的平均陡度石和幅值線性相關(guān)：
a?
I
2.6
即幅值較大的雷電流同時也具有較大的陡度。
雷電流的各項主要參數(shù)---幅值、波頭、波長和陡度的實測數(shù)據(jù)具有很大的分散性。許多研究者發(fā)表過各種結(jié)果，雖然基本規(guī)律大體相近，但其具體數(shù)值卻有差異。其原因一方面在于雷電放電本身的隨機性受到自然條件多種因素的影響;另一方面也在于測量條件和技術(shù)水平的不同。我國幅員遼闊，各地自然條件千差萬別。雷電觀測工作的基礎(chǔ)還比較薄弱，有待于進一步加強。
3.1.2 雷電流極性及波形
國內(nèi)外實測結(jié)果表明，75%～90%的雷電流是負極性，加之負極性的沖擊過電壓波沿線路傳播衰減，因此電氣設(shè)備的防雷保護中一般按負極性進行分析研究。
在電力系統(tǒng)的防雷保護計算中，要求將雷電流波形用公式描述，以便處理,經(jīng)過簡化和典型化可得以下三種常用的計算波形，如圖3-1所示。
(a)標(biāo)準沖擊波形 (b)等值斜角波頭 (c)等值半余弦波頭 圖3-1 雷電流的等值波形 圖3-1(a)標(biāo)準波形，它是由雙指數(shù)公式所表示的波形
i?I0(e
??t
?e
??t
)
這種表示是與實際雷電流波形最為接近的等值波形，但比較繁瑣。當(dāng)被擊物體的阻抗只是電阻R時，作用在R上的電壓波形u和電流波形i是相同的。雙指數(shù)波形也取作沖擊絕緣強度試驗電壓的波形，對它定出標(biāo)準波前和波長為1.2/50?s。
圖2-2-1（b）為斜角平頂波，其陡度α可由給定的雷電流幅值I和波前時間定。斜角波的數(shù)學(xué)表達式最簡單，便于分析與雷電流波前有關(guān)的波程，并且斜角平頂波用于分析發(fā)生在10?s以內(nèi)的各種波過程，有很好的等值性。
圖3-2-1（c）為等值半余弦波，雷電流波形的波前部分，接近半余弦波，可用下式表達：
i?
Im2
(1?cos?t)
這種波形多用于分析雷電流波前的作用，因為用余弦函數(shù)波前計算雷電流通過電感支路所引起壓降比較方便。還有在設(shè)計特高桿塔時，采用此種表示將使計算更加接近于實際。
3.1.3雷電波阻抗(Z0)
雷電通道在主放電時如同導(dǎo)體，使雷電流在其中流動同普通分布參數(shù)導(dǎo)線一樣，具有某一等值波阻抗，稱為雷電波阻抗(Z0)。也就是說，主放電過程可視為一個電流波阻抗Z0的雷電投射到雷擊點A的波過程。若設(shè)這個電流入射波為I0，則對應(yīng)的電壓入射波
u0?I0Z0
。
根據(jù)理論研究和實測分析，我國有關(guān)規(guī)程建議Z0取300Ω左右。
3.1.4地面落雷密度
雷云對地放電的頻繁和強烈程度，由地面落雷密度?來表小。?是指每個雷電日每平方公里地面上的平均落雷次數(shù)。實際上，?值與年平均雷電日Td有關(guān)。一般，Td大的地區(qū)，其?值也較大。 關(guān)于地面落雷密度與雷電日數(shù)的關(guān)系，我國標(biāo)準推薦采用國際大電網(wǎng)會議推薦標(biāo)準:
Ng?0.023Td
1.3
式中，Ng為每年每平方公里地面落雷數(shù)；Td雷電日數(shù)；由此可得： 對
Td?40
??0.023Td
0.3
的地區(qū)，按我國標(biāo)準取值??0.07。
3.2變電所遭受雷擊的主要原因
供電系統(tǒng)在正常運行時,電氣設(shè)備的絕緣處于電網(wǎng)的額定電壓作用之下,但是由于雷擊的原因,供配電系統(tǒng)中某些部分的電壓會大大超過正常狀態(tài)下的數(shù)值,通常情況下變電所雷擊有兩種情況:一是雷直擊于變電所的設(shè)備上;二是架空線路的雷電感應(yīng)過電壓和直擊雷過電壓形成的雷電波沿線路侵入變電所。其具體表現(xiàn)形式如下:
（1）直擊雷過電壓。雷云直接擊中電力裝置時,形成強大的雷電流,雷電流在電力裝置上產(chǎn)生較高的電壓,雷電流通過物體時,將產(chǎn)生有破壞作用的熱效應(yīng)和機械效應(yīng)。
（2）感應(yīng)過電壓。當(dāng)雷云在架空導(dǎo)線上方,由于靜電感應(yīng),在架空導(dǎo)線上積聚了大量的異性束縛電荷,在雷云對大地放電時,線路上的電荷被釋放,形成的自由電荷流向線路的兩端,產(chǎn)生很高的過電壓,此過電壓會對電力網(wǎng)絡(luò)造成危害。
因此,架空線路的雷電感應(yīng)過電壓和直擊雷過電壓形成的雷電波沿線路侵入變電所,是導(dǎo)致變電所雷害的主要原因,若不采取防護措施,勢必造成變電所電氣設(shè)備絕緣損壞,引發(fā)事故。
3.3變電所防雷的原則
針對變電所的特點,其總的防雷原則是將絕大部分雷電流直接接閃引入地下泄散(外部保護);阻塞沿電源線或數(shù)據(jù)、信號線引入的過電壓波(內(nèi)部保護及過電壓保護);限制被保護設(shè)備上浪涌過壓幅值(過電壓保護)。這三道防線,相互配合,各行其責(zé),缺一不可。應(yīng)從單純一維防護(避雷針引雷入地———無源保護)轉(zhuǎn)為三維防護(有源和無源防護),包括:防直擊雷,防感應(yīng)雷電波侵入,防雷電電磁感應(yīng)等多方面系統(tǒng)加以分析。 （1）外部防雷和內(nèi)部防雷
避雷針或避雷帶、避雷網(wǎng)引下線和接地系統(tǒng)構(gòu)成外部防雷系統(tǒng),主要是為了保護建筑物免受雷擊引起火災(zāi)事故及人身安全事故;而內(nèi)部防雷系統(tǒng)則是防止雷電和其它形式的過電壓侵入設(shè)備中造成損壞,這是外部防雷系統(tǒng)無法保證的。為了實現(xiàn)內(nèi)部防雷,需要對進出保護區(qū)的電纜,金屬管道等都要連接防雷、及過壓保護器,并實行等電位連接。 （2）防雷等電位連接
為了徹底消除雷電引起的毀壞性的電位差,就特別需要實行等電位連接,電源線、信號線、金屬管道等都要通過過電壓保護器進行等電位連接,各個內(nèi)層保護區(qū)的界面處同樣要依此進行局部等電位連接,各個局部等電位連接棒互相連接,并最后與主等電位連接棒相連。
3.4變電站防雷具體措施分類
3.4.1 避雷針或避雷線
避雷針是防直接雷擊的有效裝置。它的作用是將雷電吸引到自身并泄放入地中，從而保護其附近的建筑物、構(gòu)筑物和電氣設(shè)備等免遭雷擊。 1、避雷針的結(jié)構(gòu)和保護原理
避雷針是由接閃器、支持構(gòu)架、引下線和接地體四部分構(gòu)成。
（1）接閃器 是避雷針頂端1～2m長的一段鍍鋅圓鋼或焊接鋼管。圓鋼直徑應(yīng)大于12～16mm；鋼管直徑應(yīng)大于20～25mm。通過接閃器和雷云發(fā)生閃絡(luò)放電。
（2）支持構(gòu)架 高度在15～20m一下的獨立避雷針可采用水泥桿；較高時宜采用鋼結(jié)構(gòu)支柱；110KV及以上電壓級變電站，當(dāng)條件允許時，可將避雷針安裝在高壓門型構(gòu)上；對于建筑物或構(gòu)筑物可裝于頂部。
（3）引下線 采用經(jīng)過防腐處理的圓鋼或扁鋼。圓鋼直徑不得小于8～12mm；扁鋼截面不得小于12mm×4mm。引下線應(yīng)沿支持構(gòu)架及建筑物外墻以最短路徑入地，以便盡可能減小雷電流通過時在引下線上產(chǎn)生的電感下降。
（4）接地體 埋于地下的各種型鋼，工程中多采用垂直打入地中的鋼管、角鋼或水平埋設(shè)扁鋼、圓鋼。入L50×50×5，長2.5m的角鋼和截面為4mm×25mm的扁鋼。接地體是直接泄放雷電流的，所以其選用既要考慮經(jīng)濟，又要滿足接地電阻值的規(guī)定要求。
避雷針的保護原理是：當(dāng)雷云中的先導(dǎo)放電向地面發(fā)展，距離地面一定高度時，避雷針能使先導(dǎo)通道所產(chǎn)生的電場發(fā)生畸變，此時，最大電場強度的方向?qū)⒊霈F(xiàn)在從雷電先導(dǎo)到避雷針頂端（接閃器）的連線上，致使雷云中的電荷被吸引到避雷針，并安全泄放入地。 2、避雷針的保護范圍
（1）單根針的保護范圍 如圖3-2所示。
圖3-2 單根避雷針的保護范圍
由上圖有，在被保護高度為hx水平面上, 其保護半徑rx為
hx?
h
2時， rx?(h?hx)p h
2時，
當(dāng)
當(dāng)
hx?
rx?(1.5h?2hx)p
20式中，p為考慮避雷針太高時，保護半徑不成正比增大的系數(shù)。當(dāng)h?30m時，p?1；當(dāng)30?h?1
p?
5.5
h；當(dāng)h?120m時，按120m計算。
時，
（2）兩根等高避雷針的保護范圍 如圖3-3所示。
圖3-3 兩根等高避雷針的保護范圍
首先根據(jù)被保護物的長、寬和高度及避雷針理想的安裝位置等客觀情況，初步確定兩等高針之間的距離，并按照
D?7ha
，初步選取ha。根據(jù)D和ha，進行兩等高針聯(lián)合保護范圍驗算：兩針之間保
護范圍如圖2-4所示，計算公式有：
h0?h?
D
7p
bx?1.5(h0?hx)
式中: h0——為等高雙針的聯(lián)合保護范圍上部邊緣最低點的高度(m )，p同上。
3、避雷線
避雷線是由懸掛在保護物上空的鍍鋅鋼絞線（即接閃器，截面不得小35mm2）、接地引下線和接地體組成。
（1）單根避雷線的保護范圍 如圖3-4所示。
圖3-4 單根避雷線的保護范圍
單根避雷線的一側(cè)，在高度為hx平面上的保護寬度rx按下式計算：
hx?
12h
當(dāng)
hx?
時，
rx?0.
47(h?hx)p
12
h
當(dāng)時，
rx?(h?1.53hx)p
（2）兩條平行架設(shè)的避雷線的保護范圍
圖3-5 雙避雷線的保護范圍
在兩根避雷線的外側(cè)的保護范圍按單根線方法確定；而兩避雷線內(nèi)側(cè)保護范圍的橫截面，是由通過避
h0?h?
D
4p（h為避雷線懸
雷線1和2及保護范圍上部 邊緣的最低點O的圓弧來確定，O點的高度掛高度；D為兩避雷線的水平間距；p的意義同前）。
兩避雷線端部的保護范圍分別按單根避雷線確定端部的保護范圍，兩線間端部保護范圍最小寬度有：
bx?h0?hx?h?
D4p
?hx
bx為兩避雷線端部最小保護寬度；hx為被保護物高度；h0為兩避雷線間保護最低點高度。
3.4.2避雷器
避雷器能將侵入變電所的雷電波降低到電氣裝置絕緣強度允許值以內(nèi)。我國主要是采用金屬氧化物避雷器（MOA）。
避雷器是用來限制沿線路侵入的雷電壓（或因操作引起的內(nèi)過電壓）的一種保護設(shè)備。避雷器的連接如圖3-6所示：
圖3-6 避雷器的連接
為了使避雷器能夠達到預(yù)想的保護效果，必須滿足如下兩點基本要求。
（1）具有良好的伏秒特性，以實現(xiàn)與被保護電氣設(shè)備絕緣的合理配合。如圖3-7所示
u
t
圖3-7 避雷器與電氣設(shè)備的伏秒特性合理配合
1-電氣設(shè)備的伏秒特性；2-避雷器的伏秒特性；3-電器上可能出現(xiàn)的最高工頻電壓
伏秒特性，是表達絕緣材料（或空氣間隙）在不同幅值的沖擊電壓作用下，其沖擊放電電壓值與對應(yīng)的放電時間的函數(shù)關(guān)系。
（2）間隙絕緣強度自恢復(fù)能力要好，以便快速切斷工頻續(xù)流，保證電力系統(tǒng)繼續(xù)正常工作。 對于有間隙的避雷器以上兩條都適宜，這類避雷器主要有保護間隙、管式避雷器及帶間隙的閥式避雷器。對于無間隙的金屬氧化物避雷器，基本技術(shù)要求則不同，它沒有滅弧問題，相應(yīng)的卻產(chǎn)生了獨特的熱穩(wěn)定性問題。
目前大部分變電站防雷電侵入波使用的氧化鋅避雷器的保護效果如圖3-8所示：
t
圖 3-8 氧化鋅避雷器的保護效果
3.4.3 直擊雷防護
裝設(shè)避雷針是直擊雷防護的主要措施, 避雷針是保護電氣設(shè)備、建筑物不受直接雷擊的雷電接受器。它將雷吸引到自己的身上, 并安全導(dǎo)人地中, 從而保護了附近絕緣水平比它低的設(shè)備免遭雷擊。變電站裝設(shè)避雷針時, 應(yīng)該使站內(nèi)設(shè)備都處于避雷針保護范圍之內(nèi)。此外, 裝設(shè)避雷針時對于35KV變電站必須裝有獨立的避雷針, 并滿足不發(fā)生反擊的要求；對于110KV及以上的變電站, 由于此類電壓等級配電裝置的絕緣水平較高, 可以將避雷針直接裝設(shè)在配電裝置的架構(gòu)上, 因此, 雷擊避雷針?biāo)a(chǎn)生的高電位不會造成電氣設(shè)備的反擊事故。 （1） 年預(yù)計累計次數(shù)計算
假設(shè)35KV變電站，占地面積長50m，寬40m,變電站的最高點高度為20m,當(dāng)?shù)啬昶骄纂娙諡?0，故有：
據(jù)
N?kNgAe?0.024kTdAe
1.3
?6
Ae?[LW?2(L?W)H(200?H)??H(200?H)]*10
?6
?[50?40?2(50?40)20(200?20)?3.14?20(200?20)]?10
=0.024104 k=1；Td=40；
Td
1.3
=401.3=120.97
故 N=0.024×1×120.97×0.0241=0.0700次/a
1
?14.286
由于0.0700（2） 反擊
年/次，即該變電站可能平均運行14年就要遭受一次雷擊。
所謂反擊是指雷擊避雷針（線）瞬間，強大的雷電流通過避雷針頂端的接閃器及引下線和接地體
向大地泄放時產(chǎn)生的高電位。如果避雷針（線）與附近的金屬物體的空間距離，或者其接地裝置與其
圖3-9 雷擊獨立避雷針時的高電位分析
如圖3-9所示，高度為h的A點電位記為Uk，避雷針輔助接地裝置上的電位記為Ud，則有：
Uk?iRch?L
didt
Ud?iRch
式中，i為雷電流，kA，幅值取150kA，斜角波長2.6?s；Rch為獨立避雷針輔助接地裝置的沖擊接地電阻，Ω；L為A點到地面，接地引下線h長度上的電感,?H,可取L0=1.6?H/m，L=L0h。
為防止發(fā)生反擊，避雷針距金屬物體空間間隙Sk應(yīng)滿足：
Sk?
UkEk
避雷針輔助接地裝置與其他接地裝置的地中間隙Sd應(yīng)滿足：
Sd?
UdEd
Ek
和
Ed
分別為空氣間隙和土壤的擊穿場強，單位kV/m，可取Ek=500kV/m，
Ed=300kV/m。 《標(biāo)準》規(guī)定：
Sk?0.3Rch?0.1hSd?0.3Rch
一般情況下，要求
。對于35KV及以下電壓級的配電裝置和土壤電阻率
Sk?5m
；
Sd?3m
大于500Ω·m的地區(qū)，不宜采用構(gòu)架式避雷針。
裝設(shè)避雷針的構(gòu)架應(yīng)埋設(shè)輔助集中接地裝置。輔助接地裝置與變電站的主接地網(wǎng)相連接時，
其連接點距離變壓器與主接地網(wǎng)的連接點不得小于15m，目的是保證雷擊避雷針時，在接地裝置上產(chǎn)生的高電壓波經(jīng)過這段距離的衰減，傳播到變壓器連接點不會對變壓器造成反擊。 特別指出，變壓器的進線門型構(gòu)不允許裝設(shè)避雷針，因為變壓器是變電站的重要電氣設(shè)備，其絕緣較弱，萬一發(fā)生反擊，必將造成嚴重后果。 (3)35kv變電站直擊雷防護避雷針設(shè)計
變電站所處地區(qū)土壤電阻率2×10Ω·m，雖然不大于500Ω·m，但由于是35KV電壓級的配電裝置，故不宜采用構(gòu)架式避雷針。
①采用兩根等高避雷針進行防護設(shè)計
由于此35KV變電站，占地面積長50m，寬40m,變電站的最高點高度為20m,在變電站寬兩側(cè)對稱位置上距5m處設(shè)立兩等高避雷針。如圖3-10所示。
2
2
圖3-10 兩等高避雷針位置圖
據(jù)題有：兩針間距D=5+50+5=60m。設(shè)避雷針高度為h，又變電站的最高點為20m，故hx=20m。 在避雷針1或2的一側(cè)按單避雷針來計算 顯然有 hx
rx?(1.5h?2hx)p
且要
rx?20
m ，故h?42m。
在避雷針1號2號之間，D12=60m, 兩等高避雷針針在hx=20m高度處的最小保護寬度有bx?
(25?5)?20
2
2
，故有
bx?36
m；
D
7p 所以h?56 m。
又
bx?1.5(h0?hx)
h0?h?
且
綜上所述，只用兩根等高避雷針實現(xiàn)對變電站的直擊雷防護，需要求避雷針高度不小于56m。 由于不宜采用構(gòu)架式避雷針，只能用兩根60m的避雷針按圖3-4-1設(shè)計聯(lián)合保護。其中支架高58m，
接閃器選2m長，直徑為12～16mm的圓鋼，引下線選截面12mm×4mm扁鋼。接閃器和引下線要做防腐處理。
②采用四根等高避雷針進行防護設(shè)計
變電站的最高建筑物是門型框架，高度為20m，35KV與10.5KV母線架高度都為15m,變電裝置屋高為8m。采用四根等高避雷針對變電站進行防護，避雷針1號與2號，3號與4號處于水平位置上，如圖3-11所示。
圖3-11 四等高避雷針的位置圖
門型框架兩側(cè)，1號和2號針之間，假設(shè)選高度為40m的避雷針，即40m,20m。 顯然 hx=h/2 故1號2號單根保護半徑rx為：
50m 60m
避雷針1
10.5KV母線架
避雷針3
35KV母線架
避雷針4
變配電裝置
門型框架
避雷針2
rx?(h?hx)p
= （40-20）×0.79 =15.8m
兩等高避雷針針聯(lián)合保護范圍 D12=60m h0=40-60/(7×0.79)=29.2m bx=1.5×(29.2-20)=13.8m
35KV側(cè)，3號和4號之間，選用40m高的避雷針即h=40m,hx=15m。 顯然 hx
rx?(1.5h?2hx)p
=（1.5×40-2×15）×0.79 =23.7m
兩等高避雷針針聯(lián)合保護范圍 D34=60m h0=40-60/(7×0.79)=29.2m bx=1.5×(29.2-15)=21.3m
35KV與10.5KV同一側(cè)，2號與4號避雷針之間，選用40m 高的避雷針即h=40m , hx= 15m。 顯然 hx
rx?(1.5h?2hx)p
=（1.5×40-2×15）×0.79 =23.7m
兩等高避雷針針聯(lián)合保護范圍 D24=36m h0=40-36/(7×0.79)=33.5m bx=1.5×(33.5-15)=27.8m
35KV與10.5KV對角線一側(cè)，2 號和3 號針之間, 選用40m 高的避雷針即h=40m，hx= 15m。 顯然 hx
rx?(1.5h?2hx)p
=（1.5×40-2×15）×0.79 =23.7m
兩等高避雷針針聯(lián)合保護范圍 D24=62m h0=40-62/(7×0.79)=28.8m bx=1.5×(28.8-15)=20.7m
由以上計算結(jié)果可見, 這四根針可以將整個變電站站都保護到位。所以可選四根40m的避雷針按圖3-4-2設(shè)計聯(lián)合保護。其中支架高38.5m，接閃器選1.5m長，直徑為12～16mm的圓鋼，引下線選截面12mm×4mm扁鋼。接閃器和引下線要做防腐處理。
3.4.4變電站雷電侵入波防護
（1）變電站對雷電侵入波防護概述
雷擊輸電線路的次數(shù)遠多于雷擊變電站，所以沿線路侵入變電站的雷電侵入波較常見。再加上輸電線路的絕緣水平（即絕緣子串50%沖擊放電電壓U50%）比變壓器及其他電氣設(shè)備的沖擊絕緣水平高得多，因此，變電站對雷電侵入波的防護顯得很重要。
在變電站內(nèi)裝設(shè)避雷器是變電站對侵人波防護的主要措施�，F(xiàn)階段, 大部分變電站都采取使用氧化鋅避雷器代替原來的閥型避雷器。主要由于氧化鋅避雷 器除具有較理想的非線性伏安特性外, 還有無
間隙、無續(xù)流、電氣所受過電壓可以降低和通流容量大, 可以用來限制內(nèi)部過電壓等等優(yōu)點。然而，要有效及經(jīng)濟地保護變電站所有電氣設(shè)備，不僅要正確選擇避雷器，還要合理地確定避雷器的接線；同時還要限制由線路傳來的雷電波陡度及流過避雷器的雷電流幅值。 （2）避雷器的設(shè)計 ①避雷器的防護距離
以主變壓器為保護對象，雷電波沿變電站進線侵入，避雷器連接點距離變壓器連接點的最大允許電氣距離。在此稱為避雷器的防護距離，參見圖3-12。
圖3-12 分析避雷器保護距離的簡單回路
當(dāng)雷電波入侵時,變壓器上的電壓具有振蕩性質(zhì),其振蕩軸為避雷器的殘壓
Uc5
。主要原因是由于避
雷器動作后產(chǎn)生的電壓波在避雷器和變壓器之間多次反射引起,因此,只要變壓器離避雷器有一段距離,變壓器所受沖擊電壓的最大值必然要超過避雷器的殘壓
Uc5
, 有時會對變壓器絕緣造成威脅,因此變
Um
壓器與避雷器之間的安裝距離l要進行限制,該距離不能太遠；變壓器上所受沖擊電壓的最大值
Um?Uc5?2a?l/??Uc5?2a0?l
lmax?(Um?Uc5)/2a0
。
a0
式中，波速?為定值；a為侵入波的時間陡度（kV/s）；
為侵入波的空間陡度（kV/m）。
在平常的設(shè)計要求中,根據(jù)上述公式,只要距離l滿足要求即認可,但是,隨著變電站設(shè)備的老化,其耐雷水平或承受過電壓的能力都會存在不同程度的下降,對變電站來說,最重要的設(shè)備是變壓器,其承受過電壓的能力相應(yīng)低于其他設(shè)備,因此,在電氣設(shè)備的絕緣配合中,通常應(yīng)以變壓器作為絕緣配合的核心,站內(nèi)母線避雷器的安裝,要盡可能做到與主變壓器之間的距離最短；在一些變電站, 比如10 kV (35kV) 母線避雷器與TV 安裝于同一間隔內(nèi),該間隔可以安裝于該母線段的任何位置,但從其與主變最小距離考慮,該間隔盡可能做到挨著主變側(cè)開關(guān)間隔安裝,在實際設(shè)計、施工中也是容易做到的,對保護變壓器側(cè)的絕緣是有好處的。
以此35 kV電壓等級為例進行說明:由于此變電站1km 進線段有避雷線，若取a0= 1.0 kV/ m ,若l與變壓器減小5 m ,則變壓器所受沖擊電壓將減少10 kV ,這對保護變壓器的絕緣是很有利的。
同時,還應(yīng)對被保護設(shè)備與避雷器之間的安裝距離l 進行校核,即雷電防護要有一定裕度。
Ubil/Um?K
Ubil/K?Um
而不應(yīng)當(dāng)用公式 的電壓明顯要高于
Uc5
Ubil/(Uc5?2a0?l)?K
Ubil/Uc5?K
Uc5
來校核,因為只要被保護設(shè)備與避雷器有一定距離,被保護設(shè)備上
,若用
進行校核,在l 較大的情況下可能存在沒有保護裕度。
Ubil
K —是一個大于1的配合系數(shù), 可取1.05～1.1；器的雷電沖擊殘壓；
Um
—被保護設(shè)備的雷電沖擊耐受電壓；
Uc5
—避雷
—設(shè)備上所受沖擊電壓的最大值。
②避雷器與變壓器的最大電氣距離
35KV變壓器允許的距離
lmax
Um?Uc5?2a?l/??Uc5?2a0?l
a0
當(dāng)運行進線為1條時：根據(jù)，令
Um?Ubli
（35KV變壓器的雷
電沖擊耐受電壓為185kV，35KV進線1km有避雷線，其陡度 185=134+2×1×
lmax
取1.0kV/m）。
lmax
=25（m）
35KV進線2km或全線有避雷線，其陡度 185=134+2×0.5× 當(dāng)進線數(shù)增加時，
lmax
lmax
a0
取0.5kV/m。
lmax
=51（m）
可參考表3-1的數(shù)據(jù)。
lmax
表3-1 進線數(shù)與
的關(guān)系
lmax
10.5KV變壓器允許的距離 當(dāng)運行進線為1條時：根據(jù)
Um?Uc5?2a?l/??Uc5?2a0?l
，令
Um?Ubil
（10kV 變壓器的雷
電沖擊耐受電壓為75kV,10kV全線無避雷線,其陡度a0取1kV/ m）。 75 = 45 + 2 ×1 × 當(dāng)進線增加，
lmax
lmax
lmax
= 15 (m)
參照表3-2的數(shù)據(jù)
lmax
表3-2 進線數(shù)與的關(guān)系
故由計算可知，在35KV變電站里面距變壓器（35/10.5KV、35/0.4KV）25m內(nèi)必須要安裝避雷器，距變壓器（10.5/0.4KV）15m內(nèi)須安裝避雷器。
依據(jù)分析和運行經(jīng)驗，對于本35KV電壓級的變電站，實際上只要保證在每一段（包括分段母線）可能單獨運行的母線上都裝設(shè)一組避雷器，就可以使整個變電站得到保護。
3.4.5變電站的進線段雷電防護設(shè)計
①進線段防護必要性
當(dāng)
lmax
一經(jīng)確定，為使避雷器能可靠地保護設(shè)備，還必須設(shè)法限制侵入波陡度。對于已安裝好的
a?
'
(U
jcf
?Uchf)2l
電氣距離l，可求出最大允許陡度
。同時，應(yīng)限制流過避雷器的雷電流的大小，以降
低殘壓，尤其不能超過避雷器的額定通流能力，否則避雷器就會燒壞。
變電站因雷電侵入波形成的雷害事故有50%是離變電站1km以內(nèi)雷擊線路引起的，約有71%是3km以內(nèi)雷擊線路引起的。說明加強變電站進線段的雷電防護的必要性和重要性。
雷電侵入波沿導(dǎo)線傳播時有損耗。具體是雷電壓在線路上感應(yīng)產(chǎn)生的地點離變電站愈遠，它流動到變電站時的損耗就愈大，其波陡度和幅值就降得愈低。為此，可以在變電站進線段，即距變電站1～2km的這段線路上加強防雷保護。對全線無架設(shè)避雷線的，應(yīng)在這段線路增設(shè)避雷線；當(dāng)全線有避雷線時，應(yīng)使該段線路具有更高的耐壓水平，減少進線段內(nèi)繞擊和反擊形成侵入波的概率。這樣，侵入變電站的雷電過電壓波主要來自進線段外，并經(jīng)過1～2km線路的沖擊電暈影響，不但削弱了侵入波的幅值和陡度，而且因進線段波阻抗的作用，也限制了通過避雷器的雷電流，使其不超過規(guī)定值，保證了避雷器的
良好配合，這一措施就是變電站進線段保護。 ②進線保護段接線設(shè)計
圖3-13 35KV進線保護段接線圖
由于此35KV變電站全線無避雷線線路，故變電站進線保護段接線方案可根據(jù)圖3-13設(shè)計。方案中架設(shè)1～2km避雷線可防止進線段遭受直接雷擊和屏蔽雷電感應(yīng)。圖中管型避雷器GB1和GB2在一般線路不必裝設(shè)，但對于沖擊絕緣強度特別高的木桿線路或者鋼筋混凝土桿木橫擔(dān)線路，應(yīng)在進線保護段首端加裝一組管型避雷器GB1，其工頻接地電阻一般不得超過10Ω。GB1的作用是限制從進線段外沿導(dǎo)線侵入的雷電流幅值。在進線保護末端裝設(shè)一組GB2的目的是保護斷路器QF。當(dāng)雷雨季節(jié)，QF處于開斷狀態(tài)，且線路側(cè)帶工頻電壓，無GB2保護時會出現(xiàn)較高的折射波電壓（2倍的侵入波電位），引起觸頭閃絡(luò)，甚至燒壞觸頭。母線上裝設(shè)一組閥型避雷器FZ的作用是保護變壓器及其他電氣設(shè)備。
圖3-14 3150kV·A以下35KV變電站的簡化進線保護
由于此變電站容量在3150kV·A以下（本變電站容量為2560kV·A），可采用圖3-14兩種簡化接線。管型避雷器GB1、GB2可采用保護間隙JX代替，其工頻接地電阻應(yīng)小于或等于5Ω。
假設(shè)對此35KV變電站，當(dāng)在進線區(qū)域架設(shè)避雷線較困難，為此不能保證要求的耐雷水平。在這種情況下，可以在進線終端桿上安裝一組1000?H
的電抗器（L），以限制雷電侵入波的陡度a`和雷電流幅值I，起到進線段保護的作用。接線見圖3-15所示。
另外，35KV變電站有進線段采用電纜線路，在電纜線與架空線連接處，考慮波過程可能產(chǎn)生過電壓，故應(yīng)裝設(shè)一組避雷器保護，并且使避雷器的接地端與電纜的金屬外皮連接。如圖3-16所示。 或JX
圖3-15 用電抗器代替進線段保護
圖3-16 35KV變電站電纜進線段的保護接線
3.5接地裝置的設(shè)計
接地按其作用分兩類，一位功能（或工作）接地，二為保護接地。
功能接地為電力系統(tǒng)正常運行需要設(shè)置的接地，如三相交流系統(tǒng)中的發(fā)電機和變壓器中性點接地，雙極直流輸電系統(tǒng)的中性點接地等。
保護接地，也稱為安全接地，是為保證人身和設(shè)備安全，將電氣設(shè)備的金屬外殼、底座。配電裝置的金屬框架和輸電線路桿塔等外露導(dǎo)電部分接地，防止一旦絕緣損壞或產(chǎn)生漏電，
人員觸及發(fā)生電擊。保護接地，是在故障條件下發(fā)揮作用的。
另外，屬于功能接地范疇的還有：在電子設(shè)備中，為獲得穩(wěn)定的參考電位（零電位）所設(shè)置的邏輯接地；為防止電磁干擾的屏蔽接地；為保證信號有穩(wěn)定基準電位所設(shè)置的信號接地。而屬于接地保護的還有防靜電接地（將靜電聚積電荷引入大地）和防電蝕接地（在地下埋設(shè)金屬體作為犧牲陽極或犧牲陰極，以保護與其連接的金屬體）等。
1、接地計算：
大地并非理想的導(dǎo)體，它具有一定的電阻率。所以當(dāng)外界強制施加于大地內(nèi)部某一電流時，大地就不能保持等電位。
流進大地的電流經(jīng)過接地線、接地體注入大地后，以電流場的形式向周圍遠處擴散，如圖5-1所示。
圖3-17 半球接地極的電流場
設(shè)接地裝置（接地體）為一半徑為r0的半球體，并認為接地體周圍土質(zhì)均勻，其電阻率為ρ，當(dāng)電流Id接地體注入地中時，電流Id將從半球表面均勻地散流出去，在接地半球表面上的`電流密度為：
?0?
Id2?r0
2
而在距半球球心為x的球面上，電流密度為：
?x?
Id
2?x
2
于是，大地中呈現(xiàn)出相應(yīng)的電場分布，其電場強度為：
Ex??x?
在地中沿電流散流方向，在dx段內(nèi)的電壓降落為：
dU
x
?Exdx??x?dx?
Id?2?x
2
dx
所以，在距離球心為x的球面上的電位為：
Ux?
?
?
rx
dU
x
?
?
?
Id?2?x
2
rx
dx?
Id?2?rx
而在半球接地體表面上的電位應(yīng)為：
Ud?
Id?2?r0
故散流電阻為： Rd=Ud/Id
由此可知，距離接地體（即電流注入點）越遠，電流密度越小，電場強度越弱，電位越低。若在相當(dāng)遠處（一般距球心20m以外），地中電流密度很�。ǹ山茷榱悖�，電場強度可視為零，則該處的電位仍保持為零電位。
假設(shè)條件：土壤電阻率取280歐·米，考慮季節(jié)系數(shù)K=2，土壤電阻率按560歐·米考慮。變電站最大短路電流為三相短路電流20.45kA；最大接地短路電流Imax為單相接地短路電流15.04kA（有效值）；最大接地短路電流時，流經(jīng)變電站接地中性點的最大接地短路電流為3.88 kA（有效值）。
根據(jù)公式I = (Imax - In )Kf ，（Kf取0.5）求得入地短路電流為5.58kA，再由公式R=2000/I可得，變電站接地電阻應(yīng)不大于0.36歐姆。
根據(jù)《電力工程電氣設(shè)計手冊》(電氣一次部分)912頁表16-8的估算公式：R=0.5×
?S
計算
（?=560，S=62*44=2728平米），求得變電站復(fù)合接地網(wǎng)自身接地電阻為5.36歐姆，大于0.36歐姆，達不到要求,必須采取降阻措施。
因為變電站面積只有62米*44米共2728平方米，站區(qū)面積有限，而且變電站四周均為已建設(shè)的城市用地，變電站外引接地線非常困難，因此變電站考慮盡量在所址范圍內(nèi)解決接地問題。 2、跨步電壓及接觸電位允許值計算 計算接觸電位差和跨步電位差允許值： http://www.msguai.com/news/55CF510D6D5B3BF2.html Ut?
174?0.17?t
t174?0.7?t
t
Us?式中：Ut——接觸電位差，V； Us——跨步電位差，V；
?t——人腳站立處地表面的土壤電阻率，歐·m； t——接地短路(故障)電流的持續(xù)時間，s。
t取值：為保護動作時間加相應(yīng)的斷路器全分閘時間。取1.12s。
?t取值：在未做任何提高接觸電壓和跨步電位允許值的措施之前，變電站的土壤電阻率實測為280
歐·m，考慮季節(jié)系數(shù)后取560歐·m。
174?0.17?t174?0.17*560
?經(jīng)計算Ut?=254.4(V)（允許值）
t174?0.7?t174?0.7*560
=534.8 (V)（允許值） Us??
t3、接地方案及計算
從降低工程造價以及技術(shù)與經(jīng)濟性相結(jié)合的角度出發(fā)，變電站接地電阻設(shè)計值為1歐，全所接地網(wǎng)沿水平接地體、垂直接地體敷設(shè)降阻劑，必要時可加打垂直接地樁；全所做絕緣高阻地面，以滿足接觸電位差及跨步電位差的要求。 ①施加降阻劑后的接地電阻：
在具體施工中施加降阻劑后，有效地擴大接地體與土壤接觸面積，施加CFJ-1型降阻劑，按18公斤/米計算，按接地極總長度1563米計算，約需30噸。
根據(jù)： R?
ρ
：平均土壤電阻率………………560Ω·m。
?2??L
ln
L
2
dh
L：接地極的總長度 ……………..水平加垂直L=1563m。 d：接地極的等效直徑……………0.025m。 h：接地極的埋深 ………………...0.8m。 η：降阻劑的利用率……………….50℅。
R?
560
2?3.14?0.5?1563
ln
1563
2
0.025?0.8
R=2.12(Ω)
②加打接地深井后的接地電阻：
在站內(nèi)與復(fù)合接地網(wǎng)配合，在四個邊的中間打4×40米的深井接地，深井直徑200mm，接地極熱鍍鋅鋼管Ф=100mm，側(cè)壁鉆Ф=15mm的溢流孔。井內(nèi)用壓力灌裝機灌注降阻劑。
根據(jù)公式： Rρ
?
?
2?nL
ln
L
2
dh
：深40米土壤電阻率估計…………1200Ω·m。
L：深井接地極的總長度 ……………..40m。 d：深井接地極的等效直徑……………0.20m。 h：深井接地極的埋深 ………………..0.8m。 n：深井?dāng)?shù)………………………………4口。
R=10.994(Ω)。
并接水平地網(wǎng)后，根據(jù)：R?
R1?R2R1?R2
K （k為屏蔽系數(shù)，取1.1）
R=1.95(Ω)
③外沿接地體后的接地電阻：
在站內(nèi)四個角加打4口5米深的外沿接地井，后采用鉆探配合，探頭感應(yīng)的方法施工，分別向6個方向斜向外沿（其中有兩個角同時向二個方向外沿），使原有接地網(wǎng)等效半徑增加3—4倍，在變電站內(nèi)向外延伸的深埋接地極（變電站內(nèi)采用機械施工，無需站外開挖），每根長度約80米。接地井均灌注降阻劑，深井降阻劑用量約16噸。
采用鉆孔深度5米外延接地網(wǎng)80米、孔徑Φ300mm，放置Φ＝100mm無縫鍍鋅圓管，在鋼管內(nèi)外施放長效降阻劑的理論依據(jù):
R?
??1???14L4L?
ln?ln??
2?L?k1dk2d1?1
ρ: 深層土壤在考慮季節(jié)系數(shù)后土壤的電阻率取 560Ω·m ρ1: 降阻劑的電阻率 0.4Ω·m d1: 圓柱形的等效直徑 0.3m d：接地體（圓鋼管）的直徑 0.1m
k1、k2: 為接地體和降阻劑的計算系數(shù)，從有關(guān)列表中查得k1=0.98，k2=1。 L: 接地體埋設(shè)在地面下的長度 6根×5m/根＝30m，外延6根×80m/根=480m。 合計510m。
R?
4?510560?0.44?510??0.4
ln?ln??
2?3.14?510?0.981010.3?
R?
13203R?
1
?0.408
13203
?5.318?559.6?8.825?
?4940.5?1.54(?)
深井地網(wǎng)與原變電站地網(wǎng)并接后
根據(jù)：R?
R1?R2R1?R2
K （k為屏蔽系數(shù)，取1.1）
R=0.95(Ω) ④并接部分模塊：
考慮在實際施工中存在不良因素，確保接地電阻達到R≤1.0Ω,并且在20～30年保持穩(wěn)定性,在水平接地網(wǎng)中并接部分模塊，根據(jù)經(jīng)驗估算：選用FMY-1209型模塊約150個。 4、變電所的接地設(shè)計
（1）在變電站集中安裝了最重要的電氣設(shè)備和電氣裝置，如變壓器、斷路器及各種控制屏、保護柜等。這些設(shè)備需要避雷針（線）和避雷器來實現(xiàn)防雷保護；同時，這些電氣設(shè)備帶電運行時，還要考
慮值班人員的人身安全。因此，在變電站就需要有良好的接地裝置，以實現(xiàn)綜合滿足工作接地、保護接地及防雷接地等的要求。
在實際工程中，為保證安全及工作需要，一般是統(tǒng)一敷設(shè)——接地網(wǎng)，而在避雷針（線）和避雷器附近下面，在加設(shè)一組集中的防雷接地體，加強泄放雷電流作用，從而構(gòu)成了變電站完整的接地裝置。
變電站的接地裝置要充分利用自然接地體，若自然接地體滿足不了接地電阻值要求，則要加設(shè)人工接地體，而且多數(shù)是敷設(shè)以水平接地體為主的人工接地體。對大電流接地系統(tǒng)的變電站，不管自然接地體情況如何，必須裝設(shè)人工接地體。對面積較大的接地網(wǎng)來說，裝設(shè)水平人工接地體對均壓、散流、降阻以及減小跨步電壓和接觸電壓效果最好。
變電站的接地網(wǎng)常采用40mm×4mm的扁鋼或直徑為20mm的圓鋼排列成方孔形或長孔形，埋地0.6～0.8m，在北方應(yīng)埋在凍土層以下，其面積與變電站的面積相同或稍大，埋在變電站的圍墻外側(cè)，距墻1.5～2m，四周外緣應(yīng)閉合，外緣各角做成圓弧形，圓弧的半徑不宜小于接地網(wǎng)內(nèi)均壓帶間距的一半。網(wǎng)內(nèi)敷設(shè)的均壓帶間距一般取3～10m，可以等間距布置，也可以不等間距布置，但應(yīng)按一定規(guī)律變化。
（2）變電所的設(shè)計要求
在中性點直接接地或經(jīng)低電阻接地的變電站中，保護接地電阻要求：
Rd?
2000I
式中，
Rd
為考慮季節(jié)變化時的最大接地電阻值，Ω；I為流經(jīng)接地裝置入地的計算短路電流，A，
其大小按下式計算。
當(dāng)變電站內(nèi)發(fā)生接地短路時，流經(jīng)接地裝置的入地電流為： 式中，
Imax
I?（Imax?IN)(1?kf1)
為發(fā)生最大接地短路電流時，流經(jīng)變電站接地中性
為接地短路電流的最大值，A；
kf1
IN
點的最大接地短路電流，A；為變電站內(nèi)發(fā)生接地短路時避雷線的工頻分流系數(shù)。
當(dāng)在變電站外發(fā)生接地故障時，流經(jīng)接地裝置入地的短路電流為： 式中，
IN
I?IN(1?kf2)
kf2
為發(fā)生最大短路電流時，流經(jīng)變電站接地中性點的最大短路電流，A；為在變電站
外發(fā)生接地短路時避雷線的工頻分流系數(shù)。
在中性點不接地、經(jīng)消弧線圈接地的變電站中，保護接地電阻應(yīng)符合如下要求。 當(dāng)高、低壓電氣裝置及設(shè)備共用接地裝置時：
Rd?
120
I
且應(yīng)使
Rd?4
Ω。
僅供高壓電氣裝置接地保護用時：
Rd?
250I
且要求
Rd?10Rd
Ω。
兩式中，A，有：
都是考慮季節(jié)變化時的最大接地電阻值，Ω；I為經(jīng)接地裝置入地的計算短路電流，
I?
UP(35Lx?Lb)
350Lx
式中，UP為相電壓，kV；總長，km。
Lb
為有電氣連接的電纜線路總長，km；為有電氣連接的架空線路
對變電站電氣裝置及設(shè)備防雷保護接地電阻要求：
獨立避雷針（線）在一般土壤電阻率地區(qū)（??500Ω·m）其沖擊電阻應(yīng)滿足：
Rch?10
Ω
但在高土壤電阻率地區(qū)，接地電阻達到要求值很有困難，允許采用較高電阻值，但必須滿足： 獨立避雷針與電氣裝置帶電部分及電氣設(shè)備接地部分和構(gòu)架接地部分的空間距離為：
Sk?0.2Rch?0.1h
同時，獨立避雷針的集中接地體與變電站接地網(wǎng)之間的地中距離應(yīng)為： 兩式中，
Rch
Sd?0.3Rch
Sk
為防雷電過電壓的沖擊接地電阻值， Ω ；為防雷電反擊的空間距離，m；為
Sd
防雷電反擊的地中距離，m；h為避雷針上用來校驗反擊的高度，m。 （3）35KV變電站接地設(shè)計
該35KV變電站主變壓器容量2500kV·A，電壓為35/10.5kV，中性點不接地，經(jīng)消弧線圈接地。最大運行方式下，低壓母線三相短路電流為4.25kA，單相短路電流為10.8kA。低壓側(cè)主保護動作時限為0.7s。變電站范圍為長為50m,寬為40m。
變電站電源進線為一回35KV架空線路，導(dǎo)線型號為LJ-95，3km長。電源變電站35KV母線最大運行方式下短路容量500MV·A，單相接地電容電流為15A。35kV出線繼電保護動作時限為1.4s。功率因數(shù)要求不小于0.9。
垂直接地體；
水平接地體及均壓帶；
接地線
圖3-18 35/10.5KV變電站接地網(wǎng)示意圖
最熱月平均溫度27.9oC，最熱月平均最高溫度31.9oC，極端最高溫度38.9oC，極端最低溫度-9.4oC，最熱月地下0.8m深處平均溫度27.2oC，年平均雷電日數(shù)40日/年。土壤電阻率2×104Ω·cm，中等含水量，土壤熱阻系數(shù)80C·cm/W。
接地設(shè)計步驟如下。
①接地電阻要求值 因為中性點不接地、經(jīng)消弧線圈接地，僅供高壓電氣裝置接地保護用時，要
Rd?
250I
o
求 ，
Rd?10
Ω
②確定土壤電阻率 考慮季節(jié)變化，土壤電阻率應(yīng)乘以季節(jié)系數(shù)??1.3，所以最大電阻率為：
??2?10?1.3?2.6?10
4
4
Ω·cm
③選擇接地體及確定接地裝置型式 選角鋼L50×50×5，長3.5m做垂直接地體；并選扁鋼40mm
×5mm做水平接地體，構(gòu)成以垂直接地體為主的復(fù)式接地裝置。
接地裝置在距變電站建筑物外墻1.5m處，呈環(huán)路閉合的長孔型布置，中間加一條均勻帶。垂直接地體間距取6～7m，沿閉合環(huán)路垂直打入地中，上端用扁鋼連接，扁鋼埋地0.5～0.7m。高、低壓配電裝置角鋼基礎(chǔ)及變壓器底部鋼軌均通過不少于2根的接地線連接到接地裝置上。變電站各室出入口敷設(shè)帽檐式均壓帶或鋪設(shè)瀝青路面（變電站無自然接地體）。
④接地裝置計算
1）單根垂直接地體的接地電阻
Rcd?
?
2?l
ln
4ld
?
2.6?10
2
2?3.14?3.5
ln
4?3.50.84?0.05
=68.72Ω
2）初定垂直接地體根數(shù)，確定屏蔽系數(shù) 因閉合接地裝置的周長L=[(1.5×2+50)+(1.5×2+40)]×2=192m，接地體間距a=6～7m，故垂直接地體根數(shù)約為 n`=L/a=32～27.5根
實取 n=30 根
??0.6
按n=30及a/l?2，查得c
⑤接地裝置的接地線（即連接扁鋼）熱穩(wěn)定性校驗
Smin?
IjdC
td?
2
10.8?10
70
3
0.7?129.6
mm2
實選接地線40×5=200mm>Smin 合格 ⑥防雷接地
35KV變電站用獨立避雷針, 避雷針接地引下線埋在地中部分與配電裝置構(gòu)架的接地導(dǎo)體埋在地中部分在土壤中的距離大于3m, 變電站電氣裝置的接地裝置采用水平接地極為主的人工接地網(wǎng), 水平接地極采用扁鋼50mm×5mm, 垂直接地極采用角鋼50mm×5mm, 垂直接地極間距5m～6m, 主接地網(wǎng)接地裝置電阻不大于4Ω, 主接地網(wǎng)埋于凍土層1m 以下。人工接地網(wǎng)的外緣應(yīng)閉合, 外緣各角應(yīng)做成圓弧形。
5、接地網(wǎng)的腐蝕
由于地網(wǎng)腐蝕引起的安全事故屢有發(fā)生,如接地引下線斷開使高壓運行設(shè)備處于無接地狀態(tài),地下主網(wǎng)腐蝕斷裂使地網(wǎng)分割成幾塊,發(fā)生接地時使二次設(shè)備燒壞等。另外,由于地網(wǎng)屬隱蔽工程,埋于地下后不易檢查、修復(fù)等,因此,從設(shè)計的角度應(yīng)加大對地網(wǎng)腐蝕的調(diào)查研究,以便有利于系統(tǒng)的安全運行。一般變電所的設(shè)計年限按25～30年考慮,但地網(wǎng)的實際安全壽命只有10～15年左右,與變電所的設(shè)計年限極不配套。加之,由于系統(tǒng)容量的增加,短路水平的提高,腐蝕后的地網(wǎng)更不能滿足安全運
行的要求。
接地網(wǎng)的防腐設(shè)計接地網(wǎng)的材料一般為扁鋼和圓鋼,其腐蝕狀態(tài)應(yīng)根據(jù)變電所當(dāng)?shù)氐母g參數(shù)進行計算。但一般情況下其腐蝕參數(shù)很難測定。因此,在工程設(shè)計沒有實際數(shù)據(jù)時(參見表1： 接地線和接地體年平均最大腐蝕速度(總厚度)土壤電阻率(Ω.m)腐蝕速度(mm/a)扁鋼圓鋼熱鍍鋅扁鋼50—300 0.2—0.1 0.3—0.2 0.065 >300 0.1—0.07 0.2—0.07 0.065)。在計算時,還應(yīng)考慮不同敷設(shè)部位腐蝕情況不同的影響,可參考表2有關(guān)數(shù)據(jù)。（表2采用扁鋼接地網(wǎng)的年腐蝕率接地網(wǎng)部位水平接地體設(shè)備引下線電纜溝中的接地帶年腐蝕率mm/a(總厚度)0.1～0.12 0.2～0.3 0.47）。對于一般變電所地網(wǎng)的設(shè)計年限不應(yīng)小于30年,對于重要樞紐變電站的地網(wǎng)壽命應(yīng)按50年考慮。這兩種情況都不大于規(guī)程規(guī)定的設(shè)計年限,但更接近于實際。關(guān)于地網(wǎng)材料的選用問題,常規(guī)選用扁鋼和圓鋼兩種,相同截面的扁鋼與圓鋼與周圍土壤介質(zhì)的接觸面不一致,扁鋼約為50%左右,但由于其腐蝕機理不完全一致,腐蝕結(jié)果基本上一致。這從陜西電網(wǎng)和青海電網(wǎng)地網(wǎng)腐蝕調(diào)查中已得到確認,而且規(guī)程中也提供了不同的腐蝕數(shù)據(jù)。因此,關(guān)于接地材料選用扁鋼還是圓鋼沒有很大差別。關(guān)于防腐的設(shè)計問題,一般應(yīng)考慮在設(shè)計年限內(nèi),采用熱鍍鋅材料。 6、接地網(wǎng)敷設(shè)深度
接地網(wǎng)敷設(shè)深度對最大接觸系數(shù)的影響最大接觸電勢是地網(wǎng)設(shè)計中的一個重要參數(shù),地網(wǎng)設(shè)計的問題之一就是如何降低地網(wǎng)的最大接觸電勢。地網(wǎng)的接觸電勢的最大接觸系數(shù)Kjm與地網(wǎng)的埋深有如圖2所示的關(guān)系。從圖2可以看出,接地網(wǎng)的埋深由零開始增加時,其接觸系數(shù)是減少的,但埋深超過一定范圍后,Kjm又開始增大。這是因為地網(wǎng)圖2 最大接觸系數(shù)Kjm和埋深h的關(guān)系曲線(接地網(wǎng)面積A=40×40m2,接地體直徑d=0.01m,網(wǎng)孔個數(shù)n=400個)敷設(shè)深度的不同,在網(wǎng)孔中心地面上產(chǎn)生的電場強度的變化決定的,引起網(wǎng)孔中心地面與地網(wǎng)之間產(chǎn)生的電位差不同。當(dāng)埋深增加到一定深度后,電流趨向于地層深處流動,地面上的電流密度越來越小,因而網(wǎng)孔中心地面與地網(wǎng)之間的電位差又開始增大,因此,規(guī)程中規(guī)定的敷設(shè)深度是合理的。
敷設(shè)深度對接地電阻的影響目前所遇到的變電所一般都是處于季節(jié)性凍土地區(qū)。如按規(guī)程規(guī)定,將地網(wǎng)敷設(shè)在0.6m深度時,冬季將使地網(wǎng)處于凍土層中。由于土壤凍結(jié)后其電阻率將增大為原來的3倍以上,對地網(wǎng)接地電阻有一定的影響。目前采用的地網(wǎng)是以水平接地線為主邊緣帶有垂直接地極的復(fù)合型地網(wǎng),冬季垂直接地極大部分伸于下層非凍結(jié)土壤中。此時土壤結(jié)構(gòu)可以等效為兩層電阻率不同的土壤結(jié)構(gòu)。有研究表明,對于處于雙層土壤介質(zhì)中的垂直電極,其各部分的散流密度與周圍介質(zhì)的電阻率成反比,除了在電極尖端處,具有ρiJi=常數(shù)(其中Ji為處于電阻率為ρi土壤中的電極部分的散流密度)。此時,當(dāng)電極有一部分進入下層土壤時,整個電極的散流電阻將主要取決于下層土壤。此時地網(wǎng)的接地電阻也將主要取決于地網(wǎng)的非凍結(jié)土壤。因此,在季節(jié)性凍土地區(qū),采用這種帶有垂直接地極的復(fù)合型地網(wǎng)是有很大的優(yōu)點的,如果在冬季由于土壤的凍結(jié),而對接地電阻沒有很大的影響時,就沒有必要把地網(wǎng)都埋于凍土層以下。將地網(wǎng)埋于凍土層以下,對地網(wǎng)的接地電阻來講肯定是有利的。如果結(jié)合變電所基礎(chǔ)的開挖敷設(shè)地網(wǎng)還可以,如果凍土深度為2m,如大武變電所等最大凍土深度為2.4m,單純?yōu)榈鼐W(wǎng)敷設(shè),將使工程開挖土方量大大增加,施工困難。工程造價也隨之上升。規(guī)程中還規(guī)定,接地電阻應(yīng)滿足一年四季變化的要求,這在實際工程中很難做到,冬季土壤的凍結(jié)對接地電阻肯定有影響,但可通過其安全要求的各種因素進行綜合比較,合理控制。因此,在工程設(shè)計中應(yīng)合理的確定地網(wǎng)的埋設(shè)深度。
7、關(guān)于接地引下線
發(fā)生接地短路時,首先通過接地電流的就是設(shè)備接地引下線。
接地線截面的熱穩(wěn)定校驗根據(jù)熱穩(wěn)定條件,接地線的最小截面應(yīng)符合下式要求:S≥Igt/c式中:S——接地線的最小截面mm2Ig——流過接地線的短路電流穩(wěn)定值A(chǔ)c——材料熱穩(wěn)定系數(shù)(鋼c=70)t——短路等效持續(xù)時間s對于引下線可按上式校驗,對于主網(wǎng),考慮主網(wǎng)的分流作用,可按上式的0.7倍考慮。關(guān)于短路等效持續(xù)時間的取值問題,也是近年來引起爭論的問題之一。t值取值的合理與否,對材料使用量有較大的影響。目前各類變電所保護配置不同,是否考慮主保護失靈,采用后備保護動作時間,以及主保護拒動與接地短路同時發(fā)生的概率等,都是值得探討的問題。參照有關(guān)方面的規(guī)定及專題研究,建議對于100kV變電所,取t=1.0s。其次,主網(wǎng)的截面略小些也比較合理,這也是合理設(shè)計地網(wǎng)的一種措施。 接地引下線設(shè)計應(yīng)注意的幾個問題：
（1）接地引下線應(yīng)就近入地,并以最短的距離與地中的主網(wǎng)相連。設(shè)備引下線不應(yīng)與電纜溝中的通長扁鋼連接,因其敷設(shè)于電纜溝內(nèi)壁表面的混凝土上,不起散流作用。發(fā)生短路時,易造成局部電位升高,引起電纜絕緣破壞等。
（2）帶有二次回路的電氣設(shè)備如CT、PT等,為減小接地引下線的阻抗,保證與主網(wǎng)可靠連接,應(yīng)采用兩根截面相同的,每根都能滿足熱穩(wěn)定和腐蝕要求的接地線,在不同的部位與主網(wǎng)連接。 （3）加強主控室及弱電系統(tǒng)與地網(wǎng)連接的可靠性。
（4）不得使用鋼筋混凝土電桿中的予應(yīng)力鋼筋作為主要引下線。
3.6 變電站弱電設(shè)備防雷措施
（1）采用多分支接地引下線，使通過接地引下線的雷電流大大減小。
（2）改善屏蔽，如采用特殊的屏蔽材料甚至采用磁特性適當(dāng)配合的雙層屏蔽。
（3）改進泄流系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，減小引下線對弱電設(shè)備的感應(yīng)并使原有的屏蔽網(wǎng)能較好地發(fā)揮作用。 （4）除電源入口處裝設(shè)壓敏電阻等限制過壓的裝置外，在信號線接入處應(yīng)使用光電耦合元件或設(shè)置具有適當(dāng)參數(shù)的限壓裝置。
（5）所有進出控制室的電纜均采用屏蔽電纜，屏蔽層公用一個接地網(wǎng)。
（6）在控制室及通訊室內(nèi)敷設(shè)等電位，所有電氣設(shè)備的外殼均與等電位匯流排連接。
四、結(jié)束語
變電所是電力系統(tǒng)防雷的重要保護設(shè)施,如果發(fā)生雷擊事故,將造成大面積的停電,嚴重影響社會生產(chǎn)和人民生活。因此要求變電所的防雷措施必須十分可靠。根據(jù)變電站防雷設(shè)計的整體性、結(jié)構(gòu)性、層次性、目的性，及整個變電站的周圍環(huán)境、地理位置、土質(zhì)條件以及設(shè)備性能和用途，采取相應(yīng)雷電防護措施，保證變電站設(shè)備的安全穩(wěn)定運行。
五、參考文獻
1.《防雷與接地裝置》 沈培順編 化學(xué)工業(yè)出版社 2.《電氣工程基礎(chǔ)》 馮建勤編 中國電力出版社
3.《電力系統(tǒng)及電氣設(shè)備概論》 劉柏青編 武漢大學(xué)出版社 4.《35kv變電站模式設(shè)計》 中國電力出版社
5.《變配電所及其安全運行》 談笑君編 機械工業(yè)出版社
6. 《現(xiàn)代防雷技術(shù)基礎(chǔ)》 虞昊編 清華大學(xué)出版社
7. 《變電所及變壓器實用技術(shù)》方大千編 人民郵電出版社
六、調(diào)研報告
實地調(diào)研了佛岡小區(qū)、花都港灣小區(qū)、黃河科技學(xué)院的建筑電氣設(shè)備的設(shè)計，實地查看了佛岡小區(qū)和黃河科技學(xué)院的變電所的設(shè)計和選型以及一些設(shè)備的參數(shù)，參考了佛岡小區(qū)的避雷器的選型和安裝，還查看了黃河科技學(xué)院和花都港灣小區(qū)的變電所防雷與接地的設(shè)計。
1.變電所進線端避雷器調(diào)研報告
設(shè)備名稱 ：電站型有機合成氧化鋅避雷器
型 號：Y5W-51/134
廠 家：揚州電氣中恒電氣有限公司
性 能：1、設(shè)計合理，結(jié)構(gòu)新穎，技術(shù)性能可靠，外形小巧、重量輕，安裝靈活，抗拉強度高，耐碰撞，運輸無破損。
引用硅橡膠外套金屬氧化物避雷器的優(yōu)點，整體模壓一次成形，具有良好的密封、耐污、防爆、防潮性能，介電強度高、散熱性能好、具有較大的過電壓能量吸收能力。
主要參數(shù): 額定電壓有效值
持續(xù)運行電壓有效值
直流參考電壓
殘壓
2MS方波通流18次 4/10μS沖擊通流2次 51(KV) 40.8(KV) 74(KV) 134≤(KV) 200(A) 65(KA)
選擇依據(jù)：使用條件a、海拔高度不大于2000米b、環(huán)境溫度：-40℃～+40℃c、最大風(fēng)速不超過 35m/sd、電源頻率：48Hz～62 Hze、避雷器允許擺動，根據(jù)塔形，考慮懸掛方式
最適宜1、耐雷水平較底，雷擊跳閘率偏高的輸電線路2、干旱、少雨的丘陵、山區(qū)等地區(qū)，不宜維護地區(qū)3、接地電阻較高的桿塔及地區(qū)4、較大跨距的過江桿塔5、操作過電壓較高，需要對在進入變電站前進行限制場合6、嚴重污穢地區(qū) 因為其性能良好，可靠性高，考慮到經(jīng)濟問題，最終選定它為變電所進線端避雷器。
2.10KV母線避雷器調(diào)研報告
設(shè)備名稱：10kv氧化鋅避雷器
型 號：Y5W-17/45
廠 家：河間市昊天通電力器材有限公司
性 能：該產(chǎn)品的核心工作元件采用以氧化鋅為主的多元素金屬氧化物粉末燒制，具有優(yōu)異的非線性伏-安特性，陡波響應(yīng)快，通流容量大。有間隙產(chǎn)品采用自吹間隙，帶均壓照射結(jié)構(gòu)，降低了放電的分散性，沖擊系數(shù)小。 復(fù)合絕緣外套的采用，順應(yīng)了國際電力產(chǎn)品小型化、安全化、免維護的發(fā)展趨勢。高分子有機復(fù)合材料與傳統(tǒng)的陶瓷和玻璃等無機材料相比，具有體積小、重量輕、耐污穢免清掃、防爆防震動的優(yōu)點。是集成化、模塊化的中高壓輸變電成套設(shè)備中首選的防雷元件。
選著依據(jù)： 環(huán)境溫度：不高于+40℃，不低于-40℃； 海拔高度：不超過2000m； 電源頻率：
50±2Hz；60±2Hz； 地震強度：7度以下； 最大風(fēng)速：35m/s； 免清掃條件：中等污穢及以下地區(qū)；對無間隙產(chǎn)品，長期施加的工頻電壓不得超過避雷器持續(xù)運行電壓；對有間隙產(chǎn)品，安裝點短時工頻電壓升高不得超過避雷器額定電壓。長期使用于以下異常條件，避雷器需特別制作，定貨時應(yīng)說明：溫度或海拔超標(biāo)（高原、熱帶、寒帶、全封閉柜用、靠近電爐等） 使用環(huán)境存在嚴重潮氣或腐蝕性氣體雜質(zhì)（水上、鹽場、化工廠等）；強紫外線輻射（高原、強日照干旱地區(qū)等）；特重污穢地區(qū)（礦山工作面、建筑工地工作面等）。
3.10kv母線避雷器調(diào)研報告
設(shè)備名稱：35kV變壓器中性點型避雷器
型 號：HY11.5WZT-30/72
廠 家：太原銘瑄電子科技有限公司
性 能：HY1.5WZ系列交流復(fù)合外套無間隙金屬氧化物變壓器中性點型避雷器（以下簡稱避雷器），主要用于保護變壓器中性點免受操作過電壓和大氣過電壓的損壞。避雷器由金屬氧化物非線性電阻片疊裝成芯體，采用特殊工藝將芯體封裝于高性能絕緣材料內(nèi)，最后采取一次壓制工藝將其密封于硅橡膠體內(nèi)，形成整體避雷器。此結(jié)構(gòu)的復(fù)合外套金屬氧化物避雷器不僅具有一次壓制成型產(chǎn)品的各種優(yōu)異性能，亦是高壓復(fù)合外套金屬氧化物避雷器的最佳結(jié)構(gòu)形式。
主要參數(shù):
變壓器中性點型標(biāo)稱放電電流１.５系列
殘壓 通流容量 0.75U1額定電系統(tǒng)標(biāo)持續(xù)運直流參爬電雷電沖陡波沖操作沖2ms次4/10μsmA漏電壓 稱電壓行電壓 考電壓 比距 型號 擊電流擊電流 擊電流 方波 大電流 流
mm/kkV有效值r.m.s kV kV峰值crest≤ A kA μA V
HY1.5WZT-30/72 30 35 24 45 72 67 400 10 50 28 選擇依據(jù)：本產(chǎn)品設(shè)計合理，結(jié)構(gòu)新穎，技術(shù)性能可靠，外形小巧、重量輕，安裝靈活，抗拉強度高，耐碰撞，運輸無破損，且性價比優(yōu)良，故選著該避雷器為所選產(chǎn)品。
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