牵引变电所接地防雷系统的设计

齐鲁工业大学

毕业设计

题目：牵引变电所接地防雷系统的设计

系别：

专业：

班级：

学生姓名：

指导教师：

完成日期：

摘要

牵引变电所是铁路供电系统的枢纽，它担负着电网供电的重要任务。雷电具有很强的危害性，因此应该重视牵引变电所的雷电的防护。

综合运用高电压技术、电力系统过电压、接地系统及供防雷接地的设计方法，对110kV牵引变电所进行防雷接地设计。引变电所雷击的配电技术等相关的专业知识，采用理论和实践相结合的方法，研究牵，基于常用的形式及防雷接地的几种措施，研究接地装置的类型和降阻方式

关键词雷电放电防雷保护装置防雷接地装置牵引变电所

目录

1 绪论 (2)

2 雷 0

2.1 雷电 0

2.1.1 雷电的发生机理 0

2.1.2雷电放电 0

2.1.3雷电放电的过程 (1)

2.1.4雷电放电的基本形式 (2)

2.1.5雷电放电的选择性 (4)

2.1.6我国雷电活动分布的规律 (4)

2.1.7雷电的危害 (5)

2.1.8雷电的防护措施 (6)

2.2雷电参数 (11)

2.2.1雷电放电的计数模型及等值电路 (11)

2.2.2雷电流 (13)

3 防雷保护装置 (17)

3.1避雷针 (17)

3.1.1避雷针保护原理及组成 (17)

3.1.2避雷针的保护范围 (18)

3.2避雷线 (20)

3.2.1避雷线保护范围 (20)

3.3变配电所装设避雷针和避雷线的有关规定 (22)

3.3.1避雷针的有关规定 (22)

3.3.2避雷线的有关规定 (23)

3.4避雷器 (23)

3.4.１避雷器的保护原理及要求 (23)

3.4.2避雷器的伏秒特性 (24)

3.4.3避雷器的分类 (24)

4 防雷接地装置 (29)

4.1接地装置的概述 (29)

4.1.1 接地装置组成 (29)

4.1.2接地电阻和流散电阻 (30)

4.1.3对地电压、接触电压和跨步电压 (31)

4.2接地装置的分类 (31)

4.2.1工作接地 (32)

4.2.2保护接地 (32)

4.2.3 防雷接地（如图4-5所示） (32)

4.3工程实用的接地装置 (33)

4.3.1输电线路的防雷接地 (33)

4.3.2发电厂和变电站的接地 (33)

4.4接地电阻的计算和降阻方法 (34)

4.4.1接地电阻的计算 (34)

4.4.2接地电阻的降阻方法 (34)

5 110kV牵引变电所防雷保护和接地设计 (36)

5.1过电压的基本概念及分类 (36)

5.1.1过电压的定义 (36)

5.1.2过电压的分类 (36)

5.2牵引变电所容易遭受雷击的地方 (38)

5.2.1直击雷的保护 (38)

5.2.2雷电侵入波保护 (38)

5.3牵引变电所输电线路的防雷保护 (39)

5.3.1输电线路的感应雷过电压 (39)

5.3.2输电线路的直击雷过电压和耐雷水平 (39)

5.3.3输电线路的雷击跳闸率 (39)

5.4牵引变电所的防雷保护 (40)

5.4.1牵引变电所直击雷过电压的防护 (40)

5.4.2牵引变电所侵入波过电压的防护 (41)

5.4.3牵引变电所内变压器的防护 (42)

5.5牵引变电所内部防雷接线图 (42)

5.6牵引变电所防雷接地装置主视图 (42)

结论 (43)

致谢 (44)

参考文献 (45)

附录 (46)

1 绪论

电力工业是国民经济的一项基础工业和国民经济发展的先行工业，它是一种将煤、石油、天然气、水能、核能、风能等一次能源转换成电能这个二次能源的工业，它为国民经济的其他各部门快速、稳定发展提供足够的动力，其发展水平是反映国家经济发展水平的重要标志。

变电所是电力系统重要组成部分，是联系发电厂和电力用户的中间环节，因此，它是防雷的重要保护部位。雷电具有很强的危害性，因此应该重视牵引变电所雷电的防护。如果变电所发生雷击事故，将造成大面积的停电，给社会生产和人民生活带来不便，影响了国民经济的发展。

变电所是电力系统防雷的重要保护对象，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。所以变电所的防雷措施必须十分可靠。本设计第一节主要讲了雷电的形成，雷电对变电所的危害，变电所遭受雷击的基本形式（1）雷电直接击中变电所设备上，这种雷击称为“直击雷”（2）雷电对变电所设备、线路或其他物体产生静电感应或电磁感应而引起的，这种雷击又称“感应雷”或“闪电感应”（3）架空线路遭受直接雷击或间接雷击而引起的过电压波，沿线路侵入变电所或其他建筑物，这种雷击又称为“雷电波侵入”或“闪电感应”。以及牵引变电所防雷击的一些措施例如：（1）3～10kV变电所的典型防雷在每路进线端和每段母线上，均装有阀型避雷器。如果进线是有一段引入电缆的架空线路，则在架空线路终端的电缆头处装设阀型避雷器或管型避雷器，其接地端与电缆头外壳相连后接地。避雷器的接地端应与变压器低压侧中性点及金属外壳等连接在一起接地。（2）35～110kV变电所防雷在变电所进线段1～2km的杆塔上架设避雷线。在木杆或木横担的钢筋混凝土杆线路进线段的首端，装设一组管型避雷器Fl变电所的进线隔离开关或断路器，在雷雨季节可能处于开路状态，而线路侧又带电时，则必须在靠近隔离开关或断路器QFl处装设一组管型避雷器F2变电所母线上，装设阀型（或氧化锌）避雷器F3。如为母线分段的两路进线时，则每路进线和每段母线均应按这种标准方案施设保护。

第二节主要讲了防雷保护装置如：避雷针、避雷线的保护原理及保护范围；避雷器的组成及典型的几种避雷器等。第三节主要讲了牵引变电所的防雷接地装置电力系统中各电气设备的接地按其不同的作用可分为工作接地、保护接地和防

雷接地。

（1）保护接地：将电气设备在正常情况下不带电的金属部分与大地连接。高压设备要求的保护接地电阻一般为（1～10）Ω。（2）防雷接地：专门传导雷电流的工作接地。防雷接地主要由过电压保护的需要决定，一般为4～30Ω。（3）工作接地：将电力系统的某一点与大地连接。这种接地可分为直接接地或经特殊装置接地。工作接地的接地电阻一般为（0.5～5）Ω。最后一节则讲了110kV牵引变电所防雷保护和接地设计。主要包括过电压的一些概念，以及牵引变电所过电压的防护等知识。（1）牵引变电所直击雷过电压的防护对于直击雷必须装设避雷针或避雷线对直击雷进行保护。牵引变电所的直击雷防护设计内容主要是选择避雷针的支数、高度、装设位置、验算它们的保护范围、应有的接地电阻、防雷接地装置设计等。(2)牵引变电所侵入波过电压的防护其主要防护措施是在牵引变电所内装设阀型避雷器或氧化锌避雷器以限制入侵雷电波的幅值。

基于常用的防雷接地的设计方法，对110kv牵引变电所进行了详细的防雷接地设计。设计中，结合当地现状，综合考虑了气候、地形、环境等多种因素，给出了较好的防雷接地保护方案。通过对牵引变电所的防雷接地设计，全面剖析了电力系统中如何让提高牵引变电所的防雷水平，从而有效地降低牵引变电所的雷击事故，减少雷电对电网安全运行的影响。

2 雷

2.1 雷电

2.1.1 雷电的发生机理

雷电是一种自然现象。主要是天空中的饱和水蒸汽，由于上升气流的作用而使水滴分裂，水滴分裂过程的同时，微细水滴带有不同的电荷，使带正（或负）电荷的水滴上升，带电荷的小水滴漂浮在空中，就形成雷云。雷云中的电荷一般不是在云中均匀分布的，而是集中在几个带电的中心。雷云越集越多，也就是电荷越积越多，到达一定程度后，足以击穿与大地或地面上的建筑物与电气设备之间的空气时，就会发生强烈的放电，同时发出强烈的电光和巨响。随着雷云的发展和运动，一旦空间电场强度超过大气游离放电的临界电场强度（大气中约为30kV/cm，有水滴存在时约为10kV/cm）时，就会发生云间或对大地的火花放电。雷电放电包括雷云对大地，雷云对雷云和雷云内部的放电现象。大多数雷云放电都是在雷云与雷云之间进行的，只有少数是对地进行的。在防雷工程中，主要关心的是雷云对大地的放电。雷云对大地放电虽然只占少数，但它是造成雷害事故的主要因素。

2.1.2雷电放电

雷电放电是由带电荷的雷云引起的放电现象。一般认为雷云是在某种大气和大地条件下，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，形成大块的带负电的雷云；大滴水珠带正电，凝聚成雨下降，或悬浮在云中，形成一些带正电的区域。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就形成了强大的电场，其电位差可达几兆伏甚至几十兆伏。随着雷云的发展和运动，一旦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。直接击向地面的放电通常是从负电荷中心的边缘开始，故90%左右是负极性的雷。大多数雷电放电发生在雷云之间，对地面上的设备和建筑没有什么直接影响。雷云对地的放电虽占少数，但危害是十分严重的，是造成雷电事故的主要因素。要避免产生雷电事故，就必须对雷电的放电过程、

活动规律和雷电参数加以研究。

2.1.3雷电放电的过程

雷电放电过程可分为先导放电、主放电和余辉放电三个主要阶段。

（1）先导放电

雷云下部大部分带负电荷，故绝大多数的雷击是负极性的。雷云中的电荷一般是集中在几个带电中心。测量数据表明，雷云的上部带正电荷，下部带负电荷。直接击向地面的放电通常从负电荷中心的边缘开始。雷云带有大量电荷，由于静电感应作用，在雷云下方的地面或地面上的物体将感应聚集与雷云极性相反的电荷，雷云与大地间就形成了电场。当雷云附近的电场强度达到足以使空气游离的强度（约25～30kv/cm）时，就发展局部放电。

当某一段空气游离后，这段空气就由原来的绝缘状态变为导电性的通道，称为先导放电通道。若最大场强方向是对地的，放电就从云中带电中心向地面发展，形成下行雷。

先导通道是分级向下发展的，每级先导发展的速度相当高，但每发展到一定的长度（约25m～50m）就有一个（30～90）μs的间歇。所以它的平匀发展速

10m/s，出现的电流不大。先导度较慢（相对于主放电而言），约为（1～8）×5

放电的不连续性，称为分级先导，历时约0.005～0.01s。

在先导通道发展的初始阶段，其发展方向受到一些偶然因素的影响并不固定。但当它发展到距地面一定高度时（这个高度称为定向高度），先导通道会向地面上某个电场强度较强的方向发展，这说明先导通道的发展具有“定向性”，或者说雷击有“选择性”。

（2）主放电

当先导接近地面时，地面上一些高耸的突出物体周围电场强度达到空气游离所需的场强，会出现向上的迎面先导，当先导通道的头部与迎面先导上的异号感应电荷或与地面之间的距离很小时，剩余空气间隙中的电场强度达到极高的数值，造成空气间隙强烈地游离，最后形成高导电通道，将先导头部与大地短接，这就是主放电阶段的开始。

由于其电离程度比先导通道强烈的多，电荷密度很大，故通道具有很高的导电性。主放电的发展速度很高，约为（2×107 ～1.5×108）m/s，所以出现极大

的脉冲电流，并产生强烈的光和热使空气急剧膨胀震动，出现闪电和雷鸣。

主放电的过程极短，只有50～100μs，它是沿着负的下行先导通道，由下而上逆向发展，故又称“回击”，其速度高达2.0亿～1.5亿m/s。

（3）余辉放电

主放电完成后，云中的剩余电荷沿着主放电通道继续流向大地，形成余辉放

10～10A，持续时间较长（0.03～0.05s）。由于云中同时可电，电流不大，约为3

能存在几个带电中心，所以雷电放电往往是重复的，一般重复2～3次。

雷云中的电荷分布是不均匀的，往往形成多个电荷密集中心，所以第一个电荷中心完成上述放电过程后，可能引起第二个、第三个甚至多个的中心向第一个中心放电，并沿原先的通道到达大地，因此雷电可能是多重性的。第二次及以后的主放电电流一般较小，不超过30kA。如图2-1所示。

图2-1 雷电放电的发展过程

（a）放电过程示意图（b）放电电流波形

2.1.4雷电放电的基本形式

（1）云对地放电

雷云对大地放电虽然占少数，但它是造成雷害事故的主要因素。当云层对地较低、或地面有高耸的尖端突起物时，雷云对地之间就会形成较高的场强，当场

强达到一定的值时，雷云就会向地面发展向下的先导，当先导到达地面，或与大地迎面先导会合时，就开始主放电阶段。在主放电中雷云与大地之间所聚集的大量电荷通过狭小的电离通道发生猛烈的电荷中和，放出能量，产生强烈的声和光，即电闪、雷鸣。在雷击点，有巨大的电流流过。大多数雷电流的峰值有几十千安，也有少数达到上百千安。由于雷击是在极短的时间内释放较大的能量，因而会造成极大地破坏作用。

雷云对地的放电通常包含若干次重复的放电过程，每次放电一般都由先导放电、主放电和余光放电三个主要阶段组成。第一次从雷云向大地发展的先导不是连续向下发展的，而是逐级向下推进的，其平均发展速度较慢，相应的电流也较小（数十至数百安）。先导通道导电性能良好，因此带有与雷云同极性的多余电荷。雷云与先导在地面上感应出异号电荷。当先导接近地面时，会从地面较突出的部分发出向上的迎面先导。当迎面先导与下行先导相遇时便开始主放电过程，出现极大的电流（数十至数百千安），并伴随着雷鸣和闪光。主放电存在的时间极短，约50～100us，速度要比先导的发展速度快得多。主放电过程是逆着负先导的通道由下向上发展的，主放电到达云端时主放电过程就结束了，然后云中的残余电荷经过主放电通道继续流向大地，称为余光放电。余光放电对应的电流不大（约数百安），但持续的时间却较长（0.03～0.15s）。

（2）云对云放电

当带不同电荷的云团相遇时，就会发生云对云的放电，云对云的放电其实是最主要的雷电活动型式。云对云放电对人类活动的影响要比云对地放电小得多，不会产生直击雷，直接造成人身伤亡和建筑物损毁事故。但云对云放电会在线路和网络上产生感应雷过电压，过电压的大小视雷电活动强弱和放电雷云离地面的高低而定。

感应雷电压幅值与雷云对地放电时的电流大小、雷击点与线路间相对位置、雷击点周围环境（如土壤电阻率）、遭受感应雷击的线路的长度、线路埋设位置、设备接地装置的电阻等诸多因素有关系。

一般来讲，云对云放电越强烈，参与放电的云层离地面越低，所产生的感应雷过电压就愈高，反之则愈弱。感应雷的产生可由“静电感应”的效应产生，也可由“电磁感应”的效应产生，但大部分的情况是由这两种效应的综合作用而成。

（3）云内放电

当带电云团的内部，带异号电荷中心之间的电场强度达到空气间隙的击穿值时会发生云内放电，云内放电的强度一般都不会特高，属于最弱的一种雷电活动型式，对人类活动几乎没有什么影响，因而也很少受到人们的关注。

2.1.5雷电放电的选择性

在同一区域内雷击分布不均匀的现象称为“雷电放电的选择性”。雷击虽是小概率事件，但它的发生仍有一定的规律可循。雷电活动在一定的区域内，特别是云对地放电会受地形、地势和季风的影响有一定的规律，掌握这些规律对防雷具有重要意义。

（1）雷击与地形、地势的关系对于山区来说，雷电活动受地形、地势的影响较为明显，因为山区雷云的活动主要受季风的影响，而季风又受山势及地形的影响，比如两侧有高山、碍口，那么雷云就会随着季风的作用从山谷或碍口穿越，这时如果附近有突出物，就会引起雷云对地放电，位于这些地段的线路或设施要么合理避让，要么采取特别的防雷措施。

（2）雷击与地质的关系从现场资料分析可知：如果地面土壤分布不均匀，则在土壤电阻率特别小的地区，雷击的概率较大，这是由于静电感应的作用，在雷电先导放电阶段，地中的感应电流沿着电阻率较小的路径流通，使地面电阻率较小的区域被感应而积累了大量与雷云相反的电荷，而雷电自然就朝着电阻率较小的地区发展。这就是为什么山区地下有金属矿的地方遭雷击概率大，河流附近雷击概率大的原因。

（3）雷击与地面设施的关系当雷云运动到离地面较近的低空时，雷云与地面之间的电场受地面设施的影响而发生畸变，有时在突出的物体上由于电场强度增大，还会发生向上的迎面先导，雷电放电自然就容易在雷云与地面设施之间发生。这就是为什么高塔和高耸的建筑物容易遭受雷击的根本原因。

2.1.6我国雷电活动分布的规律

我们国家幅原辽阔，从位于亚热带的海南到位于寒带的莫河距离几千公里，从东边沿海地区西到云贵高原，降雨量和雷电活动相差很大，但总的来说则有如下规律：

（1）南方的雷电活动多于北方，从南到北逐渐减少，海南地区的雷电日高

达180多个，而西北新疆地区雷电日则少于20。

（2）沿海多于内地，在其他条件相同时，沿海地区的雷电活动明显高于内地。如浙江、福建沿海的雷电活动明显高于同一纬度的内陆地区。

（3）山区高于平原，位于同一地区的山区雷电活动明显高于平原地区。

（4）东部高于西部，特别是东北地区的雷电活动明显高于处于同一纬度的西北地区，这主要是受东北降雨量明显高于西北地区的原因，也就是说雷电活动和降雨量基本上是一致的。

（5）在同一地区会受地形、地势、地质和小气候的影响差异较大，因而在防雷措施上也要因地制宜，制订针对性的防雷措施。

2.1.7雷电的危害

雷电具有很大的破坏性，能够摧毁房屋，劈裂树木伤害人畜，损坏电气设备和电力线路。雷击放电所出现的各种效应有以下几种：

(1)电效应。在雷电放电时，能产生高达数万伏的冲击电压，足以烧毁电力系统的发电机、变压器、断路器等电气设备或将输电线路绝缘击穿而发生短路，导致可燃、易燃易爆物品着火和爆炸。

(2)热效应。当几十至几千安的强大雷电流通过导体时，在极短时间内转换出大量的热能。雷击点的发热能量为500～2000J，这一能量可熔化50～200mm3的钢，故在雷电通道中产生的高温，往往会酿成火灾。

(3)机械效应。由于雷电的热效应，还将使雷电通道中木材纤维缝隙和其它结构中间的缝隙里的空气剧烈膨胀，同时使水分及其它物质分解为气体。因而在被雷击物体内部出现强大的机械压力，致使被击物体遭受严重破坏或造成爆炸。

(4)静电感应。当金属物处于雷云和大地电场中时，金属物上会生出大量的电荷。雷云放电后，云和大地间的电场虽然消失，但金属物上所感应积聚的电荷却来不及逸散，因而产生很高的对地电压（即静电感应电压）。静电感应电压往往高达几万伏，可以击穿数十厘米的空气间隙，发生火花放电，因此，对于存放可燃性物品及易燃、易爆物品的仓库是很危险的。

(5)电磁感应。雷电具有很高的电压和很大的电流，同时又是在极短暂的时间内发生的。因此在它周围的空间里，将产生强大的交变磁场，不仅会使处在这一电磁场的导体感应出较大的电动势，并且还会在构成闭合回路的金属物中感应