(完整版)35KV变电站防雷接地保护设计毕业设计

毕业论文

题目名称：35KV变电站防雷接地保护设计

系部名称：

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学生姓名：毛毛

指导教师：

年月

35KV变电站防雷接地保护设计

摘要

雷电事故是对变电站、发电厂安全的主要威胁，如何有效、合理对变电站、发电厂采取防雷接地保护措施有着十分重要的意义。本文就通过对35KV变电站为研究对象，以国家《防雷接地标准》为依据且结合变电站具体情况，对变电站的防雷接地进行保护设计，具有一定代表性。首先根据变电站的电气主接线图等实际情况，在了解雷电参数、雷电机理以及学习各种防雷装置的基础上，采用设计避雷针并计算验证其保护范围实现对变电站直击雷的防护；对变电站雷电侵入波的防护实现，则通过选择安装避雷器型号和设计变电站进线段的保护接线。最后在了解接地基本知识后，计算其接地电阻、最大土壤电阻率、垂直接地体根数等，实现对此35KV 变电站的接地保护设计。

关键词：35kV变电站；直击雷防护；雷电侵入波防护；接地保护

目录

摘要....................................................................................................... ...............

目录....................................................................................................... ...............

第1章前言................................................................................................................

5

1.1课题的提出和意

义 (5)

1.2国内外研究现

状 (6)

1.3本课题的主要工

作 (6)

1.3.1研究目

标 (6)

1.3.2主要研究内

容 (7)

1.4变电站防雷接地国家相关标

准 (7)

1.5本论文涉及的35KV变电

站 (8)

1.5.1变电站的概

况 (8)

1.5.2变电站相关参

数 (9)

1.5.3变电站电气主接线

图 (9)

第2章雷电与防雷装置 (11)

2.1雷

电...........................................................................................................

(11)

2.1.1雷电及其放电过

程 (11)

2.1.2雷电参

数 (13)

2.1.3雷击过电压产生的机

理 (17)

2.2防雷装

置 (1)

8

2.2.1避雷

针 (18)

2.2.2避雷

线 (20)

2.2.3避雷带和避雷网.....................................................

2.2.4避雷

器 (21)

第3章变电站直击雷的防护 (23)

3.1变电站直击雷防护概

述 (23)

3.2建筑物年预计年雷击次

数 (23)

3.2.1年预计雷击次数计算公

式 (23)

3.2.2 35KV变电站年预计雷击次数

N (24)

3.3反

击...........................................................................................................

(24)

3.3.1反击的产

生 (24)

3.3.2反击的防

止 (24)

3.4 35KV变电站对直击雷防护的设

计 (26)

3.4.1采用两根等高避雷针进行防护设

计 (26)

3.4.2采用四根等高避雷针进行防护设

计 (27)

第4章变电站雷电侵入波防护 (29)

4.1变电站对雷电侵入波防护概

述 (29)

4.2 35KV变电站对雷电侵入波的防

护 (29)

4.2.1避雷器的防护距

离 (29)

4.2.2变电站的雷电侵入波防护接线.............................

4.2.3变电站的进线段雷电防

护 (32)

4.3雷电侵入波防护要素....................................................

4.3.1避雷器与35KV变压器的最大电气距离 .............

4.3.2雷雨季节在运行方式上尽量保证母线并列运行 (35)

4.3.3电缆进出线有利于降低雷电侵入波的幅值和陡度 (35)

第5章接地的基本常识 (37)

5.1接地、接地电阻及接地装置 (37)

5.1.1接地概念及分类 (37)

5.1.2接地电阻与对地电压 (38)

5.1.3接地装置 (39)

5.1.4接触电压和跨步电压 (39)

5.2工频接地电阻、冲击接地电阻和冲击系数 (40)

5.3接地体工频接地电阻计算 (41)

5.3.1自然接地体及其工频接地电阻计算 (41)

5.3.2人工接地体及工频接地电阻计算 (42)

第6章变电站的接地 (44)

6.1变电站接地装置的型式 (44)

6.2变电站的接地装置要求 (44)

6.2.1接地电阻值的要求 (44)

6.2.2变电站主接地网的均压要求及计算 (46)

6.3 35KV变电站接地设计 (47)

致谢................................................................................................................ . (51)

参考文献................................................................................................................ (52)

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5m×5m或6m×4m。

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hx<5Ri时，Sa1≥0.4(Ri+0.1hx) 当hx ≥5Ri时，Sa1≥0.1(Ri+)；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(Ω)； 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10Ω。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18～24m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0.03Ω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10Ω。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10Ω。

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20Ω，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3510.5KV （主变压器）、350.4KV与10.50.4KV的形式。

1.5.2变电站相关参数

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30kVcm，有水滴存在时约10kVcm）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1.5×105ms，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2×107～1.5×108ms，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2~3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25～30kVcm），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100～133，北纬23.6度以南，一般在80以上，北纬23.5度到长江一带约40～80，长江以北大部分地区(包括东北)多在20～44。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，40～90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

Lg P= - I88

(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：

Lg P= -I40

(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1μs～5μs的范围内，平均2μs～2.5μs。我国在防雷保护设计中建议采用2.6μs的波头长度。

至于雷电流的波长，实测表明在20μs～100μs范围之内，平均约为50μs,大于50μs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2.650μs。

(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2.6μs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：

6.2I

a

(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。

图2-1(a)标准波形，它是由双指数公式所表示的波形

)(0t

teeIi （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