高電壓防雷設(shè)計

1、摘要根據(jù)設(shè)計任務(wù)書的要求，本次設(shè)計為110kV變電所的防雷設(shè)計，變電所是電力系統(tǒng)中重要組成部分，而且變電所的電氣部分要裝設(shè)合理的避雷裝置和接地裝置，因此，它是防雷的重要保護對象。如果變電所發(fā)生雷擊事故，將造成大面積的停電，給人民生活和社會生產(chǎn)帶來重大不便，還有可能給國家造成大經(jīng)濟損失，這就要求防雷措施必須十分可靠變電所的防雷設(shè)計應(yīng)做到設(shè)備先進、保護動作靈敏、安全可靠、維護方便，在此前提下，力求經(jīng)濟合理的原則。本次設(shè)計，主要對變電所的主要設(shè)備進行選擇，重點設(shè)計變電所的防雷部分，包括變電所進線段保護、防直擊雷、防感應(yīng)雷以及變電所二次設(shè)備的防雷。通過對各種避雷器的性能對比，結(jié)合變電所實際情況，確定變

2、電所的避雷器的選擇，并考慮變電所控制系統(tǒng)的防雷，提出防雷方案。氧化鋅避雷器以其優(yōu)越的性能，越來越受到電力行業(yè)的關(guān)注。本次設(shè)計，將結(jié)合氧化鋅避雷器性能的優(yōu)點，并結(jié)合變電所設(shè)計的情況，討論氧化鋅避雷器在變電所中的應(yīng)用前景。關(guān)鍵詞：變電所避雷器防雷保護目錄1引言.11.1課題背景.11.2課題研究的意義.12系統(tǒng)設(shè)計方案的研究.22.1雷電對變電所的危害.22.1.1雷的直擊和繞擊危害.22.1.2雷電反擊危害.22.1.3感應(yīng)雷危害.32.1.4雷電侵入波危害.32.2變電所簡介.42.2.1變電所概述.42.2.2變電所主要任務(wù).42.2.3變電所主接線.42.3變電所防雷措施.52.3.1變電

3、所遭受雷擊的來源.52.3.2變電所防雷具體措施.62.3.3變電所對直擊雷防護.62.3.4變電所對雷電侵入波的防護.62.3.5變電站的進線防護.72.3.6變壓器的防護.72.3.7變電所的防雷接地.73防雷保護裝置.73.1避雷針.73.1.1避雷針原理.73.1.2避雷針設(shè)置原則.83.1.3避雷針保護范圍的計算.83.2避雷器.143.2.1避雷器作用原理.153.2.2氧化鋅避雷器的研究與應(yīng)用.153.2.3氧化鋅避雷器的特性.153.2.4氧化鋅避雷器的優(yōu)勢.163.2.5氧化鋅避雷器在變電所中的發(fā)展前景.173.2.6氧化鋅避雷器的安裝要求.173.3主控室及屋內(nèi)配電裝置對直

4、擊雷的防雷措施.183.4防雷接地.184本設(shè)計的防雷方案.194.1電工裝置的防雷設(shè)計.194.1.1進線段保護.194.1.2直擊雷的保護.204.1.3雷電入侵波的保護.214.1.4變電所二次設(shè)備防雷保護.234.2接地裝置.244.2.1接地網(wǎng).244.2.2接地線.264.2.3防雷接地.26總結(jié).27致謝.參考文獻.281引言1.1課題背景變電所是電力系統(tǒng)的一個重要組成部分，由電器設(shè)備及配電網(wǎng)絡(luò)按一定的接線方式所構(gòu)成，它從電力系統(tǒng)取得電能，通過其變換、分配、輸送與保護等功能，然后將電能安全、可靠、經(jīng)濟的輸送到每一個用電設(shè)備。隨著電力技術(shù)高新化、復雜化的迅速發(fā)展，電力系統(tǒng)在從發(fā)電到

5、供電的所有領(lǐng)域中，通過新技術(shù)的使用，都在不斷的發(fā)生變化。變電所作為電力系統(tǒng)中一個關(guān)鍵的環(huán)節(jié)也同樣在新技術(shù)領(lǐng)域得到了充分的發(fā)展。作為電能傳輸與控制的樞紐，變電所的防雷保護也越來越得到重視。本次設(shè)計為110kV牽引變電所防雷設(shè)計，牽引變電所是指主要向牽引系統(tǒng)供電的變電所。牽引變電所主要應(yīng)用于工礦企業(yè)電氣化運輸、城市公共交通、市郊電氣化鐵路、煤礦井下平巷運輸和地面工業(yè)廣場運輸，為運輸機車提供可靠的供電電源。1.2課題研究的意義隨著科學技術(shù)的發(fā)展，作為現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展的基礎(chǔ)和先行官電力工業(yè)，也隨之有了很大的發(fā)展。電力需求的大大增加，促使電力技術(shù)和電力工業(yè)進一步向高電壓，大機組，大電網(wǎng)的方向發(fā)展。110kV

6、變電所是電力配送的重要環(huán)節(jié)，也是電網(wǎng)建設(shè)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。變電所設(shè)計質(zhì)量的好壞，直接關(guān)系到電力系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定、靈活和經(jīng)濟運行。變電所是電力系統(tǒng)的重要組成部分，它直接影響整個電力系統(tǒng)的安全與經(jīng)濟運行，是聯(lián)系發(fā)電廠和用戶的中間環(huán)節(jié)，起著變換和分配電能的作用。雷電放電落于電氣設(shè)備上時,如沒有特殊保護,雷云放電能產(chǎn)生數(shù)百萬伏的過電壓電波,這種過電壓足以使任何額定電壓的設(shè)備發(fā)生絕緣閃絡(luò)或擊穿。從而會使設(shè)備損壞，甚至危及人身安全，造成不可彌補的損失。電力設(shè)備的造價普遍較高，而且建造工期較長，電力設(shè)備的損壞，不但會造成發(fā)電廠或變電所的巨大損失，更會影響到對用戶的供電，造成更大面積、更嚴重的后果。雷電一直是危害電

7、力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行的重要因素之一，如果變電所發(fā)生雷擊事故，將造成大面積停電,給社會生產(chǎn)和人民生活帶來不便，這就要求防雷措施必須十分可靠。隨著電力技術(shù)高新化、復雜化的迅速發(fā)展，電力系統(tǒng)在從發(fā)電到供電的所有領(lǐng)域中，通過新技術(shù)的使用，都在不斷的發(fā)生變化。變電所作為電力系統(tǒng)中一個關(guān)鍵的環(huán)節(jié)也同樣在新技術(shù)領(lǐng)域得到了充分的發(fā)展。而防雷保護作為變電所設(shè)計的一個重要環(huán)節(jié)，同樣會有充分的發(fā)展空間。眾所周知，防雷的最有效辦法就是架設(shè)避雷器。目前氧化鋅避雷器(MOA）在電力系統(tǒng)中作為過電壓限制措施的應(yīng)用越來越廣泛，其雷電侵入波的保護能，尤其是對電氣設(shè)備的保護距離，已成為變電所工程設(shè)計、施工和運行亟待解決的問題。2系

8、統(tǒng)設(shè)計方案的研究2.1雷電對變電所的危害2.1.1雷的直擊和繞擊危害雷云單體浮在大地上空，其所帶電荷拖著地表相反電荷猶如一個影子隨風移動。如果途經(jīng)變電所的避雷針或地表其它突出物，地電荷會導致突出物頂端電場畸變集中。閃電開始之前先是雷云底部的始發(fā)先導按間歇分級躍進方式向地表發(fā)展，當距地面50100m時，由避雷針等地表突出物電場畸變集中的地方產(chǎn)生垂直向上的迎面先導。兩者相接，進入直擊或繞擊的主放電階段。通常當?shù)孛嫔贤怀鑫锏母叨葹閔，雷云正下方的平均電場強度大于和等于580h-0.7kV/m時，則該突出物將容易受到直擊雷。原因是高為h的避雷針可影響雷云單體向下的始發(fā)先導發(fā)展方向的半徑，用公式表述為:

9、R=16.3h0.61m。該式還表明，地表安裝獨立避雷針后，將會在其附近出現(xiàn)大量的散擊，甚至對避雷針進行直擊，對受避雷針保護范圍內(nèi)的物體進行繞擊。一次雷擊主放電一般為幾萬安培到十幾萬安培。瞬間高熱和電動力，會造成混凝土桿炸裂，小截面金屬熔化，引起火災和大爆炸，金屬導體連接部分斷裂破損，建筑物倒坍，電氣設(shè)備損壞。2.1.2雷電反擊危害直擊雷電流通過地表突出物的電阻入地散流。假如地電阻為10，一個30kA的雷電流將會使地網(wǎng)電位上升至300kV。如果受雷擊變電所輸電線路來自另一個不同地網(wǎng)的變電所，那么上升的地電位與輸電線上的電位將形成巨大反差，導致與輸電線路相連的電氣設(shè)備的損壞。不僅僅是輸電線路、動

10、力電纜，凡是引進變電所的金屬管線都會引起雷電反擊。另一種雷電反擊，對變電所的電子設(shè)備危害也不容忽視。雷電流沿變電所的接地網(wǎng)散流，支線上的雷電流和各點電位差異很大。連接在不同等電位地網(wǎng)上的電子設(shè)備。如果其間有電信號聯(lián)系，那么超過其容許承受能力的地電位差將導致設(shè)備損壞。2.1.3感應(yīng)雷危害直擊雷放電的能量通過電磁感應(yīng)和靜電感應(yīng)方式向四周輻射，導致設(shè)備過電壓放電，則為感應(yīng)雷。顯然，感應(yīng)雷危害是大面積的，是電子設(shè)備的克星。有資料計算表明，當雷擊電流為30kA斜角波，雷云高度為3公里，導線高度為10m，擊中距末端匹配的500m長架空線路中點100m處地面時，線路上感應(yīng)電壓為150kV幅值的振蕩波。此波為

11、電磁感應(yīng)和靜電感應(yīng)共同作用的結(jié)果。還有計算顯示，一棟由工字鋼架構(gòu)且金屬部分連接成法拉第籠的10層（60m30m100m，每層高10m）的建筑物，被-2.6/40us，100kA的雷擊中樓頂，其各層樓面1m高處的感應(yīng)電場垂直分量達數(shù)kV/m，隨樓層降低感應(yīng)電場強度趨向于均勻，但強度整體上無大的衰減。事實上，在生產(chǎn)實踐中，雷擊的靜電感應(yīng)破壞力數(shù)倍于電磁感應(yīng)。靜電感應(yīng)還可用雷擊的二次效應(yīng)理論來解釋。帶電雷云飄浮在地表上空，地表帶上與雷云相反的等量電荷。當雷擊過后，雷擊點地表變?yōu)殡姾傻南鄬昭?，周圍高電荷區(qū)域內(nèi)與地電位相對絕緣的導體上的電荷，將像受突然擊發(fā)的水波一樣沖向雷擊點，導致設(shè)備打火，絕緣受損和

12、電子設(shè)備失效。特別注意的是電子設(shè)備的高阻抗輸入回路，信號回路等引線較長，且直接連接的金屬體積較大處，雖然已作電磁屏蔽（采用屏蔽電纜且屏蔽層兩端接地）仍會遭受厄運。2.1.4雷電侵入波危害遠方落雷，通過直擊或電磁感應(yīng)和靜電感應(yīng)方式從高壓輸電線路、配電線路、低壓電源線路、通信線、電纜線、金屬管道等途徑侵入變電所，由于管線相對較長，且存在著分布電感和電容，使雷電傳播速度減慢，這樣一種現(xiàn)象用波傳輸理論來說明的概念稱作雷電波。雷電波在傳輸過程中通過不同參數(shù)的連接線段或線路端點時，波阻抗發(fā)生變化會產(chǎn)生反射、折射，可導致波阻抗突變處的電壓升高許多，加大了對設(shè)備的危害。2.2變電所簡介2.2.1變電所概述電力

13、牽引的專用變電所。牽引變電所把區(qū)域電力系統(tǒng)送來的電能，根據(jù)電力牽引對電流和電壓的不同要求，轉(zhuǎn)變?yōu)檫m用于電力牽引的電能，然后分別送到沿鐵路線上空架設(shè)的接觸網(wǎng)，為電力機車供電，或者送到地下鐵道等城市交通所需的供電系統(tǒng)，為地鐵電動車輛或電車供電。一條電氣化鐵路沿線設(shè)有多個牽引變電所，相鄰變電所間的距離約為4050公里。在長的電氣化鐵路中，為了把高壓輸電線分段以縮小故障范圍,一般每隔200250公里還設(shè)有支柱牽引變電所,它除了完成一般變電所的功能外，還把高壓電網(wǎng)送來的電能，通過它的母線和輸電線分配給其他中間變電所。牽引變電所的主要電力設(shè)備是單機容量為10000千伏安以上的降壓變壓器,稱主變壓器或牽引變

14、壓器。工礦和城市交通大多采用直流電力牽引，故直流牽引變電所里除降壓變壓器外，還有把交流電變成直流電的半導體整流器。此外，各類牽引變電所中還有用來接通和開斷電力電路的主斷路器、為了檢修和安全用的隔離開關(guān)，以及為了自動、遠動控制和保護用的自動控制系統(tǒng)和斷電保護系統(tǒng)。2.2.2變電所主要任務(wù)將電能從電力系統(tǒng)傳送給電力機車的電力裝置的總稱叫電氣化鐵路的供電系統(tǒng)，又稱牽引供電系統(tǒng)，主要由牽引變電所和接觸網(wǎng)兩大部分組成。牽引變電所將電力系統(tǒng)輸電線路電壓從110kV(或220kV)降到所需要的電壓，經(jīng)饋電線將電能送至接觸網(wǎng)；接觸網(wǎng)沿鐵路上空架設(shè)，電力機車升弓后便可從其取得電能，用以牽引列車。牽引變電所所在地

15、的接觸網(wǎng)設(shè)有分相絕緣裝置，兩相鄰牽引變電所之間設(shè)有分區(qū)亭，接觸網(wǎng)在此也相應(yīng)設(shè)有分相絕緣裝置。牽引變電所至分區(qū)亭之間的接觸網(wǎng)(含饋電線)稱供電臂。2.2.3變電所主接線電氣主接線又稱為電氣一次接線，變電所主接線是變電所中的重要組成部分，它的連接形式對于防護雷電入侵波有著重要的作用。它是將電氣設(shè)備以規(guī)定的圖形和文字符號，按電能生產(chǎn)、傳輸、分配順序及相關(guān)要求繪制的單相接線圖。它把各電源送來的電能匯集起來，并分給各用戶。它表明各種一次設(shè)備的數(shù)量和作用，設(shè)備間的連接方式，以及與電力系統(tǒng)的連接情況。所以電氣主接線是發(fā)電廠和變電所電氣部分的主體，對發(fā)電廠和變電所以及電力系統(tǒng)的安全、可靠、經(jīng)濟運行起著重要作用

16、，并對電氣設(shè)備選擇、配電裝置布置、繼電保護、自動裝置和控制方式的擬定有較大影響。通過查找相關(guān)資料，以及參考電力工程電氣手冊，結(jié)合自己所學。對于本次設(shè)計的110kV牽引變電所的主接線設(shè)計為110kV側(cè)采用單母分段的連接方式，35kV側(cè)采用單母分段連接，10kV側(cè)采用單母分段連接。此方案設(shè)計的優(yōu)點是：110kV側(cè)采用單母分段的連接方式，供電可靠、調(diào)度靈活、擴建方便，35kV、10kV采用單母分段連線，對重要用戶可從不同段引出兩個回路，當一段母線發(fā)生故障，分段斷路器自動將故障切除，保證正常母線供電不間斷，所以此方案同時兼顧了可靠性，靈活性，經(jīng)濟性的要求。此方案電氣主接線圖如下：圖2.1電氣主接線圖2

17、.3變電所防雷措施2.3.1變電所遭受雷擊的來源由于變電所是電力系統(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。變電所遭受雷擊主要來自兩個方面：1.雷直擊于變電所的設(shè)備上；2.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。因此直擊雷和雷電侵入波對變電站進線及變壓器的破壞的防護十分重要。2.3.2變電所防雷具體措施變電所對于直擊雷的保護一般采取裝設(shè)避雷針或采用沿變電所進線段一定距離內(nèi)架設(shè)避雷線的方法解決。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，是導致變電所雷害的主要原

18、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。在變電所內(nèi)裝設(shè)避雷器的目的在于限制入侵雷電波的幅值，使電氣設(shè)備的過電壓不致于超過其沖擊耐壓值。而變電所的進線段上裝設(shè)保護段的主要目的，在于限制流經(jīng)避雷器的雷電流幅值及入侵雷電波的陡度。2.3.3變電所對直擊雷防護裝設(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收器。他將雷引到自己的身上，并安全導入大地中從而保護了附近絕緣水平比它低的設(shè)備免受雷擊。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及以上的變電所，由于此類電壓等級配電裝置的絕緣水平比較高，可以將避雷

19、針直接裝設(shè)在配電裝置的架構(gòu)上，因此雷擊避雷針所產(chǎn)生的高電位不會造成電氣設(shè)備反擊事故。2.3.4變電所對雷電侵入波的防護變電站對侵入波防護的主要措施是在其進線上裝設(shè)閥型避雷器或保護間隙。閥型避雷器的基本元件為火花間隙和非線性電阻，目前，F(xiàn)S系列閥型避雷器為火花間隙和非線性電阻其主要用來保護小容量的配電裝置SFZ系列閥型避雷器，主要用來保護中等及大容量變電站的電氣設(shè)備;FCZ1系列磁吹閥型避雷器，主要用來保護變電所的高壓電器設(shè)備。2.3.5變電站的進線防護對變電站進線實施防雷保護，其目的就是限制流經(jīng)避雷器的雷電電流幅值和雷電波的陡度。當線路上出現(xiàn)過電壓時，將有行波沿著導線向變電站行進，其幅值為線路

20、絕緣的50%沖擊閃絡(luò)電壓。線路的沖擊耐壓比變電所設(shè)備的沖擊耐壓要高很多。因此，在靠近變電所的進線上加裝避雷線是防雷的主要措施，如果沒有架設(shè)避雷線，當靠近變電所的進線上遭受雷擊時，流經(jīng)避雷器的雷電電流幅值可超過5KA，且其陡度也會超過允許值，勢必會對電路造成破壞。2.3.6變壓器的防護變壓器的基本保護措施是靠近變壓器安裝避雷器，這樣可以防止線路侵入的雷電波損壞絕緣。裝設(shè)避雷器時，要盡量靠近變壓器，盡量減少連線的長度，以便減少雷電電流在連接線上的壓降。同時，避雷器的接線應(yīng)該與變壓器的金屬外殼及低壓側(cè)中性點連接在一起，這樣，當侵入波使避雷器動作時，作用在高壓側(cè)主絕緣上的電壓就只剩下避雷器的殘壓了（不

21、包括接地電阻上的電壓壓降），就減少了雷電對變壓器破壞的機會。2.3.7變電所的防雷接地變電所防雷保護在滿足要求以后還要根據(jù)安全和工作接地的要求敷設(shè)一個統(tǒng)一的接地網(wǎng)，然后避雷針和避雷器下面增加接地體以滿足防雷的要求，或者在防雷裝置下敷設(shè)單獨的接地體。3防雷保護裝置防雷保護裝置是指能使被保護物體避免雷擊，而引雷于本身，并順利地泄入大地的裝置。電力系統(tǒng)中最基本的防雷保護裝置有:避雷針避雷線避雷器和防雷接地等裝置。3.1避雷針3.1.1避雷針原理避雷針由金屬制成，結(jié)構(gòu)簡單，安裝方便，其保護原理是當雷云放電時使地面電場畸變,在避雷針的頂端形成局部場強集中的空間以影響雷電先導放電的發(fā)展方向，使雷電對避雷針放電,再經(jīng)過接地裝置將雷電流引入大地，從而使被保護物體免受雷擊。避雷針的設(shè)計一般有一下幾種類型：（1）單支避雷針的保護（2）兩支避雷針的保護（3）多支避雷針的保護。變電所直擊雷保護的基本原則：一是獨立避雷針（線）與被保護物之間應(yīng)有一定的距離，以免雷擊針（線）時造成反擊。二是獨立雷針的接地裝置與被保護物之間也應(yīng)保持一定的距離Sd以免擊穿，在一般情況下，不應(yīng)小于3m。有時由于布置上的困難Sd無法保證，此時可將兩個接地裝置相聯(lián)，但為了避免設(shè)備反擊，該聯(lián)接點到35kV及以下設(shè)備的接地線入地點，沿