110kV牽引變電所防雷接地的設計

1、蘭州交通大學畢業(yè)設計（論文）摘 要雷電具有很強的危害性，因此應該重視牽引變電所雷電的防護。本文講述了雷電、雷電壓和雷電流的形成過程,并給出了雷電參數(shù)，闡述了防雷裝置如避雷針、避雷器的防雷原理以及保護范圍，給出了直擊雷和感應雷的防護方案，介紹了目前我國牽引變電所防雷接地設計中常用的幾種措施，如：合理選擇牽引變電所修建的地理位置，架設避雷針、敷設接地網(wǎng)，在進線段裝設避雷器，同時對幾種防雷措施進行了深入的論述和定量的計算分析?；诔Ｓ玫姆览捉拥氐脑O計方法，對平北站110kv牽引變電所進行了詳細的防雷接地設計。設計中，結合當?shù)噩F(xiàn)狀，綜合考慮了氣候、地形、環(huán)境等多種因素，給出了較好的防雷接地保護方案。通

2、過對牽引變電所的防雷接地設計，全面剖析了電力系統(tǒng)中如何提高牽引變電所的防雷水平，從而有效地降低牽引變電所的雷擊事故，減少雷電對電網(wǎng)安全運行的影響。最后繪制了平北接地網(wǎng)的平面設計圖。關鍵詞：牽引變電所；防雷接地；雷電放電；雷電流 abstractthe lightning has very strong harmfulness, so we should pay attention to drawing the shelter of the lightning of transformer substation.this text tells the forming process that t

3、he lightning, the lightning voltage and current, provide the lightning parameter. at the same time, it expounds the lighting protecting principles and protecting scopes of lighting protecting devises, such as the lightning rod, the lighting arrester. it provides the shelter scheme of reacting lighti

4、ng and attacking lighting directly, and has recommended several kinds of the daily method which is during the design of lighting protecting and grounding in the transformer substation at present, for instance: to choose the geographical position where to built the transformer substation, erect the l

5、ightning rod, lay the earthing network, install the lighting arrester on the stock of line segment. it carries on exposition and quantitative computational analysis to several kinds of lighting protecting measures srespectively also. on the basis of lightning protecting and groundings design method

6、commonly used, it designs lightning protecting and grounding on the 110kv ping bei transformer substation. in the design, combines the local current situation, has considered many kinds of factors such as the climate, topography, and environment synthetically, provides better programs of lightning p

7、rotecting and grounding. through the designs of lighting protecting and grounding of transformer substation, analyzing how to improve the level of lighting protecting of the transformer substation completely in power system, thus reduce the accident of lightning striking effectively, and the impact

8、on safe operation of the electric wire. drew the level design drawing of the ping bei earthing network finally.keyword: the transformer substation; lightning protecting and grounding; lightning discharge; lightning current.47目 錄第一章 前 言1一、 牽引變電所防雷接地的必要性1二、 防雷接地的發(fā)展概況2第二章 雷電參數(shù)及防雷裝置3一、 雷電放電3二、 雷電參數(shù)3（一）雷

9、擊時的等值電路3（二）雷電流4（三）雷暴日與雷暴小時7（四）地面落雷密度7三、 避雷針和避雷線7（一）保護原理7（二）保護范圍7四、 避雷器11（一）避雷器的分類及比較12（二）閥式避雷器電氣特性的基本參數(shù)15第三章 防雷接地17一、 接地與防雷接地17二、 沖擊電流流經(jīng)接地裝置入地時的基本現(xiàn)象17（一）土壤中的電位分布17（二）土壤中的電場強度18（三）接地裝置的電感效應及利用率18（四）防雷接地裝置的形式及其電阻的算法19第四章 平北站110kv牽引變電所防雷接地系統(tǒng)設計22一、 平北站110kv牽引變電所及環(huán)境氣象條件22二、 平北站110kv牽引變電所的直擊雷防護方案及計算22（一）直

10、擊雷防護方案22（二）避雷針的計算及其安裝23三、 平北站110kv牽引變電所感應雷的防護26（一）牽引變電所進線段保護33（二）牽引變電所內(nèi)變壓器的防雷接地保護36（三）平北站110kv牽引變電所饋線段防雷保護39四、 平北站110kv牽引變電所避雷器的選擇39（一）進線段母線上避雷器的選擇40（二）變壓器架設避雷器的選擇40（三）饋線段避雷器的選擇40五、 平北站110kv牽引變電所地網(wǎng)分布設計計算40結 論43致 謝44參考文獻45附錄：（1）避雷器保護圖（2）平北站110kv牽引變電所接地網(wǎng)的平面布置圖 （3）平北站110kv牽引變電所主接線圖第一章 前 言雷電(lightning)是

11、一種大氣自然現(xiàn)象，對人類社會而言，雷電有時也會造成自然災害。隨著社會的發(fā)展，雷電給社造成的危害越來越嚴重，同時雷電防護(lightning protection)科學技術也在人類認識自然、抵御自然災害的過程中不斷發(fā)展。全球任何時刻大約有2000個地點遏上雷暴，平均每天約發(fā)生800萬次閃電，每次閃電在微秒級的瞬間釋放出約55kw.h的能量。我們生存的環(huán)境既被動地接受自然災害的侵襲，又能動地為災害的形成和發(fā)展提供條件。從久遠的過去開始，雷電就對人類、人類賴以生存的自然資源和人類創(chuàng)造的物質文明構成巨大的威脅，例如，森林火災有50以上因雷電引發(fā)；人們居住生活的建筑物屢遭雷擊破壞；電力、石化等工業(yè)設施常

12、因雷擊而發(fā)生災難性事故。不難看出，雷電災害的范圍隨社會經(jīng)濟發(fā)展而擴大，其表現(xiàn)形式隨其范圍擴大而復雜。因此，提高雷電防護科技水平勢在必行。一、 牽引變電所防雷接地的必要性牽引變電所是鐵路供電系統(tǒng)的樞紐，它擔負著電網(wǎng)供電的重要任務。在電力系統(tǒng)中的各種電氣設備，都是按一定電壓制造的，都有一定的絕緣強度。當電壓過高，超過其絕緣強度時，就要產(chǎn)生閃絡(擊穿)，它能使絕緣破壞，引起事故。這種對絕緣有危險的電壓和高于正常運行時的電壓，均稱為過電壓。根據(jù)產(chǎn)生過電壓的原因，我們把過電壓分為內(nèi)部過電壓和大氣過電壓兩種。內(nèi)部過電壓1是指由于電力系統(tǒng)內(nèi)部的原因（如閉合空載線路、空載變壓器，以及發(fā)生單相接地故障等）所引起

13、的過電壓。產(chǎn)生內(nèi)部過電壓的根本原因是由于系統(tǒng)內(nèi)能量分布發(fā)生瞬間突變。內(nèi)部過電壓分為兩大類:一類是由于在操作（如斷路器的合閘、分閘）或故障（斷線、接地等）時的過渡過程中所產(chǎn)生的過電壓叫操作過電壓，其持續(xù)時間較短;另一類是在某些操作或故障后所形成的回路中，由于電感和電容相等而產(chǎn)生的諧振過電壓叫做諧振過電壓（或稱共振過電壓），其持續(xù)時間較長。大氣過電壓又叫外部過電壓。它是由于雷電放電而引起的過電壓，所以又叫做雷電過電壓。大氣過電壓又分為直擊雷過電壓和感應雷過電壓。直擊雷過電壓指帶電的雷云直接對架空電力線路和電氣設備放電。其過電壓數(shù)值可達幾百萬伏，對電氣設備的危害極大。感應雷過電壓指當雷擊于線路附近地

14、面時在雷電放電的先導階段，先導路徑中充滿了電荷，因而對導線產(chǎn)生靜電感應，在先導路徑附近的導線上積累了大量的異性束縛電荷。當雷擊大地后，主放電開始，先導路徑中的電荷自上而下被迅速中和，這時導線上的束縛電荷變?yōu)樽杂呻姾桑貙Ь€兩側流動。由于主放電的速度很快，所以導線中的電流很大，感應電壓就會達到很大的數(shù)值，這就是感應雷過電壓。變電所是電力系統(tǒng)的樞紐，它擔負著電網(wǎng)供電的重要任務。由于變電所和架空線路直接連接，而線路的絕緣水平又比變電所內(nèi)的電氣設備為高，因此沿著線路侵入到變電所的雷電進行波的幅值也是很高的。如無完善的保護設施，就有可能使變電所內(nèi)的主變壓器或者其它電器的絕緣損壞。變電所一旦發(fā)生雷害事故，

15、使設備受到損壞，就有可能造成大面積停電，給生產(chǎn)和生活帶來重大損失和影響，其后果是十分嚴重的。二、 防雷接地的發(fā)展概況1749年富蘭克林發(fā)明第一支避雷針，開創(chuàng)了人類有意識防雷的歷史。自此，避雷針及其派生出的避雷帶、避雷網(wǎng)、避雷線、法拉第等傳統(tǒng)避雷裝置，以“引雷燒身”的大無畏精神，伴隨人類度過了兩個半世紀。近代，隨著科技進步，人工建筑的高度越來越高，電子設備的應用越來越廣泛，由于避雷針保護范圍具有不確定性，引雷過程中產(chǎn)生電磁感應過電壓，雷電反擊產(chǎn)生二次雷擊和跨步電壓等，避雷針已跟不上時代的步伐。避雷針的安裝本身，可能導致感應雷害的增加。目前已投入使用的各種防雷裝置，各有所長，也都各有局限性。對于現(xiàn)

16、代建筑和電子設備，進雷通道不外乎三個方面：1.天上下來的直雷擊。2.各種金屬線路、管道感應或引進的感應雷。3.地下出來的反擊雷。那么，按照“系統(tǒng)論”的觀點，建立一套完善而健全的綜合立體防雷系統(tǒng)2，就能實現(xiàn)有效的防雷安全。一套完善而健全的綜合立體防雷系統(tǒng)包括：架設避雷針，避雷線防直擊雷。地面或室內(nèi)外各種天線、信號線、電源線進入室內(nèi)或設備前，裝設線路避雷器。各種金屬管線入戶處進行接地處理。埋地電纜用金屬裸線平行屏蔽。具有良好的接地裝置，包括盡可能小的接地沖擊阻抗、接地體的有效屏蔽及各種接地的聯(lián)通。第二章 雷電參數(shù)及防雷裝置一、 雷電放電雷電是一種極為壯觀的自然現(xiàn)象，由于其強大的威力和破壞作用，自古

17、以來，一直吸引著人們的注意力。雷電起源于云中水氣的起點和同極性電荷的積累，帶電的云塊稱為雷云，雷云是產(chǎn)生雷電的先決條件。雷電放點可能是在云中兩塊異性的雷云尖發(fā)生，稱之為云中放電。也可能是雷云對大地間放電，稱之為云-地放電。雷云電荷向下發(fā)展而形成的雷電放電稱為下行雷，下面以下行雷為例來分析雷電放電3的三個階段。1)先導放電階段雷云對大地有靜電感應，在雷云電場下，大地感應出異種電荷，兩者形成一個特殊的大電容器，隨著雷云中電荷的逐步積累，空間的電場強度不斷增大。當雷云中電荷密集處的電場強度達到空氣擊穿場強（2530kv/cm）時，就產(chǎn)生強烈的碰撞游離，形成指向大地的一段導電通道，稱為雷電先導。先導放

18、電不是連續(xù)向下發(fā)展的，而是一段接著一段地向前推進。2)主放電階段當下行先導接近地面時，會從地面較突出的部分發(fā)出向上的迎面先導。當迎面先導與下行先導相遇時，便產(chǎn)生強烈的“中和”過程，引起極大的電流，這就是雷電的主放電階段，伴隨出現(xiàn)閃電和雷鳴現(xiàn)象。主放電階段的特點是：（1） 主放電存在的時間極短，約為50100s。（2） 電流極大，可達數(shù)十乃至數(shù)百千安。3)余光放電階段主放電到達云端就結束了，然后云中殘余電荷經(jīng)主放電通道流下來，稱為余光放電階段。由于雷云中的電阻較大，余光放電階段對應的電流不大（約數(shù)百安），持續(xù)時間則較長（0.030.05s）。雷云中的電荷分布是不均勻的，往往形成多個電荷密集中心，

19、所以第一個電荷中心完成上述放電過程后，可能引起第二個、第三個甚至多個的中心向第一個中心放電，并沿原先的通道到達大地，因此雷電可能是多重性的。第二次及以后的主放電電流一般較小，不超過30ka。二、 雷電參數(shù)（一）雷擊時的等值電路 雷擊地面由先導放電轉變?yōu)橹鞣烹姷倪^程可以用一根已經(jīng)充電的垂直導線突然于被擊物體接同來比擬，如圖2-1（a）所示。圖中是被擊物體于大地（零地位）之間的阻抗，是先導放電通道中電荷的線密度，開關s未閉合之前相當于先導放電階段。當先導通道到達地面或與地面目標上發(fā)出迎面先導相遇時，主放電即開始，相當于開關s合上。此時將有大量的正、負電荷沿先導通道逆向運動，并使其中來自雷云的負電賀

20、中和，如圖5-1（b）所示。與此同時，主放電電流即雷電流流過雷擊點a并通過阻抗，此時a點電位u也突然升至。顯然，電流的數(shù)值于先導通道的電荷密度及主放電的發(fā)展速度v有關，并且還受阻抗的影響。因為先導通道的電荷密度很難測定，主放電的發(fā)展速度也只能根據(jù)觀測大體判斷，唯一容易側知的量是主放電以后（相當于s合上以后）流過阻抗的電流。因此利用雷電放電過程簡化成一個數(shù)學模型，進而用到彼德遜等值電路如圖2-1(c)、(d)所示以求得比較統(tǒng)一的分析方法。圖2-1(c)、(d)中為主放電通道的波阻抗。和則式從雷云向地面?zhèn)鱽淼男胁ǖ碾妷汉碗娏鳌?(a)模擬電路 （b）主放電電路 （c）主放電通道電路 （d）等值電路

21、圖2-1 雷擊放電計算模型（二）雷電流因為雷電波流經(jīng)被擊物體時的電流與被擊物體的波阻抗有關，因此，我們把流經(jīng)被擊物體的波阻抗為零時的電流被定義為“雷電流”，用來表示。根據(jù)雷電放電的等值電路，可知流經(jīng)被擊物體的波阻抗為時的電流與雷電流的關系為： （2-1）目前，我國規(guī)程建議雷電通道的波阻抗為300400。雷電流為一非周期的沖擊波，它與氣象、自然等條件有關，是一個隨機變量。下面我們介紹它的幅值、波頭、陡度、波長及其波形。1）幅值雷電流的幅值與氣象、自然等條件等有關，只有通過大量實測才能正確估計其概率分布規(guī)律。我國現(xiàn)行標準推薦雷電流幅值分布的概率如下： （2-2）式中：為雷電流幅值，ka；為幅值大于

22、的雷電概率。例如，當雷擊時，出現(xiàn)大于88ka的雷電流幅值的概率p約為10%。 我國西北地區(qū)內(nèi)蒙古等雷電活動較弱，雷電流幅值較小，可按下式計算： （2-3）2)波頭、陡度及波長根據(jù)實測結果，雷電沖擊波的波頭是在15s的范圍內(nèi)變化，多為2.52.6s；波長在20100s的范圍內(nèi)，多數(shù)為50s左右。波頭及波長的長度變化范圍很大，工程上根據(jù)不同情況的需要，規(guī)定出相應的波頭于波長的時間。在線路防雷計算時，規(guī)程規(guī)定取雷電流波頭的時間為2.6s，波長對防雷計算結果幾乎無影響，為簡化計算，一般可視為無限長。雷電流的幅值與波頭，決定了雷電流的上升陡度，也就是雷電流隨時間的變化率。雷電流的陡度對雷擊過電壓影響很大

23、，也是一個常用參數(shù)?？烧J為雷電流的陡度與幅值i有線性關系，即幅值愈大，陡度愈大。一般認為陡度超過50ka/s的雷電流出現(xiàn)的概率已經(jīng)很小了。3)波形實測結果表明，雷電流的幅值、陡度、波頭、波尾雖然每次不同，但都是單極性的脈沖波，電力設備的絕緣強度實驗和電力系統(tǒng)的防雷保護設計，要求將雷電流波形等值為典型化、可用公式表達、便于計算的波形。常用的等值波形有三種，如圖2-2所示。 （a） (b) (c)圖2-2 雷擊主放電時的電流波形圖2-2（a）是標準沖擊波，它可表示為。試中為某一固定電流值，、是兩個常數(shù)，為作用時間。當被擊物體的阻抗只是電阻r時，作用在r上的電壓波形u于電流波形相同。雙指數(shù)波形也用做

24、沖擊絕緣強度實驗的標準電壓波形。我過采用國際電工委員會（iec）國際標準。圖2-2(b)為斜角平頂波，其陡度可由給定的雷電流幅值i和波頭時間決定，=i/在防雷保護計算中，雷電流波頭采用2.6s。這樣，可取為i/2.6ka/s.圖2-2(c)為等值余弦波，雷電流波形的波頭部分，接近半弦波，其表達式為 （2-4）式中： 為雷電流幅值，ka；為角頻率，,為波頭時間（2.6）。這種等值波形多用于分析雷電流波頭的作用，因為用余弦函數(shù)波頭計算雷電流通過電感支路時所引起的壓降比較方便。此時最大陡度出現(xiàn)波頭中間，即,其值為 （2-5）（三）雷暴日與雷暴小時由于地理條件及氣象條件等因素的不同，各地雷電活動的強烈

25、程度不大相同，因此在進行防雷設計和采取防雷措施時必須要從該地區(qū)的雷電活動具體情況出發(fā)。為了統(tǒng)計雷電的活動強度，可以用雷暴日與雷暴小時表示。雷暴日是每年中有雷電的日數(shù)，雷暴小時是每年中有雷電的小時數(shù)（即在1天或1h內(nèi)只要聽到雷聲就作為一個雷暴日或者一個雷暴小時）。我國有關標準建議采用雷暴日作為計算單位。根據(jù)統(tǒng)計，我國大部分地區(qū)雷暴小時與雷暴日的比值大約為3。根據(jù)長期統(tǒng)計的結果，在我國規(guī)程中繪制了全國平均雷暴日分布圖，可作為防雷設計的依據(jù)。全年平均雷暴日數(shù)為40的地區(qū)為中等雷電活動強度區(qū)，如長江流域和華北的某些地區(qū)；年平均雷暴日不超過15日的為少雷區(qū)，如西北地區(qū)；超過40日的為多雷區(qū)，如華南某些地

26、區(qū)。（四）地面落雷密度雷暴日和雷暴小時中，包含了雷云之間的放電，而防雷實際中關心的是云地之間的放電。地面落雷密度4表征了雷云對地放電的頻繁程度，其定義為每平方千米每雷暴日的對地落雷次數(shù)，用表示。世界各國根據(jù)各自的具體情況，的取值不同。根據(jù)我國標準規(guī)定，對雷暴日為40日的地區(qū)，=0.07次/km2.雷暴日。三、 避雷針和避雷線避雷針和避雷線5可以防止雷電直接擊中被保護物體，因此也稱為直擊雷保護。（一）保護原理避雷針（線）的保護原理可歸納為：能使雷云電場發(fā)生突變，使雷電先導的發(fā)展沿著避雷針的方向發(fā)展，直擊于其上，雷電流通過避雷針（線）及接地裝置瀉入大地而防止避雷針（線）周圍的設備受到雷擊。避雷針需

27、要有足夠截面的接地引下線和良好的接地裝置，以便將雷電流安全地引入大地。（二）保護范圍由于雷電的路徑受到很多偶然因素的影響，因此要保證被保護物絕對不受直接雷擊是不現(xiàn)實的，一般，保護范圍是指具有0.1%左右雷擊概率的空間范圍，實踐證實，此概率是可以被接受的。1.單支避雷針的保護范圍是一個以避雷針為軸的近似錐形的空間。她的側面邊界原為一根曲線，規(guī)程中近似地用折線代替，如圖2-3所示。圖2-3 單支避雷針的保護范圍高度為的被保護物距離避雷針的水平最大允許距離也是避雷針在高度截面的保護半徑可按下式計算：當時 （2-6） 當時 （2-7）式中 避雷針的高度； 避雷針的有效高度，； 考慮避雷針的高度影響的校

28、正系數(shù)，時， （2-8）2.兩支等高避雷針當兩根避雷針距離不太遠時，由于兩根針的聯(lián)合屏蔽作用，使兩針中間部分的保護范圍比單針時有所擴大。圖2-4表示兩等高避雷針的保護范圍。兩針外側的保護范圍按式2-1和式2-2計算。兩針間保護范圍的上部邊緣應按通過兩針頂點及中間最低點o的圓弧確定。o點的高度按式2-9計算。 （2-9）式中 兩針的距離，m。圖2-4 高度為h的二等高避雷針保護范圍兩針間水平面上保護范圍一側的保護范圍最小處的最大保護寬度按式2-10計算。 （2-10）為了保證兩針聯(lián)合保護的效果，規(guī)程建議兩支避雷針之間的距離不宜大于5。3.兩支不等高避雷針其保護范圍按下法確定：如圖2-5兩針內(nèi)側的

29、保護范圍先按單針作出高針1的保護范圍，然后經(jīng)過較低針2的頂點作水平線與之交于點3，再設點3為一假想針的頂點，做出兩等高2和3的保護范圍，圖中，二針外側的保護范圍仍按單針計算。 圖2-5 兩支不等高避雷針保護范圍4.多支等高避雷針三支等高避雷針的保護見圖2-6，三針所形成的三角形1、2、3的外側保護范圍分別按兩支等高的針的計算方法確定，如在三角形內(nèi)被保護物最大高度的水平面上各自相鄰避雷針間保護范圍的一側寬度時，則全部面積受到保護。圖2-6 三支等高避雷針的保護范圍圖5.避雷線因為避雷線對雷云與大地間電場畸變的影響比避雷針小，所以其引雷作用和保護寬度比避雷針要小。但因避雷線的保護長度是與線等長的，

30、故特別適于保護架空線路及大型建筑物，目前世界上大多數(shù)國家已轉而用避雷線來保護500kv大型超高壓變電站。單根避雷線的保護范圍如圖2-7所示。在水平面上每側保護范圍的寬度，可按下列公式計算: 圖2-7 單根避雷線的保護范圍當時 （2-11） 當時 （2-12） 式中 每側保護范圍的寬度，m。兩根等高避雷線外側的保護范圍仍按單根避雷線時確定。兩避雷線間橫截面的保護范圍應由通過兩避雷線1、2及保護范圍邊緣最低點o的圓弧確定，o點的高度應按式2-13計算。 （2-13）式中 兩避雷線間保護范圍上部邊緣最低點的高度，m； 兩避雷線間的距離，m； 避雷線的高度，m。圖2-8中稱為避雷線的保護角，它是桿塔上

31、避雷線的鉛垂線同桿塔處避雷線與導線連線間所組成的夾角，保護角愈小，避雷線就愈可靠地保護導線免受雷擊。單根避雷線的保護角不能做的太小，一般在。220330kv雙避雷線線路，一般采用左右，500kv一般不大于。 圖2-8 兩根平行避雷線的保護范圍四、 避雷器當發(fā)電廠、變電所用避雷針保護以后，電力設備幾乎可以免受直接雷擊，但是長達數(shù)十、數(shù)百公里的輸電線，雖然有避雷線的保護，但由于雷電的饒擊和反擊，仍不能完全避免輸電線上遭受大氣過電壓的侵襲，其幅值可達一、二百萬伏。此過電壓還會沿著輸電線侵入變電所，直接危及變壓器等電氣設備，造成事故。為了保護電器設備的安全，必須限制出現(xiàn)在電氣設備絕緣上的過電壓的峰值，

32、就需要裝設避雷器6。為了使避雷器達到預期的保護效果，必須正確選擇避雷器，一般有如下基本要求：(1)雷電擊于輸電線路上時，過電壓會沿導線入侵發(fā)電場或變電所，在危及被保護絕緣時，要求避雷器能瞬時動作。(2)避雷器一旦在沖擊電壓作用下放電，就造成對地短路，此時瞬間的雷電過電壓雖然已經(jīng)消失，但工頻電壓卻相繼作用在避雷器上，此時流經(jīng)間隙的工頻電弧電流，稱為工頻續(xù)流，此電流將是間隙安裝處的短路電流，為了不造成跳閘，避雷器應具有能自行截斷工頻續(xù)流，恢復絕緣強度的能力，使電力系統(tǒng)能繼續(xù)正常運行。(3)應具有平直的伏秒特性曲線，并與被保護設備的伏秒特性曲線之間有合理的配合。這樣，在被保護物可能擊穿以前，避雷器便

33、發(fā)生動作，將過電壓波截斷，從而起著可靠的保護。(4)具有一定通流容量，且其殘壓應低于被保護物的沖擊耐壓。（一）避雷器的分類及比較目前使用的避雷器主要有四種類型：保護間隙；排氣式避雷器；閥式避雷器；金屬氧化物避雷器。保護間隙和排氣式避雷器主要用于變電所進線段保護；閥式避雷器和金屬氧化物避雷器用于變電所和發(fā)電廠的保護。表2-1是各種避雷器的有關特性總結。表2-1 各種避雷器的有關特性比較避雷器 類型比較項目保護間隙管式避雷器閥式避雷器普通閥式避雷器磁吹避雷器氧化鋅避雷器放電電壓的穩(wěn)定性由于火花間隙暴露在大氣中周圍的大氣條件（氣壓、氣溫、濕度、污穢等）對放電電壓有影響；由于火花間隙是不均勻電場，存在

34、極性效應 大氣條件和電壓極性對放電電壓無影響有十分穩(wěn)定的起始動作電壓伏秒特性與絕緣配合保護間隙和管式避雷器的伏秒特性曲線很陡，難以與設備絕緣的伏秒特性曲線取得良好的配合，但能與線路絕緣的伏秒特性曲線取得配合此類避雷器的伏秒特性曲線很平坦，能與設備絕緣的伏秒特性曲線很好地配合具有最好的陡波響應特性續(xù)表2-1 各種避雷器的有關特性比較避雷器 類型比較項目保護間隙管式避雷器閥式避雷器普通閥式避雷器磁吹避雷器氧化鋅避雷器滅弧能力（能否自動切斷工頻續(xù)流）無滅弧能力，需與自動重合閘配合使用有很強幾乎無續(xù)流流通容量大相當大較小較大能否對內(nèi)部過電壓實施保護不能，但在內(nèi)部過電壓下動作，本身并不會損壞不能（在內(nèi)部

35、過電壓下動作，本身將損壞）能結構復雜程度最簡單較復雜復雜最復雜較簡單價格最便宜較貴貴最貴較便宜應用范圍低壓配電網(wǎng)，中性點非有效接地電網(wǎng)輸電線路的絕緣弱點、變電所、發(fā)電廠的進線段保護變電所變電所、旋轉電機所有場合下面主要介紹以下閥式避雷器：在變電所和發(fā)電廠大量使用閥式避雷器，它相對與排氣式避雷器來說在保護性能上有重大改進，是電力系統(tǒng)中廣泛采用的主要防雷設備，閥式避雷器的保護特性是決定高壓電氣設備絕緣水平的基礎。它分普通型和磁吹型兩大類。普通型有fs和fz型；磁吹型有fcz和fcd型。1. 普通型閥式避雷器結構與工作原理閥式避雷器是由火花間隙和非線性電阻這兩基本部件組成。在系統(tǒng)正常工作時，間隙將電

36、阻閥片與工作母線隔離，以免由工作電壓在閥片電阻中產(chǎn)生電流使閥片燒壞。當系統(tǒng)中出現(xiàn)過電壓且其幅值超過間隙放電電壓時，間隙擊穿，沖擊電流通過閥片流入大地，從而使設備得到保護。當過電壓消失后，間隙中由工作電壓產(chǎn)生的工頻續(xù)流仍將繼續(xù)流過避雷器，此續(xù)流是在工頻恢復電壓作用下，其值遠較沖擊電流為小，使間隙能在工頻續(xù)流第一次經(jīng)過零值時就將電弧切斷。這樣，避雷器從間隙擊穿到工頻續(xù)流的切斷不超過半個周期，而且工頻續(xù)流數(shù)值也不大，繼電保護來不及動作系統(tǒng)就已恢復正常。1）磁吹型閥式避雷器（磁吹避雷器）為了改善閥式避雷器的保護特性，在普通型基礎上發(fā)展了磁吹型閥式避雷器。與普通型相比較，它具有更高的熄弧能力和較低的殘壓

37、，因此它更合適用于電壓等級較高的變電所電氣設備的保護以及絕緣水平較低的旋轉電機的保護。磁吹避雷器的原理和基本結構與普通型避雷器相同，主要區(qū)別在于采用了磁吹式火花間隙。它是由許多單個間隙串聯(lián)而成的，它利用磁場對電弧的電動力，迫使間隙中的電弧加快運動并延伸，使間隙的去游離作用增強，從而提高了滅弧能力。2）金屬氧化物避雷器金屬氧化物避雷器（moa）也稱為氧化鋅避雷器，是20世紀70年代初開始出現(xiàn)的種新型避雷器。氧化鋅避雷器是由氧化鋅非線性電阻片組成的。由于氧化鋅電阻片具有優(yōu)異的非線性伏安特性，可以取消串聯(lián)火花間隙，實現(xiàn)避雷器無間隙無續(xù)流，且造價低廉，因此氧化鋅避雷器已得到越來越廣泛的應用，取代炭化硅

38、避雷器是大勢所趨。金屬氧化物避雷器的主要優(yōu)點：與普通閥型避雷器相比，氧化鋅避雷器具有優(yōu)越的保護性能：(1)保護性能好。雖然10ka雷電流下殘壓目前仍與炭化硅閥型避雷器相同，但后者串聯(lián)間隙要等到電壓升置較高的沖擊放電電壓時才可將電流泄放，而金屬氧化物避雷器在整個過電壓過程中都有電流通過，電壓還未升置很高的數(shù)值之前不斷的泄放過電壓的能量，這對抑制過電壓的發(fā)展是有利的。由于沒有間隙，金屬氧化物避雷器在陡波頭下伏秒特性上翹要比炭化硅型避雷器小的多，這樣在陡波頭下的沖擊放電電壓的升高也小很多。金屬氧化物避雷器的這種優(yōu)越的陡波響應特性（伏秒特性），對于具有平坦伏秒特性的sf6氣體變電所（gis）的過電壓保

39、護尤為合適，易于絕緣配合，增加安全裕度。(2)無續(xù)流和通流容量大。金屬氧化物避雷器在過電壓作用后，流過的續(xù)流為微安級，可視為無續(xù)流，它只吸收過電壓能量，不吸收工頻續(xù)流能量，這不僅減輕了其本身的負載，而且對系統(tǒng)的影響甚微。再加上閥片通流能力要比炭化硅閥片大44.5倍，又沒有共頻續(xù)流引起串聯(lián)間隙燒傷的制約，金屬氧化物避雷器的通流能力很大，所以金屬氧化物避雷器具有耐受重復雷和重復動作的操作過電壓或一定持續(xù)時間短時過電壓的能力。并且進一步可通過并聯(lián)閥片或整只避雷器并聯(lián)的方法來提高避雷器的通流能力，制成特殊用途的重載避雷器，用語長電纜系統(tǒng)或大電容器組的過電壓保護。(3)無間隙。無間隙可以大大改善陡度響應

40、，提高吸收過電壓能力，以及可采用閥片并聯(lián)以進一步提高通流容量；可以大大縮減避雷器尺寸和重量；可以使運行維護簡化；可以使避雷器有較好的耐污穢和帶電水沖洗的性能。有間隙的閥式避雷器瓷套在嚴重污穢，或在帶電水沖洗時，由于瓷套表面電位分布的不均勻或發(fā)生局部閃絡，通過電容耦合，使瓷套內(nèi)部間隙放電電壓降低，甚至此時在工作電壓下動作，不能熄滅電弧而爆炸。無間隙還可以使避雷器易于制成直流避雷器。因為直流續(xù)流不象工頻續(xù)流那樣會自然過零，而金屬氧化物避雷器當電壓恢復到正常時，其電流非常小，所以只要改進閥片電阻的配合以使其能長期陳承受直流電壓作用，就可以制成直流避雷器。由于金屬氧化物避雷器具有這些炭化硅所沒有的缺點

41、，使得其在電力系統(tǒng)中得到了越來越廣泛的應用，特別是超高壓電力設備的過電壓保護和絕緣配合已完全取決于金屬氧化物避雷器的性能。（二）閥式避雷器電氣特性的基本參數(shù)1.普通型閥式避雷器電氣特性參數(shù)。1)額定電壓（有效值，kv）。上指施加到避雷器端部的最大允許的工頻電壓（有效值）。在選用避雷器時，應保證其端部的工頻電壓升高在任何情況下都不會超過值，否則避雷器將因不能滅弧而發(fā)生爆炸。根據(jù)分析計算，在中性點直接接地電網(wǎng)中，最大工頻電壓和相應的值取最高運行線電壓的75%80%；在中性點經(jīng)消弧線圈接地的電網(wǎng)中，取電網(wǎng)最高運行線電壓的100%；在中性點不接地的電網(wǎng)中，則取電網(wǎng)最高運行線電壓的110%。2)殘壓（峰

42、值，kv）。放電電流通過避雷器時，其端子間的最大電壓值稱為避雷器的殘壓。220kv及以下避雷器的殘壓是以通過5ka的電流計；330550kv的避雷器則以通過10ka的電流計，分別用和表示。3)沖擊放電電壓（峰值,kv）。避雷器的 沖擊放電電壓時指雷電壓（1.2/50s）作用下避雷器的放電電壓（峰值）。2.金屬氧化物避雷器電氣特性參數(shù)。1)額定電壓（有效值，kv）。氧化鋅避雷器的額定電壓仍按電網(wǎng)中單相接地條件下健全相的最大暫態(tài)工頻過電壓選取。2)最大持續(xù)運行電壓（有效值，kv）。指避雷器能長期持續(xù)運行的最大工頻電壓有效值。它一般應等于系統(tǒng)的最高運行相電壓。3）壓比。指避雷器在波形為8/20us的

43、沖擊電流規(guī)定值（例如10ka）作用下的殘壓u10ka與起始動作電壓u1ma之比。壓比（u10ka/u1ma）越小，表明非線性越好，通過沖擊大電流時的殘壓越低，避雷器的保護性能越好。目前產(chǎn)品制造水平所能達到的壓比約為1.62.0。4）荷電率。指最大長期工作電壓的幅值與起始動作電壓之比。它是表示電阻片上電壓負荷程度的一個參數(shù)。設計氧化鋅 避雷器時為它選擇一個合理的荷電率是很重要的，應綜合考慮電阻片特性的穩(wěn)定度、漏電流的大小、溫度對伏安特性的影響、電阻片預期壽命等因素。選定的荷電率大小對電阻片的老化速度有很大的影響，一般選用45%75%或更大。在中性點非有效接地系統(tǒng)中，因單相接地時健全相上的電壓會升

44、至線電壓，所以一般選用較小的荷電率。我國國家標準所規(guī)定的氧化鋅避雷器的電氣特性如表2-2所示。表2-2 110kv500kv變電站用氧化鋅避雷器電氣特性 避雷器額定電壓（有效值kv）系統(tǒng)額定電壓（有效值kv）容許最大持續(xù)運行電壓有效值直流1ma參考電壓峰值（kv），不小于殘壓峰值（kv）雷電沖擊電流下，不大于操作沖擊電流下，不大于陡度沖擊電流下，不大于避雷器等級（標稱放電電流，ka）510205102051020510201001107300145145-260260-221221-299291-290290-247247-334325-126214-332-382-2002201462902

45、90-520520-442442-598582-580580-494494668650288330210-408-698-593-782-300215-424-727-618-814-312220-441-756-643-847-396500312-532532-905986-804808-10151104420318-565565-9601046-852858-10751170444324-597597-10151106-900907-11371238468330-630630-10701166-950956-11981306第三章 防雷接地一、 接地與防雷接地所謂接地7，就是把設備與電位參

46、照點的地球作為電氣上的連接，使其對地保持一個低的電位差。其辦法是在大地表面土層中埋設金屬電極，這種埋入地中并直接與大地接觸的金屬導體，叫做接地體，有時也稱為接地裝置。按其目的接地可分為四種：(1)工作接地：電力系統(tǒng)為了運行的需要，將電網(wǎng)某一點接地，其目的是為了穩(wěn)定對地電位與繼電保護上的需要。(2)保護接地：為了保護人身的安全，防止因電氣設備絕緣劣化，外殼可能帶電而危及工作人員安全。(3)靜電接地：在可燃物場所的金屬物體，蓄有靜電后，往往爆發(fā)火花，以致造成火災。因此要對這些金屬物（如儲油罐等）接地。(4)防雷接地：導泄雷電流，以消除過電壓對設備的危害。顧名思義，防雷接地裝置的作用用于防雷保護中，

47、防雷接地裝置性能的好壞將直接影響到被保護設備的耐雷水平和防雷保護的可靠性。我們知道避雷針或避雷器因雷擊而動作時，幅值極高的雷電流將經(jīng)過避雷針或避雷器及其接地裝置而流入大地，如果接地裝置不符合要求，接地電阻過大時，被擊物（如避雷針、避雷線等）仍將會有很高的電位，以致被保護設備有可能遭到反擊，因此防雷接地裝置起著十分重要的作用。下面將重點討論防雷接地。二、 沖擊電流流經(jīng)接地裝置入地時的基本現(xiàn)象（一）土壤中的電位分布當接地裝置流過電流時，電流從接地體向周圍土壤流散，由于大地并不是理想的導體，它具有一定的電阻率，接地電流將沿大地產(chǎn)生電壓降。在靠近接地體處，電流密度和電位梯度最大，距離接地體越遠，電流密

48、度和電位梯度也越小，一般接地裝置約在2040m處電位便趨于零。電位分布曲線如圖3-1所示。 圖3-1 接地裝置在地表面電位分布接地點電位與接地電流的關系服從歐姆定律，即，稱為接地體的接地電阻，根據(jù)接地電流的性質，若沖擊電流或工頻電流，接地電阻r可分別稱為沖擊接地電阻或工頻接地電阻。當為定值時，接地電阻愈小，電位愈低，反之就愈高，這時地面上的接地物也具有了電位。由于接地點電位的升高，有可能引起大的接觸電壓和跨步電壓，從而不利于電氣設備的絕緣以及人身安全，這就是為什么要力求降低接地電阻的原因。（二）土壤中的電場強度當沖擊電流流經(jīng)接地裝置時，在接地裝置附近的土壤中出現(xiàn)了很大的電流密度，因而在接地裝置

49、附近的土壤中產(chǎn)生很大的電場強度e，土壤中的電場強度e由下式?jīng)Q定 （3-1）式中 沖擊電流在土壤中的密度； 土壤電阻率。當土壤中的電場強度大于36kv/cm時，土壤中就可能產(chǎn)生火花擊穿，出現(xiàn)火花擊穿后，此部分土壤的電阻率就大為降低而成為良好的導體，因而接地裝置好像被良好的導電介質包圍一樣，其作用相當于擴大了接地裝置的直徑，這樣，就會使接地裝置流過沖擊電流時的沖擊接地電阻低于流過工頻接地電阻。由式3-1可知，沖擊電流愈大（即愈大）、土壤電阻率愈大，則土壤中的電場強度也愈大；土壤中的火花擊穿程度愈激烈，沖擊接地電阻下降得就愈多。（三）接地裝置的電感效應及利用率當工頻電流流經(jīng)接地裝置時，由于電流頻率不

50、高，接地裝置的利用程度最高；當沖擊電流流經(jīng)接地裝置時，由于電流變化很快，接地裝置本身電感的作用不能再忽視。其分布電感阻礙了電流流經(jīng)接地裝置較遠的部分，此時沖擊電流在接地裝置全部長度上的電流擴散密度是不相同的，這使接地裝置的利用程度降低，使沖擊接地電阻增加，接地裝置的長度愈長，則電感的效應愈顯著，沖擊接地電阻增加的也愈多，因此對于水平鋪設的升長接地體，為了得到在沖擊電流作用下較好的接地效果，要求單根水平鋪設的升長接地體的長度有一定限制。綜上述可知，流經(jīng)沖擊電流時接地裝置的接地電阻與雷電流幅值、土壤電阻率和接地裝置的長度及其結構形狀有關，通常將沖擊接地電阻與工頻接地電阻之比稱為接地裝置的沖擊系數(shù)，

51、由于考慮到雷電流幅值大，土壤中會發(fā)生局部火花放電，使土壤電導率增加，接地電阻減小，所以其值一般小于1；但由于雷電流頻率高，對于伸長接地裝置因有電感效應，阻礙電流向接地體遠端流去，故沖擊系數(shù)可能大于1。（四）防雷接地裝置的形式及其電阻的算法1.接地裝置的形式接地裝置一般可分為人工接地體裝置和自然接地體裝置。人工接地體裝置有水平接地體、垂直接地體以及既有水平又有垂直的復合接地裝置，水平接地一般是作為變電所和輸電線路防雷接地的主要方式；垂直接地一般作為集中接地方式，如避雷針、避雷線的集中接地；在變電所和輸電線路線路防雷接地中有時還采用復合接地裝置。對鋼筋混泥土桿、鐵塔基礎、發(fā)電廠、變電所的構架基礎等

52、等我們稱之為自然接地裝置。2.接地體的選擇人工接地體的規(guī)格8，水平鋪設的接地體可用圓鋼、扁鋼，垂直接地體可用鋼管、角鋼，接地體和接地引線的截面應不小于下表所列規(guī)格。此外還應該從實際施工的角度來選擇。如人工接地體常采用直徑50mm、長度2.50m的鋼管。因為從埋設方便來考慮，比直徑50mm更小的鋼管由于機械強度較小，容易發(fā)生彎曲，不適宜采用機械方法打入土中。直徑大于50mm，從實驗結果來看性能改善的有限，所以從經(jīng)濟角度來看并不合算。表3-1 鋼接地體和接地線的最小規(guī)格種類規(guī)格及單位地上地下屋內(nèi)屋外圓鋼直徑（mm）6810扁鋼截面（mm）厚度（mm）484484484角鋼厚度（mm）2.5343.發(fā)電廠和變電所的防雷接地發(fā)電場和變電所內(nèi)需要有良好的接地裝置以滿足工作、安全和防雷保護的接地要求。一般的做法是根據(jù)安全和工作接地要求敷設一個統(tǒng)一的接地網(wǎng)，然后再在避雷針和避雷器下面增加接地體以滿足防雷接地的要求。人工接地網(wǎng)的外緣應閉合，外緣各角應做成圓弧形，圓弧半徑不宜