35KV變電站防雷接地保護設(shè)計

1、 35KV變電站防雷接地保護設(shè)計 第1章 前言1.1課題的提出和意義 在現(xiàn)代社會里，電力已成為國民經(jīng)濟和人民生活必不可少的二次能源，它在現(xiàn)代工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、人們?nèi)粘Ｉ罴案鱾€領(lǐng)域中已獲得了廣泛應(yīng)用。離開了電力，要想實現(xiàn)人類社會的物質(zhì)文明和精神文明是根本不可能的；供不好電力，要實現(xiàn)國家的現(xiàn)代化也是辦不到的。我國城鄉(xiāng)各行各業(yè)廣泛使用的電力，絕大部分由電網(wǎng)供給，所以，“電業(yè)事故是國民經(jīng)濟的一大災(zāi)難”。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

2、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。防雷接地技術(shù)不僅是電氣安全工程技術(shù)的一方面，更是電氣安全工作的重中之重。變電站是電力系統(tǒng)的心臟和樞紐，一旦遭受雷擊，引起變壓器等重要電氣設(shè)備絕緣毀壞，不但修復(fù)困難，而且造成大面積、長時間停電，必然給國民經(jīng)濟帶來嚴(yán)重?fù)p失，跟人民生活帶來諸多不便。因此，變電站的防雷

3、接地保護技術(shù)必須十分可靠。由于我國農(nóng)村變電站大多建于曠野開闊的偏僻地區(qū)，附近高層建筑較少，是雷電的多發(fā)區(qū)，加之農(nóng)村變電站一般是110KV以下的小型變電站，對變電站設(shè)計重視不夠，考慮問題不盡全面，造成農(nóng)村變電站成為易受雷擊的“重災(zāi)區(qū)”。近年來在農(nóng)村變電站中多次發(fā)生因雷電而造成設(shè)備破壞、爆炸甚至引起“火燒連營”的事故：例如，2004年8月6日，某35KV變電站在雷電活動時造成該綜合自動化插件損壞，并使35KV開關(guān)誤動；2002年7月20日，某110KV變電站遭受雷擊，高壓設(shè)備安然無恙，該站保護裝置電源模塊損壞；2001年8月2日，某山區(qū)35KV變電站遭雷擊，導(dǎo)致35KV母線避雷器爆炸，進線也有多處

4、放電痕跡。像此類變電站遭受雷擊例子還有很多，因此很有必要對農(nóng)村變電站在目前防雷接地保護措施上，進行更系統(tǒng)化的防雷接地保護設(shè)計。本論文就以農(nóng)村某35KV變電站為對象，對其進行防雷接地保護的設(shè)計。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀長期以來，國內(nèi)外學(xué)者在雷電活動規(guī)律、雷擊線路物理過程方面做了大量的研究工作，建立起較為完善的輸電線路防雷理論體系。雷電流幅值、波形、地閃密度以及線路落雷次數(shù)對于分析線路防雷性能極為重要。上世紀(jì)70年代中期發(fā)展起來的基于磁場定位和時差定位原理的雷電定位系統(tǒng)，使雷電測量更為準(zhǔn)確和及時。目前，雷電定位系統(tǒng)組成的雷電監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)已在我國和北美、日本、韓國、歐洲等世界許多國家得到運用，它能幫助電力部

5、門實現(xiàn)故障定位、分類、準(zhǔn)確計算地面落雷密度等雷電參數(shù)，但雷電數(shù)據(jù)分散性較大，需要長期統(tǒng)計雷電數(shù)據(jù)。但總體上變電站的防雷安全形勢不容樂觀，主要表現(xiàn)在：一是社會公眾防雷安全意識不強,對雷電災(zāi)害的危害性認(rèn)識不夠,存在僥幸心理；二是隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展,雷電災(zāi)害的危害途徑增多,防雷安全理念已發(fā)生巨大變化,不僅要有傳統(tǒng)的防御直擊雷,還要防感應(yīng)雷的新時代,而許多措施仍然停留在傳統(tǒng)的防雷階段。1.3本課題的主要工作1.3.1研究目標(biāo)本課題是針對我國農(nóng)村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(zhǔn)，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、

6、雷電侵入波防護以及變電站的接地保護設(shè)計，具有一定廣泛性。1.3.2主要研究內(nèi)容1、對雷電的產(chǎn)生、參數(shù)、危害等做到一個系統(tǒng)化了解掌握；學(xué)習(xí)各種用于變電站的防雷裝置，包括避雷針、避雷線、避雷器等，它們的原理、作用以及保護范圍。2、采用各種相應(yīng)的防雷裝置，結(jié)合變電站實際情況，實現(xiàn)對變電站直擊雷防護和雷電侵入波防護的設(shè)計。3、了解基本接地常識，結(jié)合變電站基本情況，實現(xiàn)對變電站的接地保護設(shè)計。1.4變電站防雷接地國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)變電站是保證國民經(jīng)濟生產(chǎn)所需電能的供應(yīng)中心，是要害部門，一旦遭受雷擊破壞，其后果相當(dāng)嚴(yán)重。故應(yīng)按國家第一類建筑物標(biāo)準(zhǔn)作防雷保護。1、應(yīng)裝設(shè)獨立避雷針或架空避雷線(網(wǎng))，使被保護的建筑

7、物及風(fēng)帽、放散管等突出屋面的物體均處于接閃器的保護范圍內(nèi)。架空避雷網(wǎng)的網(wǎng)格尺寸不應(yīng)大于5m5m或6m4m。2、獨立避雷針的桿塔、架空避雷線的端部和架空避雷網(wǎng)的各支柱處應(yīng)至少設(shè)一根引下線。對用金屬制成或有焊接、綁扎連接鋼筋網(wǎng)的桿塔、支柱，宜利用其作為引下線 3、獨立避雷針和架空避雷線(網(wǎng))的支柱及其接地裝置至被保護建筑物及與其有聯(lián)系的管道、電纜等金屬物之間的距離，應(yīng)符合下列表達(dá)式的要求，但不得小于3m： 1、地上部分：當(dāng)hx5Ri時，Sa10.4(Ri+0.1hx) 當(dāng)hx5Ri時，Sa10.1(Ri+hx) 2、地下部分：Se0.4Ri 式中 Sa1空氣中距離(m)；Se1地中距離(m)； R

8、i獨立避雷針或架空避雷線(網(wǎng))支柱處接地裝置的沖擊接地電阻()； Hx被保護物或計算點的高度(m)。 4、獨立避雷針、架空避雷線或架空避雷網(wǎng)應(yīng)有獨立的接地裝置，每一引下線的沖擊接地電阻不宜大于10。在土壤電阻率高的地區(qū)，可適當(dāng)增大沖擊接地電阻。 5、建筑物內(nèi)的設(shè)備、管道、構(gòu)架、電纜金屬外皮、鋼屋架、鋼窗等較大金屬物和突出屋面的放散管、風(fēng)管等金屬物，均應(yīng)接到防雷電感應(yīng)的接地裝置上。金屬屋面周邊每隔1824m應(yīng)采用引下線接地一次。 6、平行敷設(shè)的管道、構(gòu)架和電纜金屬外皮等長金屬物，其凈距小于100mm時應(yīng)采用金屬線跨接，跨接點的間距不應(yīng)大于30m；交叉凈距小于100mm時，其交叉處亦應(yīng)跨接。當(dāng)長金

9、屬物的彎頭、閥門、法蘭盤等連接處的過渡電阻大于0.03時，連接處應(yīng)用金屬線跨接。對有不少于5根螺栓連接的法蘭盤，在非腐蝕環(huán)境下，可不跨接。 7、防雷電感應(yīng)的接地裝置應(yīng)和電氣設(shè)備接地裝置共用，其工頻接地電阻不應(yīng)大于10。屋內(nèi)接地干線與防雷電感應(yīng)接地裝置的連接，不應(yīng)少于兩處。 8、低壓線路宜全線采用電纜直接埋地敷設(shè)，在入戶端應(yīng)將電纜的金屬外皮、鋼管接到防雷電感應(yīng)的接地裝置上。當(dāng)全線采用電纜有困難時，可采用鋼筋混凝土桿和鐵橫擔(dān)的架空線，并應(yīng)使用一段金屬鎧裝電纜或護套電纜穿鋼管直接埋地引人，其埋地長度應(yīng)符合下列表達(dá)式的要求，但不應(yīng)小于15m：在電纜與架空線連接處，尚應(yīng)裝設(shè)避雷器。避雷器、電纜金屬外皮、

10、鋼管和絕緣子鐵腳、金具等應(yīng)連在一起接地，其沖擊接地電阻不應(yīng)大于10。 9、架空金屬管造，在進出建筑物處，應(yīng)與防雷電感應(yīng)的接地裝置相連。距離建筑物100m內(nèi)的管道，應(yīng)每隔25m左右接地一次，其沖擊接地電阻不應(yīng)大于20，并宜利用金屬支架或鋼筋混凝土支架的焊接、綁扎鋼筋網(wǎng)作為引下線，其鋼筋混凝土基礎(chǔ)宜作為接地裝置。1.5本論文涉及的35KV變電站1.5.1變電站的概況 此變電站為降壓變電站與我國大多數(shù)農(nóng)村變電站相似，建在視野開闊的偏僻地區(qū)，附近無高層建筑。占地面積長為50m,寬為40m。變電站最高點為20m，且當(dāng)?shù)仄骄纂娙諡?0。有三種規(guī)格的變壓，分別為35/10.5KV（主變壓器）、35/0.4

11、KV與10.5/0.4KV的形式。1.5.2變電站相關(guān)參數(shù) 表1-1 35KV變電站相關(guān)參數(shù) 名稱 型號規(guī)格 單位 容量（KVA） 數(shù)量 變壓器 （主）KV Y/-11 臺2500 1 變壓器 KV Y/Y0-12 臺50 1 變壓器KV Y/Y0-12 臺30 1 氧化鋅 避雷器Y5WZ-42/135G 只 3 電壓互 感器JDJ2-35 35/0.1KV 只 11.5.3變電站電氣主接線圖 圖1-1 35KV變電站電氣接線圖 第2章 雷電與防雷裝置2.1雷電2.1.1雷電及其放電過程雷電是一種恐怖而又壯觀的自然現(xiàn)象，這不僅在于它那劃破長空的耀目閃電和令人震耳欲聾的雷鳴，重要的是它給人類生活

12、帶來巨大的影響。且不說雷電促成有機物質(zhì)的合成可能在地球生命起源中占有一定的地位，以及雷電引起的森林火災(zāi)可能啟發(fā)了遠(yuǎn)古人類對火的發(fā)現(xiàn)和利用；僅在現(xiàn)代生活中，雷電威脅人類的生命安全，常使航空、通訊、電力、建筑等許多部門遭受破壞，就一直引起人們對于雷電活動及其防護問題的關(guān)注。雷電放電是一種氣體放電現(xiàn)象，由其引起的過電壓，叫做大氣過電壓。它可以分為直擊雷過電壓和感應(yīng)雷過電壓兩種基本形式。雷電放電是由于帶電荷的雷云引起的。雷云帶電原因的解釋很多，但還沒有獲得比較滿意的一致的認(rèn)識。一般認(rèn)為雷云是在有利的大氣和大地條件下，由強大的潮濕的熱氣流不斷上升，進入稀薄的大氣層冷凝的結(jié)果。強烈的上升氣流穿過云層，水滴

13、被撞分裂帶電，輕微的水沫帶負(fù)電，被風(fēng)吹得較高，形成一些局部帶正電的區(qū)域。雷云的底部大多數(shù)是帶負(fù)電，它在地面上會感應(yīng)出大量的正電荷。這樣，在帶有大量不同極性或不同數(shù)量電荷的雷云之間，或者雷云和大地之間形成了強大的電場，其電位差可達(dá)數(shù)兆伏甚至數(shù)十兆伏。隨著雷云的發(fā)展和運動，一旦空間電場強度超過了大氣游離放電的臨界電場強度（大氣中約30kV/cm，有水滴存在時約10kV/cm）時，就會發(fā)生云間或?qū)Υ蟮氐幕鸹ǚ烹?；放出幾十乃至幾百安的電流；產(chǎn)生強烈的光和熱（放電通道溫度高達(dá)15000至20000），使空氣急劇膨脹振動，發(fā)生霹靂轟鳴。這就是閃電伴隨雷鳴，叫做雷電之故。大多數(shù)雷電發(fā)生在雷云之間，它對地面沒

14、有什么直接影響。雷云對大地的放電雖然只占少數(shù)，但是一旦發(fā)生就有可能帶來嚴(yán)重的危險。這正是我們主要關(guān)心的問題。實測表明，對地放電的雷云絕大多數(shù)帶負(fù)電荷，根據(jù)放電雷云的極性來定義，此時雷電流的極性也為負(fù)電荷。雷云中的負(fù)電荷逐漸積聚，同時在附近地面上感應(yīng)出正電荷。當(dāng)雷云與大地之間局部電場強度超過大氣游離臨界場強時，就開始有局部放電通道自雷云邊緣向大地發(fā)展。這一放電階段稱為先導(dǎo)放電。先導(dǎo)放電通道具有導(dǎo)電性，因此雷云中的負(fù)電荷沿通道分布，并繼續(xù)向地面延伸，地面上的感應(yīng)正電荷也逐漸增多，先導(dǎo)通道發(fā)展臨近地面時，由于局部空間電場強度的增加，常在地面突起處出現(xiàn)正電荷的先導(dǎo)放電向天空發(fā)展，稱為迎面先導(dǎo)。當(dāng)先導(dǎo)通

15、道到達(dá)地面或者與迎面先導(dǎo)相遇以后，就在通道端部因大氣強烈游離而產(chǎn)生高密度的等離子區(qū)，此區(qū)域自下而上迅速傳播，形成一條高導(dǎo)電率的等離子通道，使先導(dǎo)通道以及雷云中的負(fù)電荷與大地的正電荷迅速中和，這就是主放電過程。與先導(dǎo)放電和主放電對應(yīng)的電流變化同時表示時，先導(dǎo)放電發(fā)展的平均速度較低，約1.5105m/s，表現(xiàn)出的電流不大，約為數(shù)百安。由于主放電的發(fā)展速度很高，約為21071.5108m/s，所以出現(xiàn)甚強的脈沖電流，可達(dá)幾十乃至二、三百千安。以上描述的是雷云負(fù)電荷向下對地放電的基本過程，可稱為下行負(fù)閃電。在地面高聳的突起處（如尖塔或山頂），也可能出現(xiàn)從地面開始的上行正先導(dǎo)向云中的負(fù)電荷區(qū)域發(fā)展的放電

16、，稱為上行負(fù)閃電。與上面的情況類似，帶正電荷的雷云對地放電，也可能是下行正閃電，或上行正閃電。雷電觀測表明，先導(dǎo)放電不是一次貫通全部空間，而是間歇性的脈沖發(fā)展過程，稱為分級先導(dǎo)。每次間隙時間大約幾十微秒。而且，人們眼睛觀察到的一次閃電，實際上往往包含多次先導(dǎo)-主放電的重復(fù)過程，一般為23次，最多可達(dá)40多次。發(fā)生多重雷電放電的原因可作如下解釋。雷云是一塊大介質(zhì)，電荷在其內(nèi)部不容易運動，因此如前所述，在雷云積聚電荷的過程中，就可能形成若干個密度較高的電荷中心。第一次先導(dǎo)主放電沖擊，主要是泄放第一個電荷中心及其已傳播到先導(dǎo)通道中的負(fù)電荷，這時第一次沖擊放電過程雖已結(jié)束，但是雷云內(nèi)兩個電荷中心之間的

17、流注放電已開始，由于主放電通道仍然保持著高于周圍大氣的導(dǎo)電率，由第二個及多個電荷中心發(fā)展起來的先導(dǎo)主放電以更快的速度沿著先前的放電通道發(fā)展，這就出現(xiàn)了多次重復(fù)的沖擊放電。實際觀測表明，第二次及以后的沖擊放電的先導(dǎo)階段發(fā)展時間較短，沒有分叉。觀測還表明，第一次沖擊放電的電流幅值最高，第二次及以后的電流幅值都比較低，但對GIS變電站的運行可能造成一定程度的危險；而且它們增加了雷云放電的總持續(xù)時間，對電力系統(tǒng)的運行同樣會帶來不利的影響。帶有大量電荷的雷云（實測表明多為負(fù)極性），在其周圍的電場強度達(dá)到使空氣絕緣破壞的程度（約2530kV/cm），空氣開始游離，形成導(dǎo)電性的通道，通道從云中帶電中心向地面

18、發(fā)展。在先導(dǎo)通道發(fā)展的初級階段，其方向受偶然的因素影響而不定。但當(dāng)距離地面達(dá)某一高度時，先導(dǎo)通道的頭部至地面某一感應(yīng)電荷的電場強度超過了其它方向，先導(dǎo)通道大致沿其頭部至感應(yīng)電荷的集中點的方向連續(xù)發(fā)展，至此放電發(fā)展才有方向。如果配電網(wǎng)中的線路或設(shè)備遭受雷擊時，將通過很大的電流，產(chǎn)生的過電壓稱為直擊雷過電壓。帶有負(fù)電荷的雷云接近輸電線路時，強大的電場在導(dǎo)線上產(chǎn)生靜電感應(yīng)。由于帶有負(fù)電荷雷云的存在，束縛著導(dǎo)線上的正電荷。當(dāng)雷云對導(dǎo)線附近地面物體放電后，雷云電荷被中和而失去對導(dǎo)線上電荷的束縛作用，電荷便向?qū)Ь€兩側(cè)流動，由此而產(chǎn)生的過電壓稱為感應(yīng)過電壓，其能量很大，對供電設(shè)備的危害也很大。2.1.2雷電

19、參數(shù) 雷電參數(shù)是雷電過電壓計算和防雷設(shè)計的基礎(chǔ)，參數(shù)變化，計算結(jié)果隨之而變。目前采用的參數(shù)是建立在現(xiàn)有雷電觀測數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上的，這些參數(shù)是：1、雷電日 為了統(tǒng)計雷電的活動頻繁度，采用雷電日為單位。在一天內(nèi)只要聽到雷聲就算一個雷電日。每年的雪電日數(shù)相差較大，故采用的是多年平均值。我國的平均雷電日分布圖可查閱電力設(shè)備過電壓保護設(shè)計技術(shù)規(guī)程。 我國各地雷電日的多少和該地的緯度及距海洋的遠(yuǎn)近有關(guān)。海南省及雷州半島雷電活動頻繁而強烈，平均年雷電日高達(dá)100133，北緯23.6度以南，一般在80以上，北緯23.5度到長江一帶約4080，長江以北大部分地區(qū)(包括東北)多在2044。西北多數(shù)地區(qū)在24以下。我國

20、把平均雷電日不超過15的叫少雷區(qū)，4090的叫多雷區(qū)，超過90的叫強雷區(qū)。在防雷設(shè)計中，要根據(jù)雷電日的多少因地制宜。2、 雷電流的波形和極性 實測結(jié)果表明，雷電流是單極性的脈沖波，這與前述雷電放電過程的原理解釋是一致的。許多雷電流波形都是在峰值附近出現(xiàn)明顯的雙峰，波尾部分也有不太大的隆起。根據(jù)國內(nèi)外的實測統(tǒng)計，75%90%的雷電流是負(fù)極性的。因此電氣設(shè)備的防雷保護和絕緣配合通常都是取負(fù)極性的雷電沖擊波進行研究分析。3、雷電流的幅值、波頭、波長和陡度 對于脈沖波形的雷電流，需要三個主要參數(shù)來表征。這三個參數(shù)為:幅值、波頭和波長。幅值是指脈沖電流所達(dá)到的最高值;波頭是指電流上升到幅值的時間;波長是

21、指脈沖電流的持續(xù)時間。 幅值和波頭又決定了雷電流隨時間上升的變化率，稱為雷電流的陡度。雷電流陡度對過電壓有直接影響，也是常用的一個重要參數(shù)。（1）雷電流幅值的概率分布我國現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)推薦按下式計算 (2-1) 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： (2-2) （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

22、，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1s5s的范圍內(nèi)，平均2s2.5s。我國在防雷保護設(shè)計中建議采用2.6s的波頭長度。 至于雷電流的波長，實測表明在20s100s范圍之內(nèi)，平均約為50s,大于50s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2.6/50s。 (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2.6s的固定波頭長度，即認(rèn)為雷電流的平均陡度石和幅值線性相關(guān)： (2-3)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。

23、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。4、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(fù)極性，加之負(fù)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(fù)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2-1所示。tT1iI0.5I 0tT1iI0tT2T1iI0.5I

24、 0 (a)標(biāo)準(zhǔn)沖擊波形 (b)等值斜角波頭 (c)等值半余弦波頭 圖2-1 雷電流的等值波形圖2-1(a)標(biāo)準(zhǔn)波形，它是由雙指數(shù)公式所表示的波形 （2-4）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(zhǔn)波前和波長為1.2/50s。圖2-2-1（b）為斜角平頂波，其陡度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(dá)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10s以內(nèi)的各種波過程，有很好的等值性。圖2-2-1（c）為等值半

25、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(dá)： （2-5）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。 5、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。根據(jù)理論研究和實測分析，我國有關(guān)規(guī)程建議Z0取300左右。6、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

26、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，值與年平均雷電日有關(guān)。一般，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(zhǔn)推薦采用國際大電網(wǎng)會議推薦標(biāo)準(zhǔn): （2-6）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： （2-7） 對的地區(qū)，按我國標(biāo)準(zhǔn)取值。2.1.3雷擊過電壓產(chǎn)生的機理 云對地放電的實質(zhì)是雷云電荷向大地的突然釋放。盡管雷云有很高的初始電位(估可達(dá)幾百兆伏)，可能使大氣擊穿，形成先導(dǎo)主放電，但是地而被擊物體的電位并不取決于這一初始電位，而是取決于雷電流與被擊物體阻抗的乘積(被擊物體阻抗是指被擊點與大地零電位參考點之間的阻抗)。所以，

27、從電源的性質(zhì)看，這相當(dāng)于一個電流源的作用過程。 雷電放電的物理過程雖然是很復(fù)雜的，但是從地而感受到的實際效果和防雷保護的工程角度，還是可以把它看成是一個沿著一條固定波阻抗的雷電通道向地而傳播的電磁波過程，據(jù)此建立計算模型。 在雷電放電過程中，人們能夠測知的電量，主要是雷擊地而時流過被擊物體的電流i，然后再根據(jù)計算模型反推出雷電波的參數(shù)。如圖2-2的雷電流源等值電路，有:ZZ0i=2i0雷擊流源被擊電路 圖2-2雷電流等值電路 （2-8） 顯然i與Z有關(guān)。當(dāng)Z=Z0時，恰好i=i0，這種巧合實際上是不可能的；當(dāng)Z=0時，i=2i0，事實上Z又不可能為零；但若ZZ0，仍可測得。在雷電流的實際測量中

28、，一般都能滿足條件ZZ0，例如，Z0估計為300,即可。所以國際上都習(xí)慣把雷擊低于接地阻抗(或ZZ0。)物體時，流過該物體的電流定義為雷電流。應(yīng)當(dāng)特別注意的是:定義中的雷電流i恰好等于沿雷電通道傳播而來的雷電流波的兩倍。因而在防雷保護計算的彼德遜等值電路中，如圖2-1-3所示，等值雷電流源通常就直接用雷電流來表示。2.2防雷裝置2.2.1避雷針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12m長的一段鍍鋅圓鋼或

29、焊接鋼管。圓鋼直徑應(yīng)大于1216mm；鋼管直徑應(yīng)大于2025mm。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1520m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812mm；扁鋼截面不得小于12mm4mm。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L50505

30、，長2.5m的角鋼和截面為4mm25mm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2-3所示。hx450.75hh/2hahAB1.5hhx水平面上保護范圍的截面rx 圖2-3 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 當(dāng)時， （2

31、-9） 當(dāng)時， （2-10）式中，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)m時，；當(dāng)時，；當(dāng)m時，按120m計算。（2） 兩根等高避雷針的保護范圍 如圖2-4所示。bxhxD/7ph0bxbxrx1.5hDh/2R0rxhahxh12hx水平面上保護范圍的截面h01.5h0O-O 截面 圖2-4 兩根等高避雷針的保護范圍 圖2-4 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，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： （2-11） （2-12）

32、 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。2.2.2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2-5所示。 hhh/2hhahx250 圖2-5 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： 當(dāng)時， （2-13）當(dāng)時， （2-14） （2）兩條平行架設(shè)的避雷線的保護范圍 hDhrxh/2hxha R0 1 D/4p 2 圖2-6 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

33、由通過避雷線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（h為避雷線懸掛高度；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： （2-15）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。2.2.3避雷器 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2-7所示： 被保護 設(shè)備避雷器過電壓波線路 圖2-7 避雷器的連接 為了使避雷器能夠達(dá)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

34、保護電氣設(shè)備絕緣的合理配合。如圖2-8所示 ut123 圖2-8 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(dá)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

35、的氧化鋅避雷器的保護效果如圖2-9所示： uu1u2tSiC避雷器限制的過電壓ZnO避雷器限制的過電壓侵入的雷電過電壓 圖 2-9 氧化鋅避雷器的保護效果 第3章 變電站直擊雷的防護3.1變電站直擊雷防護概述 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

36、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。3.2建、構(gòu)筑物年預(yù)計年雷擊次數(shù) 3.2.1年預(yù)計雷擊次數(shù)計算公式 建、構(gòu)筑物年預(yù)計雷擊次數(shù)N計算如下式 （3-1） 其中，當(dāng)H100m時 （3-2） 當(dāng)H100m時 （3-3） 式中，為與建筑物接收相同雷擊次數(shù)的等效面積，km2；為當(dāng)?shù)啬昶骄纂娙諗?shù)；為建筑物所在地區(qū)雷擊大地年平均密度，單位次/(km)2 a；L、W、H為建筑物的長、寬及最高點，m；k為校正系數(shù)，位于曠野的孤立建筑物取2，金屬屋面的磚木結(jié)構(gòu)建筑物取1.7，位于河邊、湖邊、山坡下或山地中土壤電阻率較小處、地下水露頭處

37、、土山頂處、山谷風(fēng)口處的建筑物及特別潮濕的建筑物取1.5，除此之外一般取1即可。3.2.2 35KV變電站年預(yù)計雷擊次數(shù)N 由于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) =0.024104 k=1；Td=40；=401.3=120.97 故 N=0.0241120.970.0241=0.0700次/a由于年/次，即該變電站可能平均運行14年就要遭受一次雷擊。3.3反擊3.3.1反擊的產(chǎn)生 21hGiSkSdAL 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

38、針（線）與附近的金屬物體的空間距離，或者其接地裝置與其他接地裝置之間的地中距離不符合要求，將會發(fā)生放電現(xiàn)象，成為反擊或為逆閃絡(luò)。3.3.2反擊的防止 圖3-1 雷擊獨立避雷針時的高電位分析如圖3-3-2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： （3-4） （3-5） 式中，i為雷電流，kA，幅值取150kA，斜角波長2.6s；Rch為獨立避雷針輔助接地裝置的沖擊接地電阻，；L為A點到地面，接地引下線h長度上的電感,H,可取L0=1.6H/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： （3-6） 避雷針輔助接地裝置與其他接地裝置的地中間

39、隙Sd應(yīng)滿足： （3-7） 和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(zhǔn)規(guī)定： （3-8） （3-9） 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大于500m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

40、弱，萬一發(fā)生反擊，必將造成嚴(yán)重后果。 3.4 35KV變電站直擊雷防護的避雷針設(shè)計 變電站所處地區(qū)土壤電阻率2102m，雖然不大于500m，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。3.4.1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3-2所示。 10.5KV母線架 變配電裝置 35KV母線架門型框架 50m 60m避雷針1避雷針220m20m 圖3-2 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，

41、故hx=20m。（1） 在避雷針1或2的一側(cè)按單避雷針來計算 顯然有 hxh/2 且要m ，故m。（2） 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，故有m； 又 且 所以 m。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1216mm的圓鋼，引下線選截面12mm4mm扁鋼。接閃器和引下線要做防腐處理。 3.4.2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，3

42、5KV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3-3所示。 避雷針1避雷針2避雷針3避雷針42m 10.5KV母線架 變配電裝置 35KV母線架門型框架 50m 60m2m 圖3-3 四等高避雷針的位置圖（1）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： = （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/(70.79)=29.2m bx=1.5(29.2-20)=13.8m （2）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 hxh/2 故3號4號單根保護半徑rx為： =（1.540-215）0.79 =23.7m 兩等高避雷針針聯(lián)合保護范圍 D34=60m h0=40-60/(70.79)=29.2m bx=1.5(29.2-15)=21.3m （3）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 hxh/2 故2號4號單根保護半徑rx為