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1、防雷和接地設計1.1 引言電氣設備在運行中承受的過電壓，有來自外部的雷電過電壓和由于系統參數發生變化時電磁能產生振蕩，積聚而引起的內部過電壓兩種類型。按其產生原因，它們又可分為以下幾類：雷電過電壓分為直擊雷過電壓、感應雷過電壓和侵入雷電波過電壓；內部過電壓包括工頻過電壓（長線電容效應、不對稱接地故障以及甩負荷）、諧振過電壓以及操作過電壓（操作電容負荷過電壓、操作電感負荷過電壓、解裂過電壓和間歇電弧過電壓）。1.2 防雷設計1.2.1 變電站的直擊雷保護為了避免變電站的電氣設備及其他建筑物遭受直接雷擊，需要裝設避雷針或避雷線，使被保護物體處于避雷針或避雷線的保護范圍之內；同時還要求雷擊避雷針或避
2、雷線時，不應對被保護物發生反擊。（一）變電站應裝設直擊雷保護裝置的設施1屋外配電裝置，包括組合導線和母線廊道；2油處理室、燃油泵房、露天油罐及其架空管道、裝設油臺、大型變壓器修理間、易燃材料倉庫等建筑物；3雷電活動特殊強烈地區的主廠房、主控制室和高壓屋內配電裝置室。（二）直擊雷保護的措施1.對主廠房需裝設的直擊雷保護，或為了保護其他設備而在主廠房上裝設的避雷針，應采取如下措施：（1）加強分流：用扁鋼將所有避雷針水平連接起來，并與主廠房內鋼筋焊接成一體。在適當地方接引下線，一般應每隔 1020m 引一根。引下線數目盡可能多些；（2）防止反擊：設備的接地點盡量遠離避雷針接地引下線的入地點，避雷針接
3、地引下線盡量遠離電氣設備；（3）裝設集中接地裝置：上述接地應與總接地網連接，并在連接處加裝集中接地裝置，其工頻接地電阻應不大于 10。2.主控制室及屋內配電裝置直擊雷的保護措施：（1）若有金屬屋頂或屋頂上有金屬結構時，將金屬部分接地；（2）屋頂為鋼筋混泥土結構，將其鋼筋焊接成網接地。綜上，對變電所必須進行防雷保護的對象和措施，可見下表：表 8-1 變電所必須進行防雷保護的對象和措施建筑物及構筑物名稱建筑物的結構特點防雷措施金屬結構在架構上裝設避雷針或獨立避雷針110kV 及以上配電裝置鋼筋混泥土結構在架構上裝設避雷針或獨立避雷針。當在架構上裝設避雷針時，可將架構支柱主鋼筋作引下線接地，作引下線
4、的鋼筋不少于 2 根屋外安裝的變壓器裝設獨立避雷針屋外組合導線及母線橋裝設獨立避雷針；在不能裝設獨立避雷針時，考慮在附近主廠房屋頂裝設避雷針金屬結構金屬架構接地主控制樓（室）鋼筋混泥土結構鋼筋焊接成網并接地屋內配電裝置鋼筋混泥土結構鋼筋焊接成網并接地但在雷電活動特殊強烈地區應設獨立避雷針變壓器檢修間鋼筋混泥土結構鋼筋焊接成網接地本設計中采用 220KV、110KV 配電裝置構架上裝設避雷針，10KV 屋內配電裝置上裝設獨立避雷針進行直接保護，鋼筋混泥土結構焊接成網并接地，為了防止反擊，主變構架上不設置避雷針。1.2.2 變電站的侵入雷電波保護 （一）配置原則 變電站采用避雷針保護后，電氣設備幾
5、乎可以免受直接雷擊。而在與變電站相連的長達數十、數百公里的輸電線路上，雖然有避雷線保護，但由于雷電的繞擊和反擊，仍然會危及變電站中的電氣設備。雷擊線路時無論發生繞擊還是反擊，都會自雷擊點產生向變電站方向傳播的入侵電壓波，入侵電壓波的最大幅值等于線路絕緣的沖擊放電電壓，而變電站電氣設備的絕緣水平通常低于低壓線路的絕緣水平，因此入侵波對變電站的電氣設備會構成嚴重威脅。變電站中限制雷電入侵波過電壓的主要措施是裝設避雷器。在母線上裝設避雷器是限制雷電入侵波過電壓的主要措施。對于 220kV 及以下的一般變電站，無論變電站的電氣主接線形式如何，實際上只要保證每一段可能單獨運行的母線上都裝有一組避雷器，就
6、可以使整個變電站得到保護。只有當母線或設備連接線很長的大型變電站，或靠近大跨越、高桿塔的特殊變電站，經過計算或驗證證明以上布置不能滿足要求時，才需要考慮是否在適當位置增設避雷器。根據避雷器的配置原則，本設計中配電裝置的每組母線上，應裝設避雷器。此外，變壓器中性點接地必須裝設避雷器，并接在變壓器和斷路器之間。避雷器的類型選擇為閥式避雷器。（二）避雷器的選擇1、磁吹閥式避雷器的電氣參數如下：（1）額定電壓Ube：避雷器的額定電壓應與其安裝地點系統的額定電壓等級相同。（2）滅弧電壓Umi：對 35kV 及以下的中性點不接地系統，滅弧電壓取為最高工作線電壓的 100%110%；對 110kV 及以上的
7、中性點直接接地系統，滅弧電壓取為系統最大工作線電壓的 80%。（3）工頻放電電壓Ugf：指在工頻電壓作用下，避雷器發生放電的電壓值。在中性點絕緣或經阻抗接地的電網中，工頻放電電壓一般大于最大運行相電壓的 3.5倍；在中性點直接接地的電網中，工頻放電電壓應大于最大運行相電壓的 3 倍。工頻放電電壓應大于滅弧電壓的 1.8 倍。（4）殘壓 Ubc：按mibcUU235.2計算來確定。（5）沖擊放電電壓Uchfs：我國生產的避雷器其沖擊放電電壓與 5kA 的殘壓基本相同。2、避雷器的選擇與校驗（1）220KV 側避雷器的選擇與校驗型式的選擇 根據規程及本設計，選用 Y10W 系列氧化鋅式避雷器。額定
8、電壓的選擇：kVUUnetNbc220因此選 Y10W-288/814 避雷器，其參數如下表 8-2 所示。表 8-2 避雷器參數沖擊耐受殘壓雷電沖擊電流陡坡沖擊電流操作沖擊電流型號系統標稱電壓（kV）避雷器額定電壓（kV）避雷器持續運行電壓（kV，大于）直流 1mA參考電壓（kV，不小于）2ms 方波電流（A）（kV，不小于）（峰值）Y10W-288/8142202882101000814692滅弧電壓校驗：最高工作電壓：kVUUnetN25215.1max直接接地：kVUcUdmi2002528.0max，滿足要求。工頻放電電壓校驗：下限值：kVUKkVUxggfx5.4363252350
9、30上限值：)(8.5235.4362.12.1kVUUgfxgfs 692kV上、下限值均滿足要求。殘壓校驗：kVkVUUmibc814664200235.2235.2）（，滿足要求。沖擊放電電壓校驗：kVkVUUbcchfs814)(63066495.095.0,滿足要求。綜上，所選 Y10W-288/814 型氧化鋅避雷器滿足要求（2）110KV 側避雷器的選擇和校驗型式的選擇 根據規程及本設計，選用 Y10W 系列氧化鋅式避雷器。額定電壓的選擇：kVUUnetNbc110因此選 Y10W-198/444 避雷器，其參數如下表 8-3 所示。表 8-3 避雷器參數沖擊耐受殘壓雷電沖擊電流
10、陡坡沖擊電流操作沖擊電流型號系統標稱電壓（kV）避雷器額定電壓（kV）避雷器持續運行電壓（kV，大于）直流 1mA參考電壓（kV，不小于）2ms 方波電流（A）（kV，不小于）（峰值）Y10W-198/444110198146800444378滅弧電壓校驗：最高工作電壓：）（kVUUnetN12611015.115.1max直接接地：kVUcUdmi8.1001268.0maxKV，滿足要求。工頻放電電壓校驗：下限值：kVUKkVUxggfx218312632550 上限值：)(2612182.12.1kVUUgfxgfs 378kV上、下限值均滿足要求。殘壓校驗：）（kVUUmibc3348
11、.100235.2235.2444KV，滿足要求。沖擊放電電壓校驗：）（kVUUbcchfs31733495.095.0444KV，滿足要求。綜上，所選 Y10W-198/444 型氧化鋅避雷器滿足要求。（3）10KV 側避雷器的選擇和校驗型式的選擇 根據規程及本設計，選用 HY5WZ-15/40.5 系列氧化鋅式避雷器。額定電壓的選擇：kVUUnetNbc10因此選 HY5WZ-15/40.5 避雷器，其參數如下表 8-4：表 8-4 避雷器參數沖擊耐受殘壓雷電沖擊電流陡坡沖擊電流操作沖擊電流型號系統標稱電壓（kV）避雷器額定電壓（kV）避雷器持續運行電壓（kV，大于）直流 1mA參考電壓（
12、kV，不小于）2ms 方波電流（A）（kV，不小于）（峰值）HY5WZ-15/40.510151221.815040.546.534.5滅弧電壓校驗：最高工作電壓：）（kVUUnetN5.111015.115.1max非直接接地：kVUcUdmi5.115.110.1maxKV，滿足要求。工頻放電電壓校驗：下限值：）（kVUKkVUxggfx2335.115.3260 上限值：)(6.27232.12.1kVUUgfxgfs 34.5上、下限值均滿足要求。殘壓校驗：）（kVUUmibc21.385.11235.2235.240.5KV，滿足要求。沖擊放電電壓校驗：）（kVUUbcchfs30.
13、3621.3895.095.040.5KV，滿足要求。綜上，所選 HY5WZ-15/40.5 型避雷器滿足要求。1.2.3 變壓器的防雷保護1.2.3 變壓器的防雷保護三繞組變壓器在正常運行時，可能出現只有高、中壓繞組工作而低壓繞組開路的情況。這時，當高壓或低壓側有雷電波作用時，因處于開路狀態的低壓側對地電容較小，低壓繞組上的靜電分量可達很高的數值以致危及低壓繞組的絕緣。為了限制這種過電壓，需在低壓繞組出線端裝一組避雷器，但若在低壓繞組接有25m 以上金屬外皮電纜時，因對地電容增大，足以限制靜電感應過電壓，故可不必再裝避雷器。主變壓器 220kV、110kV 側中性點是直接接地，因而需在中性點
14、裝設雷電過電壓保護裝置，選用金屬氧化物避雷器。35kV 側中性點是非有效接地，其中性點采用全絕緣，運行經驗表明不加保護時的故障率很低，故一般不需保護。所用變壓器高、低壓側均需裝設閥式避雷器避雷器。1.2.4 內部過電壓保護1.2.4 內部過電壓保護內部過電壓是指由于短路器操作、故障或其他原因，使系統參數發生變化，從而引起電網電磁能量的轉化或積累所造成的電壓升高。內部過電壓可分為操作過電壓和暫時過電壓兩類。操作過電壓的持續時間一般很短（0.1s 以內），采用某些限壓裝置和其他技術措施加以限制。暫時過電壓持續的時間一般較長，應采用相應的措施加以限制。如為了限制電弧接地過電壓對設備絕緣的威脅，本設計
15、主變壓器 220kV、110kV 側采用中性點直接接地的方式，這樣單相接地將會造成很大的單相短路電流，斷路器將立即跳閘而切斷故障，經過一段短時間歇，讓故障點電弧熄滅后再自動合閘，如能成功，可立即恢復送電；如不能成功，斷路器將再次跳閘，不會出現斷續電弧現象，可限制電弧接地過電壓。1.3 接地設計1.3 接地設計1.3.1 接地概述1.3.1 接地概述接地就是將需要接地的部分與大地相連。根據接地目的接地可分為防雷接地、工作接地和保護接地等。而與大地的連接都是靠接地裝置來實現，接地裝置由埋入地中的接地體和引下線構成。變電站的接地裝置除了減小接地電阻，以降低雷電流或短路電流通過時其上的電位升高的作用，
16、而且還有均衡地面電位分布、降低接觸電位差和跨電位差的作用。而變電所中防雷接地是關鍵，防雷設備限壓功能的發揮離不開良好的接地。防雷接地是將雷電流安全導入大地進行的姐弟，避雷針、避雷器的接地就是防雷接地。就防雷保護而言，其接地電阻都不能超過國家有關標準規定的數值。影響接地裝置接地電阻的主要因素是土壤電阻率、接地裝置的形狀和尺寸，接地電阻可通過相關的公式計算。按接地裝置內、外發生接地故障時，經接地裝置流入地中的最大短路電流所造成的接地電位升高及地面的電位分布不致于危及人員和設備的安全，將變電站范圍的接觸電位差和跨步電位差限制在安全值之內的原則，進行本變電站接地裝置的設計。1.3.2 接地網型式的選擇
17、1.3.2 接地網型式的選擇220kv 及以下變電站地網網格布置采用長孔網或方孔網，接地帶布置按經驗設計，水平接地帶間距通常為 5m8m。除了在避雷針（線）和避雷器需加強分流處裝設垂直接地極外，在地網周邊和水平接地帶交叉點設置 2.5m3m 的垂直接地極，進所大門口設帽檐式均壓帶，接地網結構是水平地網與垂直接地極相結合的復合式地網。長孔與方孔地網網格布置尺寸按經驗確定，沒有輔助的計算程序和對計算結果進行分析，設計簡單而粗略。因為接地網邊緣部分的導體散流大約是中心部分的 34 倍，因此，地網邊緣部分的電場強度比中心部分高，電位梯度較大，整個地網的電位分布不均勻。接地鋼材用量多，經濟性差。在 22
18、0kV 及以下的變電工程中采用長孔網或方孔網，因為入地故障電流相對較小，地網面積不大，缺點不太突出。1.4 避雷器選擇結果（見表 81）：1.4 避雷器選擇結果（見表 81）：表 81 避雷器參數沖擊耐受殘壓雷電沖擊電流陡坡沖擊電流操作沖擊電流型號系統標稱電壓（kV）避雷器額定電壓（kV）避雷器持續運行電壓（kV，大于）直流 1mA參考電壓（kV，不小于）2ms 方波電流（A）（kV，不小于）（峰值）Y10W-288/8142202882101000814692Y10W-198/444110198146800444378HY5WZ-15/40.510151221.815040.546.534.5
防雷和接地設計
