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1、防雷和接地設(shè)計(jì)1.1 引言電氣設(shè)備在運(yùn)行中承受的過電壓，有來自外部的雷電過電壓和由于系統(tǒng)參數(shù)發(fā)生變化時(shí)電磁能產(chǎn)生振蕩，積聚而引起的內(nèi)部過電壓兩種類型。按其產(chǎn)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(yīng)雷過電壓和侵入雷電波過電壓；內(nèi)部過電壓包括工頻過電壓（長線電容效應(yīng)、不對(duì)稱接地故障以及甩負(fù)荷）、諧振過電壓以及操作過電壓（操作電容負(fù)荷過電壓、操作電感負(fù)荷過電壓、解裂過電壓和間歇電弧過電壓）。1.2 防雷設(shè)計(jì)1.2.1 變電站的直擊雷保護(hù)為了避免變電站的電氣設(shè)備及其他建筑物遭受直接雷擊，需要裝設(shè)避雷針或避雷線，使被保護(hù)物體處于避雷針或避雷線的保護(hù)范圍之內(nèi)；同時(shí)還要求雷擊避雷針或避

2、雷線時(shí)，不應(yīng)對(duì)被保護(hù)物發(fā)生反擊。（一）變電站應(yīng)裝設(shè)直擊雷保護(hù)裝置的設(shè)施1屋外配電裝置，包括組合導(dǎo)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(shè)油臺(tái)、大型變壓器修理間、易燃材料倉庫等建筑物；3雷電活動(dòng)特殊強(qiáng)烈地區(qū)的主廠房、主控制室和高壓屋內(nèi)配電裝置室。（二）直擊雷保護(hù)的措施1.對(duì)主廠房需裝設(shè)的直擊雷保護(hù)，或?yàn)榱吮Ｗo(hù)其他設(shè)備而在主廠房上裝設(shè)的避雷針，應(yīng)采取如下措施：（1）加強(qiáng)分流：用扁鋼將所有避雷針?biāo)竭B接起來，并與主廠房?jī)?nèi)鋼筋焊接成一體。在適當(dāng)?shù)胤浇右戮€，一般應(yīng)每隔 1020m 引一根。引下線數(shù)目盡可能多些；（2）防止反擊：設(shè)備的接地點(diǎn)盡量遠(yuǎn)離避雷針接地引下線的入地點(diǎn)，避雷針接

3、地引下線盡量遠(yuǎn)離電氣設(shè)備；（3）裝設(shè)集中接地裝置：上述接地應(yīng)與總接地網(wǎng)連接，并在連接處加裝集中接地裝置，其工頻接地電阻應(yīng)不大于 10。2.主控制室及屋內(nèi)配電裝置直擊雷的保護(hù)措施：（1）若有金屬屋頂或屋頂上有金屬結(jié)構(gòu)時(shí)，將金屬部分接地；（2）屋頂為鋼筋混泥土結(jié)構(gòu)，將其鋼筋焊接成網(wǎng)接地。綜上，對(duì)變電所必須進(jìn)行防雷保護(hù)的對(duì)象和措施，可見下表：表 8-1 變電所必須進(jìn)行防雷保護(hù)的對(duì)象和措施建筑物及構(gòu)筑物名稱建筑物的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)防雷措施金屬結(jié)構(gòu)在架構(gòu)上裝設(shè)避雷針或獨(dú)立避雷針110kV 及以上配電裝置鋼筋混泥土結(jié)構(gòu)在架構(gòu)上裝設(shè)避雷針或獨(dú)立避雷針。當(dāng)在架構(gòu)上裝設(shè)避雷針時(shí)，可將架構(gòu)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(shè)獨(dú)立避雷針屋外組合導(dǎo)線及母線橋裝設(shè)獨(dú)立避雷針；在不能裝設(shè)獨(dú)立避雷針時(shí)，考慮在附近主廠房屋頂裝設(shè)避雷針金屬結(jié)構(gòu)金屬架構(gòu)接地主控制樓（室）鋼筋混泥土結(jié)構(gòu)鋼筋焊接成網(wǎng)并接地屋內(nèi)配電裝置鋼筋混泥土結(jié)構(gòu)鋼筋焊接成網(wǎng)并接地但在雷電活動(dòng)特殊強(qiáng)烈地區(qū)應(yīng)設(shè)獨(dú)立避雷針變壓器檢修間鋼筋混泥土結(jié)構(gòu)鋼筋焊接成網(wǎng)接地本設(shè)計(jì)中采用 220KV、110KV 配電裝置構(gòu)架上裝設(shè)避雷針，10KV 屋內(nèi)配電裝置上裝設(shè)獨(dú)立避雷針進(jìn)行直接保護(hù)，鋼筋混泥土結(jié)構(gòu)焊接成網(wǎng)并接地，為了防止反擊，主變構(gòu)架上不設(shè)置避雷針。1.2.2 變電站的侵入雷電波保護(hù) （一）配置原則 變電站采用避雷針保護(hù)后，電氣設(shè)備幾

5、乎可以免受直接雷擊。而在與變電站相連的長達(dá)數(shù)十、數(shù)百公里的輸電線路上，雖然有避雷線保護(hù)，但由于雷電的繞擊和反擊，仍然會(huì)危及變電站中的電氣設(shè)備。雷擊線路時(shí)無論發(fā)生繞擊還是反擊，都會(huì)自雷擊點(diǎn)產(chǎn)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(shè)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(duì)變電站的電氣設(shè)備會(huì)構(gòu)成嚴(yán)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(shè)避雷器。在母線上裝設(shè)避雷器是限制雷電入侵波過電壓的主要措施。對(duì)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(shí)際上只要保證每一段可能單獨(dú)運(yùn)行的母線上都裝有一組避雷器，就

6、可以使整個(gè)變電站得到保護(hù)。只有當(dāng)母線或設(shè)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(jīng)過計(jì)算或驗(yàn)證證明以上布置不能滿足要求時(shí)，才需要考慮是否在適當(dāng)位置增設(shè)避雷器。根據(jù)避雷器的配置原則，本設(shè)計(jì)中配電裝置的每組母線上，應(yīng)裝設(shè)避雷器。此外，變壓器中性點(diǎn)接地必須裝設(shè)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(shù)如下：（1）額定電壓Ube：避雷器的額定電壓應(yīng)與其安裝地點(diǎn)系統(tǒng)的額定電壓等級(jí)相同。（2）滅弧電壓Umi：對(duì) 35kV 及以下的中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)，滅弧電壓取為最高工作線電壓的 100%110%；對(duì) 110kV 及以上的

7、中性點(diǎn)直接接地系統(tǒng)，滅弧電壓取為系統(tǒng)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(fā)生放電的電壓值。在中性點(diǎn)絕緣或經(jīng)阻抗接地的電網(wǎng)中，工頻放電電壓一般大于最大運(yùn)行相電壓的 3.5倍；在中性點(diǎn)直接接地的電網(wǎng)中，工頻放電電壓應(yīng)大于最大運(yùn)行相電壓的 3 倍。工頻放電電壓應(yīng)大于滅弧電壓的 1.8 倍。（4）殘壓 Ubc：按mibcUU235.2計(jì)算來確定。（5）沖擊放電電壓Uchfs：我國生產(chǎn)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(yàn)（1）220KV 側(cè)避雷器的選擇與校驗(yàn)型式的選擇 根據(jù)規(guī)程及本設(shè)計(jì)，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(shù)如下表 8-2 所示。表 8-2 避雷器參數(shù)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(hào)系統(tǒng)標(biāo)稱電壓（kV）避雷器額定電壓（kV）避雷器持續(xù)運(yùn)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(yàn)：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(yàn)：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(yàn)：kVkVUUmibc814664200235.2235.2）（，滿足要求。沖擊放電電壓校驗(yàn)：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(cè)避雷器的選擇和校驗(yàn)型式的選擇 根據(jù)規(guī)程及本設(shè)計(jì)，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(shù)如下表 8-3 所示。表 8-3 避雷器參數(shù)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(hào)系統(tǒng)標(biāo)稱電壓（kV）避雷器額定電壓（kV）避雷器持續(xù)運(yùn)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(yàn)：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(yàn)：下限值：kVUKkVUxggfx218312632550 上限值：)(2612182.12.1kVUUgfxgfs 378kV上、下限值均滿足要求。殘壓校驗(yàn)：）（kVUUmibc3348

11、.100235.2235.2444KV，滿足要求。沖擊放電電壓校驗(yàn)：）（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(cè)避雷器的選擇和校驗(yàn)型式的選擇 根據(jù)規(guī)程及本設(shè)計(jì)，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(shù)如下表 8-4：表 8-4 避雷器參數(shù)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(hào)系統(tǒng)標(biāo)稱電壓（kV）避雷器額定電壓（kV）避雷器持續(xù)運(yùn)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(yàn)：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(yàn)：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(yàn)：）（kVUUmibc21.385.11235.2235.240.5KV，滿足要求。沖擊放電電壓校驗(yàn)：）（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(hù)1.2.3 變壓器的防雷保護(hù)三繞組變壓器在正常運(yùn)行時(shí)，可能出現(xiàn)只有高、中壓繞組工作而低壓繞組開路的情況。這時(shí)，當(dāng)高壓或低壓側(cè)有雷電波作用時(shí)，因處于開路狀態(tài)的低壓側(cè)對(duì)地電容較小，低壓繞組上的靜電分量可達(dá)很高的數(shù)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(shí)，因?qū)Φ仉娙菰龃?，足以限制靜電感應(yīng)過電壓，故可不必再裝避雷器。主變壓器 220kV、110kV 側(cè)中性點(diǎn)是直接接地，因而需在中性點(diǎn)

14、裝設(shè)雷電過電壓保護(hù)裝置，選用金屬氧化物避雷器。35kV 側(cè)中性點(diǎn)是非有效接地，其中性點(diǎn)采用全絕緣，運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明不加保護(hù)時(shí)的故障率很低，故一般不需保護(hù)。所用變壓器高、低壓側(cè)均需裝設(shè)閥式避雷器避雷器。1.2.4 內(nèi)部過電壓保護(hù)1.2.4 內(nèi)部過電壓保護(hù)內(nèi)部過電壓是指由于短路器操作、故障或其他原因，使系統(tǒng)參數(shù)發(fā)生變化，從而引起電網(wǎng)電磁能量的轉(zhuǎn)化或積累所造成的電壓升高。內(nèi)部過電壓可分為操作過電壓和暫時(shí)過電壓兩類。操作過電壓的持續(xù)時(shí)間一般很短（0.1s 以內(nèi)），采用某些限壓裝置和其他技術(shù)措施加以限制。暫時(shí)過電壓持續(xù)的時(shí)間一般較長，應(yīng)采用相應(yīng)的措施加以限制。如為了限制電弧接地過電壓對(duì)設(shè)備絕緣的威脅，本設(shè)計(jì)

15、主變壓器 220kV、110kV 側(cè)采用中性點(diǎn)直接接地的方式，這樣單相接地將會(huì)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(jīng)過一段短時(shí)間歇，讓故障點(diǎn)電弧熄滅后再自動(dòng)合閘，如能成功，可立即恢復(fù)送電；如不能成功，斷路器將再次跳閘，不會(huì)出現(xiàn)斷續(xù)電弧現(xiàn)象，可限制電弧接地過電壓。1.3 接地設(shè)計(jì)1.3 接地設(shè)計(jì)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(jù)接地目的接地可分為防雷接地、工作接地和保護(hù)接地等。而與大地的連接都是靠接地裝置來實(shí)現(xiàn)，接地裝置由埋入地中的接地體和引下線構(gòu)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(shí)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(guān)鍵，防雷設(shè)備限壓功能的發(fā)揮離不開良好的接地。防雷接地是將雷電流安全導(dǎo)入大地進(jìn)行的姐弟，避雷針、避雷器的接地就是防雷接地。就防雷保護(hù)而言，其接地電阻都不能超過國家有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的數(shù)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(guān)的公式計(jì)算。按接地裝置內(nèi)、外發(fā)生接地故障時(shí)，經(jīng)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(shè)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(nèi)的原則，進(jìn)行本變電站接地裝置的設(shè)計(jì)。1.3.2 接地網(wǎng)型式的選擇

17、1.3.2 接地網(wǎng)型式的選擇220kv 及以下變電站地網(wǎng)網(wǎng)格布置采用長孔網(wǎng)或方孔網(wǎng)，接地帶布置按經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)，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(qiáng)分流處裝設(shè)垂直接地極外，在地網(wǎng)周邊和水平接地帶交叉點(diǎn)設(shè)置 2.5m3m 的垂直接地極，進(jìn)所大門口設(shè)帽檐式均壓帶，接地網(wǎng)結(jié)構(gòu)是水平地網(wǎng)與垂直接地極相結(jié)合的復(fù)合式地網(wǎng)。長孔與方孔地網(wǎng)網(wǎng)格布置尺寸按經(jīng)驗(yàn)確定，沒有輔助的計(jì)算程序和對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單而粗略。因?yàn)榻拥鼐W(wǎng)邊緣部分的導(dǎo)體散流大約是中心部分的 34 倍，因此，地網(wǎng)邊緣部分的電場(chǎng)強(qiáng)度比中心部分高，電位梯度較大，整個(gè)地網(wǎng)的電位分布不均勻。接地鋼材用量多，經(jīng)濟(jì)性差。在 22

18、0kV 及以下的變電工程中采用長孔網(wǎng)或方孔網(wǎng)，因?yàn)槿氲毓收想娏飨鄬?duì)較小，地網(wǎng)面積不大，缺點(diǎn)不太突出。1.4 避雷器選擇結(jié)果（見表 81）：1.4 避雷器選擇結(jié)果（見表 81）：表 81 避雷器參數(shù)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(hào)系統(tǒng)標(biāo)稱電壓（kV）避雷器額定電壓（kV）避雷器持續(xù)運(yùn)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