110kV变电站避雷设计.pdf
110KV 变电站防雷设计复转军人培训班指导老师：杨旭设计人：张涛日期：2007.10.17目目录录第一章变电所过电压保护的特点及基本要求21、2、1、2、1、2、过电压保护的特点及基本要求2变电所防雷所采用的保护方式3避雷针位置的确定4避雷针保护范围的计算4接地装置的布置9接地装置的选择计算9第二章变电所直击雷保护设计4第三章接地装置的设计8第四章感应雷过电压的保护设计10第五章入侵雷电波的保护设计111、2、1、2、进线保护设计12进线保护设计计算13避雷器的设计14避雷器的安装方式15第六章避雷器的设计及安装方式14第七章变压器的安装方式16（咐图）17总结18致谢词18参考文献181110KV110KV 变电站防雷设计保护变电站防雷设计保护张涛第一章第一章变电所过电压保护的特点及基本要求变电所过电压保护的特点及基本要求1、过电压保护的特点及基本要求：变电压是电力系统的枢纽，它担负着电网供电的重要任务。变电所除了可能遭受直击雷以外，还有可能沿着线路向变电所传来的雷电波威胁着变电所设备的安全。一旦发生损坏事故，其后果是十分严重的。为此必须认真做好变电所的过电压保护工作，堵塞一切漏洞，以确保对广大用户的不间断供电。变电所过电压保护的特点：由于变电所和架空线路直接相连， 而线路的绝缘水平又往往比变电所内的电气设备为高，尤其是木横担的线路更为突出，因此沿着线路入侵到变电所来的雷电波的幅值往往是很高的，如无适当完善的保护设施，就有可能使变电所内的主变压器或其它电器的绝缘损坏。如果是终端变电所，进行波到达变电所后会因末端的反射作用使其幅值升高一倍，其危险性就更大了。基本要求：知已知彼，方能百战百胜。要想对变电所实施可靠的防雷保护，首先我们必须了解雷电对变电所设备有什么危害以及采取怎样的措施才能做到防雷电对变电所电气设备的危害。雷电的危害有两点：其一、可高达几个甚至几十兆伏的高电压；其二、就是可高达几百千安的大电流。在电力系统正常运行中，电气2设备的绝缘处在电网的额定电压之下。但是由于雷击、故障、操作或系统参数配合不当等原因，电压可能升高，有时会大大超过正常状态下的数值，造成对设备绝缘的击穿，严重威胁电气设备的安全运行，我们对这种危及绝缘子的电压称为过电压。由于故障、操作或系统参数配合不当等原因引起的过电压，称为内部过电压。而由于雷击引起的过电压称为大气过电压。大气过电压是雷击被击物，在被击物内流经很大的雷电流造成的；感应雷过电压则是因雷击于设备附近，由于电磁波的剧烈变化而产生的。直击雷过电压对电气设备的绝缘具有严重危害，必须采取防护措施，感应雷过电压的幅值一般不超过 500KV ，这时 35KV 及以下等级的绝缘是危险的，应采取防护措施，而对 110KV 及以上等级的绝缘，其冲击耐压水平一般已高出此值，故无危险。在这里我们所设计的是 110KV 变电所防雷保护，因此只对由于雷击而造成的大气过电压详加论述。在变电所内一般都有一些高大的建筑物，如果遭受雷击就会发生重大事故，因此必须对它采取完善的直击雷保护装置，如采用避雷针或避雷线。为了节约投资，应充分利用变电所的架构、照明灯塔或在高建筑物上安装避雷针。变电所的直击雷保护范围还应包括进终终端杆塔和变电所的直击雷保护范围必须进行具体的计算，绘出保护范围图，防止出现任何保护空白点，使应该被保护的设备全部处在直击雷保护范围之内。变电所的进线和出线都应该具有完善的防雷保护装置，110KV及以上的高压送电线路一般都是全线用避雷线保护，以防止导线遭到直接雷击后雷电进行波侵入变电所内。对 35KV的线路，为了降低线路造价，一般只在变电所进线或出线 12km 的范围内加装避雷线保护， 并相应地在木横担线路的进线首端安装一组排气式避雷器，以限制沿着线路入侵到变电所的雷电波的陡度的幅值。对变电所 310KV 的配电线一般只在线路出口处安装阀型避雷器，并在母线上安装阀型避雷器，以保护变电所 310KV 的配电装置。一般变电所的额定电压越高，则其容量也就越大，供电重要性也就越高，它的防雷保护应当越可靠。因此变电所的过电压保护工作必须从技术经济观点出发，根据变压器容量及供电重要性等条件，因地制宜确定具体的保护方案，不可千篇一律的要求。如有的变电所供电性质不太重要，容量也比较小，就可以采取简化的防雷保护方式，以便为国家节约投资，加速农业电气化和国家的社会主义建设。在每个电力系统中，还有可能发生内部过电威胁系统的安全，因此必须根据具体条件分别采用磁吹避雷器、金属氧化物避雷器或其它防止内部过电压的3技术措施，以保证电网的安全运行。在变电所内对进行波的保护主要依靠装在母线上的阀型避雷器或金属氧化物避雷器，安装位置尽可能靠近主要设备，但也要兼顾变电所内的其它设备。变电所内还普遍装有重合闸和备用电源自动投入装置。它们必须能可靠地动作，当线路发生故障时，及时正确地重合或自投，以保证对用户的不间断供电，这是消灭事故十分重要的措施之一，不可等闲视之。应该认真做好运行维护的定期的调整校验工作，使这些设备能更好地为系统的安全供电服务。2、变电所防雷的所采用的保护方式：变电所内的设备和建筑物必须有完善的直击雷保护装置，采用避雷线、避雷针或避雷带。在变电所内装设阀型避雷器或金属氧化物避雷器，以限制入侵雷电波幅值，同时，在变电所进线上，设置进线保护段以限制流过阀型避雷器的雷电流和限制入侵雷电波的陡度。本站的防雷保护设计将采用以下几种方式：直击雷保护采用避雷针；本站的避雷针与被保护设备之间在空气中和地中保持一定距离， 即 Sk5m,Sd3m ，避免感应过电压。对沿输电线路传来的雷电波入侵保护采用避雷器和避雷线来保护。对变电所母线上的保护采用金属氧化物避雷器。变压器中性点防雷保护采用避雷器。电容器组也要采用避雷器保护。第二章第二章变电所直击雷保护设计变电所直击雷保护设计4变电所的设备一旦遭受直接雷击，就有可能造成设备的严重损坏，引起长时间的停电，其后果是十分严重的。因此，变电所内的设备和建筑物必须有完善的直击雷保护装置。变电所内如下设备和建筑物应该有直击雷保护装置：屋外的配电装置（包括母线廊道、架空母线桥、软连线等） ；遭受雷击后可能引起火灾的建筑物，例如露天的油箱和油务设备等建筑物以及易燃材料的仓库；有爆炸危险的建筑物，例如氢气设备和乙炔发生装置等；雷击后可能引起机械破坏的高大建筑物，例如烟囱、冷却塔和变压器修理间等。变电所内的设备和建筑物可以用避雷针、避雷线，应根据具体条件合理选择。避雷针是我们最熟悉的防雷装置之一，它可分为单支的，双支的和多支的避雷针，它的作用是使雷电流按照预定的通路泄入大地。在一定高度的避雷针下面，有一个安全区域，在这区域中的物体基本上不致遭受雷击，这个安全区域一般叫做避雷针的保护范围。此外，避雷线装在发变电所内，便于进行定期的检查。1、 避雷针位置的确定：本站为 100 100m2的正方形，被保护物的高度为 6 米，为了在布置中力求既经济又合理，所以采用四针等高避雷针来防止直击雷，同时为了电气设备布置方便，避雷针的装置位置，应尽可能放在该变电站的边角，因此选择每针从它所相靠的两侧围墙分别往里挪 2 米的等距离避雷针来防护。2、 避雷针保护范围的计算：D1=96m=D12=D23=D34=D41D2=962+962=962mhx=6m确定避雷针的高度范围：因为规定一般两避雷针间的距离与针高之比 D/h 不宜大于 5，即 D/h 5，则 h/5 ，避雷针的高度应取最小值，所以 D962+962=962m，即 h27.152m取值计算，画图校验避雷针的高度。方案一：方案一：取避雷针高 h=28m,D1/h=96/28=3.43 5,D2/h=135.76/28=4.855，符合要求。又因为 h=28m 3cm ，所以 P=1。被保护物的高度为hx=6m , hx=6m h/2，所以rx=(1.5h-2hx)P=(1.528-2 6) 1=30m说明：rx为一支避雷针在 hx水平面上的保护半径，因为本站所设计的避雷5针为四支等高避雷针， 所以此 rx同时也是其它三针各自在 hx水平上的保护半径。h01=h-D1/7p=28-96/7*1=28-13.71=14.29m说明：此 h01为针 1 与针 2 两针间保护范围上部边缘最低点的高度。由于本站所设计的避雷针为四支等高等距离的避雷针，所以此 h01同时也是针 2 与针3 间，针 3 与针 4 两针间，针 4 与针 1 两针间保护范围上部边缘最低点的高度。h02=h-D2/7p=28-135.76/7*1=28-19.39=8.61m说明： 此 h02是针 1 与针 3 两针间保护范围上部边缘最低点的高度， 因为本站为四针等高且等距离，所以此 h02同时也是针 2 与针 4 两针间保护范围上部边缘最低点的高度。bx1=1.5(h01-hx)=1.5(14.29-6)=1.5 8.29=12.435m说明: 因为四支避雷针等高等距离, 所以此 bx1为针 1 与针 2 两针间, 针 2 与针3 两针间, 针 3 与针 4 两针间, 针 4 与针 1 两针间距地面高度 hx水平面上保护范围一侧的最小宽度.bx2=1.5(h02-hx)=1.5(8.61-6)=1.5 2.61=3.915m说明：因为四支避雷针等高等距离，所以此bx2为针 1 与针 3 两针间，针2与针 4 两针间距地面高度 hx水平面上保护范围一侧的最小宽度。避雷针的有效高度 ha=h-hx=28-6=22m(以上所有计算公式的采用均参考于高电压技术)此方案，bx1和 bx2均大于零并经画图验证（参看图 1） ，但保护范围出现了大面积空白，所以此方案不成立。6100m60m110KV 设备区主控室电容器 室15m20m35KV 设备区18m图 1比例:1:10007方案三：将针高增至 35m,针的位置不变。D1/h=96/35=2.74 5，D2/h=135.76/35=3.875，符合两避雷针间的距离之比不宜大于 5, 满足要求。因为 h=35m30m, 所以P=5.5/ h=5.5/ 35=5.5/5.92=0.93,hx=6 mh/2(注：以下计算公式的采用及说明均同于方案一)rx=(1.5h-2hx)P=(1.5 35-2 6) 0.93=37.67mh01=h-D1/7p=35-96/7*0.93=35-14.75=20.25mh02=h-D2/7p=35-135.76/7*0.93=35-20.85=14.15mbx1=1.5(h01-hx)=1.5(20.25-6)=1.5 14.25=21.375mbx2=1.5(h01-hx)=1.5(14.15-6)=1.5 8.15=12.225m此方案，经画图验证（参看图 3） ，我们可以看出保护范围没有出现空白且有一点保护重复，由于考虑到画图验证时可能出现一些测量上的误差。所以重复一点是可取的，但不能重复大多，以免增加投资，该方案并向站外 35KV线路延伸保护范围，以保护 35KV线路的终端杆到站内 35KV设备区架构间的导线，所以此方案成立。另外， 避雷针与变压器的地上空气距离由下图可知 8m,肯定小于 14m ， 符合有关规定，再次证明此方案是可取的。S=（ 20-2）2+（15-2）2= 182+132=22.2m1#2#说明：s若 4 针满足条件，则其它 3针都会符合条件，因为针 4 是距变压器最近的。8100m图 3比例:1:1000主控室110KV 设备区60m电容器 室35KV 设备区15m18m20m9第三章第三章接地装置的设计接地装置的设计为了保证电力系统在正常运行, 故障或雷击时人身和设备的安全, 应将电力系统中的电气装置设施的某些部分可靠地接地。在变电所内，不同用途和不同电压等级的电气装置或设施，除有特殊规定者外，应使用一个总的接地装置。接地装置对防雷的保护是非常重要的，它的任务不仅要求能够安全地引导雷电流入地，并且还应使雷电流入大地时能均匀地分布出去，接地电阻原则上是越小越好，但是还应该从安全经济观点出发，以便能在满足防雷保护的前提下，为国家节约投资。1、接地装置的布置本站主接地网的接地电阻值要求：本站是 110KV 降压变电站。根据规程规定：110KV 系统是大电流接地系统，接地电阻值应小于 0.5 ， 35KV 系统是小电流接地系统， 接地电阻阻值应小于 10 ， 变压器中性点接地电阻应小于 4 。根据上述要求，本站的接地网采用各级电压共用一个接地网，共同接地装置，接地电阻值确定为 0.5 。2、接地装置的选择计算：对于避雷针每针都应设置独立接地装置，并且要求其接地电阻R10 ,在达不到要求的情况下要与本站内主接地网相连接, 避雷针与主接地网的地下连接点至变压器接地线与主接地网的地下连接点沿接地体的长度不得小于 15m 。对于本站来说，由于其土壤电阻率/=100 m ，属于较标准形地区（符合天津地区） ， 根据独立垂直接地装置接地电阻的计算 R10 , 符合要求, 所以每支避雷针都采用独立的接地装置, 不与本站的主接地网相连接。避雷针的接地装置采用独立垂直接地装置， 由垂直接地体组成， 成排布置。垂直接地体由 3 个接地体组成。 为了能够达到良好的效果， 为此采用直径 60mm ，长度 300cm 的钢管垂直打入地下，上端埋深 0.5m，接地体间的距离 6m ，三个接地体由 12m 长，40mm宽，5mm厚的扁钢水平连接，埋深0.5m，并与避雷针相连。10独立垂直接地装置接地电阻的计算：季节系数 =1.2, 土壤电阻率/=100 n m, 计算用电阻率 P=/=1.2 100=120 m单根钢管垂直接地体稳定状态下的接地电阻:R=P/2 l ln4l/d=120/2*3.14*3 ln4*3/0.06=33.76 因为雷电流的幅值 I=150KA ，所以每个接地体流大地的电流幅值I=150/3=50KA ， 冲 击 系 数 取 =0.6,则 冲 击 接 地 电 阻R/Ch= R=0.6*33.76=20.26注: 冲击接地电阻: 在雷电放电时, 流过接地装置的雷电流密度很大, 波头陡度也很高, 会在接地体周围的土壤中产生局部火花放电 , 其效果好比增大了接地体的尺寸, 会使接地电阻的数值降低 , 即在冲击电流作用下接地装置的电阻.垂直接地体数n=3,且比值a/l=6/3=2,由查表得利用系数 =0.75, 求得接地装置的冲击接地电阻为:RCh=R/Ch/h*1/n=20.26/3*1/0.75=8.98 , 因为 Rch=8.9810, 所以满足 R0，被保护范围无空白，且保护到站外一定范围；2、避雷针接地装置接地电阻 Rch=8.98，符合R5m ，地中距离 Sd3m ，符合规程要求；4、避雷器与电气设备的最大电气距离：110KV 最大电气距离 121.7 m, 满足要求.35KV 最大电气距离 70.27 m, 满足要求；5、选用氧化锌（ZnO ）避雷器符合现代电力生产的要求，对电气设备有很好的保护。此设计满足电力规程有关参数的要求，本变电所防雷设计成立。致谢词致谢词“ 110KV 变电站防雷设计保护”是在杨旭老师的指导下完成的。在此特别要感谢杨老师的耐心指导。在编程过程中遇到的问题杨老师都会耐心的解答、细心的指导。杨老师在设计的初期对方案的设计思想进行指导，在查阅有关资料方面给我提出了很多的帮助，使我从对硬件的理解到编程有了整体的了解，并对实际编程提出的很多问题逐一解决。使我在做毕业设计中可以真正的掌握设计中的重点与难点，从而能够将精力完全的投入到程序的设计中去。22参考文献参考资料高电压技术电力系统的过电压保护电力系统的过电压保护电力过电压保护设计技术规程23
