35kv变电所接地装置与防雷的设计.pdf

35kv 变电所接地装置与防雷的设计目录一.前言1二.设计任务 1三.设计方案及相关计算 13.1 雷电参数 13.1.1 雷电流的幅值、波头、波长和陡度 13.1.2 雷电流极性及波形 23.1.3 雷电波阻抗(Z0)33.1.4 地面落雷密度 33.2 变电所遭受雷击的主要原因 43.3 变电所防雷的原则 43.4 变电站防雷具体措施分类 53.4.1 避雷针或避雷线 53.4.2 避雷器 83.4.3 直击雷防护 93.4.4变电站雷电侵入波防护 133.4.5 变电站的进线段雷电防护设计163.5 接地装置的设计183.6 变电站弱电设备防雷措施28四.结束语 28五.参考文献 28六.调研报告 29一、前言变电所是电力系统中对电能的电压和电流进行变换、集中和分配的场所,是联系发电厂与电力用户的纽带,担负着电压变换和电能分配的重要任务。如果变电所发生雷击事故,会给国家和人民造成巨大的损失。所以变电所的防雷是不可忽视的问题。随着电力系统的快速发展,使得电能这一清洁能源在人民生产、生活中得到了普遍使用。但当高压输电网在为人们提供动力和照明时,不能忽视自然界产生的雷电对高压输变电设备产生的大量危害。因此,必须加强变电所雷电防护问题的认识与研究。随着电力工业的发展，自动化程度越来越高，对安全供电的要求也越来越高。为了防止各种电气事故，保障人民生产、生活的正常有序进行，电气安全已成为社会关注对象，各种电气安全措施也正在建立与完善。电气安全工作是一项综合性的工作，有工程技术的一面，也有组织管理的一面。工程技术和组织管理相辅相成，有着十分密切的联系。电气安全工作主要有两方面的任务。一方面是研究各种电气事故，研究电气事故的机理、原因、构成、特点、规律和防护措施；另一方面是研究用电气的方法解决各种安全问题，即研究运用电气监测、电气检查和电气控制的方法来评价系统的安全性或获得必要的安全条件。二、设计任务本设计针对35KV变电站进行防雷接地保护设计；根据变电站国家防雷接地标准，结合35KV变电站电气接线图以及具体情况，学习利用各种防雷接地装置等，实现对变电站的直击雷防护、雷电侵入波防护以及变电站的接地保护设计。三、设计方案及相关计算3.1 雷电参数3.1.1 雷电流的幅值、波头、波长和陡度（1）雷电流幅值的概率分布我国现行标准推荐按下式计算lgP 式中：I 是雷电流幅值，kA；P 是 幅值等于大于 I 的雷电流概率。例如幅值等于和超过50kA 的雷电流，计算可得概率为33%。上述雷电流幅值累积概率计算公式适用于我国大部分地区。对于雷电活动很弱的少雷地区(年平I88均雷电活动 20 日以下)，例如陕南以外的西北地区及内蒙古自治区的部分地区。雷电流幅值概率可按以下公式求得：lgP （2）雷电流的波头和波长I44虽然雷电流幅值随各国的自然条件不同而差别很大，但是各国侧得的雷电流波形却基本一致。据统计，波头长度大多在 1s5s 的范围内，平均 2s2.5s。我国在防雷保护设计中建议采用2.6s的波头长度。至于雷电流的波长，实测表明在 20s100s 范围之内，平均约为 50s,大于 50s 的仅占 18%30%。根据以上分析，在防雷保护计算中，雷电流的波形可采用2.6/50s。(3)雷电流陡度由于雷电流的波头长度变化范围不大，所以雷电流的陡度和幅值必然密切相关。我国采用2.6s的固定波头长度，即认为雷电流的平均陡度石和幅值线性相关：a 即幅值较大的雷电流同时也具有较大的陡度。I2.6雷电流的各项主要参数-幅值、波头、波长和陡度的实测数据具有很大的分散性。许多研究者发表过各种结果，虽然基本规律大体相近，但其具体数值却有差异。其原因一方面在于雷电放电本身的随机性受到自然条件多种因素的影响;另一方面也在于测量条件和技术水平的不同。我国幅员辽阔，各地自然条件千差万别。雷电观测工作的基础还比较薄弱，有待于进一步加强。3.1.2 雷电流极性及波形国内外实测结果表明，75%90%的雷电流是负极性，加之负极性的冲击过电压波沿线路传播衰减，因此电气设备的防雷保护中一般按负极性进行分析研究。在电力系统的防雷保护计算中，要求将雷电流波形用公式描述，以便处理,经过简化和典型化可得以下三种常用的计算波形，如图3-1 所示。iI0.5I0iIiI0.5I0T1tT20T1T1tT1t(a)标准冲击波形 (b)等值斜角波头 (c)等值半余弦波头图 3-1 雷电流的等值波形图 3-1(a)标准波形，它是由双指数公式所表示的波形i I0(etet)这种表示是与实际雷电流波形最为接近的等值波形，但比较繁琐。当被击物体的阻抗只是电阻R时，作用在 R 上的电压波形 u 和电流波形 i 是相同的。双指数波形也取作冲击绝缘强度试验电压的波形，对它定出标准波前和波长为1.2/50s。图 2-2-1（b）为斜角平顶波，其陡度 可由给定的雷电流幅值 I 和波前时间定。斜角波的数学表达式最简单，便于分析与雷电流波前有关的波程，并且斜角平顶波用于分析发生在10s 以内的各种波过程，有很好的等值性。图 3-2-1（c）为等值半余弦波，雷电流波形的波前部分，接近半余弦波，可用下式表达：i 这种波形多用于分析雷电流波前的作用，因为用余弦函数波前计算雷电流通过电感支路所引起压降比较方便。还有在设计特高杆塔时，采用此种表示将使计算更加接近于实际。Im(1cost)23.1.3 雷电波阻抗(Z0)雷电通道在主放电时如同导体，使雷电流在其中流动同普通分布参数导线一样，具有某一等值波阻抗，称为雷电波阻抗(Z0)。也就是说，主放电过程可视为一个电流波阻抗Z0的雷电投射到雷击点 A的波过程。若设这个电流入射波为I0，则对应的电压入射波u0 I0Z0。根据理论研究和实测分析，我国有关规程建议Z0取 300 左右。3.1.4 地面落雷密度雷云对地放电的频繁和强烈程度，由地面落雷密度来表小。是指每个雷电日每平方公里地面上的平均落雷次数。实际上，值与年平均雷电日Td有关。一般，Td大的地区，其值也较大。关于地面落雷密度与雷电日数的关系，我国标准推荐采用国际大电网会议推荐标准:Ng 0.023Td1.3式中，Ng为每年每平方公里地面落雷数；Td雷电日数；由此可得：0.023Td0.3对Td 40的地区，按我国标准取值 0.07。3.2 变电所遭受雷击的主要原因供电系统在正常运行时,电气设备的绝缘处于电网的额定电压作用之下,但是由于雷击的原因,供配电系统中某些部分的电压会大大超过正常状态下的数值,通常情况下变电所雷击有两种情况:一是雷直击于变电所的设备上;二是架空线路的雷电感应过电压和直击雷过电压形成的雷电波沿线路侵入变电所。其具体表现形式如下:（1）直击雷过电压。雷云直接击中电力装置时,形成强大的雷电流,雷电流在电力装置上产生较高的电压,雷电流通过物体时,将产生有破坏作用的热效应和机械效应。（2）感应过电压。当雷云在架空导线上方,由于静电感应,在架空导线上积聚了大量的异性束缚电荷,在雷云对大地放电时,线路上的电荷被释放,形成的自由电荷流向线路的两端,产生很高的过电压,此过电压会对电力网络造成危害。因此,架空线路的雷电感应过电压和直击雷过电压形成的雷电波沿线路侵入变电所,是导致变电所雷害的主要原因,若不采取防护措施,势必造成变电所电气设备绝缘损坏,引发事故。3.3 变电所防雷的原则针对变电所的特点,其总的防雷原则是将绝大部分雷电流直接接闪引入地下泄散(外部保护);阻塞沿电源线或数据、信号线引入的过电压波(内部保护及过电压保护);限制被保护设备上浪涌过压幅值(过电压保护)。这三道防线,相互配合,各行其责,缺一不可。应从单纯一维防护(避雷针引雷入地无源保护)转为三维防护(有源和无源防护),包括:防直击雷,防感应雷电波侵入,防雷电电磁感应等多方面系统加以分析。（1）外部防雷和内部防雷避雷针或避雷带、避雷网引下线和接地系统构成外部防雷系统,主要是为了保护建筑物免受雷击引起火灾事故及人身安全事故;而内部防雷系统则是防止雷电和其它形式的过电压侵入设备中造成损坏,这是外部防雷系统无法保证的。为了实现内部防雷,需要对进出保护区的电缆,金属管道等都要连接防雷、及过压保护器,并实行等电位连接。（2）防雷等电位连接为了彻底消除雷电引起的毁坏性的电位差,就特别需要实行等电位连接,电源线、信号线、金属管道等都要通过过电压保护器进行等电位连接,各个内层保护区的界面处同样要依此进行局部等电位连接,各个局部等电位连接棒互相连接,并最后与主等电位连接棒相连。3.4 变电站防雷具体措施分类3.4.1 避雷针或避雷线避雷针是防直接雷击的有效装置。它的作用是将雷电吸引到自身并泄放入地中，从而保护其附近的建筑物、构筑物和电气设备等免遭雷击。1、避雷针的结构和保护原理避雷针是由接闪器、支持构架、引下线和接地体四部分构成。（1）接闪器 是避雷针顶端 12m 长的一段镀锌圆钢或焊接钢管。圆钢直径应大于1216mm；钢管直径应大于 2025mm。通过接闪器和雷云发生闪络放电。（2）支持构架 高度在 1520m 一下的独立避雷针可采用水泥杆；较高时宜采用钢结构支柱；110KV及以上电压级变电站，当条件允许时，可将避雷针安装在高压门型构上；对于建筑物或构筑物可装于顶部。（3）引下线 采用经过防腐处理的圆钢或扁钢。圆钢直径不得小于 812mm；扁钢截面不得小于12mm4mm。引下线应沿支持构架及建筑物外墙以最短路径入地，以便尽可能减小雷电流通过时在引下线上产生的电感下降。（4）接地体埋于地下的各种型钢，工程中多采用垂直打入地中的钢管、角钢或水平埋设扁钢、圆钢。入 L50505，长 2.5m 的角钢和截面为 4mm25mm 的扁钢。接地体是直接泄放雷电流的，所以其选用既要考虑经济，又要满足接地电阻值的规定要求。避雷针的保护原理是：当雷云中的先导放电向地面发展，距离地面一定高度时，避雷针能使先导通道所产生的电场发生畸变，此时，最大电场强度的方向将出现在从雷电先导到避雷针顶端（接闪器）的连线上，致使雷云中的电荷被吸引到避雷针，并安全泄放入地。2、避雷针的保护范围（1）单根针的保护范围如图 3-2 所示。hhaBh/21.5hrx0.75hA45hxhx 水平面上保护范围的截面图 3-2单根避雷针的保护范围由上图有，在被保护高度为hx水平面上,其保护半径rx为当hxh2时，rx(h hx)ph2时，rx当hx(1.5h 2hx)p2 0式中，p为考虑避雷针太高时，保护半径不成正比增大的系数。当h 30m 时，p 1；当30 h 1p 时，5.5h；当h 120m 时，按 120m 计算。（2）两根等高避雷针的保护范围如图 3-3 所示。h图 3-3两根等高避雷针的保护范围首先根据被保护物的长、宽和高度及避雷针理想的安装位置等客观情况，初步确定两等高针之间的距离，并按照ha1R0D/7p2O-O 截面rxDh0h/21.5hh0hxbx1.5h0hx水平面上保护范围的截bxrxbxD 7ha，初步选取ha。根据 D 和 ha，进行两等高针联合保护范围验算：两针之间保护范围如图 2-4 所示，计算公式有：h0 hD7pbx1.5(h0 hx)式中:h0为等高双针的联合保护范围上部边缘最低点的高度(m)，p同上。3、避雷线避雷线是由悬挂在保护物上空的镀锌钢绞线（即接闪器，截面不得小35mm）、接地引下线和接地体组成。（1）单根避雷线的保护范围如图 3-4 所示。hahhxh/22502hh图 3-4 单根避雷线的保护范围单根避雷线的一侧，在高度为hx 平面上的保护宽度 rx按下式计算：当hx1h2时，rx 0.47(h hx)p当hx1h2时，rx(h 1.53hx)phahhxh/2（2）两条平行架设的避雷线的保护范围图 3-5双避雷线的保护范围rxR01D/4p2Dh在两根避雷线的外侧的保护范围按单根线方法确定；而两避雷线内侧保护范围的横截面，是由通过避h0 h雷线 1 和 2 及保护范围上部 边缘的最低点 O 的圆弧来确定，O 点的高度挂高度；D 为两避雷线的水平间距；p 的意义同前）。D4p（h 为避雷线悬两避雷线端部的保护范围分别按单根避雷线确定端部的保护范围，两线间端部保护范围最小宽度有：bx h0hx hDhx4pbx为两避雷线端部最小保护宽度；hx为被保护物高度；h0为两避雷线间保护最低点高度。3.4.2 避雷器避雷器能将侵入变电所的雷电波降低到电气装置绝缘强度允许值以内。我国主要是采用金属氧化物避雷器（MOA）。避雷器是用来限制沿线路侵入的雷电压（或因操作引起的内过电压）的一种保护设备。避雷器的连接如图 3-6 所示：图 3-6 避雷器的连接为了使避雷器能够达到预想的保护效果，必须满足如下两点基本要求。（1）具有良好的伏秒特性，以实现与被保护电气设备绝缘的合理配合。如图3-7 所示u123避雷器被保护设备过电压波线路t图 3-7 避雷器与电气设备的伏秒特性合理配合 1-电气设备的伏秒特性；2-避雷器的伏秒特性；3-电器上可能出现的最高工频电压伏秒特性，是表达绝缘材料（或空气间隙）在不同幅值的冲击电压作用下，其冲击放电电压值与对应的放电时间的函数关系。（2）间隙绝缘强度自恢复能力要好，以便快速切断工频续流，保证电力系统继续正常工作。对于有间隙的避雷器以上两条都适宜，这类避雷器主要有保护间隙、管式避雷器及带间隙的阀式避雷器。对于无间隙的金属氧化物避雷器，基本技术要求则不同，它没有灭弧问题，相应的却产生了独特的热稳定性问题。目前大部分变电站防雷电侵入波使用的氧化锌避雷器的保护效果如图3-8 所示：uu1SiC 避雷器限制的过电压t图 3-8 氧化锌避雷器的保护效果ZnO 避雷器限制的过电压侵入的雷电过电压u23.4.3 直击雷防护装设避雷针是直击雷防护的主要措施,避雷针是保护电气设备、建筑物不受直接雷击的雷电接受器。它将雷吸引到自己的身上,并安全导人地中,从而保护了附近绝缘水平比它低的设备免遭雷击。变电站装设避雷针时,应该使站内设备都处于避雷针保护范围之内。此外,装设避雷针时对于 35KV变电站必须装有独立的避雷针,并满足不发生反击的要求；对于 110KV 及以上的变电站,由于此类电压等级配电装置的绝缘水平较高,可以将避雷针直接装设在配电装置的架构上,因此,雷击避雷针所产生的高电位不会造成电气设备的反击事故。（1）年预计累计次数计算假设 35KV 变电站，占地面积长50m，宽40m,变电站的最高点高度为20m,当地年平均雷电日为40，故有：据N kNgAe 0.024kTd1.3AeAeLW 2(LW)H(200 H)H(200 H)*10650402(5040)20(20020)3.1420(20020)106=0.024104 k=1；Td=40；Td1.3=401.3=120.97故 N=0.0241120.970.0241=0.0700 次/a114.2860.0700由于年/次，即该变电站可能平均运行14 年就要遭受一次雷击。（2）反击所谓反击是指雷击避雷针（线）瞬间，强大的雷电流通过避雷针顶端的接闪器及引下线和接地体向大地泄放时产生的高电位。如果避雷针（线）与附近的金属物体的空间距离，或者其接地装置与其i他接地装置之间的地中距离不符合要求，将会发生放电现象，成为反击或为逆闪络。SkAh图 3-9雷击独立避雷针时的高电位分析如图 3-9 所示，高度为 h 的 A 点电位记为 Uk，避雷针辅助接地装置上的电位记为Ud，则有：Sd21LGUk iRch LUd iRchdidt式中，i 为雷电流，kA，幅值取150kA，斜角波长2.6s；Rch为独立避雷针辅助接地装置的冲击接地电阻，；L 为 A 点到地面，接地引下线h 长度上的电感,H,可取 L0=1.6H/m，L=L0h。为防止发生反击，避雷针距金属物体空间间隙Sk应满足：SkUkEk避雷针辅助接地装置与其他接地装置的地中间隙Sd应满足：SdUdEdEk和Ed分别为空气间隙和土壤的击穿场强，单位kV/m，可取 Ek=500kV/m，Ed=300kV/m。标准规定：Sk 0.3Rch0.1hSd 0.3Rch；一般情况下，要求。对于 35KV 及以下电压级的配电装置和土壤电阻率Sk 5mSd 3m大于 500 m 的地区，不宜采用构架式避雷针。装设避雷针的构架应埋设辅助集中接地装置。辅助接地装置与变电站的主接地网相连接时，其连接点距离变压器与主接地网的连接点不得小于15m，目的是保证雷击避雷针时，在接地装置上产生的高电压波经过这段距离的衰减，传播到变压器连接点不会对变压器造成反击。特别指出，变压器的进线门型构不允许装设避雷针，因为变压器是变电站的重要电气设备，其绝缘较弱，万一发生反击，必将造成严重后果。(3)35kv 变电站直击雷防护避雷针设计变电站所处地区土壤电阻率2102m，虽然不大于 500m，但由于是 35KV 电压级的配电装置，故不宜采用构架式避雷针。采用两根等高避雷针进行防护设计由于此 35KV 变电站，占地面积长50m，宽40m,变电站的最高点高度为 20m,在变电站宽两侧对称位置上距 5m 处设立两等高避雷针。如图3-10 所示。50m60m避雷针 110.5KV 母线架20m门型框架避雷针 220m35KV 母线架变配电装置图 3-10两等高避雷针位置图据题有：两针间距 D=5+50+5=60m。设避雷针高度为h，又变电站的最高点为20m，故 hx=20m。在避雷针 1 或 2 的一侧按单避雷针来计算显然有 hxh/2rx(1.5h 2hx)p且要rx 20m，故h 42m。在避雷针1 号 2 号之间，D12=60m,两等高避雷针针在hx=20m 高度处的最小保护宽度有bx(255)2202，故有bx 36m；又bx1.5(h0 hx)h0 h且D7p所以h 56 m。综上所述，只用两根等高避雷针实现对变电站的直击雷防护，需要求避雷针高度不小于56m。由于不宜采用构架式避雷针，只能用两根60m的避雷针按图3-4-1设计联合保护。其中支架高58m，接闪器选2m长，直径为1216mm的圆钢，引下线选截面12mm4mm扁钢。接闪器和引下线要做防腐处理。采用四根等高避雷针进行防护设计变电站的最高建筑物是门型框架，高度为 20m，35KV 与 10.5KV 母线架高度都为 15m,变电装置屋高为 8m。采用四根等高避雷针对变电站进行防护，避雷针 1 号与 2 号，3 号与 4 号处于水平位置上，如图 3-11 所示。变配电装置图 3-11 四等高避雷针的位置图门型框架两侧，1 号和 2 号针之间，假设选高度为40m 的避雷针，即 40m,20m。显然 hx=h/2故 1 号 2 号单根保护半径rx为：50m60m避雷针110.5KV 母线架避雷针 335KV 母线架避雷针 42m门型框架2m避雷针 2rx(h hx)p =（40-20）0.79 =15.8m两等高避雷针针联合保护范围 D12=60m h0=40-60/(70.79)=29.2m bx=1.5(29.2-20)=13.8m 35KV 侧，3 号和 4 号之间，选用 40m 高的避雷针即 h=40m,hx=15m。显然 hxh/2故 3 号 4 号单根保护半径 rx为：rx(1.5h 2hx)p =（1.540-215）0.79 =23.7m两等高避雷针针联合保护范围 D34=60m h0=40-60/(70.79)=29.2m bx=1.5(29.2-15)=21.3m 35KV 与 10.5KV 同一侧，2 号与 4 号避雷针之间，选用 40m 高的避雷针即 h=40m,hx=15m。显然 hxh/2故 2 号 4 号单根保护半径 rx为：rx(1.5h 2hx)p =（1.540-215）0.79 =23.7m两等高避雷针针联合保护范围 D24=36m h0=40-36/(70.79)=33.5m bx=1.5(33.5-15)=27.8m 35KV与10.5KV对角线一侧，2 号和3 号针之间,选用40m 高的避雷针即h=40m，hx=15m。显然 hx=4 55 1 25 2(全线)50 75 90 105 10.5KV 变压器允许的距离lmax，令当运行进线为1条时：根据UmUc5 2al/Uc5 2a0lUmUbi l（10kV 变压器的雷电冲击耐受电压为75kV,10kV全线无避雷线,其陡度a0取1kV/m）。75=45+2 1 当进线增加，lmaxlmax=15(m)lmax参照表3-2的数据表3-2 进线数与雷季经常运行的进线数 1lmax的关系 3 27 =4 40 2 23最大电气距离（m）15故由计算可知，在35KV变电站里面距变压器（35/10.5KV、35/0.4KV）25m内必须要安装避雷器，距变压器（10.5/0.4KV）15m内须安装避雷器。依据分析和运行经验，对于本35KV电压级的变电站，实际上只要保证在每一段（包括分段母线）可能单独运行的母线上都装设一组避雷器，就可以使整个变电站得到保护。3.4.5变电站的进线段雷电防护设计进线段防护必要性当lmax一经确定，为使避雷器能可靠地保护设备，还必须设法限制侵入波陡度。对于已安装好的电气距离l，可求出最大允许陡度a(UjcfUchf)2l。同时，应限制流过避雷器的雷电流的大小，以降低残压，尤其不能超过避雷器的额定通流能力，否则避雷器就会烧坏。变电站因雷电侵入波形成的雷害事故有 50%是离变电站 1km 以内雷击线路引起的，约有 71%是 3km以内雷击线路引起的。说明加强变电站进线段的雷电防护的必要性和重要性。雷电侵入波沿导线传播时有损耗。具体是雷电压在线路上感应产生的地点离变电站愈远，它流动到变电站时的损耗就愈大，其波陡度和幅值就降得愈低。为此，可以在变电站进线段，即距变电站 12km的这段线路上加强防雷保护。对全线无架设避雷线的，应在这段线路增设避雷线；当全线有避雷线时，应使该段线路具有更高的耐压水平，减少进线段内绕击和反击形成侵入波的概率。这样，侵入变电站的雷电过电压波主要来自进线段外，并经过12km 线路的冲击电晕影响，不但削弱了侵入波的幅值和陡度，而且因进线段波阻抗的作用，也限制了通过避雷器的雷电流，使其不超过规定值，保证了避雷器的良好配合，这一措施就是变电站进线段保护。进线保护段接线设计 12kmQFFZ GB1 GB2图 3-13 35KV 进线保护段接线图由于此 35KV 变电站全线无避雷线线路，故变电站进线保护段接线方案可根据图3-13 设计。方案中架设 12km 避雷线可防止进线段遭受直接雷击和屏蔽雷电感应。图中管型避雷器 GB1和 GB2在一般线路不必装设，但对于冲击绝缘强度特别高的木杆线路或者钢筋混凝土杆木横担线路，应在进线保护段首端加装一组管型避雷器 GB1，其工频接地电阻一般不得超过 10。GB1的作用是限制从进线段外沿导线侵入的雷电流幅值。在进线保护末端装设一组 GB2的目的是保护断路器 QF。当雷雨季节，QF 处于开断状态，且线路侧带工频电压，无 GB2保护时会出现较高的折射波电压（2 倍的侵入波电位），引起触头闪络，甚至烧坏触头。母线上装设一组阀型避雷器FZ 的作用是保护变压器及其他电气设备。图 3-14 3150kVA 以下 35KV 变电站的简化进线保护由于此变电站容量在3150kVA 以下（本变电站容量为 2560kVA），可采用图 3-14 两种简化接线。管型避雷器 GB1、GB2可采用保护间隙 JX 代替，其工频接地电阻应小于或等于5。假设对此 35KV 变电站，当在进线区域架设避雷线较困难，为此不能保证要求的耐雷水平。在这种情况下，可以在进线终端杆上安装一组1000H 的电抗器（L），以限制雷电侵入波的陡度 a 和雷电流幅值 I，起到进线段保护的作用。接线见图3-15 所示。另外，35KV 变电站有进线段采用电缆线路，在电缆线与架空线连接处，考虑波过程可能产生过电压，故应装设一组避雷器保护，并且使避雷器的接地端与电缆的金属外皮连接。如图3-16 所示。TQF150200m150200mTQF150200mFZGB2或 JXGB1或 JXFZJXR 5R 5R 5TFZQFLGB图 3-15 用电抗器代替进线段保护图 3-16 35KV 变电站电缆进线段的保护接线F2F1TQF3.5 接地装置的设计接地按其作用分两类，一位功能（或工作）接地，二为保护接地。功能接地为电力系统正常运行需要设置的接地，如三相交流系统中的发电机和变压器中性点接地，双极直流输电系统的中性点接地等。保护接地，也称为安全接地，是为保证人身和设备安全，将电气设备的金属外壳、底座。配电装置的金属框架和输电线路杆塔等外露导电部分接地，防止一旦绝缘损坏或产生漏电，人员触及发生电击。保护接地，是在故障条件下发挥作用的。另外，属于功能接地范畴的还有：在电子设备中，为获得稳定的参考电位（零电位）所设置的逻辑接地；为防止电磁干扰的屏蔽接地；为保证信号有稳定基准电位所设置的信号接地。而属于接地保护的还有防静电接地（将静电聚积电荷引入大地）和防电蚀接地（在地下埋设金属体作为牺牲阳极或牺牲阴极，以保护与其连接的金属体）等。1、接地计算：大地并非理想的导体，它具有一定的电阻率。所以当外界强制施加于大地内部某一电流时，大地就不能保持等电位。流进大地的电流经过接地线、接地体注入大地后，以电流场的形式向周围远处扩散，如图5-1 所示。图 3-17 半球接地极的电流场设接地装置（接地体）为一半径为r0的半球体，并认为接地体周围土质均匀，其电阻率为，当电流 Id接地体注入地中时，电流Id将从半球表面均匀地散流出去，在接地半球表面上的电流密度为：0Id2r02而在距半球球心为 x 的球面上，电流密度为：于是，大地中呈现出相应的电场分布，其电场强度为：xId2x2Exx在地中沿电流散流方向，在dx 段内的电压降落为：所以，在距离球心为 x 的球面上的电位为：d Ux Exd xxd xIdd x2x2UxdUxrxrxIdIddx 2x22rx而在半球接地体表面上的电位应为：UdId2r0故散流电阻为：Rd=Ud/Id由此可知，距离接地体（即电流注入点）越远，电流密度越小，电场强度越弱，电位越低。若在相当远处（一般距球心 20m 以外），地中电流密度很小（可近似为零），电场强度可视为零，则该处的电位仍保持为零电位。假设条件：土壤电阻率取 280 欧米，考虑季节系数 K=2，土壤电阻率按 560 欧米考虑。变电站最大短路电流为三相短路电流20.45kA；最大接地短路电流 Imax 为单相接地短路电流 15.04kA（有效值）；最大接地短路电流时，流经变电站接地中性点的最大接地短路电流为3.88 kA（有效值）。根据公式 I=(Imax-In)Kf，（Kf取 0.5）求得入地短路电流为 5.58kA，再由公式 R=2000/I可得，变电站接地电阻应不大于0.36 欧姆。根据电力工程电气设计手册(电气一次部分)912 页表 16-8 的估算公式：R=0.5计算S（=560，S=62*44=2728 平米），求得变电站复合接地网自身接地电阻为5.36 欧姆，大于 0.36 欧姆，达不到要求,必须采取降阻措施。因为变电站面积只有 62 米*44 米共 2728 平方米，站区面积有限，而且变电站四周均为已建设的城市用地，变电站外引接地线非常困难，因此变电站考虑尽量在所址范围内解决接地问题。2、跨步电压及接触电位允许值计算计算接触电位差和跨步电位差允许值：Ut 1740.17tt1740.7ttUs 式中：Ut接触电位差，V；Us跨步电位差，V；t人脚站立处地表面的土壤电阻率，欧m；t接地短路(故障)电流的持续时间，s。t 取值：为保护动作时间加相应的断路器全分闸时间。取1.12s。t 取值：在未做任何提高接触电压和跨步电位允许值的措施之前，变电站的土壤电阻率实测为280欧m，考虑季节系数后取 560 欧m。经计算Ut 1740.17t1740.17*560=254.4(V)（允许值）t1.121740.7t174 0.7*560Us=534.8(V)（允许值）t1.123、接地方案及计算从降低工程造价以及技术与经济性相结合的角度出发，变电站接地电阻设计值为1 欧，全所接地网沿水平接地体、垂直接地体敷设降阻剂，必要时可加打垂直接地桩；全所做绝缘高阻地面，以满足接触电位差及跨步电位差的要求。施加降阻剂后的接地电阻：在具体施工中施加降阻剂后，有效地扩大接地体与土壤接触面积，施加CFJ-1 型降阻剂，按18 公斤/米计算，按接地极总长度1563 米计算，约需 30 吨。L2ln根据：R 2Ldh：平均土壤电阻率560 m。L：接地极的总长度.水平加垂直 L=1563m。d：接地极的等效直径0.025m。h：接地极的埋深.0.8m。：降阻剂的利用率.50。56015632R ln23.140.515630.0250.8R=2.12()加打接地深井后的接地电阻：在站内与复合接地网配合，在四个边的中间打440 米的深井接地，深井直径200mm，接地极热镀锌钢管=100mm，侧壁钻=15mm 的溢流孔。井内用压力灌装机灌注降阻剂。L2ln根据公式：R 2nLdh：深 40 米土壤电阻率估计1200 m。L：深井接地极的总长度.40m。d：深井接地极的等效直径0.20m。h：深井接地极的埋深.0.8m。n：深井数4口。R=10.994()。并接水平地网后，根据：R R1R2K（k 为屏蔽系数，取 1.1）R1 R2 R=1.95()外沿接地体后的接地电阻：在站内四个角加打 4 口 5 米深的外沿接地井，后采用钻探配合，探头感应的方法施工，分别向6 个方向斜向外沿（其中有两个角同时向二个方向外沿），使原有接地网等效半径增加34 倍，在变电站内向外延伸的深埋接地极（变电站内采用机械施工，无需站外开挖），每根长度约80 米。接地井均灌注降阻剂，深井降阻剂用量约16 吨。采用钻孔深度 5 米外延接地网 80 米、孔径 300mm，放置100mm 无缝镀锌圆管，在钢管内外施放长效降阻剂的理论依据:R 114L14Llnln2Lk1dk2d1:深层土壤在考虑季节系数后土壤的电阻率取 560 m1:降阻剂的电阻率 0.4 md1:圆柱形的等效直径 0.3md：接地体（圆钢管）的直径 0.1mk1、k2:为接地体和降阻剂的计算系数，从有关列表中查得k1=0.98，k2=1。L:接地体埋设在地面下的长度 6 根5m/根30m，外延 6 根80m/根=480m。合计 510m。R 1 0.445105600.44510lnln23.145100.981010.3R 10.4085.318559.68.82532031R 4940.5 1.54()3203深井地网与原变电站地网并接后根据：R R1R2K（k 为屏蔽系数，取 1.1）R1 R2 R=0.95()并接部分模块：考虑在实际施工中存在不良因素，确保接地电阻达到R1.0,并且在 2030 年保持稳定性,在水平接地网中并接部分模块，根据经验估算：选用FMY-1209 型模块约 150 个。4、变电所的接地设计（1）在变电站集中安装了最重要的电气设备和电气装置，如变压器、断路器及各种控制屏、保护柜等。这些设备需要避雷针（线）和避雷器来实现防雷保护；同时，这些电气设备带电运行时，还要考虑值班人员的人身安全。因此，在变电站就需要有良好的接地装置，以实现综合满足工作接地、保护接地及防雷接地等的要求。在实际工程中，为保证安全及工作需要，一般是统一敷设接地网，而在避雷针（线）和避雷器附近下面，在加设一组集中的防雷接地体，加强泄放雷电流作用，从而构成了变电站完整的接地装置。变电站的接地装置要充分利用自然接地体，若自然接地体满足不了接地电阻值要求，则要加设人工接地体，而且多数是敷设以水平接地体为主的人工接地体。对大电流接地系统的变电站，不管自然接地体情况如何，必须装设人工接地体。对面积较大的接地网来说，装设水平人工接地体对均压、散流、降阻以及减小跨步电压和接触电压效果最好。变电站的接地网常采用 40mm4mm 的扁钢或直径为 20mm 的圆钢排列成方孔形或长孔形，埋地0.60.8m，在北方应埋在冻土层以下，其面积与变电站的面积相同或稍大，埋在变电站的围墙外侧，距墙 1.52m，四周外缘应闭合，外缘各角做成圆弧形，圆弧的半径不宜小于接地网内均压带间距的一半。网内敷设的均压带间距一般取 310m，可以等间距布置，也可以不等间距布置，但应按一定规律变化。（2）变电所的设计要求在中性点直接接地或经低电阻接地的变电站中，保护接地电阻要求：式中，Rd2000IRd为考虑季节变化时的最大接地电阻值，；I 为流经接地装置入地的计算短路电流，A，其大小按下式计算。当变电站内发生接地短路时，流经接地装置的入地电流为：式中，I （Imax IN)(1kf 1)为发生最大接地短路电流时，流经变电站接地中性Imax为接地短路电流的最大值，A；IN点的最大接地短路电流，A；kf 1为变电站内发生接地短路时避雷线的工频分流系数。当在变电站外发生接地故障时，流经接地装置入地的短路电流为：式中，I IN(1kf 2)IN为发生最大短路电流时，流经变电站接地中性点的最大短路电流，A；kf 2为在变电站外发生接地短路时避雷线的工频分流系数。在中性点不接地、经消弧线圈接地的变电站中，保护接地电阻应符合如下要求。当高、低压电气装置及设备共用接地装置时：且应使Rd120IRd 4。仅供高压电气装置接地保护用时：且要求Rd250IRd10Rd。两式中，A，有：都是考虑季节变化时的最大接地电阻值，；I 为经接地装置入地的计算短路电流，I UP(35Lx Lb)350Lx为有电气连接的电缆线路总长，km；式中，UP为相电压，kV；总长，km。Lb为有电气连接的架空线路对变电站电气装置及设备防雷保护接地电阻要求：独立避雷针（线）在一般土壤电阻率地区（500 m）其冲击电阻应满足：Rch10但在高土壤电阻率地区，接地电阻达到要求值很有困难，允许采用较高电阻值，但必须满足：独立避雷针与电气装置带电部分及电气设备接地部分和构架接地部分的空间距离为：Sk 0.2Rch 0.1h同时，独立避雷针的集中接地体与变电站接地网之间的地中距离应为：两式中，Sd 0.3RchRch为防雷电过电压的冲击接地电阻值，；Sk为防雷电反击的空间距离，m；为Sd防雷电反击的地中距离，m；h 为避雷针上用来校验反击的高度，m。（3）35KV 变电站接地设计该 35KV 变电站主变压器容量2500kVA，电压为 35/10.5kV，中性点不接地，经消弧线圈接地。最大运行方式下，低压母线三相短路电流为 4.25kA，单相短路电流为 10.8kA。低压侧主保护动作时限为 0.7s。变电站范围为长为 50m,宽为 40m。变电站电源进线为一回 35KV 架空线路，导线型号为 LJ-95，3km 长。电源变电站 35KV 母线最大运行方式下短路容量 500MVA，单相接地电容电流为 15A。35kV 出线继电保护动作时限为 1.4s。功率因数要求不小于 0.9。1.5m垂直接地体；水平接地体及均压带；接地线低 压 配 电 室工 具 间变压器室值 班 室高压配电室1.5m图 3-18 35/10.5KV变电站接地网示意图最热月平均温度27.9 C，最热月平均最高温度31.9 C，极端最高温度38.9 C，极端最低温度-9.4 C，最热月地下 0.8m 深处平均温度 27.2 C，年平均雷电日数 40 日/年。土壤电阻率 210 cm，中等含水量，土壤热阻系数 80 Ccm/W。接地设计步骤如下。接地电阻要求值因为中性点不接地、经消弧线圈接地，仅供高压电气装置接地保护用时，要oo4oooo求Rd250I，Rd10确定土壤电阻率考虑季节变化，土壤电阻率应乘以季节系数1.3，所以最大电阻率为：44 210 1.3 2.610 cm选择接地体及确定接地装置型式选角钢 L50505，长 3.5m 做垂直接地体；并选扁钢 40mm5mm 做水平接地体，构成以垂直接地体为主的复式接地装置。接地装置在距变电站建筑物