避雷针的装设

本次设计为110kV变电所的防雷设计，变电所是电力系统中重要组成部分，而且变电所的电气部分要装设合理的避雷装置和接地装置，因此，它是防雷的重要保护对象。 

    如果变电所发生雷击事故，将造成大面积的停电，给人民生活和社会生产带来重大不便，还有可能给国家造成大经济损失，这就要求防雷措施必须十分可靠变电所的防雷设计应做到设备先进、保护动作灵敏、安全可靠、维护方便，在此前提下，力求经济合理的原则。 

    本次设计，主要对变电所的主要设备进行选择，重点设计变电所的防雷部分，包括变电所进线段保护、防直击雷、防感应雷以及变电所二次设备的防雷。通过对各种避雷器的性能对比，结合变电所实际情况，确定变电所的避雷器的选择，并考虑变电所控制系统的防雷，提出防雷方案。 

防雷设计方案

1 电工装置的防雷设计

1.1进线段保护

进线段保护是指在线路进入变电所的一段距离上（1~2km）安装避雷线，以防止雷直击在导线上。如果线路全线有避雷线，那么这一段距离的避雷线也称为进线段保护。保护接线如图1所示：

图1 进线段保护

因为当线路导线上出现雷电过电压时，将有行波沿导线向变电所运动，其幅值为线路绝缘的50％冲击闪络电压，而线路的冲击耐压比变电所设备的冲击耐压要高很多，这对变电所设备绝缘以及避雷器的可靠动作都是很危险的；如果没架设避雷线，当靠近变电所的进线上遭受雷击时，进入变电所的雷电电流幅值可超过5kA，且其陡度也会超过允许值，势必会对站内设备造成破坏。所以对变电所进线实施防雷保护，其目的就是进入变电所、流经避雷器的雷电电流幅值和雷电波的陡度，而且也是变电所防雷的主要环节。

1.2 直击雷的保护

变电所是重要的电力枢纽，一旦发生雷击事故,就会造成大面积停电。一些重要设备如变压器等，多半不是自恢复绝缘，其内部绝缘如故发生闪络，就会损坏设备。因此，变电所实际上是完全耐雷的。  

变电所的雷害事故来自两个方面：一是雷直击变电所；二是雷击输电线路产生的雷电波沿线路侵入变电所。

对直击雷的防护一般采用避雷针或避雷线。

按实际运行经验校验后，我国标准目前推荐d1和d2应满足下式要求:

在对较大面积的变电所进行保护时，采用等高避雷针联合保护要比单针保护范围大。因此，为了对本站覆盖，采用四支避雷针。被保护变电所总长108.5m宽79.5m，查手册，门型架构高15m。避雷针的摆放如图2所示。

图2 避雷针的摆放

    所以,需要避雷针的高度h为: 

四只避雷针分成两个三只避雷针选择

验算:首先验算123号避雷针对保护的高度: 

    1﹑2号针之间的高度：＞15m

    2﹑3号针之间的高度：＞15m

    1﹑3号针之间的高度:＞15m

由上可见,对保护物的高度是能满足要求的。对保护宽度: 

1﹑2号针的保护宽度:＞0

2﹑3号针之间的宽度:＞0

由此可见,对保护物的宽度是能满足要求的。 所以,123针是满足要求的。

由于4针的摆放是长方形,所以，134针也是满足要求的。即：四只高度选为35m的避雷针能保护整个变电所。

装设避雷针时应注意的几个问题：

1、避雷针的设立点应避开人员经常通行的地方，应距离道路3m以上，否则应采取均压措施，或铺设碎石路沥青路面（厚5到8cm），以保证人身安全。  

2、为避免雷击避雷针时，雷电波沿电线传入室内，严谨将架空照明线、电话线、广播线、无线电天线等架在避雷针上或其下的架构上。  

3、现场中，往往需要在避雷针或装有避雷针的架构上安装照明灯，这些 灯的电源必须采用金属外皮电缆或将导线穿入金属管，并应将电缆或金属管直接埋入地中10m以上，才能与35KV及以下配电装置的接地网相连，或者与屋内低压配电装置相连接。

1.3雷电入侵波的保护 

因为雷击线路机会比雷击变电所多，所以沿线路侵入变电所的雷电过电压行波是很常见的。又因为线路的绝缘水平要比变压器或其它设备的冲击试验电压高许多，所以变电所对行波的保护十分重要。雷电侵入波保护是利用避雷器以及与避雷器相配合的进线段保护。

(1)常用避雷器的特点：

    1、保护间隙：保护间隙构造简单，维护方便，但其自行灭弧能力较差。在正常情况下，保护间隙对地是绝缘的，并且绝缘强度低于所保护线路的绝缘水平，

因此，当线路遭到雷击时，保护间隙首先因过电压而被击穿，将大量雷电流泄入大地，使过电压大幅度下降，从而起到保护线路和电气设备的作用。可将保护间隙配合自动重合闸使用。

管型避雷器：管型避雷器实际是一种具有较高熄弧能力的保护间隙，伏秒特性较陡且放电分散性较大。一般的变压器和绝缘的冲击放电伏秒特性较平，二者不能很好的配合；管型避雷器动作后工作母线直接接地形成截波，对变压器纵绝缘不利。目前只用于线路保护。 

 阀型避雷器：阀型避雷器非线性电阻阻值很大，而在过电压时，其阻值又很小，避雷器正是利用非线性电阻这一特性而防雷的：在雷电波侵入时，由于电压很高（即发生过电压），间隙被击穿，而非线性电阻阻值很小，雷电流便迅速进入大地，从而防止雷电波的侵入。当过电压消失之后，非线性电阻阻值很大，间隙又恢复为断路状态。随时准备阻止雷电波的入侵。阀型避雷器分为普通型（FS和FZ）和磁吹型(FCZ和FCD)。

氧化锌避雷器：氧化锌避雷器是具有良好保护性能的避雷器。利用阀片良好的非线性伏安特性，使在正常工作电压时流过避雷器的电流极小（微安或毫安级）；当过电压作用时，电阻急剧下降，泄放过电压的能量，达到保护的效果。这种避雷器和传统的避雷器的差异是它没有放电间隙，利用氧化锌的非线性特性起到泄流和开断的作用。

    （2）变电所入侵波保护方案设计牵引变电所以其的特殊性，对于防雷保护的要求更高，并且可以以更高的预算来保护变电所。因此本次设计中，所用避雷器选择氧化锌避雷器。避雷器装设的位置如下：

1、在变电所每组母线上设避雷器；

2、在变压器附近及变压器中性点各增设一组氧化锌避雷器，三绕组变压器低 压侧的一相上设置一台避雷器；

3、35KV及以上电缆进线段，在电缆与架空线的连接处应装设避雷器；

4、SF6全封闭电器的架空线路侧必须装设避雷器。

1.4 变电所二次设备防雷保护

    (1)二次设备过电压防雷保护的必要性随着大规模集成电路的使用，电子元器件的性能大大提高。但其抗电磁干扰、抗过压和雷击的能力却变得十分脆弱。例如：电磁型继电器的摧毁能量为0.1J，而现在普遍使用的微机保护摧毁能量仅为0.001J。随着变电所综合自动化继电保护微机化改造，微电子设备的应用越来越广泛，如果不采取有效的防护措施，这些脆弱的控制自动化设备就无法正常工作，甚至成为电力系统的安全隐患。

    (2)变电所二次系统防雷保护原则  现时变电所所采用的外部防雷措施是有效的，它们保护一次设备免受直接雷击。但是单凭这些外部避雷设施，还远不足以消除间接雷电或一次设备事故、操作对二次设备及微电子设备的危险影响，因此，变电所必须有一个完整的一、二次防雷防电磁冲击的保护网。

    (3)设备防雷保护的设计思想根据这一原则，为变电所内二次设备和电子设备创造一个良好的电磁环境，同时也是变电所运行人员人身安全的保炉。通过安装在低压配电线路和信号线路上的电涌保护器（SPD），把能量较大的雷电流在纳秒级的时间内泄放入大地，使自动化系统通信和配电设备免受冲击。IEC061312《雷电电磁脉冲的防护》及GB500571994《建筑物防雷设计规范》提出和规定了系统防护的概念和方法。要求在建筑物内外建立均压等电位系统，指出现代意义的防雷工作应从以建筑物为保护重点，发展到以电子信息系统为保护核心；强调综合冶理、整体防御、分级泄流、层层设防的思路，把防雷看成一个系统工程。

(4)变电所二次设备防雷保护的设计原则  经过国内外专家学者大量的研究和试验工作，国际电工委员会（IEC）、国际电信联盟（ITU）等组织制定了防雷电及防电磁冲击的标准，将建筑物防雷分为三类，表1为建筑物防雷分类列表。

表1建筑物防雷分类列表

IEC/TC-81的技术定义将系统防雷工作总结为DBSE技术，即分流、均压、屏蔽、接地四项技术加之有效的防雷设备的综合。变电所外部防雷设施在接闪过程中，约泄放50%的雷电能量，其余的50%将通过建筑物本身的金属结构件、电源进线、通信信号线、网络线进入建筑物内部。

变电所二次设备防雷保护设计遵循以下原则：

1、根据GB500571994《建筑物防雷设计规范》要求，建筑物配电入户处加装波形为10/2μs/350μs的电涌保护器。表3.2中的数据说明，低压配电第一级防雷保护所选用的电涌保护器必须能承受真是雷电电流冲击。  

2、根据雷电保护区的划分，变电所建筑物外部是暴露区，区内的设备最容易 受雷击损坏，危险性最高，定为0区。建筑物内部及传输机房所处的位置为非暴露区，可定为1区。越往内部，危险程度越低。

2 接地装置  

    无论是工作接地还是保护接地，都是经过接地装置与大地连接，接地装置包括接地体和接地线两部分。

2.1 接地网 

接地网由扁钢水平连接，埋入地下0.5至1m，其面积S大体与变电所的面积相同，如图3.11所示：

图4.3接地网的示意图

接地网总电阻可以按下式估算: 

式中L—接地体的总长度（包括水平与垂直接地体）；       

S—接地网的总面积。  

接地体构成网孔的目的，主要在于均压，接地网中的两条水平接地带之间的距离一般可取3-10m，然后再校核接触电压和跨步电压后予以调整。方形接地网接地电阻的计算：

考虑到周长不变，将圆环变为方框后，占地面积将由原来的A变为，把计算圆环的接地电阻公式

中的A用取代，得方形接地网的接地电阻计算公式为：

式中：A——接地网面积  

l0——接地网周长 

l——水平接地体长度 

d——接地体直径 

ρ——土壤电阻率

如前所述，变电所工频接地电阻的数值一般大于0.5-5Ω范围内，这主要是为了满足工作和安全接地的要求，但随着电力系统容量不断增大，短路电流也猛增，IR>2000V，这就要求R<0.5Ω，才能保证运行的安全。本例中的垂直接地体采用直径为50mm，管壁厚为4mm，长度为2.5m的钢管，水平接地体采用宽度为40mm，厚度为5mm的扁钢。埋在地下0.8m。根据变电所大小，确定接地网的大小为7200m2，接地体总长度L为5600m，接地网外长度为480m，水平接地体所埋深度h为0.8m，土壤电阻率为100Ωm，等效直径因此，可以根据以上公式计算。 

=0.958

=0.508

=0.883

2.2接地线

    接地线是连接接地体和电气设备接地部分的金属导体， =0.508×0.883=0.449Ω<0.5Ω满足要求。

    一般接地不小于4mm×20mm扁钢或直径不应小于6mm的圆钢。

2.3防雷接地

   变电所需要有良好的接地装置，以满足工作安全和防雷保护接地要求。一般的做法是根据安全和工作接地的要求，设置一个统一的接地网，然后再在避雷针和避雷器下面增加接地体，以满足防雷接地的要求。

总结