110kv变电所防雷设计方案

    依照设计任务书的要求，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。 

    若是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要不便，还有可能给国家造成大经济损失，这就要求防雷措施必定十分可靠变电所的防雷设计应做到设施先进、保护动作矫捷、安全可靠、保护方便，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施进行选择，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、防感觉雷以及变电所二次设施的防雷。经过对各种避雷器的性能比较，结合变电所实质情况，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。 

    氧化锌避雷器以其优越的性能，越来越碰到电力行业的关注。本次设计，将结合氧化锌避雷器性能的优点，并结合变电所设计的情况，议论氧化锌避雷器在变电所中的应用远景。

重点词：变电所 避雷器 防雷保护

1  序言

1.1 课题背景

变电所是电力系统的一个重要组成部分，由电器设施及配电网络按必定的接线方式所组成，它从电力系统获取电能，经过其变换、分配、输送与保护等功能，此后将电能安全、可靠、经济的输送到每一个用电设施。随着电力技术高新化、复杂化的迅速发展，电力系统在从发电到供电的所有领域中，经过新技术的使用，都在不断的发生变化。变电所作为电力系统中一个重点的环节也同样在新技术领域获取了充分的发展。作为电能传输与控制的枢纽，变电所的防雷保护也越来越获取重视。  

本次设计为110kV牵引变电所防雷设计，牵引变电所是指主要向牵引系统供电的变电所。牵引变电所主要应用于工矿企业电气化运输、城市公共交通、市郊电气化铁路、煤矿井下平巷运输和地面工业广场运输，为运输机车供应可靠的供电电源。

1.2 课题研究的意义

 随着科学技术的发展，作为现代工业发展的基础和先行官—电力工业，也随之有了很大的发展。电力需求的大大增加，促使电力技术和电力工业进一步向高电压，大机组，大电网的方向发展。  

110kV变电所是电力配送的重要环节，也是电网建设的重点环节。变电所设计质量的利害，直接关系到电力系统的安全、牢固、灵便和经济运行。变电所是电力系统的重要组成部分，它直接影响整个电力系统的安全与经济运行，是联系发电厂和用户的中间环节，起着变换和分配电能的作用。  

雷电放电落于电气设施上时,如没有特别保护,雷云放电能产生数百万伏的过电压电波,这种过电压足以使任何额定电压的设施发生绝缘闪络或击穿。从而会使设施破坏，甚至危及人身安全，造成不能够填充的损失。电力设施的造价宽泛较高，而且建筑工期较长，电力设施的破坏，不但会造成发电厂或变电所的巨大损失，更会影响到对用户的供电，造成更大面积、更严重的结果。  

雷电素来是危害电力系统安全牢固运行的重要因素之一，若是变电所发生雷击事故，将造成大面积停电,给社会生产和人民生活带来不便，这就要求防雷措施必定十分可靠。随着电力技术高新化、复杂化的迅速发展，电力系统在从发电到供电的所有领域中，经过新技术的使用，都在不断的发生变化。变电所作为电力系统中一个重点的环节也同样在新技术领域获取了充分的发展。而防雷保护作为变电所设计的一个重要环节，同样会有充分的发展空间。

众所周知，防雷的最有效方法就是架设避雷器。目前氧化锌避雷器(MOA）在电力系统中作为过电压措施的应用越来越宽泛，其雷电侵入波的保护能，特别是对电气设施的保护距离，已成为变电所工程设计、施工和运行亟待解决的问题。

2 系统设计方案的研究

2.1雷电对变电所的危害

2.1.1雷的直击和绕击危害

雷云单体浮在大地上空，其所带电荷拖着地表相反电荷忧如一个影子随风搬动。若是经过变电所的避雷针或地表其他突出物，地电荷会以致突出物顶端电场畸变集中。闪电开始从前先是雷云底部的始发先导按间歇分级跃进方式向地表发展，当距地面50～100m时，由避雷针等地表突出物电场畸变集中的地方产生垂直向上的迎面先导。两者相接，进入直击或绕击的主放电阶段。      

平时当地面上突出物的高度为h，雷云正下方的平均电场强度大于和等于580h-0.7kV/m时，则该突出物将简单碰到直击雷。原因是高为h的避雷针可影响雷云单体向下的始发先导发展方向的半径，用公式表述为: R=16.3h0.61m 。该式还表示，地表安装避雷针后，将会在其周边出现大量的散击，甚至对避雷针进行直击，对受避雷针保护范围内的物体进行绕击。     

一次雷击主放电一般为几万安培到十几万安培。刹时高热和电动力，会造成混凝土杆炸裂，小截面金属消融，惹起火灾和大爆炸，金属导体连接部分断裂破坏，建筑物倒坍，电气设施破坏。

2.1.2雷电反击危害

直击雷电流经过地表突出物的电阻入地散流。若是地电阻为10Ω，一个30kA的雷电流将会使地网电位上升至300kV。若是受雷击变电所输电线路来自另一个不同样样地网的变电所，那么上升的地电位与输电线上的电位将形成巨大反差，以致与输电线路相连的电气设施的破坏。不但是是输电线路、动力电缆，凡是引进变电所的金属管线都会惹起雷电反击。      

另一种雷电反击，对变电所的电子设施危害也不容忽视。雷电流沿变电所的接地网散流，支线上的雷电流和各点电位差异很大。连接在不同样样样电位地网上的电子设施。若是此间有电信号联系，那么高出其同意承受能力的地电位差将以致设施破坏。

2.1.3 感觉雷危害

直击雷放电的能量经过电磁感觉和静电感觉方式向周围辐射，以致设施过电压放电，则为感觉雷。显然，感觉雷危害是大面积的，是电子设施的克星。     

有资料计算表示，当雷击电流为30kA斜角波，雷云高度为3公里，导线高度为10m，击中距尾端般配的500m长架空线路中点100m处地面时，线路上感觉电压为150kV幅值的振荡波。此波为电磁感觉和静电感觉共同作用的结果。

还有计算显示，一栋由工字钢架构且金属部分连接成法拉第笼的10层（60m×30m×100m，每层高10m）的建筑物，被-2.6/40us，100kA的雷击中楼顶，其各层楼面1m高处的感觉电场垂直重量达数kV/m，随楼层降低感觉电场强度趋向于平均，但强度整体上无大的衰减。     

事实上，在生产实践中，雷击的静电感觉破坏力数倍于电磁感觉。静电感觉还可用雷击的二次效应理论来讲解。带电雷云飘浮在地表上空，地表带上与雷云相反的等量电荷。当雷击过后，雷击点地表变成电荷的相对空穴，周围高电荷地区内与地电位相对绝缘的导体上的电荷，将像受突然击发的水波同样冲向雷击点，以致设施打火，绝缘受损和电子设施无效。特别注意的是电子设施的高阻抗输入回路，信号回路等引线较长，且直接连接的金属体积较大处，诚然已作电磁障蔽（采用障蔽电缆且障蔽层两端接地）仍会碰到厄运。

2.1.4雷电侵入波危害

远方落雷，经过直击或电磁感觉和静电感觉方式从高压输电线路、配电线路、低压电源线路、通信线、电缆线、金属管道等路子侵入变电所，由于管线相对较长，且存在着分布电感和电容，使雷电流传速度减慢，这样一种现象用波传输理论来说明的看法称作雷电波。雷电波在传输过程中经过不同样样参数的连接线段或线路端点时，波阻抗发生变化会产生反射、折射，能够致波阻抗突变处的电压高升

好多，加大了对设施的危害。

2.2变电所简介

2.2.1变电所归纳

    电力牵引的专用变电所。牵引变电所把地区电力系统送来的电能，依照电力牵引对电流和电压的不同样样要求，转变成适用于电力牵引的电能，此后分别送到沿铁路线上空架设的接触网，为电力机车供电，也许送到地下铁道等城市交通所需的供电系统，为地铁电动车辆或电车供电。一条电气化铁路沿线设有多个牵引变电所，相邻变电所间的距离约为40～50公里。在长的电气化铁路中，为了把高压输电线分段以减小故障范围,一般每隔200～250公里还设有支柱牵引变电所,它除了完成一般变电所的功能外，还把高压电网送来的电能，经过它的母线和输电线分配给其他中间变电所。

    牵引变电所的主要电力设施是单机容量为10000千伏安以上的降压变压器,称主变压器或牵引变压器。工矿和城市交通大多采用直流电力牵引，故直流牵引变电所里除降压变压器外，还有把交流电变成直流电的半导体整流器。其他，各种牵引变电所中还适用来接通和开断电力电路的主断路器、为了检修和安全用的隔走开关，以及为了自动、远动控制和保护用的自动控制系统和断电保护系统。

2.2.2变电所主要任务

    将电能从电力系统传达给电力机车的电力装置的总称叫电气化铁路的供电系统，又称牵引供电系统，主要由牵引变电所和接触网两大部分组成。牵引变电所将电力系统输电线路电压从110kV(或220kV)降到所需要的电压，经馈电线将

电能送至接触网；接触网沿铁路上空架设，电力机车升弓后即可从其获取电能，用以牵引列车。牵引变电所所在地的接触网设有分相绝缘装置，两相邻牵引变电所之间设有分区亭，接触网在此也相应设有分相绝缘装置。牵引变电所至分区亭之间的接触网(含馈电线)称供电臂。

2.2.3变电所主接线

电气主接线又称为电气一次接线，变电所主接线是变电所中的重要组成部分，它的连接形式对于防范雷电入侵波有重视要的作用。它是将电气设施以规定的图形和文字符号，按电能生产、传输、分配序次及相关要求绘制的单相接线图。它把各电源送来的电能齐集起来，并分给各用户。它表示各种一次设施的数量和作用，设施间的连接方式，以及与电力系统的连接情况。因此电气主接线是发电厂和变电所电气部分的主体，对发电厂和变电因此及电力系统的安全、可靠、经济运行起重视要作用，并对电气设施选择、配电装置部署、继电保护、自动装置和控制方式的拟订有较大影响。

经过查找相关资料，以及参照《电力工程电气手册》，结合自己所学。对于本次设计的110kV牵引变电所的主接线设计为110kV侧采用单母分段的连接方式，35kV侧采用单母分段连接，10kV侧采用单母分段连接。  此方案设计的优点是：110kV侧采用单母分段的连接方式，供电可靠、调换灵便、扩建方便，35kV、

10kV采用单母分段连线，对重要用户可从不同样样段引出两个回路，当一段母线发生故障，分段断路器自动将故障切除，保证正常母线供电不中止，因此此方案同时兼顾了可靠性，灵便性，经济性的要求。此方案电气主接线图以下：

图2.1电气主接线图

2.3变电所防雷措施

2.3.1变电所碰到雷击的本源

    由于变电所是电力系统防雷的重要保护设施，若是发生雷击事故，将造成大面积的停电，严重影响社会生产和人民生活。因此要求变电所的防雷措施必定十分可靠。

变电所碰到雷击主要来自两个方面：

1.雷直击于变电所的设施上；

2.架空线路的雷电感觉过电压和直击雷过电压形成的雷电波沿线路侵入变电所。

因此直击雷和雷电侵入波对变电站进线及变压器的破坏的防范十分重要。

2.3.2变电所防雷详尽措施

变电所对于直击雷的保护一般采用装设避雷针或采用沿变电所进线段必定距离内架设避雷线的方法解决。

架空线路的雷电感觉过电压和直击雷过电压形成的雷电波沿线路侵入变电所，是以致变电所雷害的主要原因，若不采用防范措施，必定造成变电所电气设施绝缘破坏，引举事故。在变电所内装设避雷器的目的在于入侵雷电波的幅值，使电气设施的过电压不致于高出其冲击耐压值。而变电所的进线段上装设保护段的主要目的，在于流经避雷器的雷电流幅值及入侵雷电波的陡度。

2.3.3变电所对直击雷防范

装设避雷针是直击雷防范的主要措施避雷针是保护电气设施、建筑物不受直接雷击的雷电接收器。他将雷引到自己的身上，并安全导入大地中从而保护了周边绝缘水平比它低的设施免受雷击。

装设避雷针时对于35kv变电站必定装有的避雷针，并满足不发生反击的要求对于110kv及以上的变电所，由于此类电压等级配电装置的绝缘水平比较高，能够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施反击事故。

2.3.4变电所对雷电侵入波的防范

变电站对侵入波防范的主要措施是在其进线上装设阀型避雷器或保护缝隙。阀型避雷器的基本元件为火花缝隙和非线性电阻，目前，FS系列阀型避雷器为火花缝隙和非线性电阻其主要用来保护小容量的配电装置SFZ系列阀型避雷器，主要用来保护中等及大容量变电站的电气设施;FCZ1系列磁吹阀型避雷器，主要用来保护变电所的高压电器设施。

2.3.5变电站的进线防范

对变电站进线推行防雷保护，其目的就是流经避雷器的雷电电流幅值和雷电波的陡度。当线路上出现过电压时，将有行波沿着导线向变电站行进，其幅值为线路绝缘的50%冲击闪络电压。线路的冲击耐压比变电所设施的冲击耐压要高好多。因此，在凑近变电所的进线上加装避雷线是防雷的主要措施，若是没有架设避雷线，当凑近变电所的进线上碰到雷击时，流经避雷器的雷电电流幅值可高出5KA，且其陡度也会高出同意值，必定会对电路造成破坏。

2.3.6变压器的防范

变压器的基本保护措施是凑近变压器安装避雷器，这样能够防范线路侵入的雷电波破坏绝缘。

装设避雷器时，要尽量凑近变压器，尽量减少连线的长度，以便减少雷电电流在连接线上的压降。同时，避雷器的接线应该与变压器的金属外壳及低压侧中性点连接在一起，这样，当侵入波使避雷器动作时，作用在高压侧主绝缘上的电压就只剩下避雷器的残压了（不包括接地电阻上的电压压降），就减少了雷电对变压器破坏的时机。

2.3.7变电所的防雷接地

变电所防雷保护在满足要求此后还要依照安全和工作接地的要求敷设一个一致的接地网，此后避雷针和避雷器下面增加接地体以满足防雷的要求，也许在防雷装置下敷设单独的接地体。

3 防雷保护装置

防雷保护装置是指能使被保护物体防范雷击，而引雷于自己，并顺利地泄入大地的装置。电力系统中最基本的防雷保护装置有:避雷针﹑避雷线﹑避雷器和防雷接地等装置。

3.1避雷针

3.1.1避雷针原理

避雷针由金属制成，构造简单，安装方便，其保护原理是当雷云放电时使地面电场畸变,在避雷针的顶端形成局部场强集中的空间以影响雷电先导放电的发展方向，使雷电对避雷针放电,再经过接地装置将雷电流引入大地，从而使被保护物体免受雷击。避雷针的设计一般有一下几各种类：

（1）单支避雷针的保护

（2）两支避雷针的保护

（3）多支避雷针的保护。

变电所直击雷保护的基本源则：一是避雷针（线）与被保护物之间应有必定的距离，省得雷击针（线）时造成反击。二是雷针的接地装置与被保护物之间也应保持必定的距离Sd省得击穿，在一般情况下，不应小于3m。有时由于部署上的困难Sd无法保证，此时可将两个接地装置相联，但为了防范设施反击，该联接点到35kV及以下设施的接地线入地址，沿接地体的地中距离应大于15m，由于当冲击波沿地埋线流动15后，ρ≤500Ω·m时，幅值可衰减到原来的22%左右，一般不会引举事故了。

3.1.2避雷针设置原则

对于110kV以上的变电所，由于此类电压等级配电装置的绝缘水平较高，能够将避雷针直接装设在配电装置的构架上，因此雷击避雷针所产生的高电位不会造成电气设施的反击事故。装设避雷针的配电构架，应装设辅助接地装置，该接地装置与变电所接地网的连接点，距主变压器的接地装置与变电所的接地网的连接点的电气距离不应小于15m。其作用是使雷击避雷器时，在避雷器接地装置上产生的高电位，沿接地网向变压器接地址流传的过程中逐渐衰减，使侵入的雷电波在达到变压器接地址时，不会造成变压器的反击事故。由于变压器的绝缘较弱同时变压器又是变电所的重要设施，故不应在变压器的门型构架上装设避雷针。

避雷针保护范围的计算

避雷针是一种简单的防直击雷的装置。就国际电工委员会（IEC）介绍的滚球法对避雷针的保护范围进行了精确的计算。所谓滚球法是以hr为半径的一个球体，沿需要防直击雷的部位转动，当球体只波及接闪器（包括被利用作为接闪器的金属物）或接闪器和地面（包括与大地接触能承受雷击的金属物），而不波及需要保护的部位时，则该部分就获取接闪器的保护。不同样样类其他防雷建筑物的滚球半径如（表3.1）

表3.1建筑物防雷的滚球半径

    一、1根避雷针的保护范围

    1、当避雷针的高度h≤hr时

距地面hr处作一条平行于地面的平行线，以避雷针的针尖为圆心，hr为半径画弧，交水平线于A、B两点，又分别以A、B两点为圆心，hr为半径，从针尖向地面画弧。如图3.1所示，则图中曲线就是避雷针保护范围的界线，保护范围是一个对称的锥体。

                         图3.1单根避雷针保护范围剖面图

以图1中O点为原点，地面为X轴，避雷针为Y轴，成立直角坐标系。那么B点坐标为：

，即

    以B为圆心，为半径的圆的方程为：

    那么，避雷针在高度为的水平面上的保护半径为：

         （因弧在下半圆上，故取负号）

2、当避雷针的高度h≥hr时：在避雷针上取高度为hr的一点代替单根避雷针针尖作圆心，其他做法同上。

    二、两根等高避雷针的保护范围

当避雷针的高度h≤hr时，若两针之间的距离，其保护范围按单根避雷针的方法确定。若<，其保护范围按以下方法确定：

在地面上，分别以两根避雷针为圆心，为半径做弧，两弧订交于E、C两点，如图3.2

图3.2两根等高避雷针地面保护范围截面图

图3.3两根避雷针保护范围剖面图

    （1）在AEBC外侧的保护范围，按单根避雷针的方法确定。

    （2）在地面每侧的最小保护宽度b0为：

（勾股定理）

            由于：，

在AOB轴线上，如图3.3，O′距地面高度为hr，以O′为圆心，O′A（O′A＝O′B）为半径，在A、B两点间画弧。若以中心线OO′为y轴，地面为x轴，成立直角坐标系，则O′的坐标为（0，hr），弧所在的圆方程为：

    由于，因此依照勾股定理 （1）式

    那么，距中心线任一距离x处，其保护范围边缘上的保护高度hr能够由（1）式求得，即

    三、两根不等高避雷针的保护范围

当各避雷针的高度h1和h2均≤hr时，如图3.4所示:

图3.4两根不等高避雷针地面保护范围截面图

    若其保护范围按单根避雷针方法确定。

若D<其保护范围按以下方法确定。

（1）第一在距离地面高度为hr的水平线上找一点O’，使O’A=O’B即（勾股定理）如图3.4。

（由于，AH=D1，HO’=hr-h1，GO’=hr-h2,GB=D-D1）

（2）在地面上以避雷针A为圆心，为半径所作的弧与以B为圆心，为半径作的弧订交于E、C两点，如图3.5，则在AEBC外侧的保护范围，按单根避雷针方法确定：在地面每侧的最小保护宽度b0为：

  （勾股定理）

（  AO=D1）

图3.5两根不等高避雷针保护范围剖面图

（3）在AOB轴线上的保护范围的边缘是以O’为圆心，O’A=O’B=为半径所作的弧，如图3.4，若以OO′为y轴，地面为x轴，成立直角坐标系，则O′坐标为（0，hr），该弧所在的圆方程为：

    那么距离OO’轴线x处，其保护范围边缘上的保护高度为：

    四、矩形部署的四根等高避雷针的保护范围

见图3.6，若，其保护范围各按两根等高避雷针的方法确定若D2<，其保护范围按以下方法确定：

（1）四根避雷针外侧的保护范围各按两根等高避雷针的方法确定。

　　（2）B、E避雷针连线上的保护范围分别以B、E为圆心，hr为半径作弧线订交于O′点，如图3.7。又以O′为圆心，hr为半径，在B、E间作弧，这段弧即为针尖的保护范围。

图3.6 矩形部署四根避雷针地面保护范围截面图

图3.7 B、E避雷针连线上保护范围剖面图

    若以B、E垂直均分线为y轴，地面为x轴，成立直角坐标系则该弧所在的圆的方程为：

由于BO’=hr  GB=，GO’=，

因此OO’=O’G+GO=

则保护范围的最低点为：

                    （因弧在下半圆上，故取负号）

（3）分别以A、B两针之间的垂直均分线上的O点（距地面高度hr＋h0）为圆心，hr为半径作弧，如图3.8。与B、C和A、E两根避雷针所作出的该剖面的外侧保护范围延长圆弧订交于F、H点。若以避雷针A所在的直线为y轴，地面为x轴，成立直角坐标系，则O点的坐标为。

图3.8 A、B避雷针连线上保护范围剖面图

弧FH所在的圆方程为：

弧FG的圆心在G’，G’的坐标为（-b0，hr），弧FG所在的圆的方程为：

那么F点地址及高度可按以下两式计算确定

3.2避雷器

避雷器是一种过电压器，它实质上是过电压能量的接受器，它与被保护设施并联运行，看作用电压高出必定的幅值此后避雷器总是先动作，泄放大量能量,过电压,保护电气设施。在电力系统中宽泛采用的主若是阀式避雷器。依照额定电压(正常运行时作用在避雷器上的工频工作电压，也是使用该避雷器的电网额定电压)和灭弧电压有效值(指避雷器应能可靠地熄灭续流电弧时的最大工频作用电压)选择。

3.2.1避雷器作用原理

 避雷器平时接在导线和地之间，与被保护设施并联。当被保护设施在正常工作电压下运行时，避雷器不动作，即对地视为断路。一旦出现过电压，且危及被保护设施绝缘时，避雷器马上动作，将高电压冲击电流导向大地，从而电压幅值，保护电气设施绝缘。当过电压消失后，避雷器迅速恢复原状，使系统能够正常供电。

 避雷器的作用是经过并联放电缝隙或非线性电阻的作用，对入侵流动波进行削幅，降低被保护设施所受过电压值。

避雷器既可用来防范大气过电压，也可用来防范操作过电压。避雷器的作用是过电压以保护电气设施。

 避雷器是使雷电流流入大地，电气设施不产生高压的一种装置，主要种类有保护缝隙、管型避雷器、阀型避雷器和氧化锌避雷器等。 

3.2.2氧化锌避雷器的研究与应用

   氧化锌避雷器（MOA）是将相应数量的氧化锌电阻片（MOV）密封在陶瓷或其他绝缘体内而组成的。若因某些特别需要，也可近似于传统的碳化硅电阻片避雷器（SCA）同样，采用串连缝隙间隔工频电压。但一般都是充分利用MOV自己所拥有的优异的非线性，而不用串连缝隙，制作成无缝隙MOA。在选择MOA的参数时，

要求电力系统最高运行相电压低于参照电压，留有必定的差值。当系统出现过电压时，MOA将工作于大电流区，MOV表现低阻态，能有效地控制过电压。

氧化锌避雷器的特点  

  （1）氧化锌避雷器的通流能力大这主要表现在避雷器拥有吸取各种雷电过电压、工频暂态过电压、操作过电压的能力。  

   （2）氧化锌避雷器的保护特点优异氧化锌避雷器是用来保护电力系统中各种电器设施免受过电压破坏的电器产品，拥有优异保护性能。由于氧化锌阀片的非线性伏安特点十分优异，使得在正常工作电压下仅有几百微安的电流经过，便于设计成无缝隙构造，使其具备保护性能好、重量轻、尺寸小的特点。当过电压侵入时，流过阀片的电流迅速增大，同时了过电压的幅值，释放了过电压的能量，此后氧化锌阀片又恢复高阻状态，使电力系统正常工作。  

    (3)氧化锌避雷器的密封性能优异避雷器元件采用老化性能好、气密性好的优异复合外套，采用控制密封圈压缩量和增涂密封胶等措施，陶瓷外套作为密封资料，保证密封可靠，使避雷器的性能牢固。

   (4)氧化锌避雷器的机械性能

    主要考虑以下三方面因素：

1、承受的地震力； 

2、作用于避雷器上的最暴风压力； 

3、避雷器的顶端承受导线的最大同意拉力。 

   (5)氧化锌避雷器的优异的解污秽性能

无缝隙氧化锌避雷器拥有较高的耐污秽性能。 

目前国家标准规定的爬电比距等级为： 

II级中等污秽地区：爬电比距20mm/KV

III级重污秽地区：爬电比距25mm/KV 

IV级特重污秽地区：爬电比距31mm/KV

氧化锌避雷器的优势

1、串连缝隙氧化锌避雷器对暂态过电压的承受能力强。  

2、氧化锌避雷器拥有连续雷击保护能力。 

3、氧化锌避雷器能够防范工频能源的浪费。

 无缝隙氧化锌避雷器与传统有缝隙SCA比较的特点

 无缝隙MOA与有缝隙SCA两特点的比较如表3.2

表3.2无缝隙MOA与有缝隙SCA两者特点比较

3.2.5氧化锌避雷器在变电所中的发展远景

氧化锌避雷器的各项性能在各种类避雷器中都是处于当先地位，而且拥有理想的非线性伏安特点，能够做成无缝隙，保护性优越，无续流，通流变量大，体积小重量轻等优点。从这些优点能够看出，氧化锌避雷器在变电所中是有广阔的发展空间的。但目前氧化锌避雷器的造价要高于其他种类避雷器，从而了氧化锌避雷器的发展。但从长远看来，氧化锌避雷器以其优越的性能将会成为变电所防雷保护的一项重要设施。      

本次设计为牵引变电所的防雷保护，牵引变电所作为向牵引设施供应可靠电能的变电所，因此，对于其供电可靠性要求很高。氧化锌避雷器依赖其各项当先的性能，在牵引变电所中，能够优先考虑使用。

3.2.6氧化锌避雷器的安装要求

    正确选择安装金属氧化物避雷器安装使用与维修应注意的事项： 

　　(1) 安装前应校订铭牌，避雷器的系统额定电压应与安装点的系统电压切合； 

　　(2) 避雷器固定在支架上，其上端子与高压线相联系，下端子要可靠接地； 

　　(3) 不能够够将避雷器作为承力支持绝缘子使用，应尽量凑近被保护设施安装，以减小距离对保护奏效的影响； 

　　(4) 终端避雷器宜安装在跌落式熔断器此后，以利于开断时对它也起保护作用，变压器低压侧应装低压避雷器，以防范正反变换惹起的过电压破坏变压器； 

　　(5) 使用避雷器应注意使用地址的环境温度，金属氧化物避雷器不合适安装在有振动或严重污秽的地方及有严重腐化气体的场所； 

　　(6) 合成金属氧化物避雷器投入运行前和每运行满两年后，都应做预防性试验； 

　　(7) 金属氧化物避雷器采用黄铜双层底盖密封，投入运行后，每隔5年应进行预防性试验，测量泄漏电流时，在避雷器两侧应施加10kV直流电压(交流脉动不大于±1.5%)，要求泄漏电流切合其产品规定值； 

　　(8) 避雷器接地应切合接地规程要求。

3.3主控室及屋内配电装置对直击雷的防雷措施

   （1）若有金属屋顶或屋顶上有金属构造时，将金属部分接地；

   （2）若屋顶有钢筋混凝土构造，应将其钢筋焊接成网接地；

   （3）若构造为非导电体屋顶采用避雷保护，避雷带网格为8~10m，每格10~20m设引下线接地；

上述接地可与总接地网联接，并在连接处加装集中接地装置，其接地电阻应不大于10Ω。

3.4防雷接地

“防雷在于接地”，这句话含义说明各种防雷保护装置都必定配以合适的接地装置。将雷电泄入大地，才能有效地发挥其保护作用。接地是指将地面上的金属物体或电气回路中的某一节点经过导体与大地保持等电位，电力系统的接地按其功用可分三类:  

1、工作接地:依照电力系统正常运行的需要而设置的接地，它所要求的接地电阻值约在0.5~10Ω的范围内。

2、保护接地:不设这种接地，电力系统也能正常运行，但为了人身安全而将电气设施的金属外壳等加以接地,它是在故障的条件下才发挥作用的，它所要求的接地电阻值处于1~10Ω的范围内。

3、防雷接地:用来将雷电流顺利泄入大地，以减小它所惹起的过电压,它的性质忧如介于前两种接地之间，它是防雷保护装置不能够缺少的组成部分，它有些像工作接地;但它又是保障人身安全的有力措施，而且只有在故障下才发挥作用它又有些像保护接地，它的阻值一般在1~30Ω的范围内。因此可知，接地电阻取10Ω较合适。查接地装置αi(冲击系数)与ηn(接地装置的冲击利用系数)表,采用一字形的接地体。查得:

αi＝0.45

αi＝

（式中：—冲击电流下的电阻;—工频电流下的电阻）

＝0.45×10＝4.5Ω

4 本设计的防雷方案

4.1 电工装置的防雷设计

4.1.1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，以防范雷直击在导线上。若是线路全线有避雷线，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4.1所示：

图4.1 进线段保护

由于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施的冲击耐压要高好多，这对变电所设施绝缘以及避雷器的可靠动作都是很危险的；若是没架设避雷线，当凑近变电所的进线上碰到雷击时，进入变电所的雷电电流幅值可高出5kA，且其陡度也会高出同意值，必定会对站内设施造成破坏。因此对变电所进线推行防雷保护，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。

4.1.2 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。一些重要设施如变压器等，多半不是自恢复绝缘，其内部绝缘如故发生闪络，就会破坏设施。因此，变电所实际上是耐雷的。  

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。

对直击雷的防范一般采用避雷针或避雷线。

按实质运行经验校验后，我国标准目前介绍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，采用等高避雷针结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4.2所示。

图4.2 避雷针的摆放

    因此,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:第一验算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

因此可知,对保护物的宽度是能满足要求的。 因此,123针是满足要求的。

由于4针的摆放是长方形,因此，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、避雷针的成立点应避开人员经常通行的地方，应距离道路3m以上，否则应采用均压措施，或铺设碎石路沥青路面（厚5到8cm），以保证人身安全。  

2、为防范雷击避雷针时，雷电波沿电线传入室内，慎重将架空照明线、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，经常需要在避雷针或装有避雷针的架构上安装照明灯，这些 灯的电源必定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，也许与屋内低压配电装置相连接。

4.1.3雷电入侵波的保护 

由于雷击线路时机比雷击变电所多，因此沿线路侵入变电所的雷电过电压行波是很常有的。又由于线路的绝缘水平要比变压器或其他设施的冲击试验电压高好多，因此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当合的进线段保护。

(1)常用避雷器的特点：

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

因此，当线路碰到雷击时，保护缝隙第一因过电压而被击穿，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施的作用。可将保护缝隙配合自动重合闸使用。管型避雷器：管型避雷器实质是一种拥有较高熄弧能力的保护缝隙，伏秒特点较陡且放电分别性较大。一般的变压器和绝缘的冲击放电伏秒特点较平，两者不能够够很好的配合；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点而防雷的：在雷电波侵入时，由于电压很高（即发生过电压），缝隙被击穿，而非线性电阻阻值很小，雷电流便迅速进入大地，从而防范雷电波的侵入。当过电压消失此后，非线性电阻阻值很大，缝隙又恢复为断路状态。随时准备阻截雷电波的入侵。阀型避雷器分为一般型（FS和FZ）和磁吹型(FCZ和FCD)。

氧化锌避雷器：氧化锌避雷器是拥有优异保护性能的避雷器。利用阀片优异的非线性伏安特点，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，达到保护的奏效。这种避雷器和传统的避雷器的差异是它没有放电缝隙，利用氧化锌的非线性特点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因此其的特别性，对于防雷保护的要求更高，而且能够以更高的估计来保护变电所。因此本次设计中，所用避雷器选择氧化锌避雷器。避雷器装设的地址以下：

1、在变电所每组母线上设避雷器；

2、在变压器周边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定装设避雷器。

4.1.4 变电所二次设施防雷保护

    (1)二次设施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。但其抗电磁搅乱、抗过压和雷击的能力却变得十分纤弱。比方：电磁型继电器的摧毁能量为0.1J，而现在宽泛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，微电子设施的应用越来越宽泛，若是不采用有效的防范措施，这些纤弱的控制自动化设施就无法正常工作，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面防雷措施是有效的，它们保护一次设施免受直接雷击。但是单凭这些外面避雷设施，还远不足以除掉间接雷电或一次设施事故、操作对二次设施及微电子设施的危险影响，因此，变电所必定有一个的一、二次防雷防电磁冲击的保护网。

    (3)设施防雷保护的设计思想依照这一原则，为变电所内二次设施和电子设施创立一个优异的电磁环境，同时也是变电所运行人员人身安全的保炉。经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施免受冲击。IEC061312《雷电电磁脉冲的防范》及GB500571994《建筑物防雷设计规范》提出和规定了系统防范的看法和方法。要求在建筑物内外成立均压等电位系统，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；重申综合冶理、整体防守、分级泄流、层层设防的思路，把防雷看作一个系统工程。

(4)变电所二次设施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）、国际电信缔盟（ITU）等组织拟订了防雷电及防电磁冲击的标准，将建筑物防雷分为三类，表4.1为建筑物防雷分类列表。

表4.1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、障蔽、接地四项技术加之有效的防雷设施的综合。变电所外面防雷设施在接闪过程中，约泄放50%的雷电能量，其他的50%将经过建筑物自己的金属构造件、电源进线、通信信号线、网络线进入建筑物内部。

变电所二次设施防雷保护设计依照以下原则：

1、依照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中的数听闻明，低压配电第一级防雷保护所采用的电涌保护器必定能承受真是雷电电流冲击。  

2、依照雷电保护区的划分，变电所建筑物外面是裸露区，区内的设施最简单 受雷击破坏，危险性最高，定为0区。建筑物内部及传输机房所处的地址为非裸露区，可定为1区。越往内部，危险程度越低。

4.2 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。

4.2.1 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同样，如图3.11所示：

图4.3接地网的表示图

接地网总电阻能够按下式估计:

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。  

接地体组成网孔的目的，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，此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，将圆环变成方框后，占地面积将由原来的A变成，把计算圆环的接地电阻公式

中的A用代替，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，这主若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。依照变电所大小，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，能够依照以上公式计算。 

=0.958

=0.508

=0.883

4.2.2接地线

    接地线是连接接地体和电气设施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。

防雷接地

   变电所需要有优异的接地装置，以满足工作安全和防雷保护接地要求。一般的做法是依照安全和工作接地的要求，设置一个一致的接地网，此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

 此次的毕业设计，时间长、内容多，几乎涵盖了大学中所学的知识。我经过了从收集资料、设计、绘图、审察的整个过程。三个月的时间既充分又紧张。设计过程中，我获取了综合运用过去所学过的大部分课程进行设计的基本能力。本次设计中，主要完成了以下工作： 

   （1）介绍了各种雷击的危害

   （2）各种防雷装置的使用与计算

   （3）议论了氧化锌避雷器的应用远景。

   （4）解决了变电所防直击雷、雷电入侵波的问题。 

   （5）对于变电所的二次系统防雷提出了方案。 

   （6）剖析了变电所的防雷接地的可行性。 

   （7）对变电所防雷设计      

在这个过程中，我做到了学以致用，使设计思想在设计中获取锻炼和发展。在相关资料的帮助下，能结合自己的思路去设计。有好多地方是不懂的，但在老师的指导与帮助下得以解决。  

    在设计期间，自己着手查阅了大量的资料，一方面，充分地检验自己的设计能力，丰富了自己在电气设计特别是变电所设计方面的知识，为自己将来从事该专业工作打下了牢固的基础；另一方面，使我领悟到搞设计或科研需要具备慎重求实、谨言慎行和勇于献身的精神。此次的设计，我最大的收获就是学到了变电所的设计步骤与方法，还有学会了如何使用资料。

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