防雷和接地设计

防雷和接地设计
1.1 引言
电气设备在运行中承受的过电压，有来自外部的雷电过电压和由于系统参数发生变化时电磁能产生振荡，积聚而引起的内部过电压两种类型。

按其产生原因，它们又可分为以下几类：雷电过电压分为直击雷过电压、感应雷过电压和侵入雷电波过电压；内部过电压包括工频过电压（长线电容效应、不对称接地故障以及甩负荷）、谐振过电压以及操作过电压（操作电容负荷过电压、操作电感负荷过电压、解裂过电压和间歇电弧过电压）。

1.2 防雷设计
1.2.1变电站的直击雷保护
为了避免变电站的电气设备及其他建筑物遭受直接雷击，需要装设避雷针或避雷线，使被保护物体处于避雷针或避雷线的保护范围之内；同时还要求雷击避雷针或避雷线时，不应对被保护物发生反击。

（一）变电站应装设直击雷保护装置的设施
1．屋外配电装置，包括组合导线和母线廊道；
2．油处理室、燃油泵房、露天油罐及其架空管道、装设油台、大型变压器修理间、易燃材料仓库等建筑物；
3．雷电活动特殊强烈地区的主厂房、主控制室和高压屋内配电装置室。

（二）直击雷保护的措施
1.对主厂房需装设的直击雷保护，或为了保护其他设备而在主厂房上装设的避
雷针，应采取如下措施：
（1）加强分流：用扁钢将所有避雷针水平连接起来，并与主厂房内钢筋焊接成一体。

在适当地方接引下线，一般应每隔10~20m引一根。

引下线数目尽可能多些；
（2）防止反击：设备的接地点尽量远离避雷针接地引下线的入地点，避雷针接地引下线尽量远离电气设备；
（3）装设集中接地装置：上述接地应与总接地网连接，并在连接处加装集中接地装置，其工频接地电阻应不大于10Ω。

2.主控制室及屋内配电装置直击雷的保护措施：
（1）若有金属屋顶或屋顶上有金属结构时，将金属部分接地；
（2）屋顶为钢筋混泥土结构，将其钢筋焊接成网接地。

综上，对变电所必须进行防雷保护的对象和措施，可见下表：
本设计中采用220KV、110KV配电装置构架上装设避雷针，10KV屋内配电装置上装设独立避雷针进行直接保护，钢筋混泥土结构焊接成网并接地，为了防止反击，主变构架上不设置避雷针。

1.2.2 变电站的侵入雷电波保护
（一）配置原则
变电站采用避雷针保护后，电气设备几乎可以免受直接雷击。

而在与变电站相连的长达数十、数百公里的输电线路上，虽然有避雷线保护，但由于雷电的绕击和反击，仍然会危及变电站中的电气设备。

雷击线路时无论发生绕击还是反击，都会自雷击点产生向变电站方向传播的入侵电压波，入侵电压波的最大幅值等于线路绝缘的冲击放电电压，而变电站电气设备的绝缘水平通常低于低压线路的绝缘水平，因此入侵波对变电站的电气设备会构成严重威胁。

变电站中限制雷电入侵波过电压的主要措施是装设避雷器。

在母线上装设避雷器是限制雷电入侵波过电压的主要措施。

对于220kV及以下的一般变电站，无论变电站的电气主接线形式如何，实际上只要保证每一段可能单独运行的母线上都装有一组避雷器，就可以使整个变电站得到保护。

只有当母线或设备连接线很长的大型变电站，或靠近大跨越、高杆塔的特殊变电站，经过计算或验证证明以上布置不能满足要求时，才需要考虑是否在适当位置增设避雷器。

根据避雷器的配置原则，本设计中配电装置的每组母线上，应装设避雷器。

此外，变压器中性点接地必须装设避雷器，并接在变压器和断路器之间。

避雷器的类型选择为阀式避雷器。

（二）避雷器的选择
1、磁吹阀式避雷器的电气参数如下：
（1）额定电压U be ：避雷器的额定电压应与其安装地点系统的额定电压等级相同。

（2）灭弧电压U mi ：对35kV 及以下的中性点不接地系统，灭弧电压取为最高工作线电压的100%～110%；对110kV 及以上的中性点直接接地系统，灭弧电压取为系统最大工作线电压的80%。

（3）工频放电电压U gf ：指在工频电压作用下，避雷器发生放电的电压值。

在中性点绝缘或经阻抗接地的电网中，工频放电电压一般大于最大运行相电压的3.5倍；在中性点直接接地的电网中，工频放电电压应大于最大运行相电压的3倍。

工频放电电压应大于灭弧电压的1.8倍。

（4）残压Ubc ：按m i bc U U ⨯⨯=235.2计算来确定。

（5）冲击放电电压U chfs ：我国生产的避雷器其冲击放电电压与5kA 的残压基本相同。

2、避雷器的选择与校验
（1）220KV 侧避雷器的选择与校验 ①型式的选择
根据规程及本设计，选用Y10W 系列氧化锌式避雷器。

②额定电压的选择：
kV U U net N bc 220==⋅
因此选 Y10W-288/814避雷器，其参数如下表8-2所示。

表8-2 避雷器参数
③灭弧电压校验：
最高工作电压：kV U U net N 25215.1max ==⋅
直接接地：kV U c U d m i 2002528.0max =⨯=≥，满足要求。

④工频放电电压校验：
下限值：kV
U K kV U xg gfx 5.4363
25235030=⨯
=>= 上限值：
)
(8.5235.4362.12.1kV U U gfx gfs =⨯== ＜692kV
上、下限值均满足要求。

⑤残压校验：kV kV U U m i bc 814664200235.2235.2<=⨯⨯=⨯⨯=）（，满足要求。

⑥冲击放电电压校验：kV kV U U bc chfs 814)(63066495.095.0<=⨯==,满足要求。

综上，所选Y10W-288/814 型氧化锌避雷器满足要求 （2）110KV 侧避雷器的选择和校验 ①型式的选择
根据规程及本设计，选用Y10W 系列氧化锌式避雷器。

②额定电压的选择：
kV U U net N bc 110==⋅
因此选Y10W-198/444避雷器，其参数如下表8-3所示。

表8-3 避雷器参数
③灭弧电压校验：
最高工作电压： ）（kV U U net N 12611015.115.1max =⨯==⋅
直接接地： kV U c U d m i 8.1001268.0max =⨯=≥KV ，满足要求。

④工频放电电压校验：
下限值： kV
U K kV U xg gfx 218312632550=⨯
=>= 上限值：
)
(2612182.12.1kV U U gfx gfs =⨯== ＜378kV
上、下限值均满足要求。

⑤残压校验：）（kV U U m i bc 3348.100235.2235.2=⨯⨯=⨯⨯=＜444KV ，满足要求。

⑥冲击放电电压校验：）
（kV U U bc chfs 31733495.095.0=⨯==＜444KV ，满足要求。

综上，所选Y10W-198/444 型氧化锌避雷器满足要求。

（3）10KV 侧避雷器的选择和校验 ①型式的选择
根据规程及本设计，选用HY5WZ-15/40.5系列氧化锌式避雷器。

②额定电压的选择：
kV U U net N bc 10==⋅
因此选HY5WZ-15/40.5避雷器，其参数如下表8-4：
表8-4 避雷器参数
③灭弧电压校验：
最高工作电压： ）
（kV U U net N 5.111015.115.1max =⨯==⋅ 非直接接地： kV U c U d m i 5.115.110.1max =⨯=≥KV ，满足要求。

④工频放电电压校验：
下限值： ）（kV U K kV U xg gfx 2335
.115.3260=⨯
=>=
上限值：
)
(6.27232.12.1kV U U gfx gfs =⨯== ＜34.5
上、下限值均满足要求。

⑤残压校验：）（kV U U m i bc 21.385.11235.2235.2=⨯⨯=⨯⨯=＜40.5KV ，满足要求。

⑥冲击放电电压校验：）
（kV U U bc chfs 30.3621.3895.095.0=⨯==＜40.5KV ，
满足要求。

综上，所选HY5WZ-15/40.5 型避雷器满足要求。

1.2.3 变压器的防雷保护
三绕组变压器在正常运行时，可能出现只有高、中压绕组工作而低压绕组开路的情况。

这时，当高压或低压侧有雷电波作用时，因处于开路状态的低压侧对地电容较小，低压绕组上的静电分量可达很高的数值以致危及低压绕组的绝缘。

为了限制这种过电压，需在低压绕组出线端装一组避雷器，但若在低压绕组接有25m 以上金属外皮电缆时，因对地电容增大，足以限制静电感应过电压，故可不必再装避雷器。

主变压器220kV 、110kV 侧中性点是直接接地，因而需在中性点装设雷电过电压保护装置，选用金属氧化物避雷器。

35kV 侧中性点是非有效接地，其中性点采用全绝缘，运行经验表明不加保护时的故障率很低，故一般不需保护。

所用变压器高、低压侧均需装设阀式避雷器避雷器。

1.2.4内部过电压保护
内部过电压是指由于短路器操作、故障或其他原因，使系统参数发生变化，从而引起电网电磁能量的转化或积累所造成的电压升高。

内部过电压可分为操作过电压和暂时过电压两类。

操作过电压的持续时间一般很短（0.1s 以内），采用某些限压装置和其他技术措施加以限制。

暂时过电压持续的时间一般较长，应采用相应的措施加以限制。

如为了限制电弧接地过电压对设备绝缘的威胁，本设计主变压器220kV 、110kV 侧采用中性点直接接地的方式，这样单相接地将会造成很大的单相短路电流，断路器将立即跳闸而切断故障，经过一段短时间歇，让故障点电弧熄灭后再自动合闸，如能成功，可立即恢复送电；如不能成功，断路器将再次跳闸，不会出现断续电弧现象，可限制电弧接地过电压。

1.3 接地设计
1.3.1 接地概述
接地就是将需要接地的部分与大地相连。

根据接地目的接地可分为防雷接地、工作接地和保护接地等。

而与大地的连接都是靠接地装置来实现，接地装置由埋入地中的接地体和引下线构成。

变电站的接地装置除了减小接地电阻，以降低雷电流或短路电流通过时其上的电位升高的作用，而且还有均衡地面电位分布、降低接触电位差和跨电位差的作用。

而变电所中防雷接地是关键，防雷设备限压功能的发挥离不开良好的接地。

防雷接地是将雷电流安全导入大地进行的姐弟，避雷针、避雷器的接地就是防雷接地。

就防雷保护而言，其接地电阻都不能超过国家有关标准规定的数值。

影响接地装置接地电阻的主要因素是土壤电阻率、接地装置的形状和尺寸，接地电阻可通过相关的公式计算。

按接地装置内、外发生接地故障时，经接地装置流入地中的最大短路电流所造成的接地电位升高及地面的电位分布不致于危及人员和设备的安全，将变电站范围的接触电位差和跨步电位差限制在安全值之内的原则，进行本变电站接地装置的设计。

1.3.2 接地网型式的选择
220kv及以下变电站地网网格布置采用长孔网或方孔网，接地带布置按经验设计，水平接地带间距通常为5m～8m。

除了在避雷针（线）和避雷器需加强分流处装设垂直接地极外，在地网周边和水平接地带交叉点设置2.5m～3m的垂直接地极，进所大门口设帽檐式均压带，接地网结构是水平地网与垂直接地极相结合的复合式地网。

长孔与方孔地网网格布置尺寸按经验确定，没有辅助的计算程序和对计算结果进行分析，设计简单而粗略。

因为接地网边缘部分的导体散流大约是中心部分的3～4倍，因此，地网边缘部分的电场强度比中心部分高，电位梯度较大，整个地网的电位分布不均匀。

接地钢材用量多，经济性差。

在220kV及以下的变电工程中采用长孔网或方孔网，因为入地故障电流相对较小，地网面积不大，缺点不太突出。

1.4 避雷器选择结果（见表8—1）：。